CN106825513A - 一种包覆型双金属复合材料制备工艺及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种包覆型双金属复合材料制备工艺及设备，采用感应加热器对安装在浇注底板上面的外层复合材料管进行整体加热到600～1000℃，浇入内层复合材料金属液，继续加热10～50分钟，启动升降装置将加热器以一定速度向上提升，经5～15分钟升到保温圈停止，继续加热10～50分钟，对冒口进行补缩，停止加热后，制造成界面呈冶金结合的包覆型双金属复合材料。组织致密，质量好，工序少，成本低效率高等优点。采用金属管材取代模具直接成型，可比金属型铸造节约15～30％，节省了模具及造型材料和工时，减少了资源和能源的浪费和环境的污染。

Description

一种包覆型双金属复合材料制备工艺及设备

技术领域

本发明属于复合材料领域，具体涉及一种包覆型双金属复合材料制造工艺及设备。

背景技术

复合材料是一个极其庞大的产品“家族”体系。复合材料((Composite materials)是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。金属复合材料根据复合方式和所复合出的材料性能的不同，按照目前国内外对该类材料的划分方法分为：化学扩散复合和层状复合两种。

双金属（层状金属）复合材料是利用复合技术将两种或两种以上的具有不同的物理、化学、力学性能的金属材料通过一定的工艺进行复合，制备成一种新型材料。复合后的双金属（层状金属）各自金属仍然保持原有的特性，但是其综合物理、化学、力学性能比单一金属要优越得多，使材料（产品）的不同部位具有不同的性能，以满足不同的使用要求。它与分散强化型材料不同，层状复合材料不是一种材料分散于另一种材料之中，而是各组元材料自成一个或数个整体，组元之间以界面结合的方式复合成一体。通过选择不同的金属和合理的复合工艺，能极大的改善材料的断裂韧性、冲击韧性、抗磨损、抗腐蚀以及热、电等许多性能，对某些脆性材料还能通过与塑性材料的复合来克服其变形能力差的缺点。双金属（层状）复合材料可以发挥组元材料各自的优势，实现各组元材料资源的最优配置，节约稀有或较贵的金属材料，实现单一金属不能满足的性能要求。

双金属(层状)复合材料是通过铸造、轧制、挤压、焊接、胶接以及浸渍等加工方法使两种以上的具有不同物理、化学乃至力学性能的金属在界面产生冶金结合，使整个接触面上相互牢固地结合在一起而形成一个整体的一种新型复合材料。它通常是一种合金具有高的力学性能，而另一种或几种合金则具有抗磨、耐腐蚀、耐热等特殊使用性能。该种复合方法在界面的两侧保持了原有的组分，而在界面处产生了过渡层的冶金结合，从而使得该种复合材料具有两种材料的“复合效应”。它通常是一种合金具有高的力学性能，而另一种或几种合金则具有抗磨、耐腐蚀、耐热等特殊使用性能。它克服了两种金属各自的缺点，发挥两种金属的优点，使材料的不同部位具有不同的性能，以适应各种恶劣工况，满足不同环境下对材料的特殊要求，延长部件使用寿命。双金属复合材料通过扬长补短，具有良好性能，廉价的成本，并在资源的合理利用方面表现出明显的优势，因而在航空、石油、化工、造船、汽车、电子、原子能、建筑、冶金、矿山、电力、煤炭等工业领域中得到广泛应用。

随着工业的进步，科技的发展，对材料的要求逐步提高。如矿山、冶金、建材机械的大部分易损件，工作条件恶劣，要求既有高的冲击韧性，又有高的耐磨性；在化工、建筑等领域，即要求材料要具有一定的强度，又要求材料要具有一定的耐腐蚀性能。在实际生产中，相当多的零部件要求材料既要有良好的韧性，以抵抗物料在工作中所受的冲击作用，防止部件发生断裂现象，同时又要求其具有高的强度及良好的耐磨性能或者抗腐蚀性能，以保证部件的使用寿命和降低经济损失。实际上，一种材料很难同时满足上述两种要求。尤其是目前，单一材料的零件已经无法满足生产过程中多方面的要求。但是一种材料同时具有高韧性和高硬度或者抗腐蚀性能、耐热性能在实际生产中是非常难以达到的。所以，复合材料及材料的复合成型工艺已成为金属材料学的一个重要分支，在最近几年中受到了广大学者的广泛关注。

世界科学技术的不断发展，极大的促进了双金属复合材料技术的研究开发，近年来，关于金属复合材料的制作方法也越来越多，生产技术也日益成熟。就目前的研究状况而言，双金属复合材料的研究主要着重在其制备技术方面，目前的制备方法大致都属于以下三个范畴：固一固相复合法、固一液相复合法和液一液相复合法。目前金属材料的复合成型工艺应用较多的方法主要有：爆炸焊接+热轧法、钎焊热轧法、直接轧制复合法、挤压法、喷射沉积法、铸造复合、离心铸造复合、电渣复合、堆焊复合、喷射沉积复合、粘接复合、连续浇注复合法（CPC）、液态金属电渣复合工艺（ESSLM）等。其中铸造法生产复合材料的成本较低，因此铸造法用于制造复合材料制品得到很大的发展。

“液一液”复合铸造的一种新形式是连续铸造复合法，其原理是将两种液态的金属液一起浇进模具中进而成型的一种复合方法。这种方法的典型代表是双流浇注连续铸造法和电磁控制双金属连续铸造法。

固液复合铸造是一种十分简单、经济、有效的双金属复合方法，在双金属复合材料制造中获得了广泛的应用。固液复合铸造技术是将覆层金属液浇注到已预制好的基体金属上或将已表面处理好的基体金属沉没于覆层金属液中，通过两种金属间的扩散反应形成连续的金属间扩散，从而形成复合材料的工艺方法，通过连接不同的材料使零件具备多样化和复杂的性能，并能减少生产过程中的工序。许多研究都使用复合铸造来连接相同或相异金属对，如钢/铸铁、钢/铝、铜/铝、铝/铝、镁/镁、铝/镁、钛/铝。

