CN107790652B - 一种铝/镁复合材料连续铸造制备方法和装置 - Google Patents

一种铝/镁复合材料连续铸造制备方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种铝/镁复合材料连续铸造制备方法。该方法的包括如下步骤：在保护气氛下将镁合金熔体浇入上结晶器，然后启动连铸引锭杆，得到连铸芯材；当连铸芯材到达等离子喷涂喷枪位置时，启动电源实现对芯材表面的均匀喷涂，得到表面喷涂合金中间层的连铸芯材；表面喷涂合金中间层的连铸芯材到达下结晶器时，将包覆层铝合金熔体浇入下结晶器与芯材进行复合，获得铝/镁复合材料铸锭。本发明还提供了一种铝/镁复合材料连续铸造制备的设备。本发明通过在连铸过程中在线制备合金中间层的方法，阻碍了界面区域硬脆第二相的形成，获得具有良好冶金结合界面的铝/镁复合材料，且具有生产成本低、流程短、污染少的特点。

Description

一种铝/镁复合材料连续铸造制备方法和装置
技术领域
本发明属于复合金属加工技术领域，尤其涉及一种铝/镁复合材料连续铸造制备方法。
背景技术
镁合金是目前工业中密度最小的金属结构材料，且具有高的比强度，良好的消震性和电磁屏蔽性，但是塑性和耐蚀性差；铝合金具有较好的塑性和耐蚀性，但是密度相比镁合金较大。铝镁双金属复合材料兼具了二者的优势，成为交通运输领域最具吸引力的一类复合材料，对于减轻汽车质量、提高燃料经济性、保护环境、增强竞争力等方面都有显著效果。
制备双金属复合材料的关键是获得具有良好结合性能的界面。冶金结合界面是通过原子相互扩散使两种金属材料紧密的结合在一起，相比机械结合界面，具有结合强度高、稳定性好、杂质缺陷少等优点，已成为制备双金属复合材料的主要界面结合机制。目前双金属复合材料制备方法主要包含以下几类：
1)固/固复合。包含轧制复合、焊接、挤压复合和爆炸复合等技术。CN101518848A公开了一种制备镁与铝异种金属复合板的方法，通过叠合焊接后高温扩散反应，获得铝/镁复合板。 CN102642344A公开了一种铝包镁线材轧制复合制备方法。CN101992345A公开了一种铝合金和镁合金叠层板爆炸复合制备方法。CN102689090A公开了一种镁/铝合金中厚板搅拌摩擦焊方法。但是，这些工艺存在工序复杂，界面结合不均匀，成品率低，成本高，且制件尺寸受限，无法实现大规模生产等问题。
2)固/液复合。主要为铸造复合法。由于铝/镁金属间化合物形成温度远低于合金熔体浇铸温度，铸造复合过程中两种金属会在界面反应生成硬脆中间相，严重影响结合性能，铸造复合工艺的关键就在于控制和减少界面反应。CN102350492A公开了一种铸造铝包镁复合铸锭的制备方法，通过将液态镁合金浇入到一定形状和尺寸的铝板盒内，冷却后既得包铝镁合金铸锭。但是该方法需要预制铝板盒，且浇注前还需对其进行预热和表面处理，工艺复杂，且浇注时界面反应较剧烈，无法保证均匀良好的界面结合。CN103691909A公开了一种铝/镁固液复合铸造成型方法，通过将经表面处理和预热的铝合金管材置入镁合金液中，然后迅速淬入室温水中，待界面凝固后放于空气中冷却获得复合铸锭。该方法减少了铝/镁界面反应，但工艺复杂，且受限于模具尺寸。CN105964919A公开了一种消失模制造液/液复合铝/镁双金属铸件的方法，首先提供一个包含镁合金部分、中间铝片和铝合金部分的复合泡沫模型，其次对其涂涂料并埋砂造型，最后分别浇注镁合金液和铝合金液，冷却凝固后获得铝/镁双金属铸件。该方法通过在界面处预先添加铝片阻碍界面反应，工艺复杂，不能保证均匀良好的冶金结合，且受限于模具尺寸。
