CN105312520A - 碳化硅颗粒增强铝基复合型材铸轧成形设备及铸轧方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种碳化硅颗粒增强铝基复合型材铸轧成形设备，其包括碳化硅颗粒增强铝基材复合浆料制备装置、滑动水口、布流组件、带有异形截面孔型的双辊铸轧机。本发明还提供了一种制造碳化硅铝基材复合型材的连续铸轧方法，利用机械搅拌方法制备碳化硅颗粒增强铝基材复合浆料，并将其通过布流组件，连续均匀地注入两铸轧辊单元组成的铸轧熔池内，实现碳化硅颗粒增强铝基材复合型材的连续铸轧成形。该方法采用液态复合浆料浇注，解决了难变形金属基复合材料型材近终成形问题，也可以通过浇注合金钢、铝合金、镁合金等其他金属熔液，实现单质金属异型截面型材的直接铸轧成形，替代传统挤压成形工艺，具有节能、流程短、高效等优点。

Description

碳化硅颗粒增强铝基复合型材铸轧成形设备及铸轧方法

技术领域

本发明涉及一种碳化硅颗粒增强铝基复合型材铸轧成形设备及方法，属于单质金属及金属基复合材料铸轧成形技术领域。

背景技术

碳化硅颗粒增强铝基材复合材料(SiliconCarbideParticulateReinforcedAl-matrixComposite，简称SiCp/Al复合材料)具有高的比强度、比模量，优异的耐热性、耐冲击和耐磨性等优点。异形截面SiCp/Al复合型材，作为一种兼具轻量化和功能化的新型金属基复合材料，在航空航天、汽车制造、船舶制造、电子通讯等行业具有广泛应用前景。目前，可通过搅拌铸造法、粉末冶金法和喷射沉积法制得SiCp/Al生坯，再进行二次成形获得终态型材。但由于SiCp/Al复合材料的可加工性一般较差，异型截面型材加工主要采用挤压、模锻等成形工艺，流程较长且易形成组织不均匀和界面损伤导致的隐性微裂纹等缺陷。为满足现代高端产业对颗粒增强金属基复合材料的迫切需求，亟待开发断面结构合理、工艺高效稳定以及产品规格更广的异型截面型材近终成形新技术。

双辊连续铸轧技术是近年来材料成形方向备受关注的热点之一，它将快速凝固技术和轧制技术结合起来，使得金属熔体在辊缝之间完成凝固和热轧两个过程，是一种短流程近终成形技术。目前，该技术已被广泛应用于铝合金、镁合金板带铸轧成形生产，在合金钢、硅钢等黑色金属以及双金属层状复合材料成形方面也有所突破。搅拌铸造是目前较为简便、低价的SiCp/Al复合材料制备方法，可实现微纳尺度SiC增强颗粒和体积分数4～20％的复合材料生坯制备。将SiCp/Al复合材料浆料机械搅拌制备技术、双辊铸轧与孔型轧制工艺相结合，为SiCp/Al复合型材的直接铸轧成形提供了可能。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种短流程的简单异形截面型材铸轧成形设备及工艺，以实现碳化硅颗粒增强铝基(简称SiCp/Al)复合型材或镁合金、铝合金、合金钢等单质金属型材的近终成形。

具体的，本发明提供一种碳化硅铝基材复合型材铸轧成形设备，其包括双辊铸轧机、架设在所述双辊铸轧机的机架之上的复合浆料制备装置，所述复合浆料制备装置包括加热炉、罩住所述加热炉的外罩、布流组件、钢包、搅拌器、碳化硅颗粒添加装置和热电偶；

所述布流组件位于加热炉的底壁上，其包括基座、设置在基座中的导流管、位于导流管的出口端上的滑动水口和布流器，所述布流器位于所述双辊铸轧机的第一辊和第二辊所形成的辊缝的上方；