固液复合铸造的工艺方法有很多，比如挤压复合铸造、金属模复合铸造、砂模复合铸造、超声复合铸造、离心复合铸造、实型复合铸造、压力复合铸造、精密复合铸造、镶铸等，因而又将液固双金属复合称为包覆复合法和镶铸复合法。其中，新型双金属包覆铸造是随着节能减排的推进，在传统材料固一液复合铸造的基础上，将不同的金属材料、铸造工艺、表面处理工艺或者温度压力条件相结合的一种新兴铸造方法。该方法具有成品比强度高、界面结合强度好、制造成本低、适应大范围工业生产等优势。

镶铸是在浇注前在铸型里提前放入加工好的其他材质的零件，将复合金属液通过一定的方式浇入铸型内，铸造合金液在凝固时将零件包紧，使其和铸造合金成为一体，达到提高铸件局部性能的目的。因此，常见的液固双金属铸造，根据芯材是否预热及使用热源情况，分为3种：即芯材不预热；利用外加热源(如电阻炉、煤气炉等)对芯材进行预热；利用感应加热装置和方式对芯材预热和金属液进行加热，并在感应加热状态下对凝固进行控制，可以延长固液热作用时间，是提高双金属铸造质量十分有效的办法。目前已经在部分机械行业得到了应用。

铸造法生产的缺点是:所制成的双金属复合材料中有气泡、夹有杂质，双金属之间的界面产生收缩，最终产品还需要去除浇冒口等，因此质量差、成品率低，产品定型差。

众所周知，双金属包覆产品一定程度上可以同时获得芯部材料和表面材料的优良性能，相较于通常所使用的比较昂贵的材料，有明显的经济上的优势。而要实现两种组分、属性完全不同的材料的冶金复合，要在不影响金属基体材料性能的前提下通过铸造的方法让两种不同属性和组分的金属材料结合为一体，并且不产生分层、夹渣、双金属结合界面不牢固，产品质量差等明显缺陷，是一个较难实现的工艺技术。中国发明专利201410194604.4和200610047348.1 分别公开了通过双金属离心铸造制备钢背铜合金双金属轴套和大型铜钢双金属调整螺母的工艺方法。离心铸造铜钢双金属工艺有以下几个方面的不足：1) 仅适合旋转体，在生产异形铸件时有局限性；2) 在铸造铜合金时容易造成组分比重偏析；3) 普通离心铸造工艺不能实现铜钢双金属的冶金结合。中国发明专利申请号为200710011269.X，公开了一种制造铜包铝排的专用设备，该专利装置由铜管固定架7，夹具8，底端挡盖9组成。此装置存在的问题在于：其一，每套装置一次只能浇铸一根双金属坯料，生产效率低下，难以实现大规模生产；其二，夹具位置固定对于较短的铜管无法紧固，该装置的通用性不好；其三，铜管安装不便，难以实现连续生产。中国发明专利专利号为ZL200610112817.3公开了一种包覆材料水平连铸直接复合成形设备与工艺，该专利装置由芯部金属控温坩埚10、包复层金属控温增祸11、芯部金属液浇铸管12、包复层金属结晶器13、牵引机构14、测温仪、加热元件、二次冷却装置15组成。此装置存在的问题在于：其一，结构复杂，制造难度大，制造成本高；其二，双金属结合界面难于控制造成制品金属间界面不清，坯料质量不稳定。

受电子、电力、电器、冶金、机械、汽车、建筑和生活用品等产业领域需求的牵引，对高强度、高韧性等高综合性能复合材料的需求与日俱增。而固液复合铸造工艺则是发展高综合性能复合材料的重要方向之一。如目前应用于防盗门、窗和护栏的材料主要是碳钢或不锈钢管，但碳钢存在容易生锈的致命缺点。而由于不锈钢材料的价格较为昂贵，所以通常不采用不锈钢棒材，即使采用不锈钢棒材也是直径较小的棒，因此大多采用不锈钢管材，也有采用在不锈钢管中插入钢筋的办法，但是不锈钢管内壁面与钢筋存在间隙，这样一来，其刚性就较差，用它做防盗门或窗的护栏的安全性、可靠性就保证不了，因此采用外层是不锈钢，内层为碳钢的双金属复合材料既解决了材料的刚性，又解决了材料表面耐腐蚀性，材料容易制造、产品价格低，从而完美的解决了上述难题。双金属复合材料用途多、应用范围广，已在许多领域的多种场合获得了广泛使用。

目前金属复合棒材的制备方法主要有:(1)浇铸包覆法，(2)热浸涂法和电镀法，(3)轧制压接法，(4) 包覆焊接法，(5)静液挤压法，(6)填芯连续铸造复合法等。上述工艺方法基本上均是采用固相复合法，即通过塑性变形使两金属在结合界面上形成结合点，再经扩散热处理，最终形成界面的冶金结合。存在的主要问题是：由于长时间处于高温下，异种金属界面易形成脆硬的金属间化合物，结合强度和气密性都会大幅降低；此外，要求第一道次的加工率大，由于此时两金属不是一个整体以及两金属力学性能的差异，并直接与高温空气接触，便会造成外层金属管形变后厚度不均匀和表面发生氧化。中国专利CN2485066Y提出了“一种碳钢芯不锈钢复合棒材”，即在碳钢芯棒的外面曲卷压合上一层不锈钢片。这种不锈钢复合棒和单一的碳钢棒材和不锈钢棒材比较，表面较为美观，耐腐蚀，具有较高的刚性强度，但是，界面结合强度较低、气密性差、外层厚度不均匀、表面质量难以控制。这种结构上的不足使复合棒在使用过程中界面漏气且受压后易脱落。