3)液/液复合。主要为连续铸造复合法。相比其它方法，连续铸造复合法制备双金属材料具有成本低、流程短、效率高、且易实现冶金结合等优点，具有广阔发展前景。CN106216618A 公开了一种浇注连续铸造制备双金属复合材料的方法，通过向液态金属熔体在结晶器形成的凝固液穴内加入金属半固态浆料，凝固后获得梯度过渡的双金属复合铸锭。CN104174823A公开了一种包覆材料固/液复合连铸成型设备与方法，适于包覆层金属熔点低于芯材金属熔点的难以卷曲的大尺寸包覆材料连铸成型。CN1927504A公开了一种包覆材料水平连铸直接复合成形设备与工艺。但是，这些工艺仅适用于熔点相差较大或没有中间相产生的异种金属复合，如铝/钢，铝/铜，铝/铝复合材料等。由于液/液复合时界面温度高，原子扩散加剧，且铝和镁的熔点仅相差约10℃，铝/镁界面处会形成大量脆性第二相，从而限制了连续铸造法在制备铝/镁复合材料方面的应用。
发明内容
为了克服上述技术和性能的不足之处，本发明提供一种铝/镁复合材料连续铸造制备方法。该方法在传统的包覆材料垂直连续铸造装置中增加了等离子喷涂的设置，可以对先凝固的芯材表面进行在线喷涂合金中间层，然后再与包覆层合金熔体进行复合，从而避免了高温下镁、铝两种合金的直接接触，能够获得界面无明显脆性相、实现良好冶金结合的铝/镁复合材料。
本发明的技术方案：
一种铝/镁复合材料连续铸造制备方法，包括以下步骤：
(1)在保护气氛下将镁合金熔体浇入上结晶器，然后启动连铸引锭杆，牵引速度为60-120mm/min，镁合金熔体受上结晶器激冷作用迅速凝固，得到连铸芯材；
(2)当连铸芯材在引锭杆的牵引下到达等离子喷涂喷枪位置时，启动电源对芯材表面进行均匀喷涂合金中间层，得到表面喷涂厚度为30-100μm合金中间层的连铸芯材；
(3)表面喷涂合金中间层的连铸芯材在引锭杆的牵引下经过下结晶器时，将包覆层铝合金熔体浇入下结晶器，铝合金溶体通过下结晶器与连铸芯材进行复合，凝固后获得铝/镁复合材料铸锭。
所述镁合金为金属镁、镁-铝系列、镁-锰系列、镁-锌系列或镁-稀土系列合金。
所述铝合金为金属铝、铝-镁系列、铝-锰系列、铝-铜系列、铝-锌系列或铝-硅系列合金。
所述合金中间层优选为镍合金。
所述等离子喷涂工艺优选为，喷涂电压40-60V，电流500-700A，等离子气体(Ar)流量 30-50L/min，辅助气体(H2)流量3-10L/min，送粉气体(Ar)流量5-20g/min。
所述等离子喷涂喷枪与芯材表面距离优选为5-15cm，喷涂作业窗口高度范围为5-15cm。
所述连铸芯材截面直径优选为5-15mm；所述的包覆层的厚度优选为3-20mm。
所述二次冷却装置可以是水冷、油冷或空冷中的任何一种。
一种铝/镁复合材料连续铸造制备的装置，该装置的组成包括上结晶器、等离子喷涂喷枪、外浇包、下结晶器、二次冷却装置和连铸引锭杆；其中，上结晶器、外浇包、下结晶、二次冷却装置从上到下依次配置于同一轴线上；上结晶器的下部与外浇包顶部之间间距为10-30cm，等离子喷涂喷枪安装在二者之间的外部，枪头位置可围绕轴心水平自由转动；下结晶器的顶部与外浇包的下部紧密相连；
所述的引锭杆头端为凸台结构。
本发明的实质性特点为：
本发明的创新点为通过在连铸过程中在线制备合金中间层的方法,获得具有良好冶金结合界面的铝/镁复合材料。本发明克服了连续铸造复合法制备铝/镁复合材料时界面反应剧烈、易形成大量硬脆第二相的缺点，利用等离子喷涂工艺效率高、工艺简单和不受样件形状尺寸约束的特点，在线喷涂高熔点合金中间层阻碍两种金属的直接接触和硬脆相的形成，同时合金中间层与两种金属均形成良好的冶金结合，在保证获得良好结合性能的前提下，充分发挥了连续铸造法制备复合材料成本低、流程短、能耗低、污染小的优势。
