CN106111931A - 一种金属包覆材料固/液连铸复合成形设备与工艺方法 - Google Patents

Abstract

一种金属包覆材料固/液连铸复合成形设备与工艺方法，属于金属层状复合材料制备技术领域。连铸复合设备由包覆层金属熔化系统和连续铸造复合系统组成。包覆层金属在熔化坩埚中进行熔化后，通过导流管进入复合装置的铸型中在芯材和水冷结晶器的冷却作用下凝固并于芯材复合成一体。采用由冷型段和热型段构成的热冷组合铸型，可精确控制包覆层金属液温度以及包覆层金属与芯材的界面反应，避免生成过厚的界面扩散层和金属间化合物层，提高包覆层金属和界面结合质量。本发明适合于制备包覆层金属致密、厚度均匀、包覆比可调、表面质量与界面冶金结合质量好的高性能金属包覆材料，具有设备简单、流程短、近终形、生产效率高、节能降耗、生产成本低等优点。

Description

一种金属包覆材料固/液连铸复合成形设备与工艺方法

技术领域

本发明属于金属层状复合材料制备技术领域，特别是提供了一种金属包覆材料固/液连铸复合成形设备与工艺方法，适合于包覆层金属熔点低于芯材金属熔点的包覆材料制备。

背景技术

金属包覆材料兼有包覆层和芯材金属的优良性能，不仅可解决单一金属材料无法满足高强度、高耐磨、高导电、高耐蚀等综合性能问题，还可减少短缺金属的用量、减小材料的密度、降低生产成本等，在航天、石油、化工、交通运输、建筑、电子、电力及家用电器等领域得到广泛的应用。以铁路贯通地线用复合线材为例，其芯材采用纯铜绞线，包覆层采用厚度1mm以上的耐蚀铜合金，可使地线具有芯材优良的导电性能和包覆层较高的强度和耐腐蚀性能。

目前，适合于大规模生产金属包覆材料的制备方法主要有连铸直接复合成形法、热浸镀法、反向凝固法等。连铸直接复合成形法是将两种金属熔液同时注入复合结晶器内，通过金属熔液温度和冷却控制，使包覆层金属在复合结晶器中首先凝固形成包覆层，然后芯材金属液在已凝固成形的包覆层型腔内与包覆层复合凝固，该方法制备的复合材料界面清洁、无氧化且达到良好的冶金结合状态，并具有流程短、节能降耗和生产成本低等优点[谢建新，刘新华，刘雪峰，苏亚军.一种包复材料水平连铸直接复合成形设备与工艺.中国发明专利，申请号：ZL200610112817.3，授权日：2008.04.2]，但只适合用于制备包覆层熔点高于芯材金属熔点的复合材料。

热浸镀法是将经过预热的芯材通过牵引装置连续浸入到包覆层金属液中，使芯材与包覆层金属之间通过熔合、扩散等方式形成冶金结合的界面扩散层，当芯材从包覆层金属液中出来时，附着于芯材表面的包覆层金属经冷却凝固形成复合材料[王一新，黎立.一种带钢热浸镀锌法.中国发明专利，申请号：CN201110247890.2，申请日：2011.08.26]。热浸镀法主要用于制备包覆层金属熔点低于芯材、包覆层厚度较薄的复合材料，难以生产包覆层厚度达到毫米级的复合材料。

