CN102581236A

CN102581236A - 一种双金属包长碳纤维复合材料压力充芯连铸设备与工艺

Info

Publication number: CN102581236A
Application number: CN2012101002217A
Authority: CN
Inventors: 吴春京; 刘增辉; 孟效轲; 崔新鹏; 霍亮
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2012-04-06
Filing date: 2012-04-06
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2032-04-06
Also published as: CN102581236B

Abstract

一种双金属包长碳纤维复合材料压力充芯连铸设备与工艺，连铸设备由内层金属塞棒和碳纤维导向管、内层金属测温仪、内层金属加压盖、外层金属测温仪、充芯管、外层金属管测温仪、复合界面加压装置、隔热隔水板、二次冷却装置、牵引辊、精整辊、内层金属液加压管、内层金属控温炉、外层金属液加压管、外层金属加压盖、外层金属液控温炉、外层金属液控温结晶器、复合界面加压装置、加热元件、控温元件组成。内层金属在内层金属控温炉中熔化和保温，通过充芯管填充到已凝固的外层金属管内孔和其中有一束长碳纤维之中，与内层金属和碳纤维熔合和凝固成复合材料。充芯连铸的速度由牵引辊控制，外层金属管铸坯从外层金属控温结晶器中受压顶出。

Description

一种双金属包长碳纤维复合材料压力充芯连铸设备与工艺

技术领域

本发明属于金属材料领域，涉及一种双金属包长碳纤维复合材料压力充芯连铸设备与工艺。

背景技术

铜包铝、银包铝复合导体是在内层金属芯上同心地包覆铜（或银）层的双金属复合导体，主要用于高频信息传输，例如移动通讯信号的同轴电缆内导体，以及某些军事用途。移动通讯信号的频率很高，一般在50~800MHz，根据“趋肤效应”原理，高频的电磁波仅集中在导体的表面很薄的铜（银）层上传输，所以铜（银）包内层金属复合导体具有与铜（银）导体完全相同的传输性能。

美国、日本和德国等工业发达国家从70年代就开始生产铜包内层金属复合导体，目前已形成规模产业，并在高频传输领域内获得广泛的应用。美国已全部采用铜包内层金属复合导体，而不是纯铜作同轴电缆的内导体。铜包内层金属复合导体工业化生产的工艺模式主要有：内层金属镀铜法、轧辊压接法及包覆焊接法等三种。内层金属镀铜法的产品由于镀铜层的性能较脆，同时由于氧化内层金属膜阻碍界面结合，所以难以满足同轴电缆生产和使用的要求；轧辊压接法是将铜带与内层金属棒压接在一起，然后再将铜带接缝的凸耳切除，形成铜包内层金属坯，然后进行拉拔成形，这种工艺较复杂，轧压设备功率较大，投资费用较大；包覆焊接法是将经过清理的铜带逐步形成圆管状，包覆在清理过的内层金属棒周围，采用焊接法将铜管缝焊接起来，然后进行拉拔成形。三种方法均需要预先制备内层金属芯棒，复合时内层金属芯棒需要进行表面清洗；第二、第三种方法还需要预先制备铜带，同时需要进行严格的清洗。

目前国内外铜包内层金属复合导体主要采用包覆焊接法生产，其工艺流程为：①原材料的前处理，铜包内层金属复合导体的质量在很大程度上取决于原材料表面的清洁程度，因此，在包覆前应对铜带和内层金属棒进行彻底清理，除去表面的油污和氧化物；②包覆焊接，铜带在进入包覆焊接装置后逐步成形，在形成圆铜管过程中将内层金属棒包覆，然后采用钨极氩弧焊将不断向前运动的铜管纵缝连续焊接起来，形成具有均匀包覆层的铜包内层金属坯；③拉拔，铜包内层金属坯经过大型拉拔机和多道次拉拔至所需直径，在拉拔过程中，借助塑性变形和界面摩擦作用，铜与内层金属的界面部分实现冶金结合；④热处理，对拉拔后的铜包内层金属材料进行热处理，使铜与内层金属界面实现完全冶金结合，并消除应力。

