CN104493113B - 一种长碳纤维与金属复合连铸设备与工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种长碳纤维与金属复合连铸设备与工艺，涉及金属材料领域，以解决现有长碳纤维与金属复合材料性能差的问题。一种长碳纤维与金属复合连铸设备，包括碳纤维放线及预紧装置、导向轮、碳纤维放线装置支架、碳纤维位置矫正装置、碳纤维保护管、碳纤维位置矫正装置支架、金属控温炉、机架、结晶器、下端碳纤维固定及位置矫正装置和引锭机构；所述工艺包括如下步骤：放线穿线、金属熔化、牵引复合。本发明实施例用以提供一种生产高性能长碳纤维与金属复合连铸的设备及工艺。

Description

一种长碳纤维与金属复合连铸设备与工艺

技术领域

本发明涉及金属材料领域，特别是指一种长碳纤维与金属复合连铸设备与工艺。

背景技术

随现代科学的发展和技术的进步，对材料性能提出了更高的要求，往往希望材料具有某些特殊性能的同时，又具备良好的综合性能。传统的单一材料已经很难满足这种需要。因此，人们将注意力转向复合材料，复合材料是指由两种或两种以上成分不同，性质不同，有时形状也不同的相容性材料以物理方式合理的进行复合而制成的一种材料。其以最大限度的发挥各种材料的特长，并赋予单一材料所不具备的优良性能，复合材料的性能还具有可设计性的重要特征。

金属基复合材料相对于传统金属材料来说，具有较高的比强度和比刚度；与树脂基复合材料相比，又具有优良的导电性和耐热性；与陶瓷基材料相比，具有高韧性和高冲击性能。

用铸造法制备金属基复合材料，工艺比较简单，制品质量也较好，所以受到普遍的关注，铸造法中包括熔体搅拌铸造法、液相浸渗法和共喷射法等。同时，采用连铸技术简化生产工序，提高金属的收得率，节约能量消耗，改善劳动条件，易于实现自动化，铸坯质量好。

碳纤维是纤维状的碳材料，由有机纤维原丝在1000℃以上的高温下碳化形成，且含碳量在90％以上的高性能纤维材料。碳纤维主要具备以下特性：

(1)密度小、质量轻，碳纤维的密度为1.5-2g/cm3，相当于钢密度的1/4、铝合金密度1/2；

(2)强度、弹性模量高，其强度比钢大4-5倍；

(3)热膨胀系数小，导热率随温度升高而下降，耐骤冷、急热，即使从几千摄氏度的高温突然降到常温也不会炸裂；

(4)摩擦系数小，并具有润滑性；

(5)导电性好，25℃时高模量为775μΩ/cm，高强度碳纤维为1500μΩ/cm；

(6)耐高温和低温性好，在3000℃非氧化气氛下不熔化、不软化，在液氮温度下依旧很柔软，也不脆化；

(7)耐酸性好，对酸呈惰性，能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀。除此之外，碳纤维还具有耐油、抗辐射的特性。

制造碳纤维增强金属基复合材料的主要技术难点是碳纤维的表面涂层，以防止在复合过程中损伤碳纤维，从而使复合材料的整体性能下降。目前，在制备碳纤维增强金属基复合材料时碳纤维的表面改性主要采用气相沉积、液钠法等，但因其过程复杂、成本高，限制了碳纤维增强金属基复合材料的推广应用。

