一種金屬包覆材料固/液連鑄複合成形設備與工藝方法與流程

2023-06-09 20:29:26 1

本發明屬於金屬層狀複合材料製備技術領域，特別是提供了一種金屬包覆材料固/液連鑄複合成形設備與工藝方法，適合於包覆層金屬熔點低於芯材金屬熔點的包覆材料製備。

背景技術：

金屬包覆材料兼有包覆層和芯材金屬的優良性能，不僅可解決單一金屬材料無法滿足高強度、高耐磨、高導電、高耐蝕等綜合性能問題，還可減少短缺金屬的用量、減小材料的密度、降低生產成本等，在航天、石油、化工、交通運輸、建築、電子、電力及家用電器等領域得到廣泛的應用。以鐵路貫通地線用複合線材為例，其芯材採用純銅絞線，包覆層採用厚度1mm以上的耐蝕銅合金，可使地線具有芯材優良的導電性能和包覆層較高的強度和耐腐蝕性能。

目前，適合於大規模生產金屬包覆材料的製備方法主要有連鑄直接複合成形法、熱浸鍍法、反向凝固法等。連鑄直接複合成形法是將兩種金屬熔液同時注入複合結晶器內，通過金屬熔液溫度和冷卻控制，使包覆層金屬在複合結晶器中首先凝固形成包覆層，然後芯材金屬液在已凝固成形的包覆層型腔內與包覆層複合凝固，該方法製備的複合材料界面清潔、無氧化且達到良好的冶金結合狀態，並具有流程短、節能降耗和生產成本低等優點[謝建新，劉新華，劉雪峰，蘇亞軍.一種包復材料水平連鑄直接複合成形設備與工藝.中國發明專利，申請號：ZL200610112817.3，授權日：2008.04.2]，但只適合用於製備包覆層熔點高於芯材金屬熔點的複合材料。

熱浸鍍法是將經過預熱的芯材通過牽引裝置連續浸入到包覆層金屬液中，使芯材與包覆層金屬之間通過熔合、擴散等方式形成冶金結合的界面擴散層，當芯材從包覆層金屬液中出來時，附著於芯材表面的包覆層金屬經冷卻凝固形成複合材料[王一新，黎立.一種帶鋼熱浸鍍鋅法.中國發明專利，申請號：CN201110247890.2，申請日：2011.08.26]。熱浸鍍法主要用於製備包覆層金屬熔點低於芯材、包覆層厚度較薄的複合材料，難以生產包覆層厚度達到毫米級的複合材料。

反向凝固法是將經過預熱的芯材穿過包覆層金屬液，包覆層金屬液附在芯材金屬表面並在芯材金屬的冷卻作用下凝固形成一定厚度，然後通過軋輥對所形成的複合層進行加工，獲得表面平整、形狀尺寸規整的複合材料。該方法可較好地解決包覆層金屬凝固過程中可能出現的疏鬆、縮孔等問題，所製備的複合材料具有包覆層緻密以及複合界面達到冶金結合、結合強度高等優點[李寶綿，許光明，崔建忠.反向凝固法生產H90-鋼-H90複合帶.中國有色金屬學報，2007，17(4):505-510]。反向凝固法包覆層的凝固不是在傳統連鑄水冷結晶器的作用下完成的，而是依靠經過預熱處理後的芯材溫度低於包覆層金屬液的溫度，即在芯材的冷卻作用下從芯材外表面(界面)開始凝固而實現的(故稱反向凝固)，芯材與包覆層金屬液的複合溫度和界面反應控制難度大，芯材容易被包覆層金屬液過度熔蝕或熔斷，芯材金屬元素易擴散進入包覆層金屬液中造成汙染，導致複合材料包覆層化學成分和厚度、界面結合質量(如界面擴散層厚度、易生產金屬間化合物等)和表面質量難以控制，不利於製備高質量金屬包覆材料。因此，在反向凝固法的基礎上強化連鑄過程溫度場控制，以精確控制包覆層金屬的凝固過程及其與芯材複合界面的反應，是解決上述問題的有效途徑。

技術實現要素：

本發明將反向凝固法和發明申請人等發明的熱冷組合鑄型複合連鑄法[謝建新，梅俊，劉新華，劉雪峰.一種白銅管材熱冷組合鑄型水平連鑄工藝與設備.中國發明專利，申請號：ZL 201010501407.4，授權日：2012.06.27]相結合，提供一種金屬包覆材料固/液連鑄複合成形設備與工藝，通過精確控制包覆層金屬的連鑄凝固過程及包覆層與芯材複合界面的反應，解決包覆層金屬與芯材發生過度熔合和擴散對包覆層質量與界面結合狀態產生不利影響的問題，實現高質量金屬包覆材料短流程、近終形、高效率、低成本連鑄成形，特別適合於包覆層金屬熔點低於芯材金屬熔點的雙金屬包覆材料固/液連鑄複合成形。