近年来，研究人员在结合机理、界面反应、中间化合物的微观结构和复合规律、固液复合材料的力学和电学性能方面的研究都有长足的进步，但从国内外的研究现状来看，目前固液复合铸造存在的主要问题为：(1)在不加外部热源的条件下，液固双金属界面难于形成强固的冶金结合；(2)当外材与芯材固态收缩率差异较大时，界面两侧形成巨大的铸造应力。当铸造应力超过界面结合强度时，导致开裂。(3)在工艺方面，充分利用高压铸造、挤压铸造、消失模铸造等先进的复合铸造方法以及感应加热、外加磁场等工艺手段来精确控制复合铸造过程，减少复合界面的化学缺陷和结构缺陷，提高界面稳定性，从而获得结合良好、电力学性能优异的复合铸造部件。

随着能源危机和环保问题的日益严重，人们对节能减排产品的需求越来越多，随着环境保护、节约能源的提出，对新型双金属复合材料生产工艺的研究，特别是发展最为悠久、工艺最为简单、成本最为低廉的铸造工艺要求不断提高。由于目前铸造工艺复杂、产品稳定性较差、寿命问题以及制造成本较高等因素，双金属复合铸造应用的还比较少。然而，该工艺的优越性、良好的发展前景和巨大的应用潜力已展现。由我国钢铁工业协会制订的《钢铁行业2015 - 2025年技术发展预测》，强调了复合材料制造技术是我国钢铁产业在未来十年内的发展方向之一。因此，如何将铸造工艺与各种材料加工处理工艺结合起来，以降低制造成本、简化生产工艺、节约能源，不断推动双金属复合铸造行业的发展是金属基复合材料制造领域研究的重点。

为了满足市场需求，提高生产效率，保证产品质量，降低生产成本，提高投入产出合格率，就必须在工艺技术上有所突破。因此研究开发新型双金属复合制造工艺是实现高性能金属复合材料高质量、低成本、高效率生产的关键。

发明内容

针对上述现有双金属复合技术存在的问题，弥补现有铸造法制造双金属工艺的不足，本发明提供了一种包覆型双金属复合材料制造工艺及设备，提供一种流程短、方法简便、设备投资小、生产效率高、成本低、性能好的且非常适合工业化大批量生产双金属复合材料的工艺方法及设备。

为了解决现有技术存在的问题，本发明采用的技术方案是：

解决其技术问题的设备方案是：该设备由升降设备、感应加热设备、燃气加热设备、浇注系统组成；所述的升降设备为单立柱式或者龙门式结构，在升降立柱（2）上安装有传动系统（1），通过传动系统（1）转动升降螺杆（3）或液压缸（3）带动安装在升降立柱（2）上的升降臂（4）以所设定的速度上下移动，在升降臂（4）的上面安装有电磁感应加热器（5），电磁感加热器（5）与电磁感应电源控制柜相连接，在升降设备的下部安装有浇注底板（13），在浇注底板（13）上开有浇注流道曹，在浇注底板（13）上的浇注流道曹内安装有耐火材料制作的浇注流道砖（12），外层复合材料管（6）固定在浇注底板（13）的上面，在外层复合材料管（6）的外部包覆一层耐火材料纤维（8），或者安装有传导加热套（19），电磁感应加热器（5）安装在外层复合材料管（6）外面的耐火材料纤维（8）的外部，或者直接安装在外层复合材料管（6）的传导加热套（19）的外部，在外层复合材料管（6）的侧面安装有中注管（11），中注管（11）的下部与浇注流道砖（12）相连接，浇注流道砖（12）内有浇注流道（14），金属液出口安装在外层复合材料管（6）底部的中心位置，中注管（11）的上部安装有浇铸漏斗（10），在浇注漏斗（10）的上面有浇注包（9），在外层复合材料管（6）的上面安装有保温冒口（25）和测温热电偶（15），在浇注底板（13）的下面安装有底水箱（17），在底水箱（17）一侧的下部安装有进水管（16），在底水箱（17）一侧的上部安装有出水管（18）；

当采用燃气加热时在外层复合材料管（6）的外部安装有保温模具（20），保温模具（20）固定在浇注底板（13）的上面，在保温模具（20）的内层贴有保温耐火材料（21），在保温模具（20）与外层复合材料管（6）的中间间隙内安装有燃气供气管（24），在燃气供气管（24）的上面均匀的安装有燃气喷嘴（23），在保温模具（20）的上面安装有保温盖板（22）；

当采用顶部直接浇注时，在浇注包（9）的下面安装有吊挂卡槽（26），浇注管（28）的上端安装有浇口杯（27），浇口杯（27）通过吊挂卡槽（26）与浇注包（9）相连。

解决其技术问题采用的工艺技术方案是:首先将制造好的所需材质和尺寸的外层复合材料管（6）内壁表面进行除油、除锈处理后，采用丙酮进行清洗，然后在清洗好的表面均匀涂覆一层高温防氧化涂料，将其固定在浇注底板（13）上面的金属液出口处的中心位置上，在外层复合材料管（6）的外部包覆一层耐火材料纤维（8），或者安装有传导加热套（19），启动升降设备上的传动系统（1）转动升降螺杆（3）或液压缸（3）带动安装在升降立柱（2）上的升降臂（4）以所设定的速度将安装在升降臂（4）上面的电磁感应加热器（5）下降到外层复合材料管（6）的底部，启动电磁感应加热电源，使感应加热器（5）直接对外层复合材料管（6）进行整体加热，或者感应加热器（5）通过安装在外层复合材料管（6）外部的传导加热套（19）对外层复合材料管（6）进行整体加热，通过安装在外层复合材料管（6）上面的测温热电偶（15）进行测温和控制加热温度，待加热到600℃～1000℃后，将冶炼好的所需复合成分的内层复合材料金属液（7）倒入浇注包（9）内，将浇注包（9）内的金属液按照所预定的浇注程序通过浇注漏斗（10）、中注管（11）、浇铸流道砖（12）内的浇注流道（14）浇入外层复合材料管（6）内，在浇注过程中，电磁感应加热器（5）不停止加热，金属液（7）浇注完毕后，感应加热器继续进行加热10～30分钟，使所浇注的金属液在一定的时间内保持液态，以增加液固时间，使界面形成冶金结合，当金属液（7）浇注到冒口处时采取点注方式浇注以对冒口进行补缩，浇注完毕后，将保温剂加入到保温冒口内；