名称为“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”、申请号为“201210100221.7”的中国发明专利公开了一种通过充芯连铸工艺制备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融合和凝固成复合材料。但该方法仅能制造单束增强的双金属包覆复合材料，不能制备多束增强及具备后加工能力的铸态坯料，同时不能制备碳纤维增强金属管材、扁排。在碳纤维增强材料的位置精度控制上较差，没有较精确地位置矫正装置。由于碳纤维与部分金属存在反应，在没有保护套管的情况下反应时间长温度高，影响增强效果，同时采用单束增强，使增强效果较差，不如多束增强及编制增强效果明显。部分金属与碳纤维不发生反应，但界面润湿性很差，影响结合强度，加装超声波装置可以有较增强结合强度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种长碳纤维与金属复合连铸设备与工艺，以解决现有长碳纤维与金属复合材料性能差的问题。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种长碳纤维与金属复合连铸设备，包括碳纤维放线及预紧装置、导向轮、碳纤维放线装置支架、碳纤维位置矫正装置、碳纤维保护管、碳纤维位置矫正装置支架、金属控温炉、机架、结晶器、下端碳纤维固定及位置矫正装置和引锭机构；

所述导向轮、所述碳纤维位置矫正装置、所述碳纤维保护管和所述下端碳纤维固定及位置矫正装置位于设备的中轴线上，所述碳纤维放线及预紧装置和所述导向轮通过所述碳纤维放线装置支架固定在所述机架上位于设备顶端；

所述碳纤维位置矫正装置下侧与所述碳纤维保护管连接，且通过所述碳纤维位置矫正装置支架固定在所述金属控温炉上侧，所述金属控温炉固定在所述机架上侧，所述金属控温炉内设有用于盛放金属原料的漏斗状坩埚，所述碳纤维保护管底端插设在所述坩埚内，所述坩埚内设有金属测温仪；

所述坩埚下端外侧设有结晶器，所述结晶器固定在所述机架下侧，所述结晶器装配结晶器测温仪，所述坩埚的下端口处设有固定在所述引锭机构上的下端碳纤维固定及位置矫正装置，所述引锭机构与所述机架可相对滑动连接。

其中，所述碳纤维放线及预紧装置与所述导向轮之间设有编织机构。

其中，所述碳纤维放线及预紧装置与所述下端碳纤维固定及位置矫正装置的材质均为不锈钢，所述碳纤维保护管的材质为45钢或不锈钢或陶瓷。

其中，所述坩埚为金属型、石墨、陶瓷、高温合金、钢、铁等材料制成，所述结晶器为水冷铜结晶器或水冷石墨结晶器。

其中，所述金属控温炉通过电阻丝或电磁感应加热。

本发明还提供一种长碳纤维与金属复合连铸工艺，所述工艺包括如下步骤：

将长碳纤维一端由所述碳纤维放线及预紧装置拉出，并依次穿过所述导向轮、所述碳纤维位置矫正装置、所述碳纤维保护管和坩埚，最终固定在位于所述碳纤维下端固定及位置矫正装置上；

将金属原料置于所述坩埚内，开启所述金属控温炉进行加热至金属原料熔化；

在引锭机构的牵引和结晶器的冷却作用下，长碳纤维与连铸金属熔合凝固成复合材料。

其中，所述结晶器可根据不同金属原料替换为喷水冷却装置或吹风冷却装置。

其中，所述长碳纤维的预应力为0-30N，在所述长碳纤维表面镀层处理，以增加其预应力。

其中，所述结晶器上侧设有超声波发生器，以增强所述长碳纤维与连铸金属的表面润湿。

其中，所述金属控温炉的加热温度控制在相应金属原料的凝固点以上500℃范围内。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

(1)设备结构简单，维护方便，制作成本低，且可根据生产情况的不同添加不同的设备，灵活度高；

(2)可实现连续化生产，节能降耗；

(3)与传统对界面结合要求高，表面镀层等高成本制备相比，本工艺利用宏观力学原理进行复合，成本低，工艺简单，适合大规模生产；

(4)本工艺基于传统连铸工艺，在传统连铸工艺基础上进行了创新，传统连铸的研究理论可以很好地指导该工艺的调整与设计；

(5)通过调整碳纤维位置矫正装置，可以实现不同的碳纤维加入方式，同时做到碳纤维加入的精确控制。

附图说明

图1为本发明实施例连铸设备的结构示意图；

图2为本发明实施例生产的碳纤维芯部增强棒材示意图；

图3为本发明实施例生产的碳纤维弥散分布增强棒材示意图；

图4为本发明实施例生产的碳纤维中线分布棒材示意图；

图5为本发明实施例生产的碳纤维芯部增强扁排棒材示意图。

[主要元件符号说明]