反向凝固法是将经过预热的芯材穿过包覆层金属液，包覆层金属液附在芯材金属表面并在芯材金属的冷却作用下凝固形成一定厚度，然后通过轧辊对所形成的复合层进行加工，获得表面平整、形状尺寸规整的复合材料。该方法可较好地解决包覆层金属凝固过程中可能出现的疏松、缩孔等问题，所制备的复合材料具有包覆层致密以及复合界面达到冶金结合、结合强度高等优点[李宝绵，许光明，崔建忠.反向凝固法生产H90-钢-H90复合带.中国有色金属学报，2007，17(4):505-510]。反向凝固法包覆层的凝固不是在传统连铸水冷结晶器的作用下完成的，而是依靠经过预热处理后的芯材温度低于包覆层金属液的温度，即在芯材的冷却作用下从芯材外表面(界面)开始凝固而实现的(故称反向凝固)，芯材与包覆层金属液的复合温度和界面反应控制难度大，芯材容易被包覆层金属液过度熔蚀或熔断，芯材金属元素易扩散进入包覆层金属液中造成污染，导致复合材料包覆层化学成分和厚度、界面结合质量(如界面扩散层厚度、易生产金属间化合物等)和表面质量难以控制，不利于制备高质量金属包覆材料。因此，在反向凝固法的基础上强化连铸过程温度场控制，以精确控制包覆层金属的凝固过程及其与芯材复合界面的反应，是解决上述问题的有效途径。

发明内容

本发明将反向凝固法和发明申请人等发明的热冷组合铸型复合连铸法[谢建新，梅俊，刘新华，刘雪峰.一种白铜管材热冷组合铸型水平连铸工艺与设备.中国发明专利，申请号：ZL 201010501407.4，授权日：2012.06.27]相结合，提供一种金属包覆材料固/液连铸复合成形设备与工艺，通过精确控制包覆层金属的连铸凝固过程及包覆层与芯材复合界面的反应，解决包覆层金属与芯材发生过度熔合和扩散对包覆层质量与界面结合状态产生不利影响的问题，实现高质量金属包覆材料短流程、近终形、高效率、低成本连铸成形，特别适合于包覆层金属熔点低于芯材金属熔点的双金属包覆材料固/液连铸复合成形。

一种金属包覆材料固/液连铸复合成形设备，由熔化坩埚、坩埚加热器、测温仪、塞棒、导流管、芯材导向装置、芯材保护装置、复合装置、铸型、铸型加热器、水冷结晶器、二次冷却装置、牵引装置组成，熔化坩埚、坩埚加热器、测温仪一和塞棒构成包覆层金属熔化系统；由导流管、芯材导向装置、芯材保护装置、复合装置、测温仪二、铸型加热器、铸型、水冷结晶器、二次冷却装置和牵引装置构成连续铸造复合系统；如图1所示。熔化坩埚底部与复合装置通过导流管相连接，塞棒安装在导流管的上方，用于控制包覆层金属液通过导流管进入复合装置和铸型；坩埚中包覆层金属液的温度由加热器和测温仪一通过控温系统进行控制；芯材导向装置、芯材保护装置、复合装置、铸型、铸型加热器、水冷结晶器、二次冷却装置、牵引装置沿牵引方向(铅垂方向)依次配置；牵引装置用于使芯材连续穿过芯材保护装置进入复合装置和铸型中，在铸型内与包覆层金属连续复合后从铸型拉出，获得包覆材料；芯材导向装置安装在芯材保护装置的上方，用于对芯材进行对中和引导；向芯材保护装置通入保护性气体，可对通过其内部的芯材起到防氧化作用；通过导流管进入复合装置和铸型中的包覆层金属液发生凝固并与芯材复合成一体；铸型的上半部分在加热器的作用下构成铸型的加热段(热型段)，铸型的下半部分在水冷结晶器的作用下构成铸型的冷却段(冷型段)，通过调节热型段的加热温度和冷型段的冷却强度，使流入铸型的包覆层金属液在热型段和冷型段之间的位置与芯材复合，实现连续成形。通过控制包覆层金属液与芯材的复合界面反应，可避免两者生成过厚的界面扩散层或金属间化合物层，并获得表面质量良好和所需厚度的包覆层金属，确保包覆层金属厚度的均匀性；二次冷却装置安装在水冷结晶器和牵引装置之间，对包覆材料实现进一步的冷却，以防止包覆层金属表面的氧化。