所述钢包设置在基座上其内容纳由铝基材和碳化硅颗粒构成的复合浆料；

所述碳化硅颗粒添加装置包括颗粒加料口、管道和出料口，所述出料口位于钢包上方中间位置处；

所述搅拌器包括设置在外罩上的电机、高度调节机构和由所述电机驱动的叶片，所述叶片插入到所述复合浆料中；

所述热电偶通过外罩上的通孔而插入到复合浆料中。

优选地，所述第一辊和第二辊均包括芯辊和辊套，所述辊套与所述芯辊之间为过盈配合结构，所述辊套的外表面沿圆周方向开设不同形状孔槽，使所述辊缝形成异型截面孔型。

优选地，所述颗粒加料口为漏斗状并且所述管道为耐高温陶瓷管道。

优选地，所述加热炉中设有通入氩气或氮气的保护气体导管。

优选地，所述高度调节机构包括调节手轮、齿轮和齿条，所述调节手轮与齿轮连接，所述电机外壳上沿轴向安装有齿条；

所述电机为直流调速电机，其能驱动所述搅拌器以0～1000rpm转速旋转，所述高度调节机构能驱动所述搅拌器沿高度方向位置调节，所述位置调节的行程为0-500mm。

优选地，所述第一辊和第二辊水平平行布置，所述辊缝与位于双辊铸轧机第一辊和第二辊两侧的侧封装置一起构成复合浆料的铸轧熔池。

优选地，所述第一辊和第二辊的直径为所述辊套厚度为20～50mm。

优选地，所述芯辊表面开设有冷却水道，所述辊套内孔两侧开设有密封槽，所述密封槽用于容纳实现与所述芯辊过盈配合的密封圈，所述密封槽的槽底部壁厚不小于10mm。

本发明还提供一种制造碳化硅铝基材复合型材的连续铸轧方法，其包括以下步骤：

S1、将碳化硅颗粒在空气中加热至1000℃，保温1～3个小时后缓慢冷却至20-25℃，对其表面进行氧化处理；

S2、根据待生产产品规格选择相应孔型的铸轧辊，完成铸轧辊系装配，调节辊缝并对齐异型截面孔型；

S3、将铝合金坯料置入钢包中，通过保护气体导管向加热炉内腔内通入氩气或氮气，待加热炉内腔的内部空气被排空后，启动加热炉，将铝合金加热至640℃～700℃；

S4、启动电机，驱动搅拌器对钢包内铝液进行搅拌，在铝液中心处形成漩涡，同时通过碳化硅颗粒添加装置将预处理过的碳化硅颗粒以0.5～2g/s的速度加入铝熔液漩涡内，直至颗粒完全、均匀地分散到铝液中，获得体积分数为4～30％的碳化硅颗粒增强铝基材复合浆料；

S5、预热布流组件至200～450℃，调整位置使其对齐铸轧辊系的辊缝后开启所述铸轧机，设定铸轧辊转速为0.5～2m/min；以及

S6、打开滑动水口，将制备好的复合浆料通过布流组件均匀稳定地注入由铸轧熔池内，随着两铸轧辊的转动，复合浆料在具有异型截面孔型的铸轧区内完成凝固和轧制成形，得到相应截面的碳化硅颗粒增强铝基材复合型材。

优选地，S1步骤中碳化硅颗粒的直径为100nm～200μm，S3步骤中气体流量为2～5L/min，S4步骤中电机转速为80～1000rpm且搅拌时间为10～30分钟。

本发明的有益效果是：

1)利用机械搅拌制备复合浆料，可实现不同体积分数、颗粒尺寸的浆料在线制备，保证了增强颗粒与铝基材体混合均匀性，且具有高效、便捷和低成本优势；

2)利用布流组件，将SiCp/Al复合浆料均匀浇注入双辊铸轧机，将快速凝固与热轧变形相结合，实现了颗粒增强铝基材复合型材的近终铸轧成形；

3)利用铸轧辊孔型直接生产具有异形截面型材，突破了传统双辊铸轧技术只生产金属带材的产品规格限制，开创了由液态金属或金属基颗粒增强复合材料浆料直接完成异型截面型材铸轧成形的近终形、短流程成型工艺，丰富了产品截面形状，是一种绿色高效的生产工艺方法。

附图说明

图1为本发明的设备及工艺示意图；

图2为本发明侧封装置结构示意图；

图3为本发明实施例一的辊型结构示意图；

图4为本发明实施例一的SiCp/Al复合型材产品截面形状示意图

图5为本发明实施例二的辊型结构示意图；

图6为本发明实施例二的6061铝合金型材产品截面形状示意图

图7为本发明实施例三的辊型结构示意图；以及

图8为本发明实施例三的304不锈钢型材产品截面形状示意图。

附图中：1—碳化硅颗粒添加装置，2—直流调速电机，3—搅拌器，4—热电偶，5—加热炉，6—钢包，7—熔融态金属液，8—布流组件，9—双辊铸轧机机架，10—铸轧辊，11—异形截面型材，12—kiss点，13—滑动水口，14—SiC增强颗粒，15—外罩，16—保护气体导管，17—高度调节机构，18—侧封装置。

具体实施方式

下面结合附图来说明本发明实施例，对本发明的技术方法进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，对本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护范围。

