CN106363153B - 一种利用凝固液穴制备双金属复合铸锭的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用凝固液穴制备双金属复合铸锭的方法，包括以下步骤：a)对盛放有液态第一金属熔体的倒锥体坩埚进行冷却，使第一金属熔体形成凝固液穴；b)向所述凝固液穴内加入第二金属半固态浆料，凝固后得到双金属复合铸锭；所述第一金属熔体和第二金属半固态浆料选自不同的金属。本发明还提供了一种双金属复合铸锭的制备装置。本发明提供的方法及装置能够获得具有一定厚度和高度的凝固液穴，有效减慢了内层半固态浆料和外层熔体之间的相互扩散，实现了“半固态浆料/液态熔体”的有效复合，能够获得连续稳定、无氧化皮或夹杂、高强度冶金结合界面，从而获得具有半固态组织与枝晶组织在宏观界面上呈梯度分布特征的、高性能的双金属复合材料。

Description

一种利用凝固液穴制备双金属复合铸锭的方法

技术领域

本发明属于复合金属铸锭加工技术领域，尤其涉及一种利用凝固液穴制备双金属复合铸锭的方法。

背景技术

凝固液穴作为金属凝固理论的一个重要组成部分，被广泛关注。在传统的热顶铸造过程中，液穴形状受到结晶器一次冷却、二次冷却、拉坯速度、浇注温度等的影响，其形成过程大致为：首先熔体金属与结晶器内壁直接接触，产生一次冷却，形成初凝壳，熔体金属的热量通过初凝壳传递给结晶器，再由结晶器内的冷却水带走，受到二次冷却水的激冷作用，铸锭表面区域的冷却速度快、温度低，而受到铸锭本身导热速度的限制，铸锭心部区域冷却速度慢、温度较高，进而在铸锭径向形成一个较高的温度梯度，形成液穴。液穴的存在，不仅影响铸锭的组织，还直接影响到铸锭的表面质量、宏观偏析、缩孔缩松、裂纹等。

国内外很多科研工作者对凝固液穴进行了深入研究，如潘冬等研究了铝合金半连续铸造过程中的液穴温度分布；屈福等研究了气膜对铝合金半连铸液穴形状及表面质量的影响；杜万明等进行了铸轧铝板带铸轧区内液穴深度变化规律的探讨。但大部分研究只是针对单一金属的凝固液穴展开的，如果能模拟出异种金属包覆铸造凝固液穴成形的方法，对液/液复合，半固态/液态复合成功实现，将是一个突破性的成果。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种利用凝固液穴制备双金属复合铸锭的方法，本发明通过模拟连续铸造凝固液穴实现了异种金属流体包覆复合铸造，能够获得具有半固态组织与枝晶组织在宏观界面上呈梯度分布特征的、高性能的双金属复合材料。

本发明提供了一种利用凝固液穴制备双金属复合铸锭的方法，包括以下步骤：

a)对盛放有液态第一金属熔体的倒锥体坩埚进行冷却，使第一金属熔体形成凝固液穴；

b)向所述凝固液穴内加入第二金属半固态浆料，凝固后得到双金属复合铸锭；

所述第一金属熔体和第二金属半固态浆料选自不同的金属。

本发明对盛放有液态第一金属熔体的倒锥体坩埚进行冷却，在冷却介质快速导热的作用下，与坩埚内壁接触的液态第一金属熔体快速形核凝固，因倒锥体坩埚底部至顶部内径由小变大，从而使液态第一金属熔体形成与倒锥体坩埚内壁形状一致的、具有一定厚度与深度的凝固壳，即倒锥体的凝固液穴，类似于连续铸造生产时在结晶器内液态金属熔体形成的凝固液穴；然后向其中加入第二金属半固态浆料再次凝固，即可获得第一金属包覆第二金属的复合材料。具体而言，本发明使用倒锥体坩埚作为结晶器，增加了液态第一金属熔体与结晶器壁的接触面积，使得第一次冷却效果显著，提高了凝固液穴的深度；同时，倒锥体坩埚能够增强第二次凝固的作用，使得液态第一金属熔体与冷却介质的热交换加快，不仅提高了液穴深度，而且增加了液穴厚度，最重要的使得第二金属半固态浆料能与第一金属熔体在极短时间内复合凝固成锭，制备出具有芯部“半固态显微组织”、外层“枝晶组织”分布特征的双金属包覆材料。本发明提供的方法获得了具有一定厚度和高度的凝固液穴，有效减慢了内层半固态浆料和外层熔体之间的相互扩散，实现了“半固态浆料/液态熔体”的有效复合，能够获得连续稳定、无氧化皮或夹杂、高强度冶金结合界面，从而获得具有半固态组织与枝晶组织在宏观界面上呈梯度分布特征的、高性能的双金属复合材料。

