CN110814305B - 一种Cu-Fe复合材料双熔体混合铸造装备与工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Cu‑Fe复合材料双熔体混合铸造设备及工艺，包括第一熔化炉，用于加热熔化纯Cu；第二熔化炉，用于加热熔化Cu‑Fe合金；混合腔，通过导流管与所述第一熔化炉和第二熔化炉的出液口连通，将加热熔化后的纯Cu和Cu‑Fe合金进行混合；感应加热器，用于对混合腔内的混合熔体进行加热及电磁搅拌；结晶器，与所述混合腔的出液口对接；塞棒机构，用于控制所述第一熔化炉和第二熔化炉的出液口启闭及熔体流量；对所述第一熔化炉和第二熔化炉内的气压进行调节的气压调节机构。该铸造装备与工艺不仅解决了Cu‑Fe复合材料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。

Description

一种Cu-Fe复合材料双熔体混合铸造装备与工艺
技术领域
本发明属于复合材料制备技术领域，尤其涉及一种Cu-Fe复合材料双熔体混合铸造装备与工艺。
背景技术
Cu-Fe复合材料兼有Cu的高导电、导热性能和Fe的软磁、较高强度与刚度的特性，拥有独特的电磁屏蔽性能，被广泛应用于脉冲强磁场系统、粒子加速电磁发射器、高能同步辐射光源等高精尖技术领域。
Cu-Fe复合材料凝固过程中会形成两种液相区域，即富Cu区(L1)和富Fe区(L2)。由于两种液相的成分不同，密度差引起的斯托克斯运动导致在重力场的作用下引起宏观偏析，产生Cu-Fe复合材料成分、组织和性能不均匀的问题，因此采用传统熔铸法无法制备成分、组织较均匀的Cu-Fe复合材料。
目前，国内外主要采用粉末冶金、喷射沉积等方法制备Cu-Fe复合材料的锭坯，结合后续冷加工(轧制、拉拔等)制备Cu-Fe复合材料。其中粉末冶金法是将Cu粉和Fe粉均匀混合后，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Cu-Fe复合材料锭坯。喷射沉积法是将Cu和Fe熔化后，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型靶上开始凝固，凝固后成颗粒状组织。但是上述两种工艺存在的主要问题为：(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)工艺流程长，工序复杂；(3)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；(4)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Cu-Fe复合材料双熔体混合铸造装备与工艺，该铸造装备与工艺不仅解决了Cu-Fe复合材料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Cu-Fe复合材料双熔体混合铸造设备，包括：
第一熔化炉，用于加热熔化纯Cu；
第二熔化炉，用于加热熔化Cu-Fe合金；
混合腔，通过导流管与所述第一熔化炉和第二熔化炉的出液口连通，将加热熔化后的纯Cu和Cu-Fe合金进行混合；
感应加热器，用于对混合腔内的混合熔体进行加热及电磁搅拌；
结晶器，与所述混合腔的出液口对接；
塞棒机构，用于控制所述第一熔化炉和第二熔化炉的出液口启闭及熔体流量；以及，
对所述第一熔化炉和第二熔化炉内的气压进行调节的气压调节机构。
进一步的，还包括用于测量第一熔化炉、第二熔化炉和混合腔中熔体温度的测温元件。
进一步的，所述结晶器采用水冷结晶器。
进一步的，所述混合腔和导流管的材质为石墨或耐火材料。
一种Cu-Fe复合材料双熔体混合铸造工艺，将纯Cu加热至Ta并保温，得到Cu熔体，将Cu-Fe合金加热至Tb并保温，得到Cu-Fe合金熔体，其中Ta小于Tb；
将上述Cu熔体和Cu-Fe合金熔体搅拌混合均匀后冷却制得Cu-Fe复合材料。
进一步的，包括如下具体步骤：
步骤1：将纯Cu放入第一熔化炉中，加热至Ta并保温；将纯铜、纯铁按设定比例放入第二熔化炉中，加热至Tb并保温；同时，在两熔化炉内通入惰性气体进行保护；
步骤2：当第一熔化炉和第二熔化炉中的金属熔化和达到目标温度后，启动塞棒机构，使纯Cu熔体和Cu-Fe合金熔体分别通过两个导流管进入混合腔，启动感应加热器，对混合腔中的混合熔体进行加热控温和电磁搅拌；同时，启动气压调节机构，调节炉体内的气压，以控制纯Cu熔体和Cu-Fe合金熔体的注入流速；
步骤3：混合后的熔体经过混合腔下方的出口注入到结晶器，凝固制备得到Cu-Fe复合材料锭坯。
