CN110724841A - 一种难混溶合金的制备方法及连铸设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种难混溶合金的制备方法及连铸设备，该难混溶合金由A金属和B金属组成，且A金属的熔点低于B金属的熔点，包括如下步骤：将A金属加热至T_a并保温，得到A熔体，将B金属加热至T_b并保温，得到B熔体，其中T_a小于T_b；将上述A熔体和B熔体通过电磁搅拌混合均匀后，进入连铸水冷结晶器中通过快速凝固，制得难混溶合金。本发明所制备的难混溶合金规格范围大，表面质量良好，内部无宏观偏析、无气孔、无疏松和裂纹等缺陷，成分均匀和组织细小，具有设备简单、生产效率高、成本低、适合工业规模生产等优点。

Description

一种难混溶合金的制备方法及连铸设备

技术领域

本发明属于难混溶合金材料制备技术领域，尤其涉及一种难混溶合金的制备方法及连铸设备。

背景技术

难混溶合金具有较多优异的物理性能，如较高的强度，良好的导电和导热性能以及磁学性能。因此，这一类合金在永磁体、高性能电极、电接触材料方面具有广泛的应用前景。由于难混溶金属在凝固过程中存在不混溶区，当凝固温度经过这个区域时，在合金液中会分离出两种不同成分的液相。两种液相的密度差异导致合金在重力场中极易形成宏观偏析。

为了解决上述宏观偏析等问题，目前国内外基本采用喷射沉积工艺、粉末冶金工艺、搅拌铸造法等制备各种难混溶合金材料。其中喷射沉积工艺通过气体喷雾器将熔体喷散成细小的液滴，金属液滴经高速冷却在预成形靶上开始凝固，形成颗粒状组织。粉末冶金工艺是将金属粉末混合后，通过热等静压设备将粉末进行压合制备出组织均匀、性能优良的难混溶合金锭坯。搅拌铸造法是通过机械搅拌或电磁搅拌等方法，将增强相加入熔体并铸造成形的方法。虽然这些方法在一定程度上都能较好地解决难混溶合金中偏析的问题，但是仍存在如下问题：(1)坯料制备需要热等静压设备或喷射沉积设备，设备投资大、要求苛刻；(2)搅拌铸造法需要对增强相进行预处理，使其与熔体润湿；(3)工艺流程长，工序复杂；(4)生产的铸锭重量和规格有限，致密度较低，不利于后续冷加工成形和制备高质量产品；(5)生产效率低、成本高。

发明内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供一种难混溶合金的制备方法及连铸设备，该方法不仅解决了难混溶合金在铸造过程中成分和组织不均匀的问题，同时可显著提高生产效率和降低生产成本，适合于工业化规模生产。

为解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案：

一种难混溶合金的制备方法，该难混溶合金由A金属和B金属组成，且A金属的熔点低于B金属的熔点，包括如下步骤：

将A金属加热至T_a并保温，得到A熔体，将B金属加热至T_b并保温，得到B熔体，其中T_a小于T_b；

将上述A熔体和B熔体通过电磁搅拌混合均匀后，进入连铸水冷结晶器中通过快速凝固，制得难混溶合金。

进一步的，包括如下具体步骤：

步骤1：将A金属放入金属熔化炉A中，加热至T_a并保温；将B金属放入金属熔化炉B中，加热至T_b并保温；

步骤2：当金属熔化炉A和金属熔化炉B中的金属熔化和达到目标温度后，启动塞棒机构，使A熔体和B熔体分别通过两个导流管进入混合腔，启动感应加热设备，对混合腔中的混合熔体进行加热控温和电磁搅拌；