本发明的工艺过程为：采用熔化坩埚和坩埚加热器将包覆层金属熔化和保温，当包覆层金属液达到目标温度后，启动牵引装置使芯材连续穿过芯材导向装置、芯材保护装置、复合装置、铸型、铸型加热器、水冷结晶器、二次冷却装置，然后启动塞棒装置将包覆层金属液通过导流管注入复合装置和铸型中，通过调节热型段的加热温度和冷型段的冷却强度，使包覆层金属液在铸型的热型段和冷型段之间的位置发生凝固并与芯材复合，形成表面质量良好、包覆层厚度均匀和界面为冶金结合的双金属包覆材料；双金属包覆材料经过二次冷却装置进一步冷却后，通过牵引装置实现连铸成形；连铸过程中向芯材保护装置中持续通入防氧化保护性气体。

所述熔化坩埚可用中间包取代，以实现连续生产；所述芯材保护装置中可以通入惰性气体(如氮气、氩气)或还原性气体(如氢气)；所述芯材可以是金属线材(单根线、绞线等)、棒材、管材、板材或型材；所述的包覆层金属与芯材金属的组合可以为纯金属与纯金属、纯金属与合金、合金与合金组合；所述包覆层金属液与芯材复合界面反应控制，是通过铸型加热器的加热温度、水冷结晶器的冷却强度和拉坯速度协同控制实现的；所述连铸方法可以是上引式、下引式或水平式中的任何一种。

本发明的优点在于：

1、本发明的包覆层金属液在复合装置中在水冷结晶器和芯材的共同冷却作用下快速凝固，包覆层金属液与芯材的接触时间短，可避免包覆层金属液与芯材发生过度熔合和扩散反应导致生成过厚的界面扩散层或金属间化合物层，提高界面结合质量；另外，在反向凝固的同时附加水冷结晶器冷却，提高了复合过程的冷却强度，有利于提高拉坯速度，提高生产效率。

2、在本发明设计的包覆层金属熔化和复合连铸系统中，熔化坩埚底部与复合装置通过导流管相连接，坩埚中包覆层金属液中的夹渣、气体等上浮至金属液表面易于被清除，洁净的包覆层金属液从坩埚底部通过导流管进入复合装置和铸型中，从而保证了铸型中包覆层金属液的洁净度，有利于提高复合材料包覆层金属的质量。

3、本发明在复合装置中铸型的上半部分设置加热装置(热型段)，可实现对铸型内包覆层金属温度的独立控制，铸型的下半部分采用水冷结晶器进行强制冷却(冷型段)，主要有以下4个方面的作用：1)控制包覆层金属的固液界面位置，使其位于热型段和冷型段之间的区域内，因而可采用长度较短的水冷结晶器，减小包覆层金属凝壳长度和凝壳与铸型之间的摩擦作用，改善包覆层金属的表面质量；2)铸型加热装置可采用电磁感应加热方式，通过合理设计加热线圈结构、加热电源的功率和频率，实现“电磁软接触”约束成形，即产生电磁约束力以平衡包覆层金属液的静水压力，减小包覆层金属初生凝壳与铸型间的摩擦，进一步提高包覆层金属的表面质量，同时延长铸型的使用寿命；3)控制包覆层金属的固液界面形状由芯材凸向液相，使包覆层金属从芯材表面由内向外进行结晶和生长，有利于包覆层金属凝固时向液相中排气、排杂，提高复合材料包覆层金属质量；4)精确控制包覆层金属液的温度和包覆层与芯材的界面反应，防止包覆层金属液温度等工艺参数波动对包覆材料复合界面、包覆层金属厚度与表面质量的不利影响，实现高质量金属包覆材料的高效、稳定复合连铸成形；

4、本发明控制包覆层金属在铸型内壁和芯材表面构成的型腔内凝固，可以通过调整铸型与芯材之间的间隙宽度，精确控制包覆层金属厚度，包覆材料的包覆比调控简单，产品规格范围大。

