CN1670458A - 一种用于镁及镁合金熔炼的复合型坩埚 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于镁及镁合金熔炼的复合型坩埚。为克服现有技术中坩埚在高温使用中易腐蚀穿透、氧化脱落及产品质量低、寿命短的不足，本发明采用由耐热钢或镍基高温合金与碳钢制成的双金属坩埚与陶瓷材料复合而成：内层为不与镁和镁合金反应的陶瓷材料，中间层为碳钢材料，外层为耐热钢或镍基高温合金材料。双金属材料之间采用爆炸焊接结合，增强坩埚的高温强度和抗蠕变性能，陶瓷材料通过喷涂或激光熔覆方法在碳钢表面形成陶瓷内涂层。本发明中，外层使坩埚高温时不发生氧化脱落；碳钢层避免了高温氧化；陶瓷层阻止了高温金属液及腐蚀气体对坩埚金属材料的腐蚀，避免了熔炼过程的二次污染，可用于原镁熔炼提纯以及镁合金的熔炼制备、熔化和铸造。

Description

一种用于镁及镁合金熔炼的复合型坩埚

(一)技术领域

本发明涉及材料领域的熔炼技术，是一种用于镁及镁合金熔炼的复合型坩埚。

(二)背景技术

我国有着丰富的镁资源，原镁的生产量居世界首位。镁合金作为最轻的金属结构材料，具有密度小、比强度和比刚度高、良好的导电性、导热性、减震性和磁屏蔽性、可再生利用等一系列优点，使其在汽车、飞机、计算机及通讯设备上获得了日益广泛的应用。

镁及镁合金纯度越高，其耐蚀性越好，应用范围越广泛。原镁形成商品纯镁锭或高品质镁合金锭，必须经过熔化精炼以及合金化过程，坩埚是镁及镁合金熔炼过程的主要设备。坩埚作为高温服役件，长时间工作温度是700℃左右，在高温条件下，坩埚同时受到镁液或镁合金液、空气、熔剂以及其它气体等腐蚀作用。作为镁及镁合金熔炼坩埚，应具有高温强度高、耐腐蚀性强、熔炼过程不对镁及镁合金液产生二次污染等特点。

现有技术中一般采用耐热不锈钢、高温合金以及普通碳钢制做坩埚。

耐热不锈钢、高温合金具有高温强度高、抗氧化、耐腐蚀性强等特点，但这些材料内一般含有Fe、Ni、Cr、Cu等金属元素，这些元素如果与高温镁液或镁合金液接触，或与高温条件下的某些气体接触，由于长时间的作用，很容易被置换或发生反应而溶解到镁及镁合金液中。而Fe、Ni、Cr、Cu等元素对镁及镁合金极为有害，镁及镁合金中如果含有微量的Fe、Ni、Cr、Cu等元素，其力学性能、耐蚀性能将急剧下降。所以对于镁及镁合金的熔炼，具有优良性能的耐热不锈钢以及高温合金是很少被直接用作坩埚材料来使用。

用普通碳钢材料制作镁及镁合金熔炼坩埚，对镁及镁合金液造成的污染相对较小，价格低廉，可以重熔再生，且制造方便，所以镁及镁合金实际生产中通常采用碳钢材料坩埚。但是在实际使用过程中，碳钢坩埚内表面的金属铁在高温金属镁液、熔剂以及某些气体的作用下部分产生置换溶解或反应，离开坩埚基体表面，进入镁液，造成镁液中铁含量的升高。而对于高纯镁及镁合金的熔炼，铁元素是危害性较大的杂质元素，它的含量增加会大大降低镁合金的抗蚀性，造成镁合金铸件机械性能的下降，甚至报废。铁元素离开坩埚基体表面进入镁液中也是一个溶解腐蚀的过程，熔炼过程中铁坩埚受到高温镁液不断的冲击，不断地熔解到镁液中，使坩埚强度降低，可能导致坩埚的腐蚀穿透而发生事故。碳钢坩埚外表面在高温条件下易产生氧化，氧化皮逐渐脱落，导致坩埚壁变薄，强度减小，直至坩埚报废。由于普通碳钢材料坩埚使用过程中的内表面的腐蚀以及外表面的氧化脱落，使坩埚的使用寿命大大缩短，从而增加了镁及镁合金的熔炼生产成本。所以，采用普通碳钢材料制成的坩埚，使用寿命低，可靠性差。

