CN110340321A - 一种底注式浇铸装置和一种碳素钢-蒙乃尔合金层状复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种底注式浇铸装置和一种碳素钢‑蒙乃尔合金层状复合材料的制备方法，涉及合金材料技术领域。本发明提供的底注式浇铸装置包括中频感应熔炼炉1、保护气施加装置2、红外测温仪监控装置3、高频感应加热装置4、双辊传动装置5和冷却装置6；所述中频感应熔炼炉1包括塞棒1‑1、炉体1‑2和浇口1‑3。采用本发明提供的底注式浇铸装置制备碳素钢‑蒙乃尔合金层状复合材料，可靠度和安全性高，且生产效率高，制备出的碳素钢‑蒙乃尔合金层状复合材料洁净度高，并具有较高的界面结合强度，可以得到很大范围的Ni‑Fe‑Cu扩散层。

Description

一种底注式浇铸装置和一种碳素钢-蒙乃尔合金层状复合材 料的制备方法
技术领域
本发明涉及合金材料技术领域，特别涉及一种底注式浇铸装置和一种碳素钢-蒙乃尔合金层状复合材料的制备方法。
背景技术
蒙乃尔合金是以镍为基的镍铜系合金，其典型组成成分为质量分数70％的Ni和质量分数30％的Cu。该合金具有优良的耐腐蚀性、抗氧化性和较高的强度，特别适合于航空、航海、化工、核能等装置的零部件。碳素钢具有低成本，高强度的特点。因此碳素钢-蒙乃尔合金层状复合材料可大大降低使用蒙乃尔合金的成本，具有很广泛的应用前景。目前，生产该类复合材料的主要方法是爆炸复合法，但是该种方法对设备及技术要求较高，难以精确控制，并且缺乏安全性和稳定性。因此亟需开发一种简单易行、生产效率高、安全性高、产品性能优良的双金属层状复合材料的制备技术方案。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种底注式浇铸装置和一种碳素钢-蒙乃尔合金层状复合材料的制备方法。采用本发明提供的底注式浇铸装置制备碳素钢-蒙乃尔合金层状复合材料，简单易行，安全可靠，生产效率高，制备得到的碳素钢-蒙乃尔合金层状复合材料具有良好的界面结合强度。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种底注式浇铸装置，包括中频感应熔炼炉1、保护气施加装置2、红外测温仪监控装置3、高频感应加热装置4、双辊传动装置5和冷却装置6；
所述中频感应熔炼炉1包括塞棒1-1、炉体1-2和浇口1-3；
保护气施加装置2设置于浇口1-3的下方；
应用时，钢基板置于双辊传动装置5的两辊之间，在中频感应熔炼炉1的浇口1-3下方沿平行方向移动；所述高频感应加热装置4正对浇口下方，用于对钢基板的浇铸位置进行底部预热；所述红外测温仪监控装置3用于对钢基板的预热温度进行监控；所述冷却装置6设置于钢基板下侧，用于对经过浇口1-3的钢基板进行冷却。
优选地，所述冷却装置6为四道水冷喷嘴。
优选地，所述双辊传动装置5上还设置有滚压矫直装置；所述滚压矫直装置为双辊滚压装置。
本发明提供了一种碳素钢-蒙乃尔合金层状复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将Ni和Cu在所述中频感应熔炼炉1中进行熔炼，得到蒙乃尔合金熔体；
将预热后的碳素钢基板置于双辊传动装置5上，经高频感应加热装置4预热后，所述蒙乃尔合金熔体自中频感应熔炼炉1的浇口1-3流出，在保护气保护下浇铸到匀速行进的碳素钢基板表面；碳素钢基板的预热温度由红外测温仪监控装置3进行监控；
浇铸有蒙乃尔合金的碳素钢基板被双辊传动装置5传送至冷却装置6上方进行冷却，得到碳素钢-蒙乃尔合金层状复合材料。
优选地，所述熔炼的温度为1480℃。
优选地，所述碳素钢基板的预热温度为800～1200℃。
优选地，所述碳素钢基板的行进速度为0.5～3m/min。
优选地，所述蒙乃尔合金的浇铸温度为1430℃。
优选地，在传送至冷却装置6上方之前，还包括将所述浇铸有蒙乃尔合金的碳素钢基板进行自然冷却。
优选地，所述自然冷却的终点温度为1000℃。