5、本发明不仅具有设备简单、流程短、近终形、生产效率高、节能降耗、生产成本低等优点，适合于生产包覆层金属致密、厚度均匀、包覆比调控范围大、表面质量与界面质量好的高性能金属包覆材料。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为本发明的一种设备示意图。其中，熔化坩埚1，包覆层金属液2，坩埚加热器3，测温仪一4、测温仪二11，塞棒5，导流管6，芯材7，芯材导向装置8，芯材保护装置9，复合装置10，铸型加热器12，铸型13，水冷结晶器14，二次冷却装置15，牵引装置16，包覆材料17。

具体实施方式

图1为本发明设备的一种具体实施方式。其设备由熔化坩埚(1)、坩埚加热器(3)、测温仪一(4)和塞棒(5)构成包覆层金属熔化系统；由导流管(6)、芯材导向装置(8)、芯材保护装置(9)、复合装置(10)、测温仪二(11)、铸型加热器(12)、铸型(13)、水冷结晶器(14)、二次冷却装置(15)和牵引装置(16)构成连续铸造复合系统。熔化坩埚(1)、塞棒(5)、导流管(6)、芯材保护装置(9)可采用耐火材料、石墨、石英玻璃、陶瓷(含金属陶瓷)、高温合金、钢、铁等材料制成；坩埚加热器(3)可采用电磁感应加热或电阻加热，铸型加热器(12)采用电磁感应加热方式；测温仪一(4)、测温仪二(11)可采用红外测温或热电偶测温；水冷结晶器(14)可采用水冷金属型、或水冷金属型内衬耐火材料、石墨、陶瓷(含金属陶瓷)等材料制成；二次冷却装置(15)采用喷水、喷雾、吹风、自然冷却等方式。

实施例1：芯材为直径12mm的低碳钢棒、纯铜包覆层厚度为1mm的铜包钢复合棒材的制备。

采用加热器(3)将熔化坩埚(1)中的纯铜进行熔化和保温，当纯铜液(2)温度达到1200℃时，启动牵引装置(16)将低碳钢芯棒(7)连续穿过芯材导向装置(8)、芯材保护装置(9)、复合装置(10)、铸型(13)、铸型加热器(12)、水冷结晶器(14)、二次冷却装置(15)，然后启动塞棒装置(5)将纯铜液(2)通过导流管(6)进入复合装置(10)和铸型(13)中，使纯铜液(2)与低碳钢芯棒(7)在铸型(13)内进行复合和凝固，形成铜包钢复合棒材(17)；制备的复合棒材(17)经过二次冷却装置(15)进一步冷却后，通过牵引装置(16)实现连铸成形；连铸过程中向芯材保护装置(9)中持续通入氮气。在纯铜液熔化温度1200℃、铸型加热温度1150℃、水冷结晶器水流量800L/h、二次冷却装置水流量200L/h、拉坯速度150mm/min的参数条件下，可制备出表面质量良好、包覆层致密且厚度均匀和界面为冶金结合的芯材为直径12mm低碳钢棒、纯铜包覆层厚度为1mm的铜包钢复合棒材。

