CN115740381A - 一种异质结构金属材料的连续制备装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种异质结构金属材料的连续制备装置及方法，在坩埚内对金属进行熔化，熔化后的金属熔液从坩埚中流入控温铸型内，控温铸型在加热器的作用下被加热至固相线温度以上，铸型内部插入气冷管，气冷管内部插入导气管，气体经导气管的进气口进入到气冷管内，在气冷管的冷却作用下使得熔体快速冷却形核，并通过旋转方式促使形核核心大量游离到金属熔体中。同时，在铸型的出口端进行强制冷却，使得凝固金属与未完全凝固金属熔体间建立起沿拉坯方向的温度梯度，热量主要沿轴向向强制冷却区传输，合金熔体在铸型内部实现定向凝固，合金熔体有沿连铸方向定向生长形成柱状晶的趋势，且沿着拉坯方向在冷却器下方安装牵引机构，对金属铸坯进行连续拉制。

Description

一种异质结构金属材料的连续制备装置及方法

技术领域

本发明涉及属于金属连铸工艺技术领域，尤其涉及一种异质结构金属材料的连续制备装置及方法。

背景技术

金属材料是人类社会发展的重要物质基础，各种金属材料在航空航天、汽车船舶和轨道交通等多种领域得到了广泛的应用。但其强度与韧性间的相互制约限制了应用范围的进一步扩大。对于传统均质材料来说，强度的提高往往伴随塑性的显著下降，难以实现强度与塑性的良好匹配。

异构材料是相对于传统均质材料而提出的，它主要表现为材料空间结构以及成分上呈现出不均匀分布的特性。异构材料由强度差异显著的多种组织组成，在变形过程中，不同组织界面附近会产生较大的应变梯度，从而产生显著的背应力来强化材料，同时背应力加工硬化使基体获得良好的塑性，最终实现强度和韧性的良好匹配。根据其不同的微观结构可大致分为双峰结构、谐波结构、梯度纳米结构、双相结构、层状异构复合金属结构等。现有异构金属材料制备的主要方法有液氮低温轧制-退火、混合粉体等离子体烧结-剧烈塑性变形-热轧、异步轧制-不完全退火处理、激光表面处理、离心铸造多层金属管坯-芯部金属液压铸方法。

采用累积叠轧工艺或者异步轧制等轧制方法制备时程序复杂，控制难度大，材料利用率不高，且对轧制设备要求高，制得的材料为板材，不能直接用于导线等工件的制备。采用激光表面处理时，制得的材料中细晶层在表面，粗晶层在内部，无法对微观结构进行灵活调控，且制得的材料细晶层厚度有极限，无法制备大尺寸均匀异构样品，限制其在工业领域的应用。采用离心铸造+压铸的方式交替浇铸两种或两种以上金属液，得到两种或两种以上金属径向交替排列的管状材料，随后利用压铸的方式填充铸件心部，得到两种或两种以上金属径向交替排列的金属铸件时，制备工序同样繁琐，且离心铸造容易出现偏析缺陷，无法连续制备超长规格的异构材料。

综上所述，现有的制备技术难以高效成形表面和内部质量好、组织致密、塑性加工性能优异的异构金属铸坯。因此，针对目前制备方法存在的问题，开发一种新型的连续铸造装置与方法，高效地生产出表面光洁度好、组织致密及综合性能优异的异构金属铸坯，具有十分重要的意义现点。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种异质结构金属材料的连续制备装置及方法，该装置将连铸装置的铸型温度控制在金属的固相线温度以上，并通过气冷管对熔体进行冷却与形核，可以显著提高熔体流入铸型内部初始结晶晶粒的数量。然后通过在铸型出口附近强制冷却已凝固的合金，使得熔体沿着连铸方向形成极高的温度梯度，使合金在离开铸型出口之前完成凝固，实现连铸成形，获得表面光洁度良好，具有柱状晶和等轴晶均匀混合组织的异构金属制品，是一种近终形、短流程、高效率、极具发展潜力的先进金属材料成形方法，从而改善铸坯组织结构、提高连铸坯性能及后续加工性能。

一种异构金属材料的连续制备装置，该装置主要有第一加热器、坩埚、气冷管、导气管、控温铸型、结晶器、二次冷却器、牵引机构、加热器组成；其中坩埚的外侧设有第一加热器；坩埚的出料口连接铸型；铸型的出口端依次连接结晶器；其中气冷管一端穿过坩埚并插入在铸型的内腔；气冷管的外壁与铸型的内壁形成型腔；其中气冷管的内腔为中空结构且内部插入导气管，气体经导气管的进气口进入到气冷管内，通过气冷管顶部的开口缝隙流出；其中铸型的外侧设有第二加热器。