此工艺存在的主要问题：①需要制备铜带和内层金属棒；②复合前铜带和内层金属棒需要进行严格的前处理，除去表面的油污和氧化物，但内层金属棒表面的氧化物在大气中是无法去除的，其影响铜与内层金属的界面实现良好的冶金结合。因此，包覆焊接生产成本高，生产效率低。

名称为“一种包复材料电磁顶出充芯连铸成形设备与工艺方法”、申请号为“201110045507.5”的中国发明专利公开了一种包覆材料充芯连铸的方法，该方法由上控温结晶器控制和下控温结晶器的冷却强度控制外层金属凝固成金属管，内层金属液在电磁力和重力的综合作用下垂直地面向下运动充满外层金属管并将金属复合棒坯顶出，同时在温度梯度的作用下逐渐凝固。该发明消除了一般连铸坯中易出现的裂纹、折痕，采用这种方法可以一次连铸铸造包覆材料。但该方法仅能制造双金属包覆材料，不能制备双金属包长碳纤维。同时，该方法由于在复合金属棒坯出口位置没有采用变径加压处理，没有设置精整工序，不能得到致密的双金属复合材料。由于只有双层金属的复合，材料的比强度调节范围较小。

发明内容

本发明的目的在于开发一种短流程、节能、廉价、适合大规模工业生产，并能获得在外层金属、内层金属和长碳纤维复合界面结合状态良好，外层金属熔点高于内层金属熔点，芯部填充长碳纤维的高比强度复合材料的一种层状复合材料压力充芯连铸工艺与设备。

一种双金属包长碳纤维层状复合材料压力充芯连铸成型设备，由内层金属塞棒和碳纤维导向管（2）、内层金属测温仪（3）、内层金属加压盖（4）、外层金属测温仪（6）、充芯管（8）、外层金属管测温仪（11）、复合界面加压出口测温仪（12）、隔热隔水板（13）、二次冷却装置（14）、牵引辊（15）、精整辊（16）、内层金属液加压管（18）、内层金属控温炉（19）、内层金属加热元件（20）、外层金属液加压管（21）、外层金属加压盖（22）、外层金属液控温炉（23）、外层金属加热元件（24）、外层金属液控温结晶器（25）、结晶器控温元件（26）、复合界面加压装置（27）、界面控温元件（28）组成。内层金属塞棒和碳纤维导向管（2）、充芯管（8）、外层金属液控温结晶器（25）和复合界面加压装置（27）沿引锭方向装配于同一轴线上；内层金属塞棒和碳纤维导向管（2）下端紧密与充芯管（8）上端相连，内层金属控温炉（19）下端紧密与充芯管（8）上端相连接；充芯管（8）下端伸入外层金属液中，由充芯管（8）隔离内层金属液与外层金属液，内层金属塞棒和碳纤维导向管（2）在连铸前阻止内层金属液和充芯管之间的连通，连铸过程中对碳纤维起导向作用；外层金属控温炉（23）下端紧密与外层金属控温结晶器（25）上端连接，内、外层金属控温炉（19、23）通过内、外层金属加热元件（20、24）保温和加热，通过内、外层金属测温仪（3、6）测温；外层金属控温结晶器（25）下端与复合界面加压装置（27）上端紧密相连，外层金属管测温仪（11）设置在复合界面加压装置（27）与外层金属控温结晶器（25）之间，复合界面加压出口测温仪（12）设置在复合界面加压装置（27）与隔热隔水板之间（13）；二次冷却装置（14）设置在隔热隔水板（13）和牵引辊（15）之间，精整辊（16）设置在牵引辊（15）下端。