当采用顶部直接浇注时，将浇注包（9）和浇注管（27）一起移到外层复合材料管（6）内孔上方，将浇注包（9）对准复合材料管（6）内孔中心，开始从浇注管（27）浇入内层复合材料金属液（7），金属液（7）浇注到复合材料管（6）内的型腔后，根据浇注速度逐步将浇注包（9）和浇注管（27）一起向上提升，当金属液（7）浇注到冒口处时采取点注方式浇注以对冒口进行补缩，浇注完毕后，将保温剂加入到保温冒口内；

启动升降装置，通过升降臂（5）以所设定的速度将安装在升降臂（4）上面的电磁感应加热器（5）以一定的速度向上提升，使电磁感应加热器（5）逐步脱离复合层，同时打开底水箱（17）的进水管（16）和出水管（18），使在底水箱（17）由下向上的逐层冷却下，形成逐层顺序凝固，并根据质量要求通过控制电磁感应加热器（5）在不同的区域内的上升速度，实现区域定向凝固，经过5～25分钟升到保温冒口处停止，继续对保温冒口处进行加热10～50分钟，以延迟保温冒口凝固时间，对冒口进行补缩，使复合层金属液中的气体和夹杂物充分上浮，消除复合层金属铸造缺陷，达到预定时间后停止加热，拆除包覆在外层复合材料管（6）外面的耐火材料纤维（8）或者安装在外层复合材料管（6）外部的传导加热套（19），关闭底水箱进水管，松开外层复合材料管（6）的固定装置，将铸造好的界面呈冶金结合的由外层复合材料（6）和内层材料（7）和中间为双金属复合界面混合层（29）的包覆型双金属复合材料从浇注底板（13）上面吊出；

当采用燃气加热时，打开燃气供气管（24）的阀门，点燃燃气喷嘴（23），调整燃气量大小，通过高温燃气对外层复合材料管（6）进行加热，当浇注完毕后，打开底水箱（17）的进水管（16）和出水管（18），通过底水箱（17）产生由下向上的逐层冷却，同时将燃气喷嘴（23）由下向上逐层停止加热，使内层材料（7）形成由下向上逐层顺序凝固，并根据质量要求通过控制燃气喷嘴（23）在不同的区域内的加热时间和加热量的大小，实现区域定向凝固；

所述的包覆型双金属复合材料的外层材料（6）的材质为不锈钢、模具钢、工具钢、高速钢、合金钢、低碳钢、铸钢、铸铁、合金铸铁、高铬铸铁、钛、铜、铜合金、铝、铝合金、镁、镁合金、镍基合金其中之一种；

所述的内层复合材料（7）的材质为不锈钢、模具钢、模具钢、合金钢、低碳钢、铸钢、铸铁、合金铸铁、高铬铸铁、钛、铜、铜合金、铝、铝合金、镁、镁合金、镍基合金其中之一种；

所述的包覆型双金属复合材料为不锈钢/低碳钢、钢/铸铁、钢/铝、铝/钢、铝/铜、铜/铝、镁/铝、钛/镁、铝/镁、钛/铝、不锈钢/铝、钛/不锈钢、钛/铜、铝/铝、铜/钢、镁/镁、硬质合金/钢、硬质合金/合金铸铁、钢/锌、锌/钢、镍基合金/钢；

所述的外层复合材料管（6）为无缝管材或者直缝焊管或者螺旋焊管，形状包括圆形或矩形；

所述的传导加热套（19）的材料为石墨、碳化硅。

所述的电磁感应电源为工频感应电源、中频感应电源、高频感应电源，频率为500Hz～10000Hz。

有益效果

本发明的一种包覆型双金属复合材料制造工艺及设备，与现有技术相比其主要特点是:

1、使用本发明工艺制造包覆型双金属复合材料，由于特殊的铸造方法使熔融的金属自下而上凝固，有利于液体金属的补缩，克服了离心铸造法易产生组织偏析的缺陷，所制造的包覆型双金属复合材料组织均匀，没有密度偏析，结晶组织优良，晶粒细小致密度高，使以前不能用离心铸造法生产的材料的生产成为可能。外层材料和内层材料的选择范围宽，可以根据不同的使用要求自由的选择不同性能要求的黑色金属、有色金属材料进行复合，从而满足不同工况要求。

2、采用电磁感应加热器在浇注前对外层金属材料在铸型上直接进行整体预热，浇注后对所浇注的复合金属液进行保温，克服了传统的炉内预热所存在的各种弊端，减少了外层复合材料与内层金属液之间的温度差，有利于双金属材料的良好复合，具有良好的机械性能。另一方面为了减少铸造缺陷，让金属复合材料实现至下而上顺序凝固，使金属液自动由上向下的流动，以有利于金属液自上而下的补缩，从而缩短了缩区的长度，减少铸造缺陷，形成致密无缩孔的双金属复合体，本发明在浇注过程中继续对复合材料进行电磁感应加热，即可以降低被复合材料的预热温度，减少复合材料的氧化，又可以增加液固时间，促使两相材料的扩散更加充分，同时可以利用电磁搅拌作用，增加液体金属对外层管材内表面的冲刷，促进两相材料之间的物质和能量交流，使其在随后的凝固过程中, 内、外层之间的接触区域产生一定厚度的熔融区, 随后这一部分熔融区首先凝固, 然后内层金属液从两侧向中间逐渐凝固，内层与外层金属之间将形成牢固的冶金结合，实现良好的冶金结合界面，这种冶金结合界面是所述不锈钢层6 和所述碳钢芯7的界面间原子相互扩散而形成的结合，其结合强度以及结构稳定性是机械结合所不能比拟的，有良好的工艺性能，使复合层界面易于控制，从而极大的提高了界面的结合强度，界面质量好，结合强度高，耐高温，不脱落，寿命长，具有优异的耐腐蚀和机械性能。

