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本发明提供了一种包复材料一次铸造连续成型设备与工艺,由结晶器、芯部金属液浇注管、控温坩埚、加热元件、测温仪、牵引机构、二次冷却装置组成;外层金属结晶器和芯部金属液浇注管沿引锭方向配置于同一轴线上;芯部金属液浇注管上端紧密与芯部金属控温坩埚连接,芯部金属液浇注管的下端伸入外层金属中,由芯部金属液浇注管隔离外层和芯部金属液,形成外层金属的型芯,浇注芯部金属液。其优点在于:可以一次铸造连续成型包复材料。

Description

一种包复材料一次铸造连续成形设备与工艺
本发明提供了一种用于外层金属熔点高于芯材金属熔点的包复材料一次铸造连续成形的方法及其关键技术。
随着科学技术的发展，冶金、石油、化工、航空航天、交通运输、建筑等各个领域对材料的使用要求越来越高，在许多情况下单一材料难以满足实际使用对性能的要求，将具有不同性能的材料复合在一起，以提高其综合使用性能的复合材料日益受到重视，是21世纪材料领域的重要研究方向之一。到目前为止，将两种或两种以上的材料复合成一体的、适合于大规模工业生产的方法主要有机械法、塑性变形法、冶金法。机械法又分镶套、液压扩管、拉拔(见：日本伸铜学会编，铜ぉょび铜合金の基础と工业技术，(1988)，p.190-192)等方法，其特点为各复合层的界面为机械结合、界面结合强度低，且不适合于长尺寸包复材料的制备；塑性变形法(见：陈勇富等，轻合金加工技术，Vol.24，No.11(1996)，p.3；魏月贞，复合材料，机械工业出版社，(1987)，p.146)虽可实现治金结合(或称金属学结合)，但要获得无氧化皮、无夹杂、完全清洁的复合界面往往十分困难，而且塑性变形法的生产工艺一般很复杂、复合材料生产成本高。冶金方法有反向凝固法、包覆层连铸法、多层复合材料一次铸造成形法，反向凝固法(见：许中波，特殊钢，18卷增刊，p.15)是包覆层金属液附在内部固体金属凝固，此方法有利于凝固补缩和铸轧辊的轧制，但为了保证包覆层与母带界面良好复合，除控制母带浸入时间、包覆层金属过热度、母带原始厚度关键工艺参数外，还需要对母带进行预处理：碱液去油→清水漂洗→酸洗去铁锈→清水漂洗→稀盐酸处理→熔剂化处理，如果界面预处理效果不好，或者预处理后因不能马上使用又被氧化或污染，界面将无法良好复合。包覆层连铸法(见：山本厚生，日本昭57-196464专利)是包覆层金属液附在内部固体金属凝固，此方法有利于包覆层金属液的凝固补缩，为了保证包覆层与芯棒界面良好复合，除控制浇注温度、加热器功率、预热器功率、拉速等关键工艺参数外，还需要对芯棒上涂刷一层玻璃粉状涂料，以防止芯棒被氧化，如果界面防止氧化效果不好，或者包覆金属时涂料不能完全上浮，界面将无法良好复合。多层复合材料一次铸造成形法(见：谢建新等，多层复合材料一次铸造成形设备与工艺，中国专利：98101042.3)，采用氧化防护套等措施，在连铸芯材的表面无氧化、无夹杂、无油污的条件下，热态直接连铸包覆层，但此方法对包覆金属熔点高于芯材金属熔点的情形难以控制。这些均不利于高性能的外层金属熔点高于芯材金属熔点的复合材料的制备与大规模的工业应用。
本发明的目的在于开发一种短流程、节能、廉价、适用于大规模工业生产，并能获得完全清洁复合界面的外层金属熔点高于芯材金属熔点的包复材料一次铸造连续成形法。