一種金屬包覆材料固/液連鑄複合成形設備，由熔化坩堝、坩堝加熱器、測溫儀、塞棒、導流管、芯材導向裝置、芯材保護裝置、複合裝置、鑄型、鑄型加熱器、水冷結晶器、二次冷卻裝置、牽引裝置組成，熔化坩堝、坩堝加熱器、測溫儀一和塞棒構成包覆層金屬熔化系統；由導流管、芯材導向裝置、芯材保護裝置、複合裝置、測溫儀二、鑄型加熱器、鑄型、水冷結晶器、二次冷卻裝置和牽引裝置構成連續鑄造複合系統；如圖1所示。熔化坩堝底部與複合裝置通過導流管相連接，塞棒安裝在導流管的上方，用於控制包覆層金屬液通過導流管進入複合裝置和鑄型；坩堝中包覆層金屬液的溫度由加熱器和測溫儀一通過控溫系統進行控制；芯材導向裝置、芯材保護裝置、複合裝置、鑄型、鑄型加熱器、水冷結晶器、二次冷卻裝置、牽引裝置沿牽引方向(鉛垂方向)依次配置；牽引裝置用於使芯材連續穿過芯材保護裝置進入複合裝置和鑄型中，在鑄型內與包覆層金屬連續複合後從鑄型拉出，獲得包覆材料；芯材導向裝置安裝在芯材保護裝置的上方，用於對芯材進行對中和引導；向芯材保護裝置通入保護性氣體，可對通過其內部的芯材起到防氧化作用；通過導流管進入複合裝置和鑄型中的包覆層金屬液發生凝固並與芯材複合成一體；鑄型的上半部分在加熱器的作用下構成鑄型的加熱段(熱型段)，鑄型的下半部分在水冷結晶器的作用下構成鑄型的冷卻段(冷型段)，通過調節熱型段的加熱溫度和冷型段的冷卻強度，使流入鑄型的包覆層金屬液在熱型段和冷型段之間的位置與芯材複合，實現連續成形。通過控制包覆層金屬液與芯材的複合界面反應，可避免兩者生成過厚的界面擴散層或金屬間化合物層，並獲得表面質量良好和所需厚度的包覆層金屬，確保包覆層金屬厚度的均勻性；二次冷卻裝置安裝在水冷結晶器和牽引裝置之間，對包覆材料實現進一步的冷卻，以防止包覆層金屬表面的氧化。

本發明的工藝過程為：採用熔化坩堝和坩堝加熱器將包覆層金屬熔化和保溫，當包覆層金屬液達到目標溫度後，啟動牽引裝置使芯材連續穿過芯材導向裝置、芯材保護裝置、複合裝置、鑄型、鑄型加熱器、水冷結晶器、二次冷卻裝置，然後啟動塞棒裝置將包覆層金屬液通過導流管注入複合裝置和鑄型中，通過調節熱型段的加熱溫度和冷型段的冷卻強度，使包覆層金屬液在鑄型的熱型段和冷型段之間的位置發生凝固並與芯材複合，形成表面質量良好、包覆層厚度均勻和界面為冶金結合的雙金屬包覆材料；雙金屬包覆材料經過二次冷卻裝置進一步冷卻後，通過牽引裝置實現連鑄成形；連鑄過程中向芯材保護裝置中持續通入防氧化保護性氣體。

所述熔化坩堝可用中間包取代，以實現連續生產；所述芯材保護裝置中可以通入惰性氣體(如氮氣、氬氣)或還原性氣體(如氫氣)；所述芯材可以是金屬線材(單根線、絞線等)、棒材、管材、板材或型材；所述的包覆層金屬與芯材金屬的組合可以為純金屬與純金屬、純金屬與合金、合金與合金組合；所述包覆層金屬液與芯材複合界面反應控制，是通過鑄型加熱器的加熱溫度、水冷結晶器的冷卻強度和拉坯速度協同控制實現的；所述連鑄方法可以是上引式、下引式或水平式中的任何一種。

本發明的優點在於：

1、本發明的包覆層金屬液在複合裝置中在水冷結晶器和芯材的共同冷卻作用下快速凝固，包覆層金屬液與芯材的接觸時間短，可避免包覆層金屬液與芯材發生過度熔合和擴散反應導致生成過厚的界面擴散層或金屬間化合物層，提高界面結合質量；另外，在反向凝固的同時附加水冷結晶器冷卻，提高了複合過程的冷卻強度，有利於提高拉坯速度，提高生產效率。