所述第一、二加热器为外部热源或感应加热线圈。

所述坩埚置于空气或真空或充入惰性气体保护的环境中。

所述坩埚可用中间包取代，以便进行连续生产。

所述气冷管置于铸型内部，铸型通过加热器进行加热和保温，气冷管与铸型壁形成型腔，在铸型内部获得初始凝固结晶晶粒和金属熔体混合的固液混合体。

所述气冷管是中空结构，内部插入导气管。

所述的导气管内注入的气体为空气或惰性气体。气体经进气口进入到气冷管内，通过气冷管顶部的缝隙流出，气体不进入金属熔体内。气体流量为0～2000L/min，气体温度为-20℃～20℃，导气管的内径为5～100mm，导气管的外壁与气冷管内壁之间的间距为2～80mm，导气管的底部与气冷管底部之间的距离为5～50mm。

所述铸型的高度为100～1000mm，铸型出口内径为5～300mm。

所述导气管、气冷管、控温铸型三者的中心线重合。

所述引锭杆与结晶器配合使用，向下牵引已凝固的铸锭。

一种异质结构金属材料的连续制备方法，包括以下步骤：

步骤1：通过加热器对坩埚进行加热，使得坩埚内的金属熔化；铸型在加热器的作用下被加热至两相区温度范围内；

步骤2：熔化后的金属熔液从坩埚中流入控温铸型内，铸型内部插入气冷管，气冷管内部插入导气管，气体经导气管的进气口进入到气冷管内，通过气冷管顶部的缝隙流出，气体不进入金属熔体内；

步骤3：在气冷管的冷却作用下使得熔体快速冷却形核，并通过旋转方式促使形核核心大量游离到金属熔体中，在铸型内部获得初始结晶晶粒与金属熔体共存的固液混合体；通过调节气冷管外壁与铸型内壁的环形缝隙间距、气体温度、气体流量、气冷管转速来控制形核速率。

步骤4：在铸型的出口端设置结晶器和二次冷却器对金属进行强制冷却，使得凝固金属与未完全凝固金属熔体间建立起沿拉坯方向的温度梯度，热量主要沿轴向向强制冷却区传输，合金熔体在铸型内部实现定向凝固，合金熔体有沿连铸方向定向生长形成柱状晶的趋势，且沿着拉坯方向在冷却器下方安装牵引机构，对金属铸坯进行连续拉制。

整个铸造成形过程可以采用人工控制或计算机控制。

本发明的技术原理是：

本发明是将气冷管插入进入熔体内部，能在金属熔体局部形成过冷度，产生大量等轴晶形核核心，并通过旋转使得等轴晶游离到液相中，并在铸型的出口端进行强制冷却，使得凝固金属与未完全凝固金属熔体间建立起沿拉坯方向的温度梯度，热量主要沿轴向向强制冷却区传输，合金熔体在铸型内部实现定向凝固，合金熔体沿连铸方向定向生长形成柱状晶，在柱状晶向上生长的过程中，与铸坯中均匀分布的等轴晶形成柱状晶和等轴晶均匀混合的异构组织。

本发明的有益效果：

1. 采用芯部气冷管冷却方式进行连续定向凝固铸造成形的铸坯，具有异构组织结构（主要由与拉坯方向一致的柱状晶和铸坯中均匀分布的等轴晶构成），且组织致密，成分分布均匀，表面光滑、塑性加工性能与力学性能较好。

2. 本发明使用的气冷管，一方面，可以避免高温熔体直接进入冷却强度较小的结晶器，另一方面，高温熔体从气冷管的边部流入，可使得边部凝固前沿位置下移，使得液穴变浅，从而降低铸锭的成分偏析，此外，由于气冷管的转动作用可以使得冷却的熔体均匀分布在结晶器内部，提高熔体在结晶器内部温度的均匀性，从而进一步降低偏析。

3. 本发明提供的一种制备异质结构金属材料的方法，几乎可以应用于所有金属铸造成形，如铝合金、镁合金、铜合金和钛合金等，特别可制备具有固液两相区范围较宽的异质结构组织金属材料。而且能近终生产棒材、管材、线材、板材、带材等产品。

4. 采用本发明制备的具有异质结构组织的金属铸坯，可根据需要，进行后续大压下率塑性加工，一般无需中间退火等工序，大大简化了工艺流程，降低了生产成本，提高了产品质量。