3、采用浇注过程整体加热，浇注完毕后将采用区域定向凝固工艺对复合体进行控制冷却，实现了复合材料由下向上的逐层顺序凝固，既能使气体有效排出，又能使铸件顺序凝固。

4、采用感应加热器对保温冒口进行加热，延迟了金属液的凝固时间，使顶部得到金属液的补充，将金属最后的凝固位置转移到冒口中，使缩松、缩孔等铸造缺陷最大限度的转移出复合材料体。

5、采用底注式浇注系统浇注内层金属液，保证了充型平稳，减少了对外层金属管壁的冲刷，避免金属液发生飞溅、氧化及由此而形成的铸件缺陷，补缩作用好。

6、本发明采用金属管材取代模具直接成型，在双金属成型过程中，铸件的工艺收得率高，液体金属耗量减少，可比金属型铸造节约15～30％，金属利用率高，节约了材料。而且节省了造型材料和模具成本，节约了大量造型工时，提高了劳动效率，节约了大量的制造费用，降低了制造成本，减少了资源和能源的浪费和环境的污染。

7、本发明由于外层采用成型管材，内层采用液态金属进行镶铸制造包覆型双金属复合材料，具有界面牢固，内部组织致密，表面质量好，生产工序少，成本低，生产效率高等优点。既解决了现有技术和设备生产效率低的问题，又解决了现有技术和设备难以控制双金属结合界面和制造成本高的难题。

附图说明

图1为本发明一种包覆型双金属复合材料制造工艺及设备实施例1的示意图，其中（1）为传动系统，（2）为升降立柱，（3）为升降螺杆或液压缸，（4）为升降臂，（5）为电磁感应加热器，（6）为外层复合材料管，（7）为内层复合材料，（8）为耐火纤维材料，（9）为浇注包，（10）为浇注漏斗，（11）为中注管，（12）为浇注流道砖，（13）为浇注底板，（14）为浇注流道，（15）为测温热电偶，（16）为底水箱进水管，（17）为底水箱，（18）为底水箱出水管，（19）为石墨加热套，（20）为保温模具，（21）为保温纤维，（22）保温盖板，（23）为燃气喷嘴，（24）为燃气管，（25）为保温冒口，（26）为吊挂卡槽，（27）为浇口杯，（28）为浇注管，（29）为双金属复合界面混合层。

图2为本发明一种包覆型双金属复合材料制造工艺及设备实施例1的示意图1的俯视图；

图3为本发明一种包覆型双金属复合材料制造工艺及设备实施例2的示意图3的俯视图；

图4为本发明一种包覆型双金属复合材料制造工艺及设备实施例3的示意图4的俯视图；

图5为本发明一种包覆型双金属复合材料制造工艺及设备实施例4的示意图5的俯视图；

图6为本发明一种包覆型双金属复合材料制造工艺及设备实施例5的示意图6的俯视图；

图7为本发明一种包覆型双金属复合材料制造工艺及设备实施例6示意图。

图8为本发明一种包覆型双金属复合材料制造工艺及设备实施例7示意图。

图9为本发明一种包覆型双金属复合材料制造工艺及设备实施例8示意图。

图10为本发明一种包覆型双金属复合材料制造工艺及设备实施例9示意图。

图11为本发明一种包覆型双金属复合材料制造工艺及设备实施例10示意图。

图12为本发明一种包覆型双金属复合材料制造工艺及设备实施例11示意图。

图13为本发明一种包覆型双金属复合材料剖视图。

具体实施方式

结合附图，给出本发明的实施例如下:

实施例1: 在图1中，该设备由升降设备、感应加热设备、燃气加热设备、浇注系统组成；所述的升降设备为单立柱式或者龙门式结构，在升降立柱2上安装有传动系统1，通过传动系统1转动升降螺杆3或液压缸3带动安装在升降立柱2上的升降臂4以所设定的速度上下移动，在升降臂4的上面安装有电磁感应加热器5，电磁感加热器5与电磁感应电源控制柜相连接，在升降设备的下部安装有浇注底板13，在浇注底板13上开有浇注流道曹，在浇注底板13上的浇注流道曹内安装有耐火材料制作的浇注流道砖12，外层复合材料管6固定在浇注底板13的上面，在外层复合材料管6的外部包覆一层耐火材料纤维8，电磁感应加热器5安装在外层复合材料管6外面的耐火材料纤维8的外部，在外层复合材料管6的侧面安装有中注管11，中注管11的下部与浇注流道砖12相连接，浇注流道砖12内有浇注流道14，金属液出口安装在外层复合材料管6底部的中心位置，中注管11的上部安装有浇铸漏斗10，在浇注漏斗10的上面有浇注包9，在外层复合材料管6的上面安装有保温冒口25和测温热电偶15。