2、在本發明設計的包覆層金屬熔化和複合連鑄系統中，熔化坩堝底部與複合裝置通過導流管相連接，坩堝中包覆層金屬液中的夾渣、氣體等上浮至金屬液表面易於被清除，潔淨的包覆層金屬液從坩堝底部通過導流管進入複合裝置和鑄型中，從而保證了鑄型中包覆層金屬液的潔淨度，有利於提高複合材料包覆層金屬的質量。

3、本發明在複合裝置中鑄型的上半部分設置加熱裝置(熱型段)，可實現對鑄型內包覆層金屬溫度的獨立控制，鑄型的下半部分採用水冷結晶器進行強制冷卻(冷型段)，主要有以下4個方面的作用：1)控制包覆層金屬的固液界面位置，使其位於熱型段和冷型段之間的區域內，因而可採用長度較短的水冷結晶器，減小包覆層金屬凝殼長度和凝殼與鑄型之間的摩擦作用，改善包覆層金屬的表面質量；2)鑄型加熱裝置可採用電磁感應加熱方式，通過合理設計加熱線圈結構、加熱電源的功率和頻率，實現「電磁軟接觸」約束成形，即產生電磁約束力以平衡包覆層金屬液的靜水壓力，減小包覆層金屬初生凝殼與鑄型間的摩擦，進一步提高包覆層金屬的表面質量，同時延長鑄型的使用壽命；3)控制包覆層金屬的固液界面形狀由芯材凸向液相，使包覆層金屬從芯材表面由內向外進行結晶和生長，有利於包覆層金屬凝固時向液相中排氣、排雜，提高複合材料包覆層金屬質量；4)精確控制包覆層金屬液的溫度和包覆層與芯材的界面反應，防止包覆層金屬液溫度等工藝參數波動對包覆材料複合界面、包覆層金屬厚度與表面質量的不利影響，實現高質量金屬包覆材料的高效、穩定複合連鑄成形；

4、本發明控制包覆層金屬在鑄型內壁和芯材表面構成的型腔內凝固，可以通過調整鑄型與芯材之間的間隙寬度，精確控制包覆層金屬厚度，包覆材料的包覆比調控簡單，產品規格範圍大。

5、本發明不僅具有設備簡單、流程短、近終形、生產效率高、節能降耗、生產成本低等優點，適合於生產包覆層金屬緻密、厚度均勻、包覆比調控範圍大、表面質量與界面質量好的高性能金屬包覆材料。

附圖說明

下面結合附圖對本發明作進一步的說明：

圖1為本發明的一種設備示意圖。其中，熔化坩堝1，包覆層金屬液2，坩堝加熱器3，測溫儀一4、測溫儀二11，塞棒5，導流管6，芯材7，芯材導向裝置8，芯材保護裝置9，複合裝置10，鑄型加熱器12，鑄型13，水冷結晶器14，二次冷卻裝置15，牽引裝置16，包覆材料17。

具體實施方式

圖1為本發明設備的一種具體實施方式。其設備由熔化坩堝(1)、坩堝加熱器(3)、測溫儀一(4)和塞棒(5)構成包覆層金屬熔化系統；由導流管(6)、芯材導向裝置(8)、芯材保護裝置(9)、複合裝置(10)、測溫儀二(11)、鑄型加熱器(12)、鑄型(13)、水冷結晶器(14)、二次冷卻裝置(15)和牽引裝置(16)構成連續鑄造複合系統。熔化坩堝(1)、塞棒(5)、導流管(6)、芯材保護裝置(9)可採用耐火材料、石墨、石英玻璃、陶瓷(含金屬陶瓷)、高溫合金、鋼、鐵等材料製成；坩堝加熱器(3)可採用電磁感應加熱或電阻加熱，鑄型加熱器(12)採用電磁感應加熱方式；測溫儀一(4)、測溫儀二(11)可採用紅外測溫或熱電偶測溫；水冷結晶器(14)可採用水冷金屬型、或水冷金屬型內襯耐火材料、石墨、陶瓷(含金屬陶瓷)等材料製成；二次冷卻裝置(15)採用噴水、噴霧、吹風、自然冷卻等方式。

實施例1：芯材為直徑12mm的低碳鋼棒、純銅包覆層厚度為1mm的銅包鋼複合棒材的製備。

採用加熱器(3)將熔化坩堝(1)中的純銅進行熔化和保溫，當純銅液(2)溫度達到1200℃時，啟動牽引裝置(16)將低碳鋼芯棒(7)連續穿過芯材導向裝置(8)、芯材保護裝置(9)、複合裝置(10)、鑄型(13)、鑄型加熱器(12)、水冷結晶器(14)、二次冷卻裝置(15)，然後啟動塞棒裝置(5)將純銅液(2)通過導流管(6)進入複合裝置(10)和鑄型(13)中，使純銅液(2)與低碳鋼芯棒(7)在鑄型(13)內進行複合和凝固，形成銅包鋼複合棒材(17)；製備的複合棒材(17)經過二次冷卻裝置(15)進一步冷卻後，通過牽引裝置(16)實現連鑄成形；連鑄過程中向芯材保護裝置(9)中持續通入氮氣。在純銅液熔化溫度1200℃、鑄型加熱溫度1150℃、水冷結晶器水流量800L/h、二次冷卻裝置水流量200L/h、拉坯速度150mm/min的參數條件下，可製備出表面質量良好、包覆層緻密且厚度均勻和界面為冶金結合的芯材為直徑12mm低碳鋼棒、純銅包覆層厚度為1mm的銅包鋼複合棒材。