5. 应用范围广泛，铸造速度快，整套方法简单可行，实施效果好，可实现工业化生产。

附图说明

图1、本发明异质结构金属材料的连续制备装置的结构示意图；

附图标记列表：

其中，1-第一加热器，2-气冷管，3-导气管，4-金属熔体，5-坩埚，6-加热器，7-控温铸型，8-结晶器，9-二次冷却器，10-牵引机构。

图2、异质结构金属均匀混合组织的截面微观组织图。

图3、截面微观组织放大图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

结合附图1对本发明的制备柱状晶和等轴晶均匀混合异构组织金属材料的装置具体说明如下：

所述的装置由加热器1、气冷管2、通气管3、坩埚5、加热器6、控温铸型7、结晶器8、二次冷却器9、牵引机构10构成。通过加热器1对坩埚5进行加热，使得坩埚5内的金属熔化，控温铸型7在加热器6的作用下被加热至两相区温度范围内，熔化后的金属熔液从坩埚5中流入控温铸型7内，控温铸型7内部插入气冷管2，气冷管2内部插入导气管3，气体经导气管3的进气口进入到气冷管2内，通过气冷管2顶部的缝隙流出，气体不进入金属熔体内；在气冷管2的冷却作用下使得熔体快速冷却形核，并通过旋转方式促使形核核心大量游离到金属熔体中，在控温铸型7内部获得初始结晶晶粒与金属熔体共存的固液混合体；通过调节气冷管2外壁与控温铸型7内壁的环形缝隙间距、气体温度、气体流量、气冷管转速来控制形核速率。同时，在控温铸型7的出口端设置结晶器8和二次冷却器9对金属进行强制冷却，使得凝固金属与未完全凝固金属熔体间建立起沿拉坯方向的温度梯度，热量主要沿轴向向强制冷却区传输，合金熔体在铸型内部实现定向凝固，合金熔体有沿连铸方向定向生长形成柱状晶的趋势，且沿着拉坯方向在冷却器下方安装牵引机构，对金属铸坯进行连续拉制。

实施例1

直径为20 mm的柱状晶-等轴晶均匀混合组织C70250铜合金杆坯连铸成形。温度为1200°C的铜合金熔体4从坩埚5中流入控温铸型7内；调节加热器的功率，控制控温铸型7的温度为1070°C；设定本实验气冷管2外壁与控温铸型7内壁的环形缝隙间距为12mm，气冷管2内径为16mm，气冷管2转速为200r/min。导气管3内径为8mm，空气通入量为600L/min，在控温铸型7内获得C70250铜合金固液混合体；采用结晶器8进行一次冷却，在结晶器8出口处采用温度为20℃、冷却水流量为400L/h的冷却器9对杆坯进行二次冷却；牵引机构10以50mm/min的拉坯速度进行连续拉制，获得柱状晶-等轴晶均匀混合易构组织C70250铜合金杆坯。所制备的C70250铜合金杆坯表面光洁度好，内部致密，微观组织主要有八字形斜生柱状晶、柱状晶晶界处均匀分布的等轴晶异构组织构成。

实施例2

宽度为20mm，厚度为10mm的柱状晶和等轴晶均匀混合异构组织C70250铜合金板坯连铸成形。温度为1200°C的铜合金熔体4从坩埚5中流入控温铸型7内；调节加热器6的功率，控制控温铸型7的温度为1060°C；设定本实验气冷管2外壁与控温铸型7内壁的环形缝隙间距为12mm，气冷管2内径为14mm，气冷管2转速为300r/min；导气管3内径为8mm，空气通入量为400L/min；在控温铸型7内获得C70250铜合金固液混合体，采用结晶器8进行一次冷却；在结晶器出口处采用温度为20°C、冷却水流量为400L/h的冷却器9对板坯进行二次冷却；牵引机构10以50mm/min的拉坯速度进行连续拉制，获得柱状晶和等轴晶均匀混合异构组织C70250铜合金板坯。所制备的C70250铜合金板坯表面光洁度好，内部致密，化学成分分布均匀，微观组织主要有八字形斜生柱状晶、柱状晶晶界处均匀分布的等轴晶异构组织构成。

实施例3

直径为20 mm的柱状-等轴晶均匀混合组织A356铝合金杆坯连铸成形。温度为680°C的铝合金熔体4从坩埚5中流入控温铸型7内；调节加热器6的功率，控制控温铸型7的温度为580°C；设定本实验气冷管2外壁与控温铸型7内壁的环形缝隙间距为12mm，气冷管2内径为16mm，气冷管2转速为200r/min；导气管内径为8mm，空气通入量300L/min，在控温铸型7内获得A356铝合金固液混合体，采用结晶器8进行一次冷却，在结晶器8出口处采用冷却水温度为20°C、冷却水流量为400L/h的二次冷却器9对杆坯进行二次冷却；牵引机构10以60mm/min的拉坯速度进行连续拉制，获得柱状-等轴晶均匀混合组织A356铝合金杆坯11。所制备的A356铝合金杆坯表面光洁度好，内部致密，化学成分均匀，微观组织主要有八字形斜生柱状晶、柱状晶晶界处均匀分布的等轴晶、八字形斜生柱状晶包裹若干等轴晶的晶包晶组织构成。

