CN102248151A - 一种金属-陶瓷层状复合铸坯的连续铸造装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种金属-陶瓷层状复合铸坯的连续铸造装置与方法，属于金属材料制备领域。其特征是使用常规连续铸造方法制备金属-陶瓷层状复合铸坯，在水冷结晶器上方加装开设了复式浇注口的浇注系统，在水冷结晶器内放置金属和石墨组合热交换装置，热交换装置一侧面具有冷却金属熔体的作用，另一侧和底面具有保温作用。铸造过程中芯层金属-陶瓷粉料和表层金属熔体通过各自的浇注口浇注到水冷结晶器内，由热交换装置隔开。生产出界面无气孔和氧化夹杂的金属-陶瓷层状复合材料，在汽车、舰船、航空航天、国防军工、石油化工以及核工业等领域有广阔的应用前景。

Description

一种金属-陶瓷层状复合铸坯的连续铸造装置与方法

技术领域

本发明属于金属材料制备领域，特别涉及到一种金属-陶瓷层状复合铸坯的连续铸造装置与方法。 

背景技术

金属-陶瓷层状复合材料是利用复合技术使两种或两种以上的物理、化学、力学性能不同的金属与非金属材料在界面上实现牢固结合而制备的一种新型复合材料，在保持母材特性的同时具有“互补效应”，显著弥补母材在各项性能方面的不足。广泛地应用于汽车、舰船、航空航天、国防军工、石油化工以及核工业等领域。 

目前制备金属-陶瓷层状复合材料的方法有多种。目前用以生产层状复合材料的主要方法有：扩散连接、钎焊、自蔓延高温合成连接等等。 

1、扩散连接 

在高温下将气态、固态或熔融状态的陶瓷材料，通过扩散作用从金属表面渗入内部以形成连接的方法，是目前研究较多的陶瓷/金属连接方法。如：哈尔滨工业大学，何鹏、冯吉才等提出的一种真空扩散连接陶瓷的方法(专利号：CN101182230)。陶瓷与金属基体之间依靠不同材料间扩散后固溶体或反应产物结合。其优点是可制备较大规格、结合牢固的复层材料，但由于工艺过程复杂，对表面加工和设备要求高。 

2、钎焊 

陶瓷与金属的钎焊方法，分为首先对陶瓷表面进行金属化处理的直接钎焊，和使用活性焊料的活性钎焊两种。如：华中科技大学，熊惟皓、叶大萌等提出的一种钎焊材料及其制备方法以及用其进行钎焊的方法(专利号：CN101327551)。该方法制备的复层材料局部存在固-固界面，生产效率低、无法生产大型的板材。 

3、自蔓延高温合成 

预先在陶瓷与金属连接处放置燃烧后能大量放热的固体粉末，将粉末局部点燃之后，粉末燃烧产生的大量热量使陶瓷与金属连接在一起，并同时将反应自发地进行下去。这种方法高效、节能、产品质量高。但是该方法难以获得致密度非常高的产品，是有待解决的一大问题。 

连续铸造法是将熔化的液体金属置于金属结晶器的上方，通过浇注系统连续地浇 注到结晶器内，凝固的固体铸坯经牵引机构连续地从结晶器下端拉出，是金属材料主要的生产方法之一。 

1999年公开的专利CN1229703多层复合材料一次铸造成形设备与工艺，是将两种金属分别在不同的熔炼设备中进行熔炼，同时或先后浇铸到铸型中。从而得到从液态开始顺序凝固的复层铸件，各结晶器沿引锭方向配置于同一轴线上。2003年公开的专利CN1413782复层材料的电磁连续铸造方法，在水冷结晶器外侧施加直流电磁场控制两种金属液的混流，直接连续铸造出左右两侧面具有不同成分的复层铸坯。2008年公开的专利CN101104325镁基层状复合材料及其复合铸造制备方法，通过设计组元材料的配合，在镁或镁合金的一侧或者两侧复合不同成分和性能的合金材料，各层之间以冶金方式结合，获得的镁基层状复合材料表现出优异的综合性能，满足不同场合对材料提出的要求。2008年公开的专利CN101125362铸造法制造金属层状复合材料工艺及设备，通过安装在铸模或水冷结晶器外部的电磁感应加热器对被复合金属进行加热到300-1200℃后，将熔化好的液态电渣倒入铸模或水冷结晶器内，将电极插入对其进行加热，金属液通过顶注式或底注式浇入铸模或水冷结晶器内，浇注完毕后，感应加热器和电极继续进行加热3-20分钟后在停止加热，即可以制造成各种几何形状的平面梯度层状复合材料、层合状复合材料和包覆形复合材料。2009年公开的专利CN101549392一种复层铸坯的电磁连续铸造方法与装置，在连续铸造水冷结晶器内插入石墨挡板，于水冷结晶器上方设置热顶，热顶内开设三个雨淋式浇注口，在水冷结晶器外侧、石墨挡板下端位置安装电磁制动器。铸造过程中内层金属液通过第一雨淋式浇注口浇注到水冷结晶器内，外层金属液通过第二和第三雨淋式浇注口浇注到水冷结晶器内，并由石墨挡板隔开，形成复层铸坯的三层，铁芯产生的电磁力阻碍石墨挡板下端的内层金属液和外层金属液混流。用两种或两种以上的金属液直接连续铸造出复层铸坯，保证了界面具有良好的冶金结合。2010年公开的专利CN201534212U一种复层金属铸锭的半连续铸造装置，在石墨内衬结晶器正上方放置内设雨淋式浇注口的热顶；在石墨内衬结晶器的空腔内插入形核装置；在石墨内衬结晶器外侧安装稳恒磁场发生装置。用该装置生产出的复层铸锭左右或内外层成分和性能不同，界面清晰、平直，具有牢固的冶金结合，铸锭表面光洁。1992年PCT.公开的专利WO92/18271多层板坯的连续铸造方法，提出一种研究利用在结晶器宽度方向上的水平磁场，通过磁场产生的洛仑兹力对金属液流动施加作用，阻止两种金属液的混合，在连铸过程中形 成界面清楚的层状复合钢坯。上述所有应用连续铸造方法制备层状复合材料的方法，都只针对金属-金属之间的复合，至今为止未见采用连续铸造法直接铸造金属-陶瓷层状复合铸坯的报道。 

