CN102069162A - 一种包复材料电磁顶出充芯连铸成形设备与工艺方法 - Google Patents

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梁贺
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刘增辉
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一种包复材料电磁顶出充芯连铸成形设备与工艺，属于金属材料中的连铸加工领域。设备由上、下控温结晶器、测温仪、芯部金属控温炉、外层金属控温炉、充芯管、电磁泵、二次冷却装置、限位装置、压力传感器、退让装置组成；上、下控温结晶器和芯部金属液充芯管沿连铸方向配置于同一轴线上；电磁泵安装在上、下控温结晶器的外侧，并与上、下控温结晶器装配于同一轴线上；芯部金属液充芯管上端与芯部金属控温坩锅连接，下端深入外层金属液中，由芯部金属液充芯管隔离外层金属液和芯部金属液，外层金属液冷却形成外层金属管，芯部金属液通过芯部金属液充芯管向外层金属管中浇注，复合坯由电磁泵施加压力顶出。本发明消除了一般连铸坯中易出现的裂纹、振痕，可以一次连续铸造包复材料，获得高质量的复合界面，后续加工生产成本低、效率高。

Description

一种包复材料电磁顶出充芯连铸成形设备与工艺方法
技术领域
本发明属于金属材料中的连铸加工领域，提供了一种包复材料电磁顶出充芯连铸成形的设备与工艺。
 背景技术
由于高新技术的发展对材料的苛刻要求，推动了新材料的发展。复合材料可以发挥其组成原材料的协同作用，同时又有很大的材料设计自由度，所以发展很快。它们不仅在应用范围上愈加广泛，而且在装饰性、导电性、导热性、耐蚀耐磨性和力学性能上得到提高，选材更合理和制造成本降低，结构与功能一体化成为这类材料深入发展的潜在优势。
现在，复合材料的大规模工业生产的方法主要有机械法、塑性变形法、冶金法。机械法又分为镶套、液压扩管、拉拔(见：日本伸铜学会编，铜ぉよぴ铜合金の基础と工业技术，(1988)，p.190－192)等方法，其特点为各复合层的界面为机械结合，界面结合强度低，且不适合于长尺寸包复材料的制备；塑性变形法(见：陈勇福等，轻合金加工技术，Vol.24，No.11(1996)，p.3；魏月贞，复合材料，机械工业出版社，(1987)，p.146)虽然可以实现冶金结合，但是要获得无氧化皮、无夹杂、完全清洁的复合界面往往十分困难，而且塑性变形法的生产工艺一般很复杂，生产成本高。
冶金结合法有反向凝固法、包复层连铸法、多层复合材料一次铸造成形法。反向凝固法(见：许中波，特殊钢，18卷增刊，p.15)是包复层金属液附在内部固体金属凝固，此方法有利于凝固补缩和铸轧辊的轧制，但为了保证包复层和母带界面良好复合，除控制母带浸入时间、包复层金属过热度。母带原始厚度关键工艺参数外，还需要对母带进行预处理。如果界面预处理效果不好，或者预处理后因不能马上使用又被氧化或污染，界面将无法良好复合。包复层连铸法(见：山本厚生，日本昭57－196464专利)是包复层金属液附在内部固体金属凝固，此方法有助于包复层金属液的凝固补缩，为了保证包复层与芯棒界面良好复合，除控制浇注温度、加热器功率、预热器功率、拉速等关键工艺参数外，还需要对芯棒上涂刷一层玻璃粉状涂料，以防止芯棒被氧化，如果界面防止氧化效果不好，或者包复金属时涂料不能完全上浮，界面将无法良好复合。多层复合材料一次铸造成形法(见：谢建新等，多层复合材料一次铸造成形设备与工艺，中国专利：98101042.3)，采用氧化防护套等措施，在连铸芯材的表面无氧化、无夹杂、无油污的条件下，热态直接连铸包复层，但此方法对包复金属熔点高于芯材金属熔点的情形难以控制，不利于高性能的外层金属熔点高于芯材浸入熔点的复合材料的大规模应用。