实现包覆型双金属复合材料制造工艺的方案是:首先将制造好的所需尺寸的外层304不锈钢无缝管6的内壁表面进行除油、除锈处理后，采用丙酮进行清洗，然后在清洗好的304不锈钢管内表面均匀涂覆一层高温防氧化涂料，将其固定在浇注底板13上面的的金属液出口处的中心位置上，在外层304不锈钢管6的外部包覆一层耐火材料纤维8，启动升降设备上的传动系统1转动升降螺杆3带动安装在升降立柱2上的升降臂4以所设定的速度将安装在升降臂4上面的电磁感应加热器5下降到外层304不锈钢管6的底部，启动电磁感应加热电源，使感应加热器5对外层304不锈钢管6进行表面加热，通过安装在外层304不锈钢管6上面的测温热电偶15进行测温和控制加热温度，待加热到890℃后，将冶炼好的内层低碳钢金属液7倒入浇注包9内，将浇注包9内的低碳钢金属液按照所预定的浇注程序通过浇注漏斗10、中注管11、浇铸流道砖12内的浇注流道14浇入外层复合材料304不锈钢管6内，在浇注过程中，电磁感应加热器5不停止加热，低碳钢金属液7浇注完毕后，感应加热器继续进行加热18分钟，使所浇注的金属液在一定的时间内保持液态，以增加液固时间，使界面形成冶金结合，当低碳钢金属液7浇注到冒口处时采取点注方式浇注以对冒口进行补缩，浇注完毕后，将保温剂加入到保温冒口内，启动升降装置，通过升降臂4以所设定的速度将安装在升降臂4上面的电磁感应加热器5以一定的速度向上提升，使电磁感应加热器逐步脱离复合层，形成由下向上逐层顺序凝固，并根据质量要求在不同的区域内控制不同的上升速度，经10分钟升到保温冒口处停止，继续对保温冒口处进行加热20分钟，以延迟保温冒口凝固时间，对冒口进行补缩，使复合层金属液中的气体和夹杂物充分上浮，消除复合层金属铸造缺陷，达到预定时间后停止加热，拆除包覆在外层304不锈钢管6外面的耐火材料纤维8，松开外层304不锈钢管6的固定装置，将铸造好的外层为304不锈钢和内层为低碳钢的界面呈冶金结合的包覆型双金属复合材料7（图13）从浇注底板13上面吊出。

所述的电磁感应电源为中频感应电源，频率为750Hz。

实施例2：在图3中，与图2的不同点为安装在中注管11下面的浇铸流道砖12内的浇注流道14为2个金属液出口，浇注时，金属液通过中注管11从浇注流道14的2个金属液出口同时流出，可一次直接浇注2根外层为模具钢和内层为球墨铸铁的包覆型双金属复合材料。其它过程及设备与实施例1相同。略。

实施例3：在图4中，与图2的不同点为安装在中注管11下面的浇铸流道砖12内的浇注流道14为3个金属液出口，浇注时，金属液通过中注管11从浇注流道14的3个金属液出口同时流出，可一次直接浇注3根外层为高速钢和内层为低合金钢的包覆型双金属复合材料。其它过程及设备与实施例1相同。略。

实施例4：在图5中，与图2的不同点为安装在中注管11下面的浇铸流道砖12内的浇注流道14为四个金属液出口，浇注时，金属液通过中注管11从浇注流道14的四个金属液出口同时流出，可一次直接浇注四根外层为高铬铸铁和内层为合金钢的包覆型双金属复合材料。其它过程及设备与实施例1相同。略。

实施例5：在图6中，与图2的不同点为安装在中注管11下面的浇铸流道砖12内的浇注流道14为6个金属液出口，浇注时，金属液通过中注管11从浇注流道14的6个金属液出口同时流出，可一次直接浇注6根外层铜和内层为铝的包覆型双金属复合材料。其它过程及设备与实施例1相同。略。

实施例6：在图7中，与图1的不同点为传动系统1转动液压缸3带动安装在升降立柱2上的升降臂4以所设定的速度上下移动，在外层复合材料管6的外部安装有石墨加热套19。

工作时，启动升降设备上的传动系统1转动液压缸3带动安装在升降立柱2上的升降臂4以所设定的速度将安装在升降臂4上面的电磁感应加热器5下降到外层不锈钢管6的底部，启动电磁感应加热电源，使感应加热器5通过安装在外层不锈钢焊管6外部的石墨加热套对外层不锈钢焊管6进行表面加热，通过安装在外层不锈钢焊管6上面的测温热电偶15进行测温和控制加热温度，待加热到850℃后，将冶炼好的所需复合成分的内层复合材料铝液7倒入浇注包9内进行浇注，达到预定时间后停止加热，拆除安装在外层不锈钢焊管6外部的石墨加热套19，松开外层不锈钢焊管6的固定装置，将铸造好的外层不锈钢6和内层材料铝7之间的界面呈冶金结合的包覆型双金属复合材料7从浇注底板13上面吊出。其它过程及设备与实施例1 相同。略。

所述的电磁感应电源为高频感应电源，频率为10000 Hz。

实施例7：在图8中，与图7的不同点为在底板13的下面安装有底水箱17，在底水箱17一侧的下部安装有进水管16，在底水箱17一侧的上部安装有出水管18。

工作时，启动升降设备上的传动系统1转动升降螺杆3带动安装在升降立柱2上的升降臂4以所设定的速度将安装在升降臂4上面的电磁感应加热器5下降到外层钛管6的底部，打开底水箱17的进水管16和出水管18，启动电磁感应加热电源，使感应加热器5通过安装在外层复合材料钛管6外部的石墨加热套对外层钛管6进行表面加热，通过安装在外层钛管6上面的测温热电偶15进行测温和控制加热温度，待加热到900℃后，将冶炼好的所需复合成分的内层不锈钢液7倒入浇注包9内进行浇注，达到预定时间后停止加热，通过底水箱17由下向上的逐层冷却，形成逐层顺序凝固，并根据质量要求通过控制电磁感应加热器5在不同的区域内的上升速度，实现区域定向凝固；拆除安装在外层复合材料钛管6外部的石墨加热套19，关闭底水箱进水管，松开外层复合材料管6的固定装置，将铸造好的外层材料钛6和内层材料不锈钢7之间的界面呈冶金结合的包覆型双金属复合材料（图13）从浇注底板13上面吊出。其它过程及设备与实施例1 相同。略。