如上所述一种双金属包长碳纤维层状复合材料压力充芯连铸成型设备，其工艺特征在于外层金属在外层金属控温炉（23）中熔化和保温，并注入由外层金属控温结晶器（25）和充芯管（8）外壁构成的内结晶器中凝固成外层金属管，内层金属在内层金属控温炉（19）中熔化和保温，通过充芯管（8）填充到已凝固的外层金属管内孔和其中有一束长碳纤维之中，在复合界面加压装置（27）中内层金属与外层金属管内壁、内层金属和碳纤维熔合和凝固成复合材料。连铸外层金属管的凝固温度主要由外层金属控温结晶器（25）控制，外层金属管内壁和内层金属、内层金属和碳纤维的加压复合温度主要由界面控温元件（28）控制。充芯连铸的速度由牵引辊（15）控制，主要由牵引辊（15）的拉力使复合界面加压装置（27）中的外层金属管减径，其产生的压力作用在外层金属管、内层金属和碳纤维的复合界面上，内层金属在复合界面上是在较大的压应力作用下凝固的，有利于提高其复合质量。通过外层金属液加压管（21）通入大于0.05MPa的氮气，可使外层金属管被拉下退让时，外层金属管铸坯从外层金属控温结晶器（25）中被顶出。牵引辊（15）辊面的线速度为V=0~4m/min，外层金属控温结晶器（25）的冷却强度为结晶器内的冷却液冷却，该冷却液的流速为5~12m/s；二次冷却装置（14）采用风冷或者冷却液冷却，该冷却装置的流速为0~5m/s，其中内、外层金属液测温仪（3、6）采用热电偶插入测温或者红外非接触测温；内层金属控温炉（19）和外层金属控温炉（23）采用电磁感应加热或电阻丝加热，内层金属控温炉（19）和外层金属控温炉（23）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以上500℃的范围内；充芯管（8）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；外层金属控温结晶器（25），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、喷风、自然冷却。

本发明和现有技术相比所具有的有益效果在于（以铜包铝和长碳纤维为例）：

1.效率高，在连铸铜管的同时，充填芯部铝液和长碳纤维，直接进行复合，适合于制备高强度、低密度、低成本的高频复合导体。

2.铜、铝与碳纤维界面结合状态好，铜管的内壁在成形脱离内结晶器后，直接与充芯的铝液接触，无论是铜管的内壁，还是与铜管内壁接触的铝液，都与空气完全隔离，界面无氧化物，也没有一般加工方法中易出现的油污等，易实现铜、铝与碳纤维复合界面组织的控制。

3.在外层金属控温结晶器内的铜管铸坯主要承受轴向压应力，铜管铸坯是被顶出的，而不是被拉出的，有利于提高铜管铸坯质量，消除一般连铸铜管坯中易出现裂纹、振痕。

4.由牵引辊的拉力使复合界面加压装置中的外层金属管减径、其产生的压力作用于外层金属管、内层金属和碳纤维的复合界面上，内层金属在复合界面上是在较大压应力作用下凝固的，有利于提高其复合质量。

5.碳纤维在碳纤维导向管中被加热粗化，在外层金属、内层金属与碳纤维复合界面结合状态好，并且在复合界面的凝固前沿有较大的压应力，可减少镀铜工序，提高界面复合强度。

附图说明

图1是本发明一种双金属包长碳纤维复合材料压力充芯连铸设备与工艺的示意图。

（1）碳纤维；（2）内层金属塞棒和碳纤维导向管；（3）内层金属测温仪；（4）内层金属加压盖；（5）内层金属液；（6）外层金属测温仪；（7）外层金属液；（8）充芯管；（9）外层金属固液界面；（10）外层金属管；（11）外层金属管测温仪；（12）复合界面加压出口测温仪；（13）隔热隔水板；（14）二次冷却装置；（15）牵引辊；（16）精整辊；（17）铜（银）包内层金属和长碳纤维复合材料；（18）内层金属液加压管；（19）内层金属控温炉；（20）内层金属加热元件；（21）外层金属液加压管；（22）外层金属加压盖；（23）外层金属控温炉；（24）外层金属加热元件；（25）外层金属控温结晶器；（26）结晶器控温元件；（27复合界面加压装置；（28）界面控温元件；（29）充芯复合内层金属液；（30）内层金属固液界面。