本发明的有益效果为：
本发明在连续铸造过程中利用等离子喷涂技术高效率和高灵活性的特点，同步制备合金中间层，实现铝/镁复合材料的制备；针对当前技术中，连续铸造法不能用来制备铝镁复合材料，本发明则提供了一种连续铸造法制备铝镁复合材料的方法，直接在铸造过程中就获得结合良好的铝镁复合材料，省去了固/固复合或固/液复合制备铝镁复合材料时的二次加工过程，制备流程大幅缩短，相应节约了能耗，所以说效率高，成本低。
具体体现为：
1)良好的结合界面组织性能。本发明所制备的铝/镁复合材料界面无明显硬脆第二相形成，合金中间层薄且均匀，裂纹及孔洞缺陷少，结合强度高。
2)成本低、效率高。连续铸造法一次制备界面结合良好的铝/镁复合材料，与固/固复合法相比，省去样品表面处理、加热及塑性变形等工艺，降低了成本；与固/液复合法相比，省去制模具、表面处理等工艺，且不受模具尺寸限制，可实现无限长复合材料的连续制备。
3)应用前景广泛。本发明涉及的铝/镁复合材料连续铸造制备方法具有界面结合强度高、成本低、流程短、能耗低、污染小的特点，能较好的满足航空航天及交通运输领域的要求。
附图说明
图1是铝/镁复合材料连续铸造过程示意图；
其中，1为上结晶器，2为等离子喷涂喷枪，3为外浇包，4为下结晶器，5为二次冷却装置，6为引锭杆，7为芯层液态金属熔体，8为连铸芯材，9为合金中间层，10为包覆层液态金属熔体，11为复合材料铸锭。
图2是实施例1中得到的铝/镁复合材料结合界面扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述，并非对本发明保护范围的限制。
本发明提供一种铝/镁复合材料连续铸造制备的装置，如图1所示，由上结晶器1、等离子喷涂喷枪2、外浇包3、下结晶器4、二次冷却装置5、连铸引锭杆6组成。其中，上结晶器1、外浇包3、下结晶器4、二次冷却装置5沿引锭方向从上到下依次配置于同一轴线上；上结晶器1出口内径为11mm，下部与外浇包3顶部之间间距为15cm，等离子喷涂喷枪2安装在其间，枪头位置可围绕轴心水平自由转动，通过旋转一周喷涂实现在芯材表面均匀制备合金中间层9；外浇包3位于等离子喷枪2下方，用于盛装包覆层液态金属熔体10；下结晶器 4出口内径为30mm，其顶部与外浇包3的下部紧密相连，保证从外浇包3进入下结晶器的包覆层液态金属熔体10实现快速凝固，获得所需厚度的包覆层；二次冷却装置5位于下结晶器 4下方，对复合材料铸锭11进行进一步的冷却；引锭杆6头端为凸台结构，在连铸刚开始时中间凸台放置于上结晶器1中，起到堵住上结晶器1的出口，使芯层液态金属熔体7在上结晶器1内快速冷却并与之紧密连接的作用，然后将凝固后的芯材8连续牵引通过上结晶器1、等离子喷枪2、外浇包3、下结晶器4和二次冷却装置5，实现对复合材料铸锭11的连铸成型。
本发明在传统的包覆材料垂直连续铸造装置中增加了等离子喷涂设置即可实现铝/镁复合材料的制备，装置简单，无需对原有装置进行大幅改造。
实施例1
芯材为直径10mm的工业纯镁(≧99.94wt.％)，包覆层为厚度8mm的工业纯铝(≧99.79 wt.％)，合金中间层为含铝5％的镍铝合金的铝/镁复合材料连续铸造制备。具体步骤：
1)在保护气氛下将镁熔体7加热至720℃，精炼保温后浇入上结晶器1中，在冷却水流量200L/h、冷却水温度20℃的上结晶器1激冷作用下使镁熔体7由外向内迅速凝固，然后启动连铸引锭杆6，使凝固后的芯材8开始朝引锭方向移动；