1：碳纤维放线及预紧装置；

2：导向轮；

3：碳纤维放线装置支架；

4：长碳纤维；

5：碳纤维位置矫正装置；

6：碳纤维保护管；

7：碳纤维位置矫正装置支架；

8：金属测温仪；

9：坩埚；

10：金属控温炉；

11：金属原料；

12：机架；

13：结晶器测温仪；

14：结晶器；

15：连铸金属；

16：下端碳纤维固定及位置矫正装置；

17：引锭机构。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图1至图5所示，本发明实施例针对现有的长碳纤维与金属复合材料性能差的问题，提供一种长碳纤维与金属复合连铸设备，包括碳纤维放线及预紧装置1、导向轮2、碳纤维放线装置支架3、碳纤维位置矫正装置5、碳纤维保护管6、碳纤维位置矫正装置支架7、金属控温炉10、机架12、结晶器14、下端碳纤维固定及位置矫正装置16和引锭机构17；

所述导向轮2、所述碳纤维位置矫正装置3、所述碳纤维保护管6和所述下端碳纤维固定及位置矫正装置16位于设备的中轴线上，所述碳纤维放线及预紧装置1和所述导向轮2通过所述碳纤维放线装置支架3固定在所述机架12上位于设备顶端；

所述碳纤维位置矫正装置4下侧与所述碳纤维保护管6连接，且通过所述碳纤维位置矫正装置支架7固定在所述金属控温炉10上侧，所述金属控温炉10固定在所述机架12上侧，所述金属控温炉10内设有用于盛放金属原料11的漏斗状坩埚9，所述碳纤维保护管6底端插设在所述坩埚9内，所述坩埚9内设有金属测温仪8；

所述坩埚9下端外侧设有结晶器14，所述结晶器14固定在所述机架12下侧，所述结晶器14装配结晶器测温仪13，所述坩埚9的下端口处设有固定在所述引锭机构17上的下端碳纤维固定及位置矫正装置16，所述引锭机构17与所述机架12可相对滑动连接。

进一步的，所述碳纤维放线及预紧装置1的材质为不锈钢，对长碳纤维4增加预紧力，使其在铸造过程中保持紧绷状态，同时也可减少内部气隙，所述碳纤维放线及预紧装置1与所述导向轮2之间设有编织机构，用于编织长碳纤维4，增加表面粗糙度以增加结合强度，同时采用适当的编织技巧也可使坯料具备后续加工性。

进一步的，所述导向轮2、所述碳纤维位置矫正装置3、所述碳纤维保护管6和所述下端碳纤维固定及位置矫正装置16位于设备的中轴线上，方便长碳纤维4连铸，所述碳纤维放线及预紧装置1和所述导向轮2通过所述碳纤维放线装置支架3固定在所述机架12上位于设备顶端，方便放线操控。

其中，所述碳纤维位置矫正装置4下侧与所述碳纤维保护管6连接，且通过所述碳纤维位置矫正装置支架7固定在所述金属控温炉10上侧，所述碳纤维保护管6的材质为45钢或不锈钢或陶瓷，根据不同金属原料8选择不同材质的碳纤维保护管6。

进一步的，所述金属控温炉10固定在所述机架12上侧，所述金属控温炉10内设有用于盛放金属原料11的漏斗状坩埚9，并通过电阻丝或电磁感应度所述坩埚9加热，所述坩埚9为金属型、石墨、陶瓷、高温合金、钢、铁等材料制成，根据不同金属原料8选择不同材质的坩埚9，所述坩埚9内设有金属测温仪8，监控加热温度。