进一步的，Ta的取值范围为1100℃～1300℃，Tb的取值范围为1400℃～1600℃。
进一步的，所述混合腔内混合熔体的温度控制在1300℃～1400℃。
进一步的，所述结晶器采用水流量为200～1200L/h的水冷结晶器。
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，本发明具有的有益效果在于：
1、本发明提出的双熔体混合铸造技术采用两个密闭的熔化系统分别对纯铜和Cu-Fe合金进行独立熔化和精确控温，并通过惰性气体压力控制驱动纯铜液(熔体)和Cu-Fe合金液(熔体)在混合腔中进行混合；一方面，温度较低的纯铜液使Cu-Fe合金液快速降温，提高混合熔体的粘度，可抑制富Fe液相上浮而与富Cu液相分离导致的宏观偏析现象；另一方面，气压调节机构可分别对纯铜液和Cu-Fe合金液的流速进行调控，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，比传统铁模铸造方式具有更强的冷却能力，混合熔体注入到水冷结晶系统后，可实现快速凝固，有利于抑制宏观偏析和细化组织，提高铸造效率。
4、与传统熔铸法相比，本发明制备的Cu-Fe复合材料规格范围大，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；与粉末冶金、喷射沉积等方法相比，本发明具有装备简单、生产效率高、成本低、适合工业规模生产等优点。
综上所述，本发明在传统熔铸法的基础上，提出将温度较低的纯铜熔体和温度较高的高Fe含量Cu-Fe合金熔体进行混合，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Cu-Fe复合材料双熔体混合铸造装备与工艺，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，所制备的Cu-Fe复合材料铸锭规格范围大、表面质量好、宏观偏析小、组织均匀细小。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为导流管与混合腔连接示意图；
图3为传统熔铸法制备的Cu-10wt.％Fe复合材料的金相组织；
图4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Cu-Fe复合材料双熔体混合铸造设备，包括用于加热熔化纯Cu的第一熔化炉I、用于加热熔化Cu-Fe合金的第二熔化炉II、将加热熔化后的纯Cu和Cu-Fe合金进行混合的混合腔8、用于对混合腔8内的混合熔体进行加热及电磁搅拌的感应加热器9、结晶器10、塞棒机构1和气压调节机构11。
其中，混合腔8通过导流管6与第一熔化炉I和第二熔化炉II的出液口连通，熔化炉内加热熔化的熔体通过导流管6引导至混合腔8；结晶器10的进液口与混合腔8的出液口对接，混合腔8内混合均匀的熔体进入结晶器10进行结晶，为提高铸造效率，进一步抑制宏观偏析和细化组织，结晶器10优先采用水冷结晶器10。
参见图1，塞棒机构1的作用在于控制第一熔化炉I和第二熔化炉II的出液口启闭及出液口的熔体流量，气压调节机构11的作用在于对第一熔化炉I和第二熔化炉II内的气压进行调节，利用气压将熔体压入混合腔8中，从而实现导流管6内熔体流速的灵活调节。
本实施例通过塞棒机构1和气压调节机构11可分别对纯铜液和Cu-Fe合金液的流速进行调控，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。
可以理解的是，第一熔化炉I和第二熔化炉II优先采用感应熔化炉，具体的，第一熔化炉I和第二熔化炉II均为密闭结构，包括炉壳2、设置于炉壳2内的石墨模具3以及填充在石墨模具3与炉壳2之间的炉衬4，在炉衬4内预埋有加热石墨模具3的感应加热线圈5，石墨模具3的内腔构成熔炼金属的熔炼腔，在石墨模具3的底部设有与导流管6连通的出口，构成熔化炉的出液口。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，需要解释说明的是，为对第一熔化炉I、第二熔化炉II和混合腔8内熔体温度的精确控制，在第一熔化炉I、第二熔化炉II和混合腔8上均设有对熔体进行测温的测温元件7，测温元件7通过导线与对应部件的加热系统进行连接，测温元件7将测量到的温度型号反馈至加热系统，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8内金属液温度精确控制和电磁搅拌的综合作用，使两种难混溶的纯铜液(熔体)和Cu-Fe合金液(熔体)均匀混合成目标成分的合金液(熔体)。感应加热器9和测温元件7和混合腔8组成整体铸造设备的控温双熔体混合系统III。