(三)发明内容

为了克服现有技术中坩埚在高温使用过程中易产生腐蚀穿透、氧化脱落以及污染镁及镁合金液，使用寿命短等不足，本发明提出了一种用于镁及镁合金熔炼的复合型坩埚。

本发明提出的坩埚是由耐热钢或镍基高温合金材料和普通碳钢材料制成的双金属坩埚与特定陶瓷材料复合而成，其内层为不与镁和镁合金反应的陶瓷材料，中间层为普通碳钢材料，外层为耐热钢或镍基高温合金材料。耐热钢或镍基高温合金与碳钢之间采用爆炸焊接结合，保证整体坩埚的高温强度和高温抗蠕变性能，陶瓷材料通过喷涂或激光熔敷方法与碳钢内表面结合，形成陶瓷材料内表面涂层。

具体的方法是：

首先将耐热钢或镍基高温合金材料与普通碳钢材料用爆炸焊接方法结合，形成双层金属钢板；

将双层金属钢板成型为耐热钢或镍基高温合金为外表面、普通碳钢为内表面的复合坩埚；

通过喷涂或激光熔覆的方法，在已加工成型的双金属复合坩埚内表面的普通碳钢上形成陶瓷材料涂层，并打磨抛光，使陶瓷材料成为坩埚的内层。

本发明与现有技术相比，由于坩埚内层为陶瓷层与金属液接触，陶瓷材料自身不会与高温镁及镁合金液发生作用，陶瓷涂层隔绝了高温金属液与坩埚基体金属材料的直接接触，避免了熔炼过程坩埚基体金属对熔炼产品的二次污染，保证了熔炼金属的品质；外层的耐热钢或镍基高温合金材料可确保坩埚在高温使用时，不会发生腐蚀、氧化脱落；中间碳钢层有外层耐热钢或镍基高温合金层以及内层陶瓷材料的包覆，避免了自身的氧化和腐蚀，主要起骨架增强作用，承受镁及镁合金液的重力；外层耐热钢或镍基高温合金与碳钢之间采用爆炸焊接结合，确保整体坩埚的高温强度。本发明具有温度强度高、使用寿命长，熔炼过程的二次污染低；外表面不产生氧化脱落的特点，不但可以用于原镁的熔炼精炼提纯，同样适用于镁的合金化熔炼制备镁合金以及镁合金的熔化、保温浇注。

(四)具体实施方式

实施例1：

本实施例的内层为碳化硅陶瓷材料，中间层为厚度为30mm低碳钢板，外层为厚度为2mm的镍基高温合金板材。

实施中：

首先采用爆炸焊接方法使镍基高温合金钢板与低碳钢板结合成为双金属复合钢板；

将双金属复合钢板加工成外表面为镍基高温合金材料，内表面为低碳钢的双金属复合坩埚。

采用等离子喷涂的方法使碳化硅粉体均匀地沉积在已成型的坩埚内表面的低碳钢表面，形成厚度为1mm左右的单组分陶瓷相涂层，并经打磨抛光即成复合坩埚。

实施例2：

本实施例的内层为氮化硅粉体陶瓷材料，中间层为厚度为25mm中碳钢板，外层为厚度为3mm的耐热钢板材。

实施中：

首先采用爆炸焊接方法使耐热钢板与中碳钢板结合成为双金属复合钢板；

将双金属复合钢板加工成外表面为耐热钢材料，内表面为中碳钢的双金属复合坩埚。

采用激光熔覆的方法使氮化硅粉体材料均匀地熔覆在已成型的坩埚内表面的中碳钢表面，形成厚度为3mm左右的碳化硅陶瓷涂层，并经打磨抛光即成复合坩埚。

实施例3：

本实施例的内层为碳化硅与氮化硅的混合粉体陶瓷材料，中间层为厚度为20mm普通碳钢板，外层为厚度为4mm的镍基高温合金板材。

实施中：

首先采用爆炸焊接方法使镍基高温合金钢板与普通碳钢板结合成为双金属复合钢板；

将双金属复合钢板加工成外表面为镍基高温合金材料，内表面为普通碳钢的双金属复合坩埚。

将碳化硅与氮化硅粉体按75∶25比例混合均匀，然后在已成型的坩埚内表面采用激光熔覆的方法将预先混合均匀的复合陶瓷粉中熔覆在碳钢表面，形成厚度为6mm左右的碳化硅/氮化硅复合型涂层，最后经打磨抛光即成。