如图1所示，本发明提供一种碳化硅铝基材复合型材铸轧成形设备，其包括复合浆料制备装置200、布流组件以及双辊铸轧机100。

复合浆料制备装置200架设在双辊铸轧机100的机架9上，其包括加热炉5、钢包6、搅拌器3、碳化硅颗粒添加装置1、保护气体导管16、热电偶4以及外罩15。热电偶4通过外罩15上的通孔151插入到加热炉5中的复合浆料中。

加热炉5为在线温控加热炉，其可以随时调节温度，加热炉5的内腔为圆柱形，钢包6放置于加热炉5的中部，并通过热电偶4对钢包6内部的金属液进行实时监测与控制，保护气体导管16用于向加热炉5中添加保护气体，以把加热炉5内部的空气排出，优选地，保护气体为氩气或氮气。加热炉的加热温度范围为500℃～1700℃，可满足铝合金、镁合金、合金钢等金属及其金属基颗粒增强复合材料的熔炼。

布流组件位于加热炉的底壁上，其包括基座201、设置在基座201中的导流管202、位于导流管202的出口端上的滑动水口13和布流器8，滑动水口13设置有滑动水口开关131，用于对滑动水口13进行开或关处理。滑动开关131为插销式开关，当滑动开关131插进时，滑动水口13关闭，当滑动开关131拔出时，滑动水口13打开，滑动开关131拔出的L方向的长度不同能够调节滑动水口13的流量大小。

布流器8位于双辊铸轧机的第一辊和第二辊所形成的辊缝的上方。钢包6设置在基座201上其内容纳由铝基材和碳化硅颗粒构成的复合浆料.

碳化硅颗粒添加装置1包括颗粒加料口101、管道102和出料口103，出料口103位于钢包6上方中间位置处。颗粒加料口101为漏斗状，碳化硅颗粒添加装置1为耐高温陶瓷管。

外罩15既起到整个复合浆料制备装置的封闭作用，也为整个装置提供支撑。

搅拌器3包括设置在外罩上的直流调速电机2、由电机2驱动的叶片31以及高度调节机构17，叶片31插入到混合液中。

直流调速电机2安装在外罩15的顶部，用于驱动搅拌器3沿图中R方向做高速旋转运动，转速的调节范围为80～1000rpm。

高度调节机构17包括调节手轮、齿轮和齿条，调节手轮与齿轮连接，电机2的外壳上沿轴向安装有齿条，齿轮以及齿条传动副将调节手轮旋转运动转换为齿条的高度方向直线运动，以驱动整个搅拌器3沿图中H方向做升降调节。

优选地，如图2所示，双辊铸轧机100包括机架9、两个铸轧辊10(第一辊和第二辊)和侧封装置18，两个铸轧辊10中心轴线水平平行布置，两个铸轧辊10的辊缝与分别设置在两个铸压辊一侧的侧封装置一起构成铸轧熔池。第一辊的侧部以及第二辊的侧部均设置有各自的侧封装置18。

如图3、图5及图7所示，铸压辊10包括芯辊101和辊套102，辊套102与芯辊101之间为过盈配合，两个铸轧辊10的辊套102的外表面沿圆周方向分别开设不同形状孔槽，不同形状孔槽的深度也可以不同，使两个铸压辊的辊缝形成异型截面孔型103，以满足生产不同形状的复合型材104。铸轧辊10直径为辊套102厚度为20～50mm。芯辊101表面开设有冷却水道，辊套102内孔两侧开设有密封槽，用于容纳实现与所述芯辊过盈配合的密封圈，密封槽的槽底部壁厚不小于10mm。在实际应用中，可以根据需要选择具有不同形状孔槽的辊套102，以满足生产不同形状的碳化硅颗粒增强铝基材复合型材。如图3、图5及图7示出了不同形状的异型截面辊缝103，图4、图6及图8示出了生产得到的不同形状的碳化硅颗粒增强铝基材复合型材。

优选地，本发明还提供一种利用所述的碳化硅铝基材复合型材铸轧成形设备制造碳化硅铝基材复合型材的连续铸轧方法，主要包括以下步骤：

S1、将颗粒直径为100nm～200μm的碳化硅颗粒在空气中加热至1000℃，保温1～3个小时后缓慢冷却至20-25℃，对其表面进行氧化处理；

S2、根据待生产产品规格选择相应孔型的铸轧辊，完成铸轧辊系装配，调节辊缝并对中孔型；

S3、将铝合金坯料置入钢包中，通过保护气体导管向加热炉内腔内通入氩气或氮气，气体流量为2～5L/min，待加热炉内腔的内部空气被排空后，启动加热炉，将铝合金加热至640℃～700℃；