发明内容

本发明提供了一种金属-陶瓷层状复合铸坯的连续铸造装置与方法。用该方法和装置生产出的复层铸锭左右或内外层成分和性能不同，界面清晰、平直，具有牢固的冶金结合，铸锭表面光洁。 

本发明的技术方案如下： 

一种金属-陶瓷层状复合铸坯的连续铸造装置，在水冷结晶器上方设置浇注系统，浇注系统内开设复式浇注口；水冷结晶器内放置由热交换装置和石墨挡板组成的周向封闭的复合热交换装置。热交换装置与热容量大的宽面的金属熔体接触；石墨挡板与热容量小的窄面的金属熔体接触，使复层铸坯周向凝固均匀。 

铸造过程中芯层陶瓷与金属混合粉料(以下简称陶瓷粉料)和表层金属熔体通过各自的浇注口同时浇注到水冷结晶器内，并由热交换装置和石墨挡板隔开，热交换装置将与其接触的表层金属熔体的温度冷却到液相线和固相线之间，形成半固态凝壳的金属-陶瓷层状复合铸坯，由底模向下牵引出。半固态凝壳阻止流动的表层金属熔体对芯层陶瓷粉料的冲击，避免芯层陶瓷粉料和表层金属熔体之间的混流，同时底模以一定速度连续下拉铸造出界面清晰，表面光洁，三层性能不同的复层铸锭。 

铸造过程中芯层陶瓷与金属混合粉料由不同粒度的陶瓷粉与金属粉按照比例混合而成。根据复层俦坯的性能要求将陶瓷粉与金属粉的比例范围控制在30-70％。 

本发明的有益效果是用陶瓷粉料与金属熔体直接连续铸造出复层铸锭，复合界面具有良好的冶金结合而且清晰、平直。铸锭各层的厚度比例任意可调，可大尺寸多种规格金属/陶瓷复层铸锭进行制备，极大降低了该种材料的生产成本，提高生产效率，工艺过程简单，有利于大批量连续生产。 

附图说明

附图1是金属-陶瓷层状复合材料电磁连续铸造装置结构示意图。 

附图2是金属-陶瓷层状复合材料电磁连续铸造装置的内部结构剖视图。 

图中：1热交换装置，2保温层，3冷却介质，4冷却介质流入、流出热交换装置的管道(每个换热装置上有两个，一为流入，一为流出)，5金属陶瓷混合粉料，6复式浇注口，7浇注系统，8水冷结晶器，9表层金属熔体，10表层半固态凝壳，11复 层铸坯复合界面，12底模，13石墨挡板。 

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。 

参看图1，金属-陶瓷层状复合材料的电磁连续铸造工艺原理示意图。 

将碳化硼和铝混合浆料与铝合金分别作为芯层和表层材料，铸锭尺寸为160mm×300mm×2500mm。水冷结晶器(8)由两套热交换装置(1)和两套石墨挡板(13)分隔成一个回字形的空腔。碳化硼和铝混合粉料与铝合金液分别通过各自浇注口(5)和(6)浇注到水冷结晶器(8)的空腔中，铝合金浇注温度为730℃。以85mm/min的速度牵引底模(12)，当铸造出的复层铸锭达到要求长度时，停止浇注，停止铸机，关闭冷却系统，切断电源。获得的铸锭的复合界面(11)具有良好的冶金结合，且界面清晰、平直，铸锭表面光洁。 

Claims (2)

1.一种金属-陶瓷层状复合铸坯的连续铸造装置，其特征是在水冷结晶器上方设置浇注系统(7)，浇注系统内开设复式浇注口(6)；在水冷结晶器(8)内放置由热交换装置(1)和石墨挡板(13)组成的周向封闭的复合热交换装置；热交换装置(1)与热容量大的宽面的金属熔体(9)接触；石墨挡板(13)与热容量小的窄面的金属熔体(9)接触。

2.使用权利要求1所述装置的连续铸造方法，其特征在于，

铸造过程中芯层陶瓷与金属混合粉料(5)和表层金属熔体(9)通过各自的浇注口同时浇注到水冷结晶器(8)内，并由热交换装置(1)和石墨挡板(13)隔开，热交换装置将与其接触的表层金属熔体的温度冷却到液相线和固相线之间，形成半固态凝壳的金属-陶瓷层状复合铸坯(10)，由底模(12)向下牵引出；

铸造过程中芯层陶瓷与金属混合粉料由不同粒度的陶瓷粉与金属粉按照比例混合而成，根据复层俦坯的性能要求将陶瓷粉与金属粉的比例范围控制在30-70％。

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