实施例2：芯材为直径6.5mm的纯铜绞线、包覆层为H68黄铜的外径9mm黄铜包铜绞线复合线材的制备。

采用加热器(3)将熔化坩埚(1)中的H68黄铜进行熔化和保温，当H68黄铜液(2)温度达到1020℃时，启动牵引装置(16)将直径为6.5mm的铜绞线(7)连续穿过芯材导向装置(8)、芯材保护装置(9)、复合装置(10)、铸型(13)、铸型加热器(12)、水冷结晶器(14)、二次冷却装置(15)，然后启动塞棒(5)装置将H68黄铜液(2)通过导流管(6)进入复合装置(10)和铸型(13)中，使H68黄铜液(2)与铜绞线(7)在铸型(13)内进行复合和凝固，形成黄铜包铜绞线复合线材(17)；制备的复合线材(17)经过二次冷却装置(15)进一步冷却后，通过牵引装置(16)实现连铸成形；连铸过程中向芯材保护装置(9)中持续通入氮气。在H68黄铜液熔化温度1020℃、铸型加热温度1000℃、水冷结晶器水流量500L/h、二次冷却装置水流量200L/h、拉坯速度100mm/min的参数条件下，可制备出表面质量良好、包覆层致密和界面为冶金结合的外径9mm黄铜包铜绞线复合线材。

实施例3：芯材为直径10mm的纯铜棒、金包覆层厚度为0.5mm的金包铜复合棒材的制备。

采用加热器(3)将熔化坩埚(1)中的纯金进行熔化和保温，当金液(2)温度达到1150℃时，启动牵引装置(16)将纯铜芯棒(7)连续穿过芯材导向装置(8)、芯材保护装置(9)、复合装置(10)、铸型(13)、铸型加热器(12)、水冷结晶器(14)、二次冷却装置(15)，然后启动塞棒装置(5)将金液(2)通过导流管(6)进入复合装置(10)和铸型(13)中，使金液(2)与纯铜芯棒(7)在铸型(13)内进行复合和凝固，形成金包铜复合棒材(17)；制备的复合棒材(17)经过二次冷却装置(15)进一步冷却后，通过牵引装置(16)实现连铸成形；连铸过程中向芯材保护装置(9)中持续通入氩气。在金液熔化温度1150℃、铸型加热温度1100℃、水冷结晶器水流量500L/h、二次冷却装置水流量200L/h、拉坯速度100mm/min的参数条件下，可制备出表面质量良好、金包覆层致密且厚度均匀和界面为冶金结合的芯材为直径10mm纯铜棒、金包覆层厚度为1mm的金包铜复合棒材。

实施例4：芯材为直径8mm的纯铜棒、银包覆层厚度为0.6mm的银包铜复合棒材的制备。

采用加热器(3)将熔化坩埚(1)中的纯银进行熔化和保温，当银液(2)温度达到1050℃时，启动牵引装置(16)将纯铜芯棒(7)连续穿过芯材导向装置(8)、芯材保护装置(9)、复合装置(10)、铸型(13)、铸型加热器(12)、水冷结晶器(14)、二次冷却装置(15)，然后启动塞棒装置(5)将银液(2)通过导流管(6)进入复合装置(10)和铸型(13)中，使银液(2)与纯铜芯棒(7)在铸型(13)内进行复合和凝固，形成银包铜复合棒材(17)；制备的复合棒材(17)经过二次冷却装置(15)进一步冷却后，通过牵引装置(16)实现连铸成形；连铸过程中向芯材保护装置(9)中持续通入氩气。在银液熔化温度1050℃、铸型加热温度1000℃、水冷结晶器水流量400L/h、二次冷却装置水流量200L/h、拉坯速度120mm/min的参数条件下，可制备出表面质量良好、银包覆层致密且厚度均匀和界面为冶金结合的芯材为直径8mm纯铜棒、银包覆层厚度为0.6mm的银包铜复合棒材。

Claims (8)