附图说明

图1是本发明第一个实施例公开的制备装置的结构示意图；

图2是本发明第一个实施例公开的制备装置获得的双金属复合铸锭的俯视图；

图3是本发明第一个实施例公开的制备装置获得的双金属复合铸锭的剖视图；

图4是本发明第二个实施例公开的制备装置的结构示意图；

图5是本发明第二个实施例公开的制备装置获得的双金属复合铸锭的俯视图；

图6是本发明第二个实施例公开的制备装置获得的双金属复合铸锭的剖视图。

具体实施方式

本发明提供了一种利用凝固液穴制备双金属复合铸锭的方法，包括以下步骤：

a)对盛放有液态第一金属熔体的倒锥体坩埚进行冷却，使第一金属熔体形成凝固液穴；

b)向所述凝固液穴内加入第二金属半固态浆料，凝固后得到双金属复合铸锭；

所述第一金属熔体和第二金属半固态浆料选自不同的金属。

本发明首先对盛放有液态第一金属熔体的倒锥体坩埚进行冷却，使第一金属熔体形成凝固液穴。对盛放有液态第一金属熔体的倒锥体坩埚进行冷却时，在冷却介质快速导热的作用下，与倒锥体坩埚内壁接触的液态第一金属熔体快速形核凝固，受熔体本身导热速度的限制，熔体心部区域冷却速度慢、温度较高；同时，倒锥体坩埚底部至顶部的内径逐渐增大，使得熔体内部沿坩埚径向形成一个较高的温度梯度，从而可以得到具有一定深度、厚度的凝固液穴，即倒锥体的凝固液穴，类似于连续铸造生产时在结晶器内液态金属熔体形成的凝固液穴。得到凝固液穴后，向其中加入第二金属半固态浆料，凝固后即可得到双金属复合材料，从而实现了“半固态浆料/液态熔体”的有效复合。

在本发明中，液态第一金属熔体和第二金属半固态浆料选自不同的金属，本发明对其种类并无特殊限制，本领域技术人员可根据需要自行选择。

在本发明中，所述倒锥体坩埚为顶端开口、低端封闭，内径自低端到顶端由小变大的坩埚。具体而言，其可以为倒圆锥体坩埚或者倒棱锥体坩埚。

所述冷却为水冷却或喷雾冷却，优选为水冷却。具体而言，优选在倒锥体坩埚外部设置水槽，水槽内盛放有流动的冷却水，用于对倒锥体坩埚进行冷却。

本发明优选采用采用挤压装置向所述凝固液穴底部挤入第二金属半固态浆料，凝固的同时提升挤压装置，使第二金属半固态浆料在所述凝固液穴内由底部向上边挤入边凝固。本发明把盛放有第二金属半固态浆料的挤压装置下端放入该凝固液穴底部，通过挤压装置将半固态浆料挤入凝固液穴底部；通过控制冷却速度控制液穴的凝固速度，与挤压装置的挤压速度和提升速度配合，始终保持挤压装置的下端位于凝固液穴的底部，使得被挤压出来的半固态浆料始终处于凝固液穴底部，从而能够防止半固态金属浆料与液态金属熔体的混熔现象，最终制备出外层金属包覆内层金属的双金属复合铸锭。

本发明还提供了一种利用凝固液穴制备双金属复合铸锭的装置，包括：

用于盛放液态第一金属熔体的倒锥体坩埚；

对所述倒锥体坩埚进行冷却的冷却装置；

可插入第一金属熔体内的挤压装置，所述挤压装置内盛放有第二金属半固态浆料；

和用于控制所述挤压装置移动的提升装置。

参见图1，图1是本发明第一个实施例公开的制备装置的结构示意图，其中，11为倒锥体坩埚，12为冷却水，13为半固态金属浆料，14为挤压装置，15为金属熔体，16为凝固液穴，17为水槽。

本发明提供的双金属复合装置包括盛放液态金属熔体的倒锥体坩埚11，倒锥体坩埚11为倒圆锥体。

本发明提供的双金属复合装置包括冷却装置，所述冷却装置包括水槽17和冷却水12，水槽17设置在倒锥体坩埚11下部，通过冷却水12的浸泡实现倒锥体坩埚的冷却，从而使熔体在坩埚内形成与倒锥体坩埚11形状相似的凝固液穴16。

本发明提供的双金属复合装置包括挤压装置14，挤压装置14内盛放有金属半固态浆料13，将其插入凝固液穴16底部，边挤压、边凝固、边提升，从而实现半固态浆料和熔体的复合，获得外层金属包覆内层金属的双金属复合铸锭。挤压装置14可插入第一金属熔体的部分为圆柱体，与倒锥体坩埚的上半部分相适应。