2)当芯材8到达等离子喷涂喷枪2位置时，启动电源，喷涂电压50V，电流600A，等离子气体(Ar)流量40L/min，辅助气体(H2)流量5L/min，送粉气体(Ar)流量10g/min，喷嘴与芯材表面距离10cm，同时控制喷枪以200mm/min的速度围绕芯材匀速运动，实现对整个芯材8表面的均匀喷涂，形成厚度为50-80μm的合金中间层9；
3)当喷涂合金中间层9的芯材8到达下结晶器4时，将精炼保温的铝熔体10浇入外浇包3，浇注温度700℃，并进入下结晶器4，铝熔体10与芯材8表面合金中间层9接触，实现良好的冶金结合；在冷却水流量1000L/h、冷却水温度20℃的下结晶器4的激冷作用下，未凝固的包覆层铝熔体10发生完全凝固，形成界面为冶金结合的铝/镁复合材料铸锭11；制备的铝/镁复合材料铸锭11在经过二次冷却装置5时被进一步冷却。
4)在连铸引锭杆6以牵引速度90mm/min的作用下，实现芯材为镁、中间层为镍合金、包覆层为铝的铝/镁复合材料的连铸成型。
实施例2
芯材为直径10mm的AZ31镁合金，其化学质量百分比为：Al：3.05％，Zn：1.16％，Mn：0.48％，其余为Mg；包覆层为厚度8mm的6061铝合金，其化学质量百分比为：Mg：1.08％， Si:0.6％，Cu：0.22％，Mn：0.10％，Zn：0.18％，Fe：0.35％，其余为Al；合金中间层为含铝5％的镍铝合金的铝/镁复合材料连续铸造制备。具体步骤：
1)在保护气氛下将AZ31镁合金熔体7加热至700℃，精炼保温后浇入上结晶器1中，在冷却水流量200L/h、冷却水温度20℃的上结晶器1激冷作用下使AZ31镁合金熔体7由外向内迅速凝固，然后启动连铸引锭杆6，使凝固后的芯材8开始朝引锭方向移动；
2)当芯材8到达等离子喷涂喷枪2位置时，启动电源，喷涂电压50V，电流600A，等离子气体(Ar)流量40L/min，辅助气体(H2)流量5L/min，送粉气体(Ar)流量10g/min，喷嘴与芯材表面距离10cm，同时控制喷枪以200mm/min的速度围绕芯材匀速运动，实现对整个芯材8表面的均匀喷涂，形成厚度为50-80μm的合金中间层9；
3)当喷涂合金中间层9的芯材8到达下结晶器4时，将精炼保温的6061铝合金熔体10 浇入外浇包3，并进入下结晶器4，浇注温度690℃，6061铝合金熔体10与芯材8表面合金中间层9接触，实现良好的冶金结合；在冷却水流量1000L/h、冷却水温度20℃的下结晶器 4的激冷作用下，未凝固的包覆层6061铝合金熔体10发生完全凝固，形成界面为冶金结合的铝/镁复合材料11；制备的铝/镁复合材料铸锭11在经过二次冷却装置5时被进一步冷却。
4)在连铸引锭杆6以牵引速度90mm/min的作用下，实现芯材为AZ31镁合金、中间层为镍合金、包覆层为6061铝合金的铝/镁复合材料的连铸成型。
实施例3
芯材为直径10mm的AM50镁合金，其化学质量百分比为：Al：4.8％，Mn：0.43％，其余为 Mg；包覆层为厚度8mm的3003铝合金，其化学质量百分比为：Si:0.6％，Cu：0.18％，Mn：1.3％，其余为Al；其它步骤同实施例1。
实施例4
芯材为直径10mm的AZ91镁合金，其化学质量百分比为：Al：9.1％，Zn：0.76％，Mn：0.33％，其余为Mg；包覆层为厚度8mm的5050铝合金，其化学质量百分比为：Mg：1.4％，Si:0.4％， Cu：0.18％，Mn：0.1％，其余为Al；其它步骤同实施例1。