步骤3：混合均匀后的混合熔体进入到连铸机连续制备出难混溶合金。

进一步的，连铸速度控制在80mm/min-200mm/min。

进一步的，所述混合腔和导流管的材质为石墨或耐火材料。

进一步的，连铸机制备出的难混溶合金形状为棒材、板材、带材、管材或型材。

进一步的，所述混合腔中混合熔体温度的精确控制是通过感应加热设备的加热温度、连铸机水冷结晶的冷却强度和拉坯速度协同控制实现的。

进一步的，所述A金属和B金属选自Fe、Cu、Co、Ag、Ag-Cu合金、Co-Cu合金或Fe-Cu合金。

一种难混溶合金连铸设备，该难混溶合金由A金属和B金属组成，且A金属的熔点低于B金属的熔点，包括：

用于加热熔化A金属的金属熔化炉A；

用于加热熔化B金属的金属熔化炉B；

通过导流管分别与所述金属熔化炉A和金属熔化炉B的出液口连通，从而将加热熔化后A金属和B金属进行混合的混合腔；

用于控制所述金属熔化炉A和金属熔化炉B的出液口开闭及熔体流量大小的塞棒机构；

用于对混合腔内的混合熔体进行加热和电磁搅拌的感应加热设备；

与所述混合腔的出液口对接，用于连续制备出难混溶合金的连铸机；

其中，金属熔化炉A内熔体的温度小于金属熔化炉B内熔体的温度。

进一步的，还包括用于测量金属熔化炉A、金属熔化炉B和混合腔中熔体温度的测温元件。

进一步的，所述连铸机采用水平连铸机。

进一步的，所述混合腔和导流管的材质为石墨或耐火材料。

与现有技术相比，本发明具有的优点在于：

1、本发明提出的混合铸造技术采用两个熔化系统分别对两种难混溶的A金属和B金属进行独立熔化和精确控温，并通过塞棒控制机构使A熔体(金属液)和B熔体(金属液)在混合腔中进行混合，温度较低的A熔体使B熔体快速降温，提高混合熔体的粘度，可抑制A熔体和B熔体相分离导致的宏观偏析现象；另一方面，塞棒控制机构可分别对A熔体和B熔体的流速进行调控，使两种金属液按设定比例混合，实现混合熔体成分的精确控制。

2、本发明采用感应加热方式对混合腔中的混合熔体进行精确控温和电磁搅拌，可进一步使混合熔体的成分更加均匀，减少微观偏析。

3、本发明采用水冷结晶系统，使混合后的熔液经过水冷结晶系统，达到快速凝固的目的，有利于抑制宏观偏析和细化组织。

4、采用水平连铸方式，不但设备安装、调试和生产操作方便，而且在牵引装置后辅以锯切装置和卷曲装置可以实现任意长度难混溶合金的连铸成形，便于自动化连续生产，生产效率高。

综上所述，本发明在传统熔铸法的基础上，提出将温度差异较大的两种难混溶的金属熔体进行混合，并通过混合熔体温度场控制和电磁搅拌作用的思路，发明了一种难混溶合金的水平连铸设备与工艺，解决现有生产工艺存在设备投资大、流程长、产品规格有限、生产效率低和成本高等问题。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图；

图2为传统熔铸法制备的Cu-10wt.％Fe复合材料的金相组织；

图3为实施例1制备的Cu-Fe复合材料的金相组织。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，一种难混溶合金连铸设备，该难混溶合金由A金属和B金属组成，且A金属的熔点低于B金属的熔点，该连铸设备包括用于加热熔化A金属的金属熔化炉A1、用于加热熔化B金属的金属熔化炉B6、通过导流管9分别与金属熔化炉A1和金属熔化炉B6的出液口连通，从而将加热熔化后A金属和B金属进行混合的混合腔10、用于控制金属熔化炉A1和金属熔化炉B6的出液口通断的第一塞棒机构1和第二塞棒机构5、用于对混合腔10内的混合熔体进行加热和电磁搅拌的感应加热设备11、与混合腔10的出液口对接，用于连续制备出难混溶合金的连铸机。