实施例4：

本实施例的内层为硼化钛粉体陶瓷材料，中间层为厚度为25mm高碳钢板，外层为厚度为3mm的耐热钢板材。

实施中：

首先采用爆炸焊接方法使耐热钢板与高碳钢板结合成为双金属复合钢板；

将双金属复合钢板加工成外表面为耐热钢，内表面为高碳钢的双金属复合坩埚。

采用等离子喷涂的方法使硼化钛粉体均匀地喷涂在已成型的坩埚内表面的高碳钢表面，形成厚度为1mm左右的单组分陶瓷相涂层，并经打磨抛光即成复合坩埚。

实施例5：

本实施例的内层为氮化硅与硼化钛的混合粉体陶瓷材料，中间层为厚度为25mm低碳锅炉钢板，外层为厚度为3mm的镍基高温合金板材。

实施中：

首先采用爆炸焊接方法使镍基高温合金钢板与低碳锅炉钢板结合成为双金属复合钢板；

将双金属复合钢板加工成外表面为镍基高温合金钢，内表面为低碳钢的双金属复合坩埚。

将氮化硅与硼化钛按50∶50比例混合均匀，采用等离子喷涂的方法使混合粉材料均匀地沉积在已成型的坩埚内表面的低碳钢表面，形成厚度为3mm左右的氮化硅/硼化钛复合陶瓷涂层，并经打磨抛光即成复合坩埚。

实施例6：

本实施例的内层为氧化锆粉体陶瓷材料，中间层为厚度为30mm低碳锅炉钢板，外层为厚度为2mm的镍基高温合金板材。

实施中：

首先采用爆炸焊接方法使镍基高温合金钢板与低碳锅炉钢板结合成为双金属复合钢板；

将双金属复合钢板加工成外表面为镍基高温合金钢，内表面为低碳钢的双金属复合坩埚。

采用电弧喷涂的方法使碳化硅粉体均匀地喷涂在已成型的坩埚内表面的低碳钢表面，形成厚度为1mm左右的单组分陶瓷涂层，并经打磨抛光即成复合坩埚。

实施例7：

本实施例的内层为碳化硅粉体陶瓷材料，中间层为厚度为30mm低碳锅炉钢板，外层为厚度为2mm的耐热钢板材。

实施中：

首先采用爆炸焊接方法使耐热钢板与低碳锅炉钢板结合成为双金属复合钢板；

将双金属复合钢板加工成外表面为耐热钢，内表面为低碳钢的双金属复合坩埚。

采用火焰喷涂的方法使氧化锆粉体均匀地喷涂到已成型的坩埚内表面的低碳钢表面，形成厚度为1mm左右的单组分陶瓷涂层，并经打磨抛光即成复合坩埚。

实施例8：

本实施例的内层为氧化铝粉体陶瓷材料，中间层为厚度为30mm低碳钢板，外层为厚度为2mm的镍基高温合金板材。

实施中：

首先采用爆炸焊接方法使镍基高温合金钢板与低碳钢板结合成为双金属复合钢板；

将双金属复合钢板加工成外表面为镍基高温合金钢，内表面为低碳钢的双金属复合坩埚。

采用超音速喷涂的方法使氧化铝陶瓷粉体均匀地喷涂到已成型的坩埚内表面的低碳钢表面，形成厚度为1mm左右的单组分陶瓷相涂层，并经打磨抛光即成复合坩埚。

Claims (2)

1.一种用于镁及镁合金熔炼的复合型坩埚，将用耐热钢或镍基高温合金与碳钢复合而成的双金属复合板制成坩埚，其特征在于该坩埚内表面的金属材料上复合有不与高温镁及镁合金液发生反应且稳定的陶瓷材料。

2.一种加工权利要求书1所述复合型坩埚的方法，其特征在于该坩埚的双金属复合板采用爆炸焊接而成；陶瓷材料通过喷涂或激光熔覆的方法复合在坩埚内表面。