实施例4

直径为8mm的柱状-等轴晶均匀混合组织AZ91D镁合金线材连铸成形。温度为650°C的镁合金熔体4从坩埚5中流入控温铸型7内；调节加热器6的功率，控制控温铸型7的温度为570°C；设定本实验气冷管2外壁与控温铸型7内壁的环形缝隙间距为10mm，气冷管内径为20mm，气冷管2转速为300r/min；导气管内径为8mm，空气通入量400L/min，在控温铸型7内获得AZ91D镁合金固液混合体7；采用结晶器8进行一次冷却，在结晶器8出口处采用冷却水温度为20°C、冷却水流量为400L/h的二次冷却器9对线材进行二次冷却；牵引机构10以50mm/min的拉坯速度进行连续拉制，获得柱状-等轴晶均匀混合组织AZ91D镁合金线材。所制备AZ91D镁合金线材表面光洁度好，内部致密，微观组织主要有柱状晶、柱状晶晶界处均匀分布的等轴晶异构组织构成。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (10)

1.一种异质结构金属材料的连续制备装置，其特征在于：包括设置的坩埚（5）、控温铸型（7）、结晶器（8）和牵引机构（10）；其中坩埚（5）的外侧设有第一加热器（1）；坩埚（5）的出料口连接控温铸型（7）；控温铸型（7）的出口端设置结晶器（8）；其中气冷管（2）一端穿过坩埚（5）并插入在控温铸型（7）的内腔；气冷管（2）的外壁与控温铸型（7）的内壁形成型腔；其中气冷管（2）的内腔为中空结构且内部插入导气管（3）；气体经导气管（3）的进气口进入，从导气管（3）底部的出气口进入到气冷管（2）内，导气管（3）的出气口位于气冷管（2）下部，沿着导气管（3）外壁与气冷管（2）内壁之间的缝隙通过气冷管（2）顶部的开口缝隙流出；其中控温铸型（7）的外侧设有第二加热器（6）。

2.根据权利要求1所述的一种异质结构金属材料的连续制备装置，其特征在于：其中所述导气管（3）的外壁与气冷管（2）内壁之间的间距为2～80mm，导气管（3）底部到气冷管（2）底部之间的距离为5～50mm。

3.根据权利要求1所述的一种异质结构金属材料的连续制备装置，其特征在于：所述控温铸型（7）的高度为100～1000mm，控温铸型（7）出口的内径为5～300mm。

4.根据权利要求1所述的一种异质结构金属材料的连续制备装置，其特征在于：所述导气管（3）、气冷管（2）、控温铸型（7）三者的中心线重合。

5.一种异质结构金属材料的连续制备方法，其特征在于：所述异质结构金属材料连续制备方法是通过对铸型进行加热将铸型温度控制在金属固相线以上温度范围内进行铸造的方法；所述的连续制备方法制备出的金属材料为柱状晶和等轴晶均匀混合异构组织。

6.根据权利要求5所述的一种异质结构金属材料的连续制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：通过加热器（1）对坩埚（5）进行加热，使得坩埚（5）内的金属熔化；控温铸型（7）在加热器（6）的作用下被加热至两相区温度范围内；

步骤2：熔化后的金属熔液从坩埚（5）中流入控温铸型（7）内，控温铸型（7）内部插入气冷管（2），气冷管（2）内部插入导气管（3），气体经导气管（3）的进气口进入到气冷管（2）内，通过气冷管（2）顶部的缝隙流出，气体不进入金属熔体内；

步骤3：在气冷管（2）的冷却作用下使得熔体快速冷却形核，在控温铸型（7）内部获得初始结晶晶粒与金属熔体共存的固液混合体；通过调节气冷管（2）外壁与控温铸型（7）内壁的环形缝隙间距、气体温度、气体流量、气冷管转速来控制形核速率。

7.步骤4：在控温铸型（7）的出口端设置结晶器（8）和二次冷却器（9）对金属进行强制冷却，使得凝固金属与未完全凝固金属熔体间建立起沿拉坯方向的温度梯度，热量主要沿轴向向强制冷却区传输，合金熔体在铸型内部实现定向凝固，合金熔体有沿连铸方向定向生长形成柱状晶的趋势，且沿着拉坯方向在冷却器下方安装牵引机构，对金属铸坯进行连续拉制。

8.根据权利要求5所述的一种异质结构金属材料的连续制备方法，其特征在于：其中所述导气管（3）的外壁与气冷管（2）内壁之间的间距为2～80mm，导气管（3）底部到气冷管（2）底部之间的距离为5～50mm。

9.根据权利要求5所述的一种异质结构金属材料的连续制备方法，其特征在于：所述坩埚（1）置于空气或真空或充入惰性气体保护的环境中。

10.根据权利要求5所述的一种异质结构金属材料的连续制备方法，其特征在于：导气管导入气体流量为0～2000L/min，气体温度为-20℃～20℃。

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