可以理解的是，金属熔化炉A1和金属熔化炉B6可以采用感应熔化炉，当然也可以采用其他类型的金属熔化炉，在此不再赘述。

参见图1，该连铸设备利用金属熔化炉A1和金属熔化炉B6对A金属和B金属进行独立熔化，并利用塞棒控制A金属液和B金属液的流量，使A金属液和B金属液按设定比例混合。

A金属和B金属可以选自Fe、Cu、Co、Ag、Ag-Cu合金、Co-Cu合金或Fe-Cu合金，当然A金属和B金属也可以为其他金属，只需要与对应待制备的难混溶合金成分对应即可。

参见图1，需要解释说明的是，为对金属熔化炉A1、金属熔化炉B6和混合腔10内熔体温度的精确控制，在金属熔化炉A1、金属熔化炉B6和混合腔10上均设有对熔体进行测温的测温元件4、8、12，测温元件通过导线与对应部件的加热系统进行连接，测温元件将测量到的温度信号反馈至加热系统，进而控制加热系统的发热量实现熔体温度的精准调节。本实施连铸设备通过混合腔内金属液温度精确控制和电磁搅拌的综合作用，使两种难混溶的A金属液和B金属液均匀混合成目标成分的合金液。

在实际应用中，为提高设备安装、调试和生产的便捷性以及便于自动连续化生产，连铸机采用水平连铸机，水平连铸机由一次水冷结晶装置13、喷水二次冷却装置14、水平牵引装置15、锯切装置16组成，喷水二次冷却装置14、水平牵引装置15、锯切装置16依次设置在一次水冷结晶装置的另一端和沿连铸方向分布在同一轴线上。一次水冷结晶装置用于将混合后的金属液进行快速凝固和高效连铸成形；二次冷却水系统安装在一次水冷结晶装置和牵引装置之间，用于对已凝固的合金进一步冷却，防止合金过度氧化和进一步提高连铸系统的冷却能力；牵引装置用于已凝固成形合金的连续拉出。

具体的，因混合腔10和导流管9直接与高温熔体接触，因此混合腔10和导流管9需要采用耐高温且不与熔体反应的石墨或耐火材料制作。

熔化炉包括炉壳、设置于炉壳内的石墨模具以及位于石墨模具外的感应加热线圈，石墨模具的内腔构成熔炼金属的熔炼腔，在石墨模具的底部设有与导流管连通的出口，构成熔化炉的出液口。

塞棒机构的塞棒插入石墨模具中并通过升降结构的带动，可以相对石墨模具上下移动，通过对塞棒升降位移的控制，实现金属熔体入口开闭及金属熔体流量的调节。至于塞棒及升降结构的具体构成，均为现有技术，在此不再赘述。

一种运用上述难混溶合金水平连铸设备的制备难混溶合金的方法，其工艺过程为：

步骤1：将石墨模具放入炉体固定后，与导流管进行组装。将混合腔放入感应加热线圈中固定后，将组装好的导流管插入混合腔进行组装。

步骤2：将A金属放入金属熔化炉A中，加热至T_a并保温；将B金属放入金属熔化炉B中，加热至T_b并保温。

步骤3：当金属熔化炉A和金属熔化炉B中的金属熔化和达到目标温度后，启动塞棒机构，使A熔体和B熔体分别通过两个导流管进入混合腔；启动感应加热设备，对混合腔中的混合熔体进行控温和电磁搅拌。

步骤4：混合后的金属液经过混合腔进入到水平连铸机，连续制备出难混溶合金材料。

水平连铸机制备出的难混溶合金形状可以为棒材、板材、带材、管材或型材。

混合腔中混合熔体温度的精确控制，是通过感应加热器的加热温度、一次水冷结晶装置的冷却强度和拉坯速度协同控制实现的。

本发明两种互不混溶的合金分别在各自的熔化系统中进行熔化后，通过导流管进入混合腔中进行混合，然后注入到水平连铸机的水冷结晶系统中进行快速凝固和连铸。采用两个熔化系统分别对两种互不混溶的合金进行独立熔化和精确控温，并通过塞棒调控A金属液和B金属液的流速，使两种金属液按设定比例混合；采用感应加热方式对混合腔中的混合熔体进行精确控温和电磁搅拌，可使混合熔体成分均匀，抑制宏观偏析；采用水平连铸水冷结晶系统可实现快速凝固，可细化组织和提高铸造效率。

