鑄造單面複合板/複合鑄件及其生產方法與流程
2023-11-11 22:32:37 1
本發明屬於複合板材技術領域，尤其涉及一種鑄造單面複合板/複合鑄件及其生產方法。
背景技術：
單面複合板是一種以碳素鋼、合金鋼為基材，單面複合其它材質的覆材（面材），基材與覆材以一定連接方式結合成一體的複合板、鑄件，兼具輔材材料的特有性能和碳素鋼、合金鋼的強度，是一種性價比高、經濟實用的新型節能材料，具有十分廣闊的市場和巨大的經濟價值。
為描述方便，以複合不鏽鋼板為例，對目前國內外不鏽鋼複合板及其生產方法闡述如下。
概括來說，目前不鏽鋼複合板有三類生產方式：固-固相複合、液-液相複合、液-固相複合。固-固相複合：主要包括爆炸複合、焊接-軋制複合、直接軋制複合等。綜合經濟型、實用性、基材與覆材的結合強度等原因，目前規模化工業應用的主要是爆炸複合法和焊接軋制複合法。爆炸複合法基材與覆材結合強度好、界面冶金結合率高，但生產成本高，受自然環境氣象條件影響大，如陰雨天就不能進行爆炸作業，難以實現大規模生產，並且爆炸時產生嚴重的噪音、粉塵汙染，近年來已受到越來越多的限制。焊接-軋制複合法：將基材如低碳鋼板的複合面進行拋光除鏽，脫除氧化層等汙物。將不鏽鋼複合面進行拋光除鏽脫除氧化膜。為防止軋制時碳鋼向不鏽鋼滲碳並阻止已清理好的複合界面再氧化，有的在基材或覆材清理好的界面上塗上一層金屬鎳，然後將基材與覆材疊合，疊合面四周封焊，封焊時留一個抽氣孔，從抽氣孔中抽去空氣使結合界面保持高真空狀態，封閉抽氣孔後便完成了焊接複合板坯的製作。在複合板完成軋制後需要切掉四周的封焊層。需要注意的是軋制前的複合板坯界面不存在任何的物理、化學及冶金結合形式，只有在板坯軋制過程中，在高溫及強大軋制力的作用下，才能實現複合界面有限的冶金結合，因其界面結合程度受軋制溫度、壓下量、軋制力、複合界面清潔度、複合界面真空度（或惰性氣體的保護能力）等眾多環節的影響，決定了基材與覆材難以實現100%的冶金結合，用戶在使用該方法生產複合板的彎曲、扭曲過程中，會出現覆材與基材脫離的現象，打擊了消費者的使用信心。該方法工藝繁瑣，製造成本高，難以實現大規模工業生產，不容易上產量，目前號稱國內最大的焊接-軋制不鏽鋼複合板企業，年產能不過3萬噸。
液-液相複合：又叫電磁連鑄複合法，其基本原理是藉助於安裝在結晶器下方的兩個水平電磁場，利用洛倫茲力各自約束不同材質的鋼水，在連鑄過程中完成不同材料的複合，具有無汙染、材料複合強度高、適合大規模生產的特點，但目前工藝設備都不完善，處於進一步深入研究論證的階段。
液-固相複合法：包括反向凝固法、鑄軋法、澆鑄複合法等。反向凝固法是一種浸鍍複合法，將一定厚度的固態基材母帶，連續通過熔融的覆材鋼水中，鋼水在母帶表面凝固生成一定厚度的覆材。該方法具有效率高、能耗低、質量好、生產流程短、能夠實現連續生產的特點，但操作難度大，目前工藝設備都不完善，處於進一步深入研究論證的階段。鑄軋法是將半凝固狀態的金屬與固態金屬同時送入軋機軋制，可實現高熔點與低熔點金屬的複合，複合強度高、生產效率高、成本低，但目前工藝技術設備均不完善，尚處於深入研究論證的階段。
澆鑄複合法：澆鑄複合法是將兩塊不鏽鋼板疊合，中間塗上剝離劑，朝外的複合界面塗上抗氧化劑，四周焊合後放入鑄模中澆入鋼水，在鑄模中實現碳素鋼水與不鏽鋼複合形成複合板坯。在板坯軋制後，將焊合的四周割掉，形成兩張複合不鏽鋼板。該方法工藝、技術均不成熟，產品質量達不到要求、生產不穩定，原因有以下幾個方面：結合界面雖有抗氧化劑，但在鋼水澆鑄過程中的高溫下極易氧化，在界面處生成渣、孔缺陷；結合界面的抗氧化劑塗層難以有效阻止高溫鋼水的碳向覆材滲透；對不鏽鋼覆板缺乏有效的保護，使不鏽鋼板容易被高溫鋼水熔損造成廢品；基層或覆層鋼板厚度不能按照客戶要求的任意比例複合，市場推廣受限。因此，在文獻資料中，該方法僅限於簡單的介紹，未見工業應用。
綜上所述，目前的不鏽鋼複合方法和技術，除尚在研究探索階段的電磁連鑄法、反向凝固法外，實際工業應用的是爆炸複合法和焊接-軋制複合法。爆炸複合法覆層與基層結合質量好，但對環境影響大，成本高，產量低、難以形成規模生產。焊接-軋制複合法是目前最普遍的一種生產方法，但難以實現大規模工業化生產，並且覆板與基板界面結合強度較差，產品質量不穩定，造成消費者使用焊接-軋制複合不鏽鋼板的信心不足，影響了焊接-軋制不鏽鋼複合板的推廣應用。
技術實現要素：
本發明的目的在於，克服現有技術的不足，提供了一種鑄造單面複合板/複合鑄件及其生產方法。本發明包括覆材、基材，覆材與基材可以任意比例搭配，將兩件覆材疊合後挾在澆鑄模具的中間，在覆材與澆鑄模具的兩空腔中澆入基材熔融液，形成基材，打開澆鑄模具切除兩基材的澆口，形成完整的兩塊單面複合板/複合鑄件。覆材與基材在澆鑄後就可實現100%的冶金結合界面，並且不會出現覆材被高溫基材熔損。
為解決上述技術問題，本發明的技術方案為：鑄造單面複合板/複合鑄件的生產方法，所述單面複合板/複合鑄件包括覆材和位於覆材內側面的基材，所述內側面為覆材與基材的結合界面，其特徵在於：覆材放置在澆鑄模具內，把基材熔融液澆鑄到覆材的內側面與澆鑄模具之間的空腔內，形成基材，澆鑄之前，在覆材的內側面塗覆鎳基塗層。根據需要選擇合適的覆材為不鏽鋼、鈦板或各種合金成分板材、鑄鋼件、鑄鐵件，厚度可以任意厚度；根據需要確定基材的合金成分、厚度，所述基材為碳素鋼、合金鋼、鑄鐵件，厚度可以任意厚度。用不同空腔尺寸的澆鑄模具和覆材，組成所需尺寸的鑄造基材模型，在兩空腔中澆入金屬液，形成兩塊基材。
本發明所述鎳基塗層的塗覆方法為等離子噴塗、電弧噴塗或火焰噴塗，該塗覆方法的鎳基塗層的組成成分按重量份數為：鎳50-100、鎢10-35、鈷10-25；噴塗鎳基塗層的厚度：5-