實施例2：芯材為直徑6.5mm的純銅絞線、包覆層為H68黃銅的外徑9mm黃銅包銅絞線複合線材的製備。

採用加熱器(3)將熔化坩堝(1)中的H68黃銅進行熔化和保溫，當H68黃銅液(2)溫度達到1020℃時，啟動牽引裝置(16)將直徑為6.5mm的銅絞線(7)連續穿過芯材導向裝置(8)、芯材保護裝置(9)、複合裝置(10)、鑄型(13)、鑄型加熱器(12)、水冷結晶器(14)、二次冷卻裝置(15)，然後啟動塞棒(5)裝置將H68黃銅液(2)通過導流管(6)進入複合裝置(10)和鑄型(13)中，使H68黃銅液(2)與銅絞線(7)在鑄型(13)內進行複合和凝固，形成黃銅包銅絞線複合線材(17)；製備的複合線材(17)經過二次冷卻裝置(15)進一步冷卻後，通過牽引裝置(16)實現連鑄成形；連鑄過程中向芯材保護裝置(9)中持續通入氮氣。在H68黃銅液熔化溫度1020℃、鑄型加熱溫度1000℃、水冷結晶器水流量500L/h、二次冷卻裝置水流量200L/h、拉坯速度100mm/min的參數條件下，可製備出表面質量良好、包覆層緻密和界面為冶金結合的外徑9mm黃銅包銅絞線複合線材。

實施例3：芯材為直徑10mm的純銅棒、金包覆層厚度為0.5mm的金包銅複合棒材的製備。

採用加熱器(3)將熔化坩堝(1)中的純金進行熔化和保溫，當金液(2)溫度達到1150℃時，啟動牽引裝置(16)將純銅芯棒(7)連續穿過芯材導向裝置(8)、芯材保護裝置(9)、複合裝置(10)、鑄型(13)、鑄型加熱器(12)、水冷結晶器(14)、二次冷卻裝置(15)，然後啟動塞棒裝置(5)將金液(2)通過導流管(6)進入複合裝置(10)和鑄型(13)中，使金液(2)與純銅芯棒(7)在鑄型(13)內進行複合和凝固，形成金包銅複合棒材(17)；製備的複合棒材(17)經過二次冷卻裝置(15)進一步冷卻後，通過牽引裝置(16)實現連鑄成形；連鑄過程中向芯材保護裝置(9)中持續通入氬氣。在金液熔化溫度1150℃、鑄型加熱溫度1100℃、水冷結晶器水流量500L/h、二次冷卻裝置水流量200L/h、拉坯速度100mm/min的參數條件下，可製備出表面質量良好、金包覆層緻密且厚度均勻和界面為冶金結合的芯材為直徑10mm純銅棒、金包覆層厚度為1mm的金包銅複合棒材。

實施例4：芯材為直徑8mm的純銅棒、銀包覆層厚度為0.6mm的銀包銅複合棒材的製備。

採用加熱器(3)將熔化坩堝(1)中的純銀進行熔化和保溫，當銀液(2)溫度達到1050℃時，啟動牽引裝置(16)將純銅芯棒(7)連續穿過芯材導向裝置(8)、芯材保護裝置(9)、複合裝置(10)、鑄型(13)、鑄型加熱器(12)、水冷結晶器(14)、二次冷卻裝置(15)，然後啟動塞棒裝置(5)將銀液(2)通過導流管(6)進入複合裝置(10)和鑄型(13)中，使銀液(2)與純銅芯棒(7)在鑄型(13)內進行複合和凝固，形成銀包銅複合棒材(17)；製備的複合棒材(17)經過二次冷卻裝置(15)進一步冷卻後，通過牽引裝置(16)實現連鑄成形；連鑄過程中向芯材保護裝置(9)中持續通入氬氣。在銀液熔化溫度1050℃、鑄型加熱溫度1000℃、水冷結晶器水流量400L/h、二次冷卻裝置水流量200L/h、拉坯速度120mm/min的參數條件下，可製備出表面質量良好、銀包覆層緻密且厚度均勻和界面為冶金結合的芯材為直徑8mm純銅棒、銀包覆層厚度為0.6mm的銀包銅複合棒材。