本发明的设备构成为，由外层金属控温坩埚(6)、外层金属结晶器(10)、芯部金属控温坩埚(4)、芯部金属液浇注管(7)、牵引机构(13)、测温仪(1)、加热元件(3)(5)、二冷装置(12)组成。其特征在于，外层金属结晶器(10)和芯部金属液浇注管(7)沿引锭方向配置于同一轴线上；芯部金属液浇注管(7)上端紧密与芯部金属控温坩埚(4)连接，芯部金属液浇注管的下端伸入外层金属中，由芯部金属液浇注管隔离外层和芯部金属液、形成外层金属的型芯、浇注芯部金属液；外层金属结晶器(10)上端紧密与外层金属控温坩埚(6)；控温坩埚(4)和(6)的温度通过加热元件(3)和(5)和测温仪(1)进行保温和加热，二次冷却装置(12)设置在外层金属结晶器(10)和牵引机构(13)之间。
采用本发明的工艺过程为：外层金属由外层金属控温坩埚(6)保温和加热，注入由外层金属结晶器(10)和芯部金属液浇注管(7)构成的铸型中凝固成外层金属管，芯部金属由芯部金属控温坩埚(4)保温和加热，通过芯部金属液浇注管(7)浇注到外层金属管中与其熔合和凝固，外层金属和芯部金属所需的冷却速度由牵引机构的引锭速度，外层金属结晶器(10)的冷却强度、控温坩埚的温度，二次冷却装置(12)的冷却强度来控制；金属控温坩埚的温度控制在相应金属或合金的凝固点至凝固点以上500℃的范围内。
引锭速度为V＝1～2500mm/min、外层金属结晶器(10)的冷却强度为结晶器内的冷却水流速，其流速为5-12m/s，二次冷却装置(12)的冷却强度为喷水速度1-5m/s或风冷、空冷，风冷的速度为1-5m/s。
本发明的优点在于：
1.外层金属由外层金属结晶器(10)和芯部金属液浇注管(7)构成的铸型中凝固成外层金属管，同时芯部金属通过芯部金属液浇注管(7)浇注到外层金属管中与其熔合和凝固，从而实现外层金属熔点高于芯材金属熔点的复合材料连续铸造成形法。本发明的方法可以用于各种金属与金属、金属与合金、合金与合金的外层金属熔点高于芯材金属熔点的包复材料，以及包复轧辊一类的工模具、零部件的铸造成形，达到短流程、节能降耗的目的。
2.采用芯部金属液浇注管(7)的下端伸入外层金属中，由芯部金属液浇注管隔离外层和芯部金属液，形成外层金属的型芯，同时浇注芯部金属液，工艺非常简单，可获得无氧化皮、无夹杂的完全清洁的复合界面，大大提高复合材料的质量、生产率和经济效益。
3.外层金属和芯部金属分别由其控温坩埚(6)和(4)、加热元件(3)和(5)、测温仪(1)保温和加热，同时伸入外层金属中的芯部金属液浇注管(7)内的芯部金属温度由外层金属调节其复合温度，可以有效地实现外层金属和芯部金属的凝固速度调节，以保证稳定连续铸造成形。
4.通过控制芯部金属液浇注管(7)下端伸入到外层金属固液界面(9)和芯部金属固液界面(11)的位置，可以稳定地获得外层金属与芯部金属的复合温度，实现良好的复合温度，有利于防止在复合界面层互熔过多或过少。
5.本发明的适用范围广，既可用于治金工业大规模生产，又可用于各种特殊行业和用途的精密铸造。
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图1为本发明的一种设备示意图。其中(1)为测温仪，采用红外测温或热电偶测温；(2)为芯部金属液；(3)和(5)为加热元件，采用电感加热或电阻加热；(4)和(6)分别为芯部金属控温坩埚和外层金属控温坩埚，坩埚可采用耐火材料、石墨、陶瓷(含金属陶瓷)、高温合金、钢、铁等材料制成；(7)为芯部金属液浇注管，可采用耐火材料、石墨、陶瓷(含金属陶瓷)、高温合金、钢、铁等材料制成；(8)为外层金属液；(9)为外层金属固液界面；(10)为外层金属结晶器，可采用水冷金属型、高温合金、钢、铁、耐火材料、石墨、陶瓷(含金属陶瓷)、或水冷金属型内衬耐火材料、石墨、陶瓷(含金属陶瓷)等材料制成；(11)为芯部金属固液界面；(12)为二次冷却装置，采用喷水、吹风、自然冷却；(13)为牵引机构；(14)为复合坯，金属控温坩埚(4)和(6)的温度一般控制在相应金属或合金的凝固点至凝固点以上500℃的范围内。