S4、启动直流调速电机，设定转速为80～1000rpm，驱动搅拌器对钢包内铝液进行搅拌，在铝液中心处形成漩涡，同时通过碳化硅颗粒添加装置将预处理过的碳化硅颗粒以0.5～2g/s的速度加入铝熔液漩涡内，并持续搅拌10～30分钟，直至颗粒完全、均匀地分散到铝液中，获得体积分数为4～30％的碳化硅颗粒增强铝基材复合浆料；

S5、预热布流组件至200～450℃，调整位置使其对中铸轧辊系辊缝后开启铸轧机，设定铸轧辊转速为0.5～2m/min；

S6、打开滑动水口，将制备好的复合浆料通过布流组件均匀稳定地注入由铸轧辊系形成的铸轧熔池内，随着两铸轧辊的转动，复合浆料在铸轧区内完成凝固和轧制成形，得到相应截面的碳化硅颗粒增强铝基材复合型材。

实施例一

本发明第一实施例采用连续铸轧工艺制备体积分数为10％，基体为6061铝合金的SiCp/Al复合型材，如图4所示，型材截面为“狗骨”形，具体步骤如下：

S1，如图3所示，首先选择“狗骨”形辊套将其装配组装成铸轧辊系,调整辊缝至3mm；

S2，将基体铝合金原料放入钢包内，由保护气体导管16向复合浆料制备装置内通入氩气，设定加热炉加热温度为700℃，将钢包内铝合金加热至熔融态，金属熔体温度由热电偶测试监控；

S3，利用电动搅拌器的桨叶对金属熔体进行快速搅拌，在钢包中心形成漩涡后，通过颗粒添加装置以0.5～2g/s的速度向金属熔体的漩涡内添加碳化硅颗粒，持续搅拌熔体2～3min，使增强颗粒与铝合金基体充分混匀，完成SiCp/Al复合材料浆料的制备工作；

S4，调整布流组件高度为40mm左右，设定铸轧机转速为2.5m/min，开启铸轧机；

S5，打开滑动水口，将SiCp/Al复合材料浆料倒入布流组件，连续均匀注入两个铸轧辊组成的铸轧熔池内，驱动铸轧辊，实现SiCp/Al复合型材的连续铸轧成形。

实施例二

本发明第二实施例为单质6061铝合金采用连续铸轧法生产如图6所示的变截面型材，具体步骤如下：

S1，如图5所示，首先选择呈“工”字型的变截面的辊套组成铸轧辊系，并调整平整部分辊缝至5mm；

S2，将6铝合金原料放入钢包内，设定加热炉加热温度为680℃，将钢包内铝合金加热至熔融态，金属熔体温度由热电偶测试监控；

S3，调整布流组件对中辊缝，并维持其高度为30mm左右，设定铸轧机转速为2m/min，开启铸轧机；

S4，打开滑动水口，调整出流速度，将铝合金熔体倒入布流组件，连续均匀注入两个铸轧辊组成的铸轧熔池内，驱动铸轧辊，实现铝合金异形截面型材的连续铸轧成形。

实施例三

本发明的第三实施例为利用连续铸轧法，以304不锈钢为材料生产周期性变厚度截面型材，示意图图8所示，其具体步骤如下：

S1，如图7所示，首先选择带有周期性的矩形截面辊套组成铸轧辊系，并调整辊缝至5mm；

S2，将304不锈钢原料放入钢包内，设定加热炉加热温度为1480℃，将钢包内304不锈钢材料加热至熔融态，金属熔体温度由热电偶测试监控；

S3，调整布流组件对中辊缝，并维持其高度为30mm左右，设定铸轧机转速为1.5m/min，开启铸轧机；

S4，打开滑动水口，调整出流速度，将304不锈钢熔体倒入布流组件，连续均匀注入两个铸轧辊组成的铸轧熔池内，驱动铸轧辊，实现304不锈钢周期性变厚度截面型材的连续铸轧成形。

本发明实施例1～3，分别覆盖了颗粒增强金属基复合材料、有色金属和不锈钢等多种材料，均可利用铸轧成形技术实现变截面或异形截面型材的成形。与现有型材轧制、挤压等技术相比，本发明采用液态直接铸轧成形，具有明显的高效、短流程特点，丰富了产品截面形状，实现异型截面型材近终成形。

Claims (10)

1.一种碳化硅颗粒增强铝基复合型材铸轧成形设备，其包括双辊铸轧机、架设在所述双辊铸轧机的机架之上的复合浆料制备装置，其特征在于：所述复合浆料制备装置包括加热炉、罩住所述加热炉的外罩、布流组件、钢包、搅拌器、碳化硅颗粒添加装置和热电偶；