本发明提供了一种底注式浇铸装置，包括中频感应熔炼炉1、保护气施加装置2、红外测温仪监控装置3、高频感应加热装置4、双辊传动装置5和冷却装置6；所述中频感应熔炼炉1包括塞棒1-1、炉体1-2和浇口1-3；保护气施加装置2设置于浇口1-3的下方；应用时，钢基板置于双辊传动装置5的两辊之间，在中频感应熔炼炉1的浇口1-3下方沿平行方向移动；所述高频感应加热装置4正对浇口下方，用于对钢基板进行底部预热；所述红外测温仪监控装置3用于对钢基板的预热温度进行监控；所述冷却装置6设置于钢基板下侧，用于对经过浇口1-3的钢基板进行冷却。本发明提供的底注式浇铸装置能够大大降低合金材料中夹杂物的浓度，从而提高合金产品的洁净度，保证产品性能稳定；同时设置红外测温仪监控装置可对钢基板的预热温度进行监控，确保熔体浇铸过程中钢基板的温度保持稳定并控制在所需温度内，促进金属元素之间的互扩散，提高界面结合强度。
本发明提供了一种碳素钢-蒙乃尔合金层状复合材料的制备方法，通过以上方案所述的底注式浇铸装置进行制备。本发明提供的制备方法可靠度和安全性高，且生产效率高，制备出的碳素钢-蒙乃尔合金层状复合材料洁净度高，并具有较高的界面结合强度，可以得到很大范围的Ni-Fe-Cu扩散层。实施例结果表明，本发明制备的碳素钢-蒙乃尔合金层状复合材料，碳素钢与蒙乃尔合金界面结合良好平直，界面处无夹杂物及缺陷。
附图说明
图1为本发明提供的底注式浇铸装置的结构示意图，其中，1表示中频感应熔炼炉，1-1表示塞棒，1-2表示炉体，1-3表示浇口，2表示保护气施加装置，3表示红外测温仪监控装置，4表示高频感应加热装置，5表示双辊传动装置，6表示冷却装置，7表示钢基板；
图2为实施例1制备得到的碳素钢-蒙乃尔合金层状复合材料复合界面处的SEM显微组织图像；
图3为实施例1制备得到的碳素钢-蒙乃尔合金层状复合材料复合界面处溶质元素扩散SEM分析图。
具体实施方式
本发明提供了一种底注式浇铸装置，如图1所示，包括中频感应熔炼炉1、保护气施加装置2、红外测温仪监控装置3、高频感应加热装置4、双辊传动装置5和冷却装置6。
本发明提供的底注式浇注装置包括中频感应熔炼炉1。在本发明中，所述中频感应熔炼炉1包括塞棒1-1、炉体1-2和浇口1-3；所述浇口1-3设置于炉体底部中心，塞棒1-1设置于炉体内，应用过程中通过塞棒1-1控制浇口1-3的开闭程度，从而控制熔体流量。本发明对所述中频感应熔炼炉1的炉体没有特别的要求，采用本领域熟知的中频感应熔炼炉即可。
本发明提供的底注式浇注装置包括保护气施加装置2，所述保护气施加装置2设置于浇口1-3的下方。在本发明中，所述保护气施加装置2为密闭的空腔，空腔内充满惰性气体如Ar，从而抑制或者避免钢基板预热过程中发生氧化。本发明对所述保护气施加装置2没有特别的要求，采用本领域熟知的相应装置即可。
本发明提供的底注式浇注装置包括红外测温仪监控装置3和高频感应加热装置4。在本发明中，所述高频感应加热装置4正对浇口下方，用于对钢基板的浇铸位置进行底部预热；所述高频感应加热装置优选为由高频加热线圈组成的加热装置。在本发明中，所述红外测温仪监控装置3用于对钢基板的预热温度进行实时监控，确保熔体浇铸过程中钢基板的温度保持稳定并控制在所需温度内，促进金属元素之间的互扩散，提高界面结合强度；同时对温度进行监控也能保证熔体具有较高的流动性而避免浇不足。本发明对所述红外测温仪监控装置3没有特别的要求，采用本领域熟知的相应装置即可；本发明对所述红外测温仪监控装置3的具体位置没有特别的限制，能够实现对钢基板的预热温度进行监控即可。
本发明提供的底注式浇注装置包括双辊传动装置5，应用时，钢基板(图1中标记7表示钢基板)置于双辊传动装置5的两辊之间，在中频感应熔炼炉1的浇口1-3下方沿平行方向移动。在本发明中，所述双辊传动装置5上还优选设置有滚压矫直装置；所述滚压矫直装置优选为双辊滚压装置。本发明通过在双辊传动装置5上设置滚压矫直装置，可以同时对钢基板起到牵引传动和矫直的作用，防止钢基板发生变形。
本发明提供的底注式浇注装置包括冷却装置6，所述冷却装置6位于钢基板的下侧，用于对经过浇口1-3的钢基板进行冷却。在本发明中，所述冷却装置6优选为四道水冷喷嘴。