实施例：
1.铜/铝金属包复棒材一次铸造连续成形
铜/铝金属复合棒外直径40mm，外层铜金属厚度10mm。测温仪(1)采用热电偶测温；加热元件(3)采用电阻加热；加热元件(5)采用电感加热；芯部金属控温坩埚(4)采用钢制成；外层金属控温坩埚(6)采用石墨制成；芯部金属液浇注管(7)采用高温合金制成；外层金属结晶器(10)采用水冷金属型结晶器内衬石墨制成；二次冷却装置(12)采用吹风冷却；其速度为4m/s，芯部金属控温坩埚(4)的温度控制在相应其金属或合金的凝固点至凝固点以上200℃的范围；外层金属控温坩埚(6)的温度控制在相应其金属或合金的凝固点至凝固点以上100℃的范围，控制水冷金属型结晶器(10)的冷却水流速为8m/s，调节连续铸造拉坯速度V＝25mm/min，可获得高质量的连续铸造铜/铝金属复合棒材。
2.不锈钢/铁金属包复棒材一次铸造连续成形
不锈钢/铁金属复合棒外直径40mm，外层不锈钢金属厚度10mm。测温仪(1)采用红外测温；加热元件(3)和(5)采用电感加热；芯部金属控温坩埚(4)采用石墨制成；外层金属控温坩埚(6)采用耐火材料制成；芯部金属液浇注管(7)采用ZrO2陶瓷制成；外层金属结晶器(10)采用水冷铜金属型结晶器制成；二次冷却装置(12)采用喷水冷却；其速度为5m/s，芯部金属控温坩埚(4)的温度控制在相应其金属或合金的凝固点至凝固点以上100℃的范围；外层金属控温坩埚(6)的温度控制在相应其金属或合金的凝固点至凝固点以上100℃的范围，控制水冷金属型结晶器(10)的冷却水流速为12m/s，调节连续铸造拉坯速度V＝25mm/min，可获得高质量的连续铸造不锈钢/铁金属复合棒材。

Claims (3)

1.一种包复材料一次铸造连续成形设备，由芯部金属控温坩埚(4)、外层金属控温坩埚(6)、芯部金属液浇注管(7)、外层金属结晶器(10)、牵引机构(13)、测温仪(1)、加热元件(3)和(5)、二次冷却装置(12)组成，其特征在于：外层金属结晶器(10)和芯部金属液浇注管(7)沿引锭方向配置于同一轴线上；芯部金属液浇注管(7)上端紧密与芯部金属控温坩埚(4)连接，芯部金属液浇注管的下端伸入外层金属中，由芯部金属液浇注管隔离外层金属液和芯部金属液，形成外层金属的型芯，浇注芯部金属液；外层金属结晶器(10)上端紧密与外层金属控温坩埚(6)连接；控温坩埚(4)和(6)的温度通过加热元件(3)和(5)和测温仪(1)进行保温和加热，二次冷却装置(12)设置在外层金属结晶器(10)和牵引机构(13)之间。
2.一种包复材料一次铸造连续成形工艺，其特征在于外层金属由外层金属控温坩埚(6)保温和加热，注入由外层金属结晶器(10)和芯部金属液浇注管(7)构成的铸型中凝固成外层金属管，芯部金属由芯部金属控温坩埚(4)保温和加热，通过芯部金属液浇注管(7)浇注到外层金属管内与其熔合和凝固，外层金属和芯部金属所需的冷却速度由牵引机构的引锭速度、外层金属结晶器(10)的冷却强度、控温坩埚的温度，二次冷却装置(12)的冷却强度来控制；金属控温坩埚的温度控制在相应金属或合金的凝固点至凝固点以上500℃的范围内。
3、如权利要求2所述的包复材料一次铸造连续成形工艺，其特征在于：引锭速度为V＝1～2500mm/min、外层金属结晶器(10)的冷却强度为结晶器内的冷却水流速，其流速为5-12m/s，二次冷却装置(12)的冷却强度为喷水速度1-5m/s或风冷、空冷，风冷的速度为1-5m/s。
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