一种包复材料的一次铸造成形法(见：吴春京等，一种包复材料的一次铸造成形设备与工艺，中国专利，01109076.6)采用上下两个加热设备，使芯部金属与外层金属分别在上下两个加热器中熔化，在两个加热器中的温度达到规定的温度时，在电机动力牵引的引锭杆作用下，牵引外层金属液进入结晶器，在结晶器和导流管中形成外层金属管，芯部金属液随之进入外层金属管中，然后在一定的拉速下实现芯部金属和外层金属的复合。由于粘结力和摩擦力仍然存在，复合坯中必然存在拉应力，是其发生微裂纹主要原因。由于振痕、结晶器振动的动配合间隙和结晶器的磨损、凝固过程的不连续、复合坯中的拉应力原因，此方法不适合于制备精密的复合坯，如外径Φ15～20mm以下，外层壁厚1.0～3mm的复合坯。
发明内容
本发明的目的在于开发一种短流程、节能、廉价、适合于大规模工业生产，并能获得完全清洁复合界面的外层金属熔点高于芯材金属熔点一种包复材料电磁顶出充芯连铸成形设备与工艺方法。
一种包复材料电磁顶出充芯连铸成形设备，由上测温仪（1）、芯部金属液（2）、芯部金属控温坩埚（3）、芯部金属控温炉（4）、下测温仪（5）、外层金属控温坩埚（6）、外层金属控温炉（7）、外层金属（8）、芯部金属液充芯管（9）、外层金属固液界面（10）、电磁泵（11）、上控温结晶器（12）、下控温结晶器（13）、芯部金属固液界面（14）、二次冷却装置（15）、限位装置（16）、压力传感器（17）、退让装置（18）组成。外层金属控温炉在芯部金属控温炉的正下方，芯部金属液充芯管上端与芯部金属控温坩埚下端紧密连接并沿中轴线穿过外层金属控温炉；上控温结晶器的上端与外层金属控温坩埚下端连接，并与芯部金属液充芯管沿连铸方向装配于同一轴线上；电磁泵安装在上控温结晶器和下控温结晶器的外侧，并与上控温结晶器和下控温结晶器装配于同一轴线上；芯部金属液充芯管的下端深入外层金属液中，用于隔离外层金属液和芯部金属液；外层金属液在芯部金属液充芯管外侧和上控温结晶器所形成的铸型内冷却形成外层金属管；芯部金属液通过芯部金属液充芯管内孔向外层金属管内浇注，冷却凝固后形成复合坯；压力传感器和退让装置在复合坯下端。
一种包复材料电磁顶出充芯连铸成形工艺方法，采用上述连铸成形设备，其工艺特征在于外层金属在外层金属控温坩埚中保温和加热，注入由上控温结晶器和芯部金属液充芯管构成的铸型中凝固成外层金属管，芯部金属由芯部金属控温坩埚保温和加热，通过芯部金属液充芯管浇注到外层金属管内，在下控温结晶器中熔合和凝固成复合坯；外层金属管的凝固温度主要由上控温结晶器控制，外层金属管内壁和芯部金属液的复合温度由下控温结晶器控制；充芯连铸的速度由退让装置控制，退让装置对复合坯不产生拉力；当退让装置退让时，复合坯从下控温结晶器中被压出；连铸时外层金属液压力的大小由外层金属液高度产生的压力和电磁泵压力的大小来调节。
退让装置的退让速度为V＝0～4000mm/min，上控温结晶器的冷却强度为结晶器内的冷却水流速，该冷却水流速为5～12m/s；二次冷却装置采用风冷或水冷装置，风冷的风速为0～5 m/s，水冷的喷水速度为0～5 m/s，电磁泵压力的大小为0～0.4MPa。
连铸时电磁泵对外层金属液施加电磁力，使在结晶器内的复合坯主要承受压应力，外层金属铸坯被顶出。
其中上、下测温仪采用红外测温或者热电偶测温；芯部金属控温炉和外层金属控温炉采用电感加热或电阻加热；芯部金属控温坩埚和外层金属控温坩埚可采用耐火材料、石墨、陶瓷(含金属陶瓷)、高温合金、钢、铁等材料制成，一般控制在相应金属或合金的凝固点至凝固点以上500℃的范围内；芯部金属液充芯管，可采用耐火材料、石墨、陶瓷(含金属陶瓷)、高温合金、钢、铁等材料制成；上、下控温结晶器，可采用水冷的金属型、高温合金、钢、铁、耐火材料、石墨、陶瓷(含金属陶瓷)；二次冷却装置，采用喷水、吹风、自然冷却。 