所述布流组件位于加热炉的底壁上，其包括基座、设置在基座中的导流管、位于导流管的出口端上的滑动水口和布流器，所述布流器位于所述双辊铸轧机的第一辊和第二辊所形成的辊缝上方；

所述钢包设置在基座上其内容纳由铝基材和碳化硅颗粒构成的复合浆料；

所述碳化硅颗粒添加装置包括颗粒加料口、管道和出料口，所述出料口位于钢包上方中间位置处；

所述搅拌器包括设置在外罩上的电机、高度调节机构和由所述电机驱动的叶片，所述叶片插入到所述复合浆料中；

所述热电偶通过外罩上的通孔而插入到复合浆料中。

2.根据权利要求1所述的碳化硅颗粒增强铝基复合型材铸轧成形设备，其特征在于：所述第一辊和第二辊均包括芯辊和辊套，所述辊套与所述芯辊之间为过盈配合结构，所述辊套的外表面沿圆周方向开设不同形状孔槽，使所述辊缝形成异型截面孔型。

3.根据权利要求1或2所述的碳化硅颗粒增强铝基复合型材铸轧成形设备，其特征在于：所述颗粒加料口为漏斗状并且所述管道为耐高温陶瓷管道。

4.根据权利要求1或2所述的碳化硅颗粒增强铝基复合型材铸轧成形设备，其特征在于：所述加热炉中设有通入氩气或氮气的保护气体导管。

5.根据权利要求1或2所述的碳化硅颗粒增强铝基复合型材铸轧成形设备，其特征在于：所述高度调节机构包括调节手轮、齿轮和齿条，所述调节手轮与齿轮连接，所述电机外壳上沿轴向安装有齿条；

所述电机为直流调速电机，其能驱动所述搅拌器以0～1000rpm转速旋转，所述高度调节机构能驱动所述搅拌器沿高度方向位置调节，所述位置调节的行程为0-500mm。

6.根据权利要求2所述的碳化硅颗粒增强铝基复合型材铸轧成形设备，其特征在于：所述第一辊和第二辊水平平行布置，所述辊缝与位于双辊铸轧机的第一辊和第二辊两侧的侧封装置一起构成复合浆料的铸轧熔池。

7.根据权利要求6所述的碳化硅颗粒增强铝基复合型材铸轧成形设备，其特征在于：所述第一辊和第二辊的直径为所述辊套厚度为20～50mm。

8.根据权利要求6所述的碳化硅颗粒增强铝基复合型材铸轧成形设备，其特征在于：所述芯辊表面开设有冷却水道，所述辊套的内孔两侧开设有密封槽，所述密封槽用于容纳实现与所述芯辊过盈配合的密封圈，所述密封槽的槽底部壁厚大于10mm。

9.一种制造碳化硅颗粒增强铝基复合型材的连续铸轧方法，其特征在于：其包括以下步骤：

S1、将碳化硅颗粒在空气中加热至1000℃，保温1～3个小时后缓慢冷却至20-25℃，对其表面进行氧化处理；

S2、根据待生产产品规格选择相应孔型的铸轧辊，完成铸轧辊系装配，调节辊缝并对齐异型截面孔型；

S3、将铝合金坯料置入钢包中，通过保护气体导管向加热炉内腔内通入氩气或氮气，待加热炉内腔的内部空气被排空后，启动加热炉，将铝合金加热至640℃～700℃；

S4、启动电机，驱动搅拌器对钢包内铝液进行搅拌，在铝液中心处形成漩涡，同时通过碳化硅颗粒添加装置将预处理过的碳化硅颗粒以0.5～2g/s的速度加入铝熔液漩涡内，直至颗粒完全、均匀地分散到铝液中，获得体积分数为4～30％的碳化硅颗粒增强铝基材复合浆料；

S5、预热布流组件至200～450℃，调整位置使其对齐铸轧辊系的辊缝后开启所述铸轧机，设定铸轧辊转速为0.5～2m/min；以及

S6、打开滑动水口，将制备好的复合浆料通过布流组件均匀稳定地注入由铸轧熔池内，随着两铸轧辊的转动，复合浆料在具有异型截面孔型的铸轧区内完成凝固和轧制成形，得到相应截面的碳化硅颗粒增强铝基材复合型材。

10.根据权利要求9所述的连续铸轧方法，其特征在于：

S1步骤中碳化硅颗粒的直径为100nm～200μm，S3步骤中气体流量为2～5L/min，S4步骤中电机转速为80～1000rpm且搅拌时间为10～30分钟。