本发明提供了以上底注式浇铸装置。合金在熔炼过程中合金液的密度较大，氧化夹杂物的密度较小，氧化夹杂物会浮在合金液的上方，本发明提供的底注式浇铸装置使较为纯净的合金液从底部浇口流出，能够大大降低合金材料中夹杂物的浓度，从而提高合金产品的洁净度，保证产品性能稳定；同时本发明提供的底注式浇铸装置能够促进金属元素之间的互扩散，提高界面结合强度。
本发明提供了一种碳素钢-蒙乃尔合金层状复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将Ni和Cu在所述中频感应熔炼炉1中进行熔炼，得到蒙乃尔合金熔体；
将碳素钢基板置于双辊传动装置5上，经高频感应加热装置4预热后，所述蒙乃尔合金熔体自中频感应熔炼炉1的浇口1-3流出，在保护气保护下浇铸到匀速行进的碳素钢基板表面；碳素钢基板的预热温度由红外测温仪监控装置3进行监控；
浇铸有蒙乃尔合金的碳素钢基板被双辊传动装置5传送至冷却装置6上方进行冷却，得到碳素钢-蒙乃尔合金层状复合材料。
本发明将Ni和Cu在所述中频感应熔炼炉1中进行熔炼，得到蒙乃尔合金熔体。在本发明中，所述Ni和Cu的质量比优选为7：3；所述Ni和Cu的纯度优选≥99.9％。在本发明中，所述Ni和Cu优选在覆盖剂保护下置于镁砂坩埚中，然后将镁砂坩埚放置在中频感应熔炼炉1中进行熔炼。在本发明中，所述覆盖剂可防止熔炼过程中熔体被氧化；本发明对所述覆盖剂没有特别的要求，采用本领域熟知的覆盖剂即可，具体地如木炭。本发明将Ni和Cu置于镁砂坩埚中进行熔炼，可避免蒙乃尔合金中Ni与C反应生成杂质化合物。在本发明中，所述中频感应熔炼炉加热时的感应频率优选为5000～8000Hz，功率优选为10～30kW。在本发明中，所述熔炼的温度优选为1480℃，即采用所述中频感应熔炼炉的中频感应线圈将Ni和Cu加热至1480℃，进行熔炼；所述熔炼的时间优选为20～40min。熔炼后，本发明还优选将得到的蒙乃尔合金熔体进行保温；所述保温的时间优选为2min。
本发明将碳素钢基板置于双辊传动装置5上，由高频感应加热装置4进行预热。在本发明中，所述高频感应加热装置4的加热频率优选为10000～40000Hz，功率优选为100～120kW；所述碳素钢基板的预热温度优选为800～1200℃，更优选为1000℃。在将碳素钢基板置于双辊传动装置5上之前，本发明还优选对所述碳素钢基板进行清洗；本发明对所述清洗的方法没有特别的要求，采用本领域熟知的清洗方法将碳素钢基板表面的油污及氧化物去除即可。本发明对所述碳素钢基板没有特别的要求，采用本领域熟知的碳素钢基板即可。碳素钢基板预热后，所述蒙乃尔合金熔体自中频感应熔炼炉1的浇口1-3流出，在保护气保护下浇铸到匀速行进的碳素钢基板表面。在本发明中，所述碳素钢基板的行进速度优选为0.5～3m/min，更优选为0.8～1.5m/min。在本发明中，所述蒙乃尔合金的浇铸温度优选为1430℃，即将所述中频感应熔炼炉的加热频率下调，使所述蒙乃尔合金熔体的温度下降直至达到所需的浇铸温度。在所述浇铸的过程中，本发明通过红外测温仪监控装置3监控碳素钢基板的预热温度，从而控制蒙乃尔合金熔体与碳素钢基板复合界面的温度，确保熔体浇铸过程中钢基板浇铸位置的温度保持稳定并控制在所需温度内，促进金属元素之间的互扩散，提高界面结合强度；同时也能保证熔体具有较高的流动性而避免浇不足。
浇铸完成后，本发明将浇铸有蒙乃尔合金的碳素钢基板由双辊传动装置5传送至冷却装置6上方进行冷却，得到碳素钢-蒙乃尔合金层状复合材料。本发明将所述浇铸有蒙乃尔合金的碳素钢基板进行底部冷却，可快速冷却至室温。在传送至冷却装置6上方进行冷却之前，本发明还优选将浇铸有蒙乃尔合金的碳素钢基板进行自然冷却；所述自然冷却的终点温度优选为1000℃；进行自然冷却之后，再将冷却装置6开启进行快速冷却。
本发明提供了以上碳素钢-蒙乃尔合金层状复合材料的制备方法，通过所述底注式浇铸装置进行制备。本发明提供的制备方法可靠度和安全性高，且生产效率高，制备出的碳素钢-蒙乃尔合金层状复合材料洁净度高，并具有较高的界面结合强度，可以得到很大范围的Ni-Fe-Cu扩散层。
下面结合实施例对本发明提供的一种底注式浇铸装置和一种碳素钢-蒙乃尔合金层状复合材料的制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