本发明实施例得到的是中间层为镍合金的铝/镁复合材料。图2是实施例1中铝/镁复合材料结合界面扫描电镜图。可以看出，镍合金中间层的平均厚度约为60μm，由于中间层的存在，阻碍了镁/铝脆性化合物的形成，同时镍/镁、镍/铝结合界面处也没有明显的化合物、孔洞和裂纹等缺陷，形成了良好的冶金结合界面。在万能试验机上对其进行剪切拉伸测试，显示其剪切强度为28.2MPa。
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。
本发明未尽事宜为公知技术。

Claims (9)

1.一种铝/镁复合材料连续铸造制备方法，其特征为该方法包括以下步骤：
(1)在保护气氛下将金属镁或镁合金熔体浇入上结晶器，然后启动连铸引锭杆，牵引速度为60-120mm/min，镁合金熔体受上结晶器激冷作用迅速凝固，得到连铸芯材；
(2)当连铸芯材在引锭杆的牵引下到达等离子喷涂喷枪位置时，启动电源对芯材表面进行均匀喷涂合金中间层，得到表面喷涂合金中间层厚度为30-100μm的连铸芯材；
(3)表面喷涂合金中间层的连铸芯材在引锭杆的牵引下经过下结晶器时，将包覆层金属铝或铝合金熔体浇入下结晶器，铝合金溶体通过下结晶器与连铸芯材进行复合，凝固后获得铝/镁复合材料铸锭；
所述的上结晶器、外浇包、下结晶、二次冷却装置从上到下依次配置于同一轴线上；上结晶器的下部与外浇包顶部之间间距为10-30cm，等离子喷涂喷枪安装在二者之间的外部，枪头位置可围绕轴心水平自由转动；下结晶器的顶部与外浇包的下部紧密相连；
所述的引锭杆头端为凸台结构。
2.如权利要求1所述的铝/镁复合材料连续铸造制备方法，其特征为所述镁合金为镁-铝系列、镁-锰系列、镁-锌系列或镁-稀土系列合金。
3.如权利要求1所述的铝/镁复合材料连续铸造制备方法，其特征为所述铝合金为铝-镁系列、铝-锰系列、铝-铜系列、铝-锌系列或铝-硅系列合金。
4.如权利要求1所述的铝/镁复合材料连续铸造制备方法，其特征为所述合金中间层优选为镍合金。
5.如权利要求1所述的铝/镁复合材料连续铸造制备方法，其特征为所述等离子喷涂工艺为，喷涂电压40-60V，电流500-700A，等离子气体Ar的流量为30-50L/min，辅助气体H2的流量为3-10L/min，送粉气体Ar的流量为5-20g/min。
6.如权利要求1所述的铝/镁复合材料连续铸造制备方法，其特征为所述等离子喷涂喷枪与芯材表面距离为5-15cm，喷涂作业窗口高度范围为5-15cm。
7.如权利要求1所述的铝/镁复合材料连续铸造制备方法，其特征为所述连铸芯材截面直径为5-15mm；所述的包覆层的厚度为3-20mm。
8.如权利要求1所述的铝/镁复合材料连续铸造制备方法，其特征为所述二次冷却装置为水冷、油冷或空冷中的任何一种。
9.一种铝/镁复合材料连续铸造制备的装置，其特征为该装置的组成包括上结晶器、等离子喷涂喷枪、外浇包、下结晶器、二次冷却装置和连铸引锭杆；其中，上结晶器、外浇包、下结晶、二次冷却装置从上到下依次配置于同一轴线上；上结晶器的下部与外浇包顶部之间间距为10-30cm，等离子喷涂喷枪安装在二者之间的外部，枪头位置可围绕轴心水平自由转动；下结晶器的顶部与外浇包的下部紧密相连；
所述的引锭杆头端为凸台结构。
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双结晶器连铸工艺制备层状双金属复合材料的界面结合原理分析;孙德勤等;《热加工工艺》;20050228(第2期);第4-6页

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