所述的电磁感应电源为中频感应电源，频率为500 Hz。

实施例8：在图9中，与图1的不同点为采用燃气加热，在外层材料管6的外部安装有保温模具20，保温模具20固定在浇注底板13的上面，在保温模具20的内层贴有保温耐火材料21，在保温模具20与外层复合材料管6的中间间隙内安装有燃气供气管24，在燃气供气管24的上面均匀的安装有燃气喷嘴23，在保温模具20的上面安装有保温盖板22。

工作时，打开燃气供气管24的阀门，点燃燃气喷嘴23，通过高温燃气对外层材料钛管6进行加热，将冶炼好的所需复合成分的内层复合材料低碳钢液7倒入浇注包9内进行浇注，当浇注完毕后，采取由下向上逐层停止燃气喷嘴23的方式使内层材料7形成由下向上逐层顺序凝固；松开外层材料钛管6的固定装置，将铸造好的外层材料钛管6和内层材料低碳钢7之间的界面呈冶金结合的包覆型双金属复合材料（图13）从浇注底板13上面吊出。其它过程及设备与实施例1 相同。略。

实施例9：在图10中，与图9的不同点为在底板13的下面安装有底水箱17，在底水箱17一侧的下部安装有进水管16，在底水箱17一侧的上部安装有出水管18。

工作时，打开燃气供气管24的阀门，点燃燃气喷嘴23，通过高温燃气对外层不锈钢管6进行加热，将冶炼好的所需复合成分的内层复合材料铜液7倒入浇注包9内进行浇注，当浇注完毕后，打开底水箱17的进水管16和出水管18，通过底水箱17产生由下向上的逐层冷却，同时采取由下向上逐层停止燃气喷嘴23的方式使内层材料7，形成逐层顺序凝固，并根据质量要求通过控制燃气喷嘴23在不同的区域内的加热时间和加热量的大小，实现区域定向凝固；松开外层复合材料管6的固定装置，将铸造好的外层不锈钢管6和内层材料铜7之间的界面呈冶金结合的包覆型双金属复合材料（图13）从浇注底板13上面吊出。其它过程及设备与实施例1和8 相同。略。

实施例10：在图11中，与图1的不同点为采用顶部直接浇注，在浇注包9的下面安装有吊挂卡槽26，浇注管28的上端安装有浇口杯27，浇口杯27通过吊挂卡槽26与浇注包9相连；在底板13的下面安装有底水箱17，在底水箱17一侧的下部安装有进水管16，在底水箱17一侧的上部安装有出水管18。

工作时，将浇注包9和浇注管27一起移到外层材料管6内孔上方，将浇注包9对准镍基合金管6内孔中心，开始从浇注管27浇入内层合金钢金属液7，合金钢金属液7浇注到镍基合金管6内的型腔后，根据浇注速度逐步将浇注包9和浇注管27一起向上提升，当合金钢金属液7浇注到冒口处时采取点注方式浇注以对冒口进行补缩，浇注完毕后，将保温剂加入到保温冒口内，打开底水箱17的进水管16和出水管18，使底水箱17产生由下向上的逐层冷却，将感应加热器5向上提升，形成由下向上逐层顺序凝固。其它过程及设备与实施例1相同。略。

实施例11：在图12中，与图1和图11的不同点为为采用燃气加热，在外层材料紫铜管6的外部安装有保温模具20，保温模具20固定在浇注底板13的上面，在保温模具20的内层贴有保温耐火材料21，在保温模具20与外层材紫铜料管6的中间间隙内安装有燃气供气管24，在燃气供气管24的上面均匀的安装有燃气喷嘴23，在保温模具20的上面安装有保温盖板22。

工作开始时，打开燃气供气管24的阀门，点燃燃气喷嘴23，通过高温燃气对外层材料紫铜管6进行加热，将冶炼好的所需复合成分的内层材料低合金钢液7倒入浇注包9内，将浇注包9和浇注管27一起移到外层材料紫铜管6内孔上方，将浇注包9对准材料紫铜管6内孔中心，开始从浇注管27浇入内层材料低合金钢金属液7，金属液7浇注到材料紫铜管6内的型腔后，根据浇注速度逐步将浇注包9和浇注管27一起向上提升，当金属液7浇注到冒口处时采取点注方式浇注以对冒口进行补缩，浇注完毕后，将保温剂加入到保温冒口内，打开底水箱17的进水管16和出水管18，使底水箱17产生由下向上的逐层冷却，将感应加热器5向上提升，形成由下向上逐层顺序凝固，并根据质量要求通过控制燃气喷嘴23在不同的区域内的加热时间和加热量的大小，实现区域定向凝固。其它过程及设备与实施例1和9 相同。略。

Claims (5)

1.一种包覆型双金属复合材料制备工艺，其特征在于：首先将制造好的所需材质和尺寸的外层复合材料管（6）内壁表面进行除油、除锈处理后，采用丙酮进行清洗，然后在清洗好的表面均匀涂覆一层高温防氧化涂料，将其固定在浇注底板（13）上面的金属液出口处的中心位置上，在外层复合材料管（6）的外部包覆一层耐火材料纤维（8），或者安装有传导加热套（19），启动升降设备上的传动系统1转动升降螺杆（3）或液压缸（3）带动安装在升降立柱（2）上的升降臂（4）以所设定的速度将安装在升降臂（4）上面的电磁感应加热器（5）下降到外层复合材料管（6）的底部，启动电磁感应加热电源，使感应加热器（5）直接对外层复合材料管6进行整体加热，或者感应加热器（5）通过安装在外层复合材料管（6）外部的传导加热套（19）对外层复合材料管（6）进行整体加热，通过安装在外层复合材料管（6）上面的测温热电偶（15）进行测温和控制加热温度，待加热到600℃～1000℃后，将冶炼好的所需复合成分的内层复合材料金属液（7）倒入浇注包（9）内，将浇注包（9）内的金属液按照所预定的浇注程序通过浇注漏斗（10）、中注管（11）、浇铸流道砖（12）内的浇注流道（14）浇入外层复合材料管（6）内，在浇注过程中，电磁感应加热器（5）不停止加热，金属液（7）浇注完毕后，感应加热器继续进行加热10～30分钟，使所浇注的金属液在一定的时间内保持液态，以增加液固时间，使界面形成冶金结合，当金属液（7）浇注到冒口处时采取点注方式浇注以对冒口进行补缩，浇注完毕后，将保温剂加入到保温冒口内；