塞棒机构1的塞棒插入石墨模具3中并通过升降结构的带动，可以相对石墨模具3上下移动，通过对塞棒升降位移的控制，实现水口开闭及钢水流量的调节。至于塞棒、升降结构及气压调节机构11具体构成，均为现有技术，在此不再赘述。
本实施例采用第一熔化炉I和第二熔化炉II分别用于纯Cu和Cu-Fe合金的独立熔化，其中塞棒用于控制纯Cu液和Cu-Fe合金液通过导流管6流入混合腔8，气压调节机构11用于控制纯Cu液和Cu-Fe合金液在导流管6中的流速，使两种金属液按设定比例混合，通过混合腔8内金属液温度精确控制和电磁搅拌的综合作用，使纯Cu液和Cu-Fe合金液均匀混合成目标成分的Cu-Fe合金液。
参见图2，导流管6倾斜设置且其轴线与水平方向成夹角α(0°～60°)，用以促进金属液均匀混合和金属液顺利流入结晶器10中，结晶器10是由水冷铜模组成，用于Cu-Fe合金液的凝固。
采用上述双熔体混合铸造装备制备Cu-Fe复合材料的工艺过程如下：
步骤1：将石墨模具3放入炉壳2固定后，与导流管6进行组装。将混合腔8放入感应加热线圈中固定后，将组装好的导流管6插入混合腔8进行组装；
步骤2：将电解纯铜放入第一熔化炉I中，加热至1100℃～1300℃并保温；将电解纯铜、纯铁按比例放入第二熔化炉II中，加热至1400℃～1600℃并保温；同时，炉内通入惰性气体进行保护；
步骤3：当第一熔化炉I和第二熔化炉II中的金属熔化和达到目标温度后，启动塞棒机构1，使纯铜液和Cu-Fe合金液分别通过两个导流管6进入混合腔8；启动感应加热器9，对混合腔8中的混合熔体进行控温和电磁搅拌；同时，启动气压调节机构11，通过充入或抽出气体，以控制炉体内气压大小，进而控制第一熔化炉I中纯铜液的流速和第二熔化炉II中Cu-Fe合金液的流速；
步骤4：混合后的金属液经过混合腔8下方的导流管6注入到结晶器10，通过凝固制备得到Cu-Fe复合材料的锭坯。
具体的，因混合腔8和导流管6直接与高温熔体接触，因此混合腔8和导流管6需要采用耐高温且不与熔体反应的石墨或耐火材料制作。
其中，炉体中充入或抽出的惰性气体可以为氮气、氩气等，气体流量控制在0～10L/h；混合腔8感应加热器9的温度控制在1300～1400℃；结晶器10中水流量控制在200～1200L/h。
下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：Cu-10wt.％Fe复合材料的铸造成形
将电解纯铜放入第一熔化炉I的石墨坩埚内，通过感应加热线圈进行加热熔化和保温，通过第一测温元件7(测温仪)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第二熔化炉II的石墨坩埚内，通过感应线圈进行加热熔化和保温，通过第二测温元件7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，启动石墨塞棒机构1，分别让纯Cu液和Fe-Cu合金液通过导流管6进入混合腔8中进行混合，同时启动气压调节机构11以调控纯Cu液和Fe-Cu合金液的流速；
启动感应加热器9对混合腔8中的混合金属液进行加热和电磁搅拌。然后混合熔体经过混合腔8下方的导管注入到水冷结晶器10中进行凝固。
在纯铜液熔化温度1180℃、Fe-Cu合金液熔化温度1450℃、惰性气体流量为1L/h，混合腔8加热温度1350℃、水冷结晶器10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Cu-10wt.％Fe复合材料锭坯。
实施例2：Cu-20wt.％Fe复合材料的铸造成形
将电解铜放入第一熔化炉I的石墨模具3，通过感应线圈进行加热熔化和保温，通过第一测温元件7测定熔化温度为1180℃，保温温度为1180℃。将质量配比为Fe：Cu＝2：3的纯铁和电解铜放入第二熔化炉II的石墨坩埚内，通过感应线圈进行加热熔化和保温，通过测温仪测定熔化温度为1480℃，保温温度为1480℃。
当纯Cu液和Fe-Cu合金液达到目标温度后，启动石墨塞棒机构1，分别让纯Cu液和Fe-Cu合金液通过导流管6进入混合腔8中进行混合，同时启动气压调节机构11以调控纯Cu液和Fe-Cu合金液的流速。
启动感应加热器9对混合腔8中的混合金属液进行加热和电磁搅拌。然后混合熔体经过混合腔8下方的导管注入到水冷结晶器10中进行凝固。