外层金属在外层金属控温炉中熔化和保温，并通过电磁泵加压的方式注入由上控温结晶器和芯部金属液充芯管外壁构成的铸型中凝固成金属管。芯部金属在芯部金属控温炉中熔化和保温，通过芯部金属液充芯管内孔充填到已凝固的外层金属管内孔中，在下控温结晶器中，芯部金属和外层金属管内壁熔合和凝固成复合坯。上、下控温结晶器和芯部金属液充芯管沿连铸方向配置于同一轴线上，芯部金属液充芯管上端紧密与芯部金属控温坩埚连接，芯部金属液充芯管的下端深入外层金属液中，由芯部金属液充芯管隔离外层金属液和芯部金属液，形成外层金属管，芯部金属液则通过金属液充芯管内孔向外层金属管内浇注。连铸的速度由退让装置控制，退让装置对铸坯不产生拉力，与电磁泵一起构成对铸坯的加压系统。当退让装置退让时，复合坯从结晶器中被压出。压力的大小可由金属液高度的压差和电磁泵参数来调节。连铸外层金属管的凝固温度主要由上控温结晶器控制，外层金属管内壁和芯部金属的复合温度主要由下控温结晶器控制。金属控温坩埚的温度控制在相应金属或合金的凝固点至凝固点以上500℃的范围内。
本发明和现有技术相比所具有的有益效果在于
(1)复合坯采用电磁泵施加压，在结晶器内的铸坯主要承受轴向压应力被顶出，而不是被拉出，这样消除了一般连铸坯中易出现的裂纹、振痕，可以一次连续铸造包复材料，获得高质量的复合界面，后续加工生产成本低、效率高。
(2)外层金属在上控温结晶器和芯部金属液充芯管构成的铸型中凝固成外层金属管，同时芯部金属液通过芯部金属液充芯管浇注到外层金属管中与其熔合和凝固，从而实现外层金属熔点高于芯部金属熔点的复合材料连续铸造成形法。本发明的方法可以用于各种金属与金属、金属与合金、合金与合金的外层金属熔点高于芯部金属熔点的包复材料、零部件的铸造成形，达到短流程、节能降耗的目的。
(3)采用芯部金属液充芯管的下端深入到外层金属中，由芯部金属液充芯管隔离外层和芯部金属液，外层金属液冷却形成外层金属管，芯部金属液则通过金属液充芯管内孔向外层金属管内浇注，使外层金属管在成形脱离上控温结晶器后，直接与充芯的芯部金属液接触，无论是外层金属管管的内壁，还是与外层金属管内壁接触的芯部金属液，都与空气完全隔离，复合界面无氧化物，无夹杂，也没有一般加工方法中易出现的油污等，大大提高复合材料的质量、生产率和经济效益。
(4)外层金属液和芯部金属液分别由外层金属控温炉和芯部金属控温炉保温和加热，芯部金属液温度由外层金属管调节其复合温度，可以有效地实现外层金属和芯部金属液的凝固速度调节，以保证稳定连续铸造成形。
(5)后续加工工艺简化、效率高，高质量的复合坯可以直接上中小型的拉拔机，直接拉成≤Φ1mm的复合坯。由于外层金属与内层金属界面具有良好的冶金结合，不需要靠强拉拔变形和热处理来提高界面复合质量，因此既可以直接采用小规格坯料在中小型拉拔机上成形，减少拉拔道次，同时热处理的目的只需要考虑消除应力，而不需要在较高的温度和较长的时间下进行扩散焊接，提高了生产效率。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的设备结构图。1. 上测温仪，2. 芯部金属液，3. 芯部金属控温坩埚，4. 芯部金属控温炉，5.下测温仪，6. 外层金属控温坩埚，7. 外层金属控温炉，8.外层金属，9. 芯部金属液充芯管，10. 外层金属固液界面，11. 电磁泵，12. 上控温结晶器，13. 下控温结晶器，14. 芯部金属固液界面，15. 二次冷却装置，16. 限位装置，17. 压力传感器，18. 退让装置。
具体实施方式
  实施方式一：
铅包锡复合材料电磁顶出充芯连铸成形。
铅包锡金属复合棒外直径12mm，外层铅金属厚度2mm，上、下测温仪1、5采用热电偶测温；芯部金属控温炉和外层金属控温炉采用电阻加热，芯部金属控温坩埚3、上控温结晶器12、外层金属控温坩埚6和芯部金属液充芯管9均采用45号钢制成；控制电磁泵11压力为0.03MPa，二次冷却装置15采用吹风冷却，其速度为3m/s；芯部金属控温坩埚3的温度控制在相应其金属或合金的凝固点至凝固点以上100℃的范围；外层金属控温坩埚6的温度控制在相应其金属或合金的凝固点至凝固点以上80℃的范围，控制上控温结晶器12的冷却水流速为5m/s，调节连续铸造拉坯速度V＝30mm/min，可获得高质量的连续铸造铅/锡金属复合棒材。试验结果显示：试样界面结合致密，结合面整齐，复合层宽度大约为0.2mm，很好地实现了冶金结合。
实施方式二：
铜包铝复合材料电磁顶出充芯连铸成形。