具体实施方式

实施方式1

铅包锡和长碳纤维层状复合材料压力充芯连铸成形

铅包锡和长碳纤维复合材料外层金属直径20mm，外层铅金属厚度4mm，芯部长碳纤维束直径为2mm，其余部分为锡金属填充，内层金属塞棒和碳纤维导向管（2）采用45号钢制成，上、下测温仪（3、6）采用热电偶测温；内层金属控温炉（19）和外层金属控温炉（23）的加热方式均采用电阻加热，内层金属控温炉（19）、外层金属控温炉（23）和充芯管（8）均采用45号钢制成；内层金属液加压管（18）、外层金属液加压管（21）均通入氮气，压力为0.05MPa，二次冷却装置（14）采用吹风冷却，其速度为3m/s；内层金属控温炉（19）的温度控制在其相应金属或合金凝固点至凝固点以上100℃的范围；外层金属控温炉（23）的温度控制在其金属或合金的凝固点至凝固点以上80℃的范围，控制外层金属控温结晶器（25）的冷却水流速为6m/s，调节连续铸造受压顶出的拉坯速度为V=0.04m/min，可获得高质量的铅包锡和长碳纤维复合棒材。试验结果显示：式样界面结合致密，结合面整齐，铅、锡和长碳纤维的同心度好，内层金属与外层金属的复合层宽度大约为0.3mm，很好地实现了冶金结合。

实施方式2

铜包铝和长碳纤维层状复合材料压力充芯连铸成形

铜包铝和长碳纤维复合材料外层金属直径12mm，外层铜金属厚度3mm，芯部长碳纤维束直径为2mm，其余部分为铝金属填充，，内层金属塞棒和碳纤维导向管（2）采用45号钢制成，上、下测温仪（3、6）采用热电偶测温；内层金属控温炉（19）的加热方式采用电阻加热、外层金属控温炉（23）的加热方式采用电磁感应加热；内层金属控温炉（19）、外层金属控温炉（23）和充芯管（8）均采用石墨制成；外层金属控温结晶器（25）采用水冷金属型结晶器内衬石墨制成；内层金属液加压管（18）、外层金属液加压管（21）均通入氮气，压力为0.2MPa，二次冷却装置（14）采用吹风冷却，其速度为5m/s；内层金属控温炉（19）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；外层金属控温炉（23）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，控制外层金属控温结晶器（25）冷却水流速为8m/s，调节连续铸造拉坯速度为V=0.025m/min，可获得内层金属与外层金属、长碳纤维、同轴度高的高质量连续铸造铜包铝和长碳纤维复合棒材。

实施方式3

银包铝和长碳纤维复合材料压力充芯连铸成形

银包铝和长碳纤维复合材料外层金属直径12mm，外层银金属厚度2mm，芯部长碳纤维束直径为3mm，其余部分为铝金属填充，内层金属塞棒和碳纤维导向管（8）采用45号钢制成，上、下测温仪（3、6）采用热电偶测温；内层金属控温炉（19）的加热方式采用电阻加热、外层金属控温炉（23）的加热方式采用电磁感应加热；内层金属控温炉（19）、外层金属控温炉（23）和充芯管（8）均采用石墨制成；外层金属控温结晶器（25）采用水冷金属型结晶器内衬石墨制成；内层金属液加压管（18）、外层金属液加压管（21）均通入氮气，压力为0.15MPa，二次冷却装置（14）采用吹风冷却，其速度为5m/s；内层金属控温炉（19）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；外层金属控温炉（23）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，控制外层金属控温结晶器（25）冷却水流速为8m/s，调节连续铸造拉坯速度为V=0.02m/min，可获得内层金属与外层金属、长碳纤维、同轴度高的高质量连铸铸造银包铝和长碳纤维复合棒材。