本发明所制备的互不混溶合金规格范围大，表面质量良好，内部无宏观偏析、无气孔、无疏松和裂纹等缺陷，成分均匀和组织细小，具有设备简单、生产效率高、成本低、适合工业规模生产等优点。

下面将结合具体实施例对本发明作详尽说明。

实施例1：Cu-10wt.％Fe复合材料的制备

将电解纯铜放入金属熔化炉A1的熔化腔内，通过感应加热器A3进行加热熔化和保温，通过第一测温元件4测定熔化温度为1180℃，保温温度为1180℃。

将质量配比为Fe：Cu＝1：4的纯铁和电解铜放入金属熔化炉B6的熔化腔内，通过感应加热器B7进行加热熔化和保温，通过第二测温元件8测定熔化温度为1450℃，保温温度为1450℃。

当纯Cu液和Fe-Cu合金液达到目标温度后，启动第一塞棒机构1和第二塞棒机构5，分别让纯Cu液和Fe-Cu合金液通过导流管9进入混合腔10中进行混合；启动感应加热器11对混合腔10中的混合金属液进行加热和电磁搅拌。然后混合熔体经过一次水冷结晶装置13和喷水二次冷却装置14后，由水平牵引装置15引出。在纯铜液熔化温度1180℃、Fe-Cu合金液熔化温度1450℃，混合腔加热温度1350℃、连铸速度80mm/min、一次水冷结晶器冷却水流量800L/h、二次冷却水流量为500L/h的参数条件下，可制备出表面质量良好、无宏观偏析、组织均匀细小的100mm×10mm Cu-10wt.％Fe复合材料带材。

实施例2：Cu-20wt.％Co复合材料的制备

将电解纯铜放入金属熔化炉A1的熔化腔内，通过感应加热器A3进行加热熔化和保温，通过第一测温元件4测定熔化温度为1180℃，保温温度为1180℃。

将质量配比为Co：Cu＝2：3的纯钴和电解铜放入金属熔化炉B6的熔化腔内，通过感应加热器B7进行加热熔化和保温，通过第二测温元件4测定熔化温度为1600℃，保温温度为1600℃。

当纯Cu液和Co-Cu合金液达到目标温度后，启动第一塞棒机构1和第二塞棒机构5，分别让纯Cu液和Co-Cu合金液通过导流管9进入混合腔10中进行混合；启动感应加热器11对混合腔10中的混合金属液进行加热和电磁搅拌，通过第三测温元件12测定混合腔10熔化温度为1400℃。

然后混合熔体经过一次水冷结晶装置13和喷水二次冷却装置14后，由水平牵引装置15引出。在纯铜液熔化温度1180℃、Co-Cu合金液熔化温度1600℃、混合腔加热温度1400℃、连铸速度100mm/min、一次水冷结晶器冷却水流量1000L/h、二次冷却水流量为600L/h的参数条件下，可制备出表面质量良好、无宏观偏析、组织均匀细小的Ф50mm Cu-20wt.％Co复合材料棒材。

实施例3：Cu-10wt.％Ag复合材料的制备

将电解纯铜放入金属熔化炉A1的熔化腔内，通过感应加热器A3进行加热熔化和保温，通过第一测温元件4测定熔化温度为1180℃，保温温度为1180℃。

将质量配比为Ag：Cu＝1：4的纯银和电解铜放入金属熔化炉B的的坩埚B6内，通过感应加热器B7进行加热熔化和保温，通过第二测温元件8测定熔化温度为1200℃，保温温度为1200℃。