铜包铝金属复合棒外直径12mm，外层铜金属厚度3mm，上、下测温仪1、5采用热电偶测温；芯部金属控温炉4采用电阻加热，外层金属控温炉7采用感应加热；芯部金属控温坩埚3、外层金属控温坩埚6和芯部金属液充芯管9均采用石墨制成；上控温结晶器12采用水冷金属型结晶器内衬石墨制成；控制电磁泵11压力为0.04MPa，二次冷却装置15采用吹风冷却，其速度为4m/s，芯部金属控温坩埚3的温度控制在相应其金属或合金的凝固点至凝固点以上200℃的范围；外层金属控温坩埚6的温度控制在相应其金属或合金的凝固点至凝固点以上100℃的范围，控制上控温结晶器12的冷却水流速为7m/s，调节连续铸造拉坯速度V＝25mm/min，可获得高质量的连续铸造铜包铝金属复合棒材。
实施方式三：
不锈钢包铁复合材料电磁顶出充芯连铸成形。
不锈钢/铁金属复合棒外直径12mm，外层不锈钢金属厚度3mm。上、下测温仪1、5采用红外测温；芯部金属控温炉和外层金属控温炉采用感应加热；芯部金属控温坩埚3采用石墨制成；外层金属控温坩埚6采用氧化镁耐火材料制成；芯部金属液充芯管9采用ZrO2陶瓷制成；上控温结晶器12采用水冷铜金属型结晶器制成；二次冷却装置15采用喷水冷却；其速度为5m/s，控制电磁泵11压力为0.1MPa，芯部金属控温坩埚3的温度控制在相应其金属或合金的凝固点至凝固点以上80℃的范围；外层金属控温坩埚6的温度控制在相应其金属或合金的凝固点至凝固点以上50℃的范围，控制上控温结晶器12的冷却水流速为10m/s，调节连续铸造拉坯速度V＝25mm/min，可获得高质量的连续铸造不锈钢/铁金属复合棒材。

Claims (3)

1.一种包复材料电磁顶出充芯连铸成形设备，其特征在于由上测温仪（1）、芯部金属液（2）、芯部金属控温坩埚（3）、芯部金属控温炉（4）、下测温仪（5）、外层金属控温坩埚（6）、外层金属控温炉（7）、外层金属（8）、芯部金属液充芯管（9）、外层金属固液界面（10）、电磁泵（11）、上控温结晶器（12）、下控温结晶器（13）、芯部金属固液界面（14）、二次冷却装置（15）、限位装置（16）、压力传感器（17）、退让装置（18）组成：外层金属控温炉在芯部金属控温炉的正下方，芯部金属液充芯管上端与芯部金属控温坩埚下端紧密连接并沿中轴线穿过外层金属控温炉；上控温结晶器的上端与外层金属控温坩埚下端连接，并与芯部金属液充芯管沿连铸方向装配于同一轴线上；电磁泵安装在上控温结晶器和下控温结晶器的外侧，并与上控温结晶器和下控温结晶器装配于同一轴线上；芯部金属液充芯管的下端深入外层金属液中，用于隔离外层金属液和芯部金属液；外层金属液在芯部金属液充芯管外侧和上控温结晶器所形成的铸型内冷却形成外层金属管；芯部金属液通过芯部金属液充芯管内孔向外层金属管内浇注，冷却凝固后形成复合坯；压力传感器和退让装置在复合坯下端。
2.一种包复材料电磁顶出充芯连铸成形工艺方法，采用权利要求1所述连铸成形设备，其工艺特征在于外层金属在外层金属控温坩埚中保温和加热，注入由上控温结晶器和芯部金属液充芯管构成的铸型中凝固成外层金属管，芯部金属由芯部金属控温坩埚保温和加热，通过芯部金属液充芯管浇注到外层金属管内，在下控温结晶器中熔合和凝固成复合坯；外层金属管的凝固温度主要由上控温结晶器控制，外层金属管内壁和芯部金属液的复合温度由下控温结晶器控制；充芯连铸的速度由退让装置控制，退让装置对复合坯不产生拉力；当退让装置退让时，复合坯从下控温结晶器中被压出；连铸时外层金属液压力的大小由外层金属液高度产生的压力和电磁泵压力的大小来调节。
3.如权利要求2所述的一种包复材料电磁顶出充芯连铸成形工艺方法，其工艺特征在于：退让装置的退让速度为V＝0～4000mm/min，上控温结晶器的冷却强度为结晶器内的冷却水流速，该冷却水流速为5～12m/s；二次冷却装置采用风冷或水冷装置，风冷的风速为0～5 m/s，水冷的喷水速度为0～5 m/s，电磁泵压力的大小为0～0.4MPa。
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