1.一种金属包覆材料固/液连铸复合成形设备，其特征在于成形设备由熔化坩埚、坩埚加热器、测温仪、塞棒、导流管、芯材导向装置、芯材保护装置、复合装置、铸型、铸型加热器、水冷结晶器、二次冷却装置、牵引装置组成，熔化坩埚(1)、坩埚加热器(3)、测温仪一(4)和塞棒(5)构成包覆层金属熔化系统；由导流管(6)、芯材导向装置(8)、芯材保护装置(9)、复合装置(10)、测温仪二(11)、铸型加热器(12)、铸型(13)、水冷结晶器(14)、二次冷却装置(15)和牵引装置(16)构成连续铸造复合系统；熔化坩埚(1)底部与复合装置(10)通过导流管(6)相连接，塞棒(5)安装在导流管(6)的上方，用于控制包覆层金属液(2)通过导流管(6)进入复合装置(10)和铸型(13)；坩埚(1)中包覆层金属液(2)的温度由加热器(3)和测温仪一(4)通过控温系统进行控制；芯材导向装置(8)、芯材保护装置(9)、复合装置(10)、铸型(13)、铸型加热器(12)、水冷结晶器(14)、二次冷却装置(15)、牵引装置(16)沿牵引方向依次配置；牵引装置(16)用于使芯材(7)连续穿过芯材保护装置(9)进入复合装置(10)和铸型(13)中，在铸型(13)内与包覆层金属连续复合后从铸型(13)拉出，获得包覆材料(17)；芯材导向装置(8)安装在芯材保护装置(9)的上方，用于对芯材(7)进行对中和引导；向芯材保护装置(9)通入保护性气体，对通过其内部的芯材(7)起到防氧化作用；通过导流管(6)进入复合装置(10)和铸型(13)中的包覆层金属液(2)发生凝固并与芯材(7)复合成一体；铸型(13)的上半部分在加热器(12)的作用下构成铸型的加热段，铸型(13)的下半部分在水冷结晶器(14)的作用下构成铸型的冷却段，通过调节热型段的加热温度和冷型段的冷却强度，使流入铸型(13)的包覆层金属液(2)在热型段和冷型段之间的位置与芯材(7)复合，实现连续成形。

2.一种采用权利要求1所述设备实现金属包覆材料固/液连铸复合成形的工艺方法，其特征在于工艺过程为：采用熔化坩埚(1)和坩埚加热器(3)将包覆层金属熔化和保温，当包覆层金属液(2)达到目标温度后，启动牵引装置(16)使芯材(7)连续穿过芯材导向装置(8)、芯材保护装置(9)、复合装置(10)、铸型(13)、铸型加热器(12)、水冷结晶器(14)、二次冷却装置(15)，然后启动塞棒装置(5)将包覆层金属液(2)通过导流管(6)注入复合装置(10)和铸型(13)中，通过调节热型段的加热温度和冷型段的冷却强度，使包覆层金属液(2)在铸型(13)的热型段和冷型段之间的位置发生凝固并与芯材(7)复合，形成表面质量良好、包覆层厚度均匀和界面为冶金结合的双金属包覆材料(17)；双金属包覆材料(17)经过二次冷却装置(15)进一步冷却后，通过牵引装置(16)实现连铸成形；连铸过程中向芯材保护装置(9)中持续通入防氧化保护性气体。

3.根据权利要求2所述金属包覆材料固/液连铸复合成形的工艺方法，其特征在于所述熔化坩埚(1)用中间包取代，以实现连续生产。

4.根据权利要求2所述金属包覆材料固/液连铸复合成形的工艺方法，其特征在于所述芯材保护装置(9)中通入氮气、氩气或氢气。

5.根据权利要求2所述金属包覆材料固/液连铸复合成形的工艺方法，其特征在于所述芯材(7)是金属线材、棒材、管材、板材或型材。

6.根据权利要求2所述金属包覆材料固/液连铸复合成形的工艺方法，其特征在于所述的包覆层金属(2)与芯材(7)金属的组合为纯金属与纯金属、纯金属与合金、合金与合金组合。

7.根据权利要求2所述金属包覆材料固/液连铸复合成形的工艺方法，其特征在于所述包覆层金属液(2)与芯材(7)复合界面反应控制，是通过铸型加热器(12)的加热温度、水冷结晶器(14)的冷却强度和拉坯速度协同控制实现的。

8.根据权利要求2所述金属包覆材料固/液连铸复合成形的工艺方法，其特征在于所述连铸方法是上引式、下引式或水平式中的任何一种。