其中，所述坩埚9下端外侧设有结晶器14，所述结晶器14为水冷铜结晶器或水冷石墨结晶器，用于冷却连铸金属15，所述结晶器14固定在所述机架12下侧，所述结晶器14装配结晶器测温仪13，所述坩埚9的下端口处设有固定在所述引锭机构17上的下端碳纤维固定及位置矫正装置16，所述引锭机构17与所述机架12可相对滑动连接。

本发明还提供一种长碳纤维与金属复合连铸工艺，所述工艺包括如下步骤：

将长碳纤维4一端由所述碳纤维放线及预紧装置1拉出，并依次穿过所述导向轮2、所述碳纤维位置矫正装置5、所述碳纤维保护管6和坩埚9，最终固定在位于所述碳纤维下端固定及位置矫正装置16上；

将金属原料11置于所述坩埚9内，开启所述金属控温炉10进行加热至金属原料11熔化；

在引锭机构17的牵引和结晶器14的冷却作用下，长碳纤维4与连铸金属15熔合凝固成复合材料。

其中，所述结晶器14可根据不同金属原料替换为喷水冷却装置或吹风冷却装置，或根据金属原料11的需求拆除冷却装置采用喷水冷却、吹风冷却或自然冷却。

其中，所述长碳纤维4的预应力为0-30N，在所述长碳纤维表面镀层处理，以增加其预应力。

其中，所述结晶器14上侧长碳纤维4与连铸金属15接触之处设有超声波发生器，以增强所述长碳纤维4与连铸金属15的表面润湿。

其中，所述金属控温炉10的加热温度控制在相应金属原料11的凝固点以上500℃范围内。

上述技术方案的有益效果如下：

(1)设备结构简单，维护方便，制作成本低，且可根据生产情况的不同添加不同的设备，灵活度高；

(2)可实现连续化生产，节能降耗；

(3)与传统对界面结合要求高，表面镀层等高成本制备相比，本工艺利用宏观力学原理进行复合，成本低，工艺简单，适合大规模生产；

(4)本工艺基于传统连铸工艺，在传统连铸工艺基础上进行了创新，传统连铸的研究理论可以很好地指导该工艺的调整与设计；

(5)通过调整碳纤维位置矫正装置，可以实现不同的碳纤维加入方式，同时做到碳纤维加入的精确控制。

实施例1

铝和长碳纤维层状复合材料铸造成形

铝和长碳纤维层状复合材料为直径12mm棒材，芯部长碳纤维束直径为2mm；金属控温炉加热方式采用电阻加热；金属控温炉温度控制在金属凝固温度点100℃的范围；坩埚采用石墨材质；结晶器采用水冷石墨结晶器，采用循环水冷却方式；碳纤维预紧力控制在0-20N；试验结果显示：试样界面结合致密、整齐，较纯铝材质试棒力学性能有较大提升。

实施例2

铜和长碳纤维层状复合材料铸造成形

铜和长碳纤维层状复合材料为外径20mm，内径14mm管材，管壁长碳纤维束直径为1mm；金属控温炉加热方式采用电磁感应加热；金属控温炉温度控制在金属凝固温度点100℃的范围；坩埚采用石墨材质；结晶器采用水冷铜结晶器，采用循环水冷却方式；碳纤维预紧力控制在0-20N；试验结果显示：试样界面结合致密、整齐，较纯铜材质管力学性能有较大提升。

实施例3

铅和长碳纤维层状复合材料铸造成形

铅和长碳纤维层状复合材料为直径15mm棒材，芯部长碳纤维束直径为1mm；金属控温炉加热方式采用电阻加热；金属控温炉温度控制在金属凝固温度点100℃的范围；坩埚采用45钢；碳纤维预紧力控制在0-20N；采用吹风冷却方式；试验结果显示：试样界面结合致密、整齐，较纯铅材质试棒力学性能有较大提升。