当采用顶部直接浇注时，将浇注包（9）和浇注管（27）一起移到外层复合材料管（6）内孔上方，将浇注包（9）对准复合材料管（6）内孔中心，开始从浇注管（27）浇入内层复合材料金属液（7），金属液（7）浇注到复合材料管（6）内的型腔后，根据浇注速度逐步将浇注包（9）和浇注管（27）一起向上提升，当金属液（7）浇注到冒口处时采取点注方式浇注以对冒口进行补缩，浇注完毕后，将保温剂加入到保温冒口内；

启动升降装置，通过升降臂（4）以所设定的速度将安装在升降臂（4）上面的电磁感应加热器（5）以一定的速度向上提升，使电磁感应加热器（5）逐步脱离复合层，同时打开底水箱（17）的进水管（16）和出水管（18），使在底水箱（17）由下向上的逐层冷却下，形成逐层顺序凝固，并根据质量要求通过控制电磁感应加热器（5）在不同的区域内的上升速度，实现区域定向凝固，经过5～25分钟升到保温冒口处停止，继续对保温冒口处进行加热10～50分钟，以延迟保温冒口凝固时间，对冒口进行补缩，达到预定时间后停止加热，关闭底水箱进水管，松开外层复合材料管（6）的固定装置，将铸造好的界面呈冶金结合的由外层复合材料（6）和内层材料（7）和中间为双金属复合界面混合层（29）的包覆型双金属复合材料从浇注底板（13）上面吊出；

当采用燃气加热时，打开燃气供气管24的阀门，点燃燃气喷嘴（23），调整燃气量大小，通过高温燃气对外层复合材料管（6）进行加热，当浇注完毕后，打开底水箱（17）的进水管（16）和出水管（18），通过底水箱（17）产生由下向上的逐层冷却，同时将燃气喷嘴（23）由下向上逐层停止加热，使内层材料（7）形成由下向上逐层顺序凝固，并根据质量要求通过控制燃气喷嘴（23）在不同的区域内的加热时间和加热量的大小，实现区域定向凝固；

所述的包覆型双金属复合材料的外层材料（6）的材质为不锈钢、模具钢、工具钢、高速钢、合金钢、低碳钢、铸钢、铸铁、合金铸铁、高铬铸铁、钛、铜、铜合金、铝、铝合金、镁、镁合金、镍基合金其中之一种；

所述的内层内层复合材料（7）的材质为不锈钢、模具钢、模具钢、合金钢、低碳钢、铸钢、铸铁、合金铸铁、高铬铸铁、钛、铜、铜合金、铝、铝合金、镁、镁合金、镍基合金其中之一种。

2.一种实现包覆型双金属复合材料制备工艺的设备，其特征是：该设备由升降设备、感应加热设备、燃气加热设备、浇注系统组成；所述的升降设备为单立柱式或者龙门式结构，在升降立柱（2）上安装有传动系统1，通过传动系统（1）转动升降螺杆（3）或液压缸（3）带动安装在升降立柱（2）上的升降臂（4）以所设定的速度上下移动，在升降臂（4）的上面安装有电磁感应加热器（5），电磁感应加热器（5）与电磁感应电源控制柜相连接，在升降设备的下部安装有浇注底板（13），在浇注底板（13）上开有浇注流道曹，在浇注底板（13）上的浇注流道曹内安装有耐火材料制作的浇注流道砖（12），外层复合材料管（6）固定在浇注底板（13）的上面，在外层复合材料管（6）的外部包覆一层耐火材料纤维（8），或者安装有传导加热套（19），电磁感应加热器（5）安装在外层复合材料管（6）外面的耐火材料纤维（8）的外部，或者直接安装在外层复合材料管（6）的传导加热套（19）的外部，在外层复合材料管（6）的侧面安装有中注管（11），中注管（11）的下部与浇注流道砖（12）相连接，浇注流道砖（12）内有浇注流道（14），金属液出口安装在外层复合材料管（6）底部的中心位置，中注管（11）的上部安装有浇铸漏斗（10），在浇注漏斗（10）的上面有浇注包（9），在外层复合材料管（6）的上面安装有保温冒口（25）和测温热电偶（15），在浇注底板（13）的下面安装有底水箱（17），在底水箱（17）一侧的下部安装有进水管（16），在底水箱（17）一侧的上部安装有出水管（18）；

当采用燃气加热时，在外层复合材料管（6）的外部安装有保温模具（20），保温模具（20）固定在浇注底板（13）的上面，在保温模具（20）的内层贴有保温耐火材料（21），在保温模具（20）与外层复合材料管（6）的中间间隙内安装有燃气供气管（24），在燃气供气管（24）的上面均匀的安装有燃气喷嘴（23），在保温模具（20）的上面安装有保温盖板（22）；

当采用顶部直接浇注时，在浇注包（9）的下面安装有吊挂卡槽（26），浇注管（28）的上端安装有浇口杯（27），浇口杯（27）通过吊挂卡槽（26）与浇注包（9）相连。

3.根据权利要求1所述一种包覆型双金属复合材料制备工艺，其特征是：所述的外层复合材料管（6）为无缝管或者直缝焊管或者螺旋焊管，形状包括圆形或矩形。

4.根据权利要求1所述一种包覆型双金属复合材料制备工艺，其特征是：所述的传导加热套（19）的材料为石墨或碳化硅。

5.根据权利要求1所述一种包覆型双金属复合材料制备工艺，其特征是：所述的电磁感应电源为工频感应电源、中频感应电源、高频感应电源，频率为500Hz～10000Hz。