本发明提供的双金属复合装置还包括提升装置(未在图中示出)，用于提升挤压装置，实现金属半固态浆料的挤出速度、凝固速度和提升速度相适应，使挤压装置的下端适中处于凝固液穴的底部，从而防止半固态金属浆料与液态金属熔体的混熔现象。

将液态第一金属熔体15置于倒锥体坩埚11内，向水槽17中加入冷却水12，使熔体15形成凝固液穴16；通过挤压装置14将半固态金属浆料13送入凝固液穴16底部，控制冷却水12的流速、半固态金属浆料13的挤出速度和挤压装置14的提升速度，保持挤压装置14的下端始终处于凝固液穴16的底部，得到双金属复合材料。结果参见图2和图3，图2是本发明第一个实施例公开的制备装置获得的双金属复合铸锭的俯视图，图3是本发明第一个实施例公开的制备装置获得的双金属复合铸锭的剖视图。

参见图4，图4是本发明第二个实施例公开的制备装置的结构示意图，其中，41为倒锥体坩埚，42为冷却水，43为半固态金属浆料，44为挤压装置，45为金属熔体，46为凝固液穴，47为水槽。

本发明提供的双金属复合装置包括盛放液态金属熔体的倒锥体坩埚41，倒锥体坩埚41为倒棱锥体。

本发明提供的双金属复合装置包括冷却装置，所述冷却装置包括水槽47和冷却水42，水槽47设置在倒锥体坩埚41下部，通过冷却水42的浸泡实现倒锥体坩埚的冷却，从而使熔体在坩埚内形成与倒锥体坩埚41形状相似的凝固液穴46。

本发明提供的双金属复合装置包括挤压装置44，挤压装置44内盛放有金属半固态浆料43，将其插入凝固液穴46底部，边挤压、边凝固、边提升，从而实现半固态浆料和熔体的复合，获得外层金属包覆内层金属的双金属复合铸锭。挤压装置44可插入第一金属熔体的部分为长方体，与倒锥体坩埚的上半部分相适应。

本发明提供的双金属复合装置还包括提升装置(未在图中示出)，用于提升挤压装置，实现金属半固态浆料的挤出速度、凝固速度和提升速度相适应，使挤压装置的下端适中处于凝固液穴的底部，从而防止半固态金属浆料与液态金属熔体的混熔现象。

将液态第一金属熔体45置于倒锥体坩埚41内，向水槽47中加入冷却水42，使熔体45形成凝固液穴46；通过挤压装置44将半固态金属浆料43送入凝固液穴46底部，控制冷却水42的流速、半固态金属浆料43的挤出速度和挤压装置44的提升速度，保持挤压装置44的下端始终处于凝固液穴16的底部，得到双金属复合材料。结果参见图5和图6，图5是本发明第二个实施例公开的制备装置获得的双金属复合铸锭的俯视图，图6是本发明第二个实施例公开的制备装置获得的双金属复合铸锭的剖视图。

本发明使用倒锥体坩埚作为结晶器，增加了液态第一金属熔体与结晶器壁的接触面积，使得第一次冷却效果显著，提高了凝固液穴的深度；同时，倒锥体坩埚能够增强第二次凝固的作用，使得液态第一金属熔体与冷却介质的热交换加快，不仅提高了液穴深度，而且增加了液穴厚度，最重要的使得第二金属半固态浆料能与第一金属熔体在极短时间内复合凝固成锭，制备出具有芯部“半固态显微组织”、外层“枝晶组织”分布特征的双金属包覆材料。本发明提供的方法及装置能够获得具有一定厚度和高度的凝固液穴，有效减慢了内层半固态浆料和外层熔体之间的相互扩散，实现了“半固态浆料/液态熔体”的有效复合，能够获得连续稳定、无氧化皮或夹杂、高强度冶金结合界面，从而获得具有半固态组织与枝晶组织在宏观界面上呈梯度分布特征的、高性能的双金属复合材料。

以上所述仅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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种利用凝固液穴制备双金属复合铸锭的方法，包括以下步骤：

a)对盛放有液态第一金属熔体的倒锥体坩埚进行冷却，使第一金属熔体形成凝固液穴；

b)向所述凝固液穴内加入第二金属半固态浆料，凝固后得到双金属复合铸锭；

所述第一金属熔体和第二金属半固态浆料选自不同的金属；所述步骤b)具体为：采用挤压装置向所述凝固液穴底部挤入第二金属半固态浆料，凝固的同时提升挤压装置，使第二金属半固态浆料在所述凝固液穴内由底部向上边挤入边凝固，通过控制冷却速度控制液穴的凝固速度，与挤压装置的挤压速度和提升速度配合，始终保持挤压装置的下端位于凝固液穴的底部，使得被挤压出来的半固态浆料始终处于凝固液穴底部。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤a)中冷却为水冷却或喷雾冷却。