实施例4

锡和长碳纤维层状复合材料铸造成形

锡和长碳纤维层状复合材料为直径15mm棒材，芯部长碳纤维束直径为1mm；金属控温炉加热方式采用电阻加热；金属控温炉温度控制在金属凝固温度点100℃的范围；坩埚采用45钢；碳纤维预紧力控制在0-20N；采用吹风冷却方式；试验结果显示：试样界面结合致密、整齐，较纯锡材质试棒力学性能有较大提升。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种长碳纤维与金属复合连铸设备，其特征在于，包括碳纤维放线及预紧装置、导向轮、碳纤维放线装置支架、碳纤维位置矫正装置、碳纤维保护管、碳纤维位置矫正装置支架、金属控温炉、机架、结晶器、下端碳纤维固定及位置矫正装置和引锭机构；

所述导向轮、所述碳纤维位置矫正装置、所述碳纤维保护管和所述下端碳纤维固定及位置矫正装置位于设备的中轴线上，所述碳纤维放线及预紧装置和所述导向轮通过所述碳纤维放线装置支架固定在所述机架上位于设备顶端；

所述碳纤维位置矫正装置下侧与所述碳纤维保护管连接，且通过所述碳纤维位置矫正装置支架固定在所述金属控温炉上侧，所述金属控温炉固定在所述机架上侧，所述金属控温炉内设有用于盛放金属原料的漏斗状坩埚，所述碳纤维保护管底端插设在所述坩埚内，所述坩埚内设有金属测温仪；

所述坩埚下端外侧设有结晶器，所述结晶器固定在所述机架下侧，所述结晶器装配结晶器测温仪，所述坩埚的下端口处设有固定在所述引锭机构上的下端碳纤维固定及位置矫正装置，所述引锭机构与所述机架可相对滑动连接。

2.根据权利要求1所述的长碳纤维与金属复合连铸设备，其特征在于，所述碳纤维放线及预紧装置与所述导向轮之间设有编织机构。

3.根据权利要求1所述的长碳纤维与金属复合连铸设备，其特征在于，所述碳纤维放线及预紧装置与所述下端碳纤维固定及位置矫正装置的材质均为不锈钢，所述碳纤维保护管的材质为45钢或不锈钢或陶瓷。

4.根据权利要求1所述的长碳纤维与金属复合连铸设备，其特征在于，所述坩埚为金属型、石墨、陶瓷材料制成，所述结晶器为水冷铜结晶器或水冷石墨结晶器。

5.根据权利要求1所述的长碳纤维与金属复合连铸设备，其特征在于，所述金属控温炉通过电阻丝或电磁感应加热。

6.一种长碳纤维与金属复合连铸工艺，其特征在于，所述工艺包括如下步骤：

将长碳纤维一端由碳纤维放线及预紧装置拉出，并依次穿过导向轮、碳纤维位置矫正装置碳纤维保护管和坩埚，最终固定在位于碳纤维下端固定及位置矫正装置上；

将金属原料置于坩埚内，开启金属控温炉进行加热至金属原料熔化；

在引锭机构的牵引和结晶器的冷却作用下，长碳纤维与连铸金属熔合凝固成复合材料。

7.根据权利要求6所述的长碳纤维与金属复合连铸工艺，其特征在于，所述结晶器可根据不同金属原料替换为喷水冷却装置或吹风冷却装置。

8.根据权利要求6所述的长碳纤维与金属复合连铸工艺，其特征在于，所述长碳纤维的预应力为0-30N，在所述长碳纤维表面镀层处理，以增加其预应力。

9.根据权利要求6所述的长碳纤维与金属复合连铸工艺，其特征在于，所述结晶器上侧设有超声波发生器，以增强所述长碳纤维与连铸金属的表面润湿。

10.根据权利要求6所述的长碳纤维与金属复合连铸工艺，其特征在于，所述金属控温炉的加热温度控制在相应金属原料的凝固点以上500℃范围内。