按照质量比例7:3称取Ni和Cu原料，均选用纯度99.9wt％及以上的纯金属原料。熔炼合金时，将Ni和Cu置于镁砂坩埚中通过中频感应加热炉1加热，整个熔炼过程需在覆盖剂保护下进行。将熔体加热至1480℃保温2分钟，下调加热功率，待熔体温度下降至1430℃时在保护气作用下将合金熔体均匀浇铸到匀速行进的碳素钢基板7表面，钢基板需提前通过高频感应加热装置4预热到1000℃并由双辊传动装置5(设置有滚压矫直装置)牵引而匀速前进，前进速度为88mm/min。浇铸完成后，待复合板温度自然冷却至1000℃时通过水冷装置6将复合板快速冷却至室温，得到碳素钢-蒙乃尔合金层状复合材料；底注式浇铸装置如图1所示。
图2为制备得到的碳素钢-蒙乃尔合金层状复合材料复合界面处的SEM显微组织图像，复合界面左侧为碳素钢层，右侧为蒙乃尔合金层。从图2可以看出，碳素钢与蒙乃尔合金界面结合良好平直，界面处无夹杂物及缺陷。
图3为制备得到的碳素钢-蒙乃尔合金层状复合材料复合界面处溶质元素扩散SEM分析图，按照Fe元素在界面处的相互扩散可以得到界面扩散层厚度约为60μm，因此具有较高的结合强度。
本发明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 (10)

1.一种底注式浇铸装置，其特征在于，包括中频感应熔炼炉(1)、保护气施加装置(2)、红外测温仪监控装置(3)、高频感应加热装置(4)、双辊传动装置(5)和冷却装置(6)；
所述中频感应熔炼炉(1)包括塞棒(1-1)、炉体(1-2)和浇口(1-3)；
保护气施加装置(2)设置于浇口(1-3)的下方；
应用时，钢基板置于双辊传动装置(5)的两辊之间，在中频感应熔炼炉(1)的浇口(1-3)下方沿平行方向移动；所述高频感应加热装置(4)正对浇口下方，用于对钢基板的浇铸位置进行底部预热；所述红外测温仪监控装置(3)用于对钢基板的预热温度进行监控；所述冷却装置(6)设置于钢基板下侧，用于对经过浇口(1-3)的钢基板进行冷却。
2.根据权利要求1所述的底注式浇铸装置，其特征在于，所述冷却装置(6)为四道水冷喷嘴。
3.根据权利要求1所述的底注式浇铸装置，其特征在于，所述双辊传动装置(5)上还设置有滚压矫直装置；所述滚压矫直装置为双辊滚压装置。
4.一种碳素钢-蒙乃尔合金层状复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将Ni和Cu在所述中频感应熔炼炉(1)中进行熔炼，得到蒙乃尔合金熔体；
将碳素钢基板置于双辊传动装置(5)上，经高频感应加热装置(4)预热后，所述蒙乃尔合金熔体自中频感应熔炼炉(1)的浇口(1-3)流出，在保护气保护下浇铸到匀速行进的碳素钢基板表面；碳素钢基板的预热温度由红外测温仪监控装置(3)进行监控；
浇铸有蒙乃尔合金的碳素钢基板被双辊传动装置(5)传送至冷却装置(6)上方进行冷却，得到碳素钢-蒙乃尔合金层状复合材料。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述熔炼的温度为1480℃。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述碳素钢基板的预热温度为800～1200℃。
7.根据权利要求4或6所述的制备方法，其特征在于，所述碳素钢基板的行进速度为0.5～3m/min。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述蒙乃尔合金的浇铸温度为1430℃。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在传送至冷却装置(6)上方之前，还包括将所述浇铸有蒙乃尔合金的碳素钢基板进行自然冷却。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述自然冷却的终点温度为1000℃。
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