在纯铜液熔化温度1180℃、Fe-Cu合金液熔化温度1480℃、惰性气体流量为1.5L/h，混合腔8加热温度1360℃、水冷结晶器10冷却水流量为400L/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Cu-20wt.％Fe复合材料锭坯。
实施例3：Cu-40wt.％Fe复合材料的铸造成形
将电解铜放入第一熔化炉I的石墨模具3，通过感应线圈进行加热熔化和保温，通过第一测温元件7测定熔化温度为1180℃，保温温度为1180℃。将质量配比为Fe：Cu＝3：2的纯铁和电解铜放入第二熔化炉II的石墨坩埚内，通过感应线圈进行加热熔化和保温，通过测温仪7测定熔化温度为1500℃，保温温度为1500℃。
当纯Cu液和Fe-Cu合金液达到目标温度后，启动石墨塞棒机构1，分别让纯Cu液和Fe-Cu合金液通过导流管6进入混合腔8中进行混合，同时启动气压调节机构11以调控纯Cu液和Fe-Cu合金液的流速。
启动感应加热器9对混合腔8中的混合金属液进行加热和电磁搅拌。然后混合熔体经过混合腔8下方的导流管6注入到水冷结晶器10中进行凝固。
在纯铜液熔化温度1180℃、Fe-Cu合金液熔化温度1500℃、惰性气体流量为2L/h，混合腔8加热温度1380℃、水冷结晶器10冷却水流量为450L/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Cu-40wt.％Fe复合材料锭坯。
图3和图4分别为传统熔铸法和本发明方法制备的Cu-10wt.％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 (9)

1.一种Cu-Fe复合材料双熔体混合铸造设备，其特征在于，包括：
第一熔化炉，用于加热熔化纯Cu；
第二熔化炉，用于加热熔化Cu-Fe合金；
混合腔，通过导流管与所述第一熔化炉和第二熔化炉的出液口连通，将加热熔化后的纯Cu和Cu-Fe合金进行混合；
感应加热器，用于对混合腔内的混合熔体进行加热及电磁搅拌；
结晶器，与所述混合腔的出液口对接；
塞棒机构，用于控制所述第一熔化炉和第二熔化炉的出液口启闭及熔体流量；以及，
对所述第一熔化炉和第二熔化炉内的气压进行调节的气压调节机构；
纯Cu在第一熔化炉内加热至Ta并保温，得到Cu熔体，Cu-Fe合金在第二熔化炉加热至Tb并保温，得到Cu-Fe合金熔体，其中Ta小于Tb；
上述Cu熔体和Cu-Fe合金熔体在混合腔内搅拌混合均匀后冷却制得Cu-Fe复合材料。
2.根据权利要求 1所述的铸造设备，其特征在于：还包括用于测量第一熔化炉、第二熔化炉和混合腔中熔体温度的测温元件。
3.根据权利要求1所述的铸造设备，其特征在于：所述结晶器采用水冷结晶器。
4.根据权利要求1所述的铸造设备，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。
5.一种Cu-Fe复合材料双熔体混合铸造工艺，其特征在于：
将纯Cu加热至Ta并保温，得到Cu熔体，将Cu-Fe合金加热至Tb并保温，得到Cu-Fe合金熔体，其中Ta小于Tb；
将上述Cu熔体和Cu-Fe合金熔体搅拌混合均匀后冷却制得Cu-Fe复合材料；
包括如下具体步骤：
步骤1：将纯Cu放入第一熔化炉中，加热至Ta并保温；将纯铜、纯铁按设定比例放入第二熔化炉中，加热至Tb并保温；同时，在两熔化炉内通入惰性气体进行保护；
步骤2：当第一熔化炉和第二熔化炉中的金属熔化和达到目标温度后，启动塞棒机构，使纯Cu熔体和Cu-Fe合金熔体分别通过两个导流管进入混合腔，启动感应加热器，对混合腔中的混合熔体进行加热控温和电磁搅拌；同时，启动气压调节机构，调节炉体内的气压，以控制纯Cu熔体和Cu-Fe合金熔体的注入流速；
步骤3：混合后的熔体经过混合腔下方的出口注入到结晶器，凝固制备得到Cu-Fe复合材料锭坯。
6.根据权利要求5所述的铸造工艺，其特征在于：Ta的取值范围为1100℃~1300℃，Tb的取值范围为1400℃~1600℃。
7.根据权利要求5所述的铸造工艺，其特征在于：所述混合腔内混合熔体的温度控制在1300~1400℃。
8.根据权利要求5所述的铸造工艺，其特征在于：所述结晶器采用水流量为200~1200L/h的水冷结晶器。
9.根据权利要求5所述的铸造工艺，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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