Claims

1.一种双金属包长碳纤维层状复合材料压力充芯连铸成型设备，其特征在于连铸成型设备由内层金属塞棒和碳纤维导向管（2）、内层金属测温仪（3）、内层金属加压盖（4）、外层金属测温仪（6）、充芯管（8）、外层金属管测温仪（11）、复合界面加压出口测温仪（12）、隔热隔水板（13）、二次冷却装置（14）、牵引辊（15）、精整辊（16）、内层金属液加压管（18）、内层金属控温炉（19）、内层金属加热元件（20）、外层金属液加压管（21）、外层金属加压盖（22）、外层金属液控温炉（23）、外层金属加热元件（24）、外层金属液控温结晶器（25）、结晶器控温元件（26）、复合界面加压装置（27）、界面控温元件（28）组成；内层金属塞棒和内层金属导向管（2）、充芯管（8）、外层金属液控温结晶器（25）和复合界面加压装置（27）沿引锭方向装配于同一轴线上；内层金属塞棒和碳纤维导向管（2）下端紧密与充芯管（8）上端相连，内层金属控温炉（19）下端紧密与充芯管（8）上端相连接；充芯管（8）下端伸入外层金属液中，由充芯管（8）隔离内层金属液与外层金属液；内层金属塞棒和碳纤维导向管（2）在连铸前阻止内层金属液和充芯管之间的连通，连铸过程中对碳纤维起导向作用；外层金属控温炉（23）下端紧密与外层金属控温结晶器（25）上端连接；内层金属控温炉（19）、外层金属控温炉（23）通过内层金属加热元件（20）、外层金属加热元件（24）保温和加热，通过内层金属测温仪（3）和外层金属测温仪（6）测温；外层金属控温结晶器（25）下端与复合界面加压装置（27）上端紧密相连；外层金属管测温仪（11）设置在复合界面加压装置（27）与外层金属控温结晶器（25）之间；复合界面加压出口测温仪（12）设置在复合界面加压装置（27）与隔热隔水板之间（13）；二次冷却装置（14）设置在隔热隔水板（13）和牵引辊（15）之间，精整辊（16）设置在牵引辊（15）下端。

2.如权利要求1所述的一种双金属包长碳纤维层状复合材料压力充芯连铸成型设备的连铸工艺，其特征在于外层金属在外层金属控温炉（23）中熔化和保温，并注入由外层金属控温结晶器（25）和充芯管（8）外壁构成的内结晶器中凝固成外层金属管，内层金属在内层金属控温炉（19）中熔化和保温，通过充芯管（8）内孔填充到已凝固的外层金属管内孔和其中有一束长碳纤维之中，在复合界面加压装置（27）中内层金属与外层金属管内壁、内层金属和碳纤维熔合和凝固成复合材料；连铸外层金属管的凝固温度由外层金属控温结晶器控制，外层金属管内壁和内层金属、内层金属和碳纤维的加压复合温度由界面控温元件（28）控制；充芯连铸的速度由牵引辊（15）控制，由牵引辊（15）的拉力使复合界面加压装置（27）中的外层金属管减径，其产生的压力作用在外层金属管、内层金属和碳纤维的复合界面上，内层金属在复合界面上是在压应力作用下凝固的，有利于提高其复合质量；通过外层金属液加压管（21）通入大于0.05MPa的氮气，可使外层上的外层金属管被拉下退让时，外层金属管铸坯从外层金属控温结晶器（25）中被顶出，而不是被拉出。

3.如权利要求2所述的一种双金属包长碳纤维复合材料压力充芯连铸工艺，其工艺特征还在于：通过内层金属液加压管（18）通入惰性气体的压力为0.05MPa~1MPa，通过外层金属液加压管通入惰性气体的压力为0.05~1MPa，牵引辊（15）辊面的线速度为V=0~4m/min，外层金属控温结晶器（25）的冷却强度为结晶器内的冷却液流速，该冷却液流速为5~12m/s；二次冷却装置采用风冷或水冷装置，风冷的风速为0~5m/s；水冷的喷水速度为0~5m/s，为需要提高长碳纤维和内层金属的结合强度，要预先在长碳纤维的表面镀铜。