当纯Cu液和Ag-Cu合金液达到目标温度后，启动第一塞棒机构1和第二塞棒机构5，分别让纯Cu液和Ag-Cu合金液通过导流管9进入混合腔10中进行混合；启动感应加热器11对混合腔10中的混合金属液进行加热和电磁搅拌。然后混合熔体经过一次水冷结晶装置13和喷水二次冷却装置14后，由水平牵引装置15引出。在纯铜液熔化温度1180℃、Ag-Cu合金液熔化温度1200℃、混合腔加热温度1100℃、连铸速度100mm/min、一次水冷结晶器冷却水流量600L/h、二次冷却水流量为300L/h的参数条件下，可制备出表面质量良好、无宏观偏析、组织均匀细小的Ф30mmCu-10wt.％Ag复合材料棒材。

图2和图3分别为传统熔铸法和实施例1制备的Cu-Fe复合材料的金相组织。从图中可以看出，传统熔铸法制备的合金中的Fe相粗大，且尺寸和分布极不均匀，偏析严重；而本发明方法制备的合金中的Fe相尺寸较小且分布较均匀，偏析程度较小。

上述实施例中，均是采用单质Cu和对应的Cu-Fe合金、Ag-Cu合金、Co-Cu合金单独加热熔化后进行混合制备得到难混溶合金，发明人研究发现，直接将单质Cu加热熔化后与对于的Fe等单质金属进行混合，同样可以制备得到宏观偏析少的难混溶合金，但是与采用合金混合相比，采用两中单质金属液进行混合时，需要增大搅拌力和搅拌速度才能将两种熔体搅拌均匀。

上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种难混溶合金的制备方法，该难混溶合金由A金属和B金属组成，且A金属的熔点低于B金属的熔点，其特征在于，包括如下步骤：

将A金属加热至T_a并保温，得到A熔体，将B金属加热至T_b并保温，得到B熔体，其中T_a小于T_b；

将上述A熔体和B熔体通过电磁搅拌混合均匀后，进入连铸水冷结晶器中通过快速凝固，制得难混溶合金。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，包括如下具体步骤：

步骤1：将A金属放入金属熔化炉A中，加热至T_a并保温；将B金属放入金属熔化炉B中，加热至T_b并保温；

步骤2：当金属熔化炉A和金属熔化炉B中的金属熔化和达到目标温度后，启动塞棒机构，使A熔体和B熔体分别通过两个导流管进入混合腔，启动感应加热设备，对混合腔中的混合熔体进行加热控温和电磁搅拌；

步骤3：混合均匀后的混合熔体进入到连铸机的水冷结晶器连铸出难混溶合金。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：连铸速度控制在80mm/min-200mm/min。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：连铸机制备出的难混溶合金形状为棒材、板材、带材、管材或型材。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述混合腔中混合熔体温度的精确控制是通过感应加热设备的加热温度、连铸机水冷结晶的冷却强度和拉坯速度协同控制实现的。

6.根据权利要求1-5任一项所述的制备方法，其特征在于：所述A金属和B金属选自Fe、Cu、Co、Ag、Ag-Cu合金、Co-Cu合金或Fe-Cu合金。

7.一种难混溶合金连铸设备，该难混溶合金由A金属和B金属组成，且A金属的熔点低于B金属的熔点，其特征在于，包括：

用于加热熔化A金属的金属熔化炉A；

用于加热熔化B金属的金属熔化炉B；

通过导流管分别与所述金属熔化炉A和金属熔化炉B的出液口连通，从而将加热熔化后A金属和B金属进行混合的混合腔；

用于控制所述金属熔化炉A和金属熔化炉B的出液口开闭及熔体流量的塞棒机构；

用于对混合腔内的混合熔体进行加热和电磁搅拌的感应加热设备；

与所述混合腔的出液口对接，用于连续制备出难混溶合金的连铸机；

其中，金属熔化炉A内熔体的温度小于金属熔化炉B内熔体的温度。

8.根据权利要求7所述的难混溶合金连铸设备，其特征在于：还包括用于测量金属熔化炉A、金属熔化炉B和混合腔中熔体温度的测温元件。

9.根据权利要求7所述的难混溶合金连铸设备，其特征在于：所述连铸机采用水平连铸机。

10.根据权利要求7所述的难混溶合金连铸设备，其特征在于：所述混合腔和导流管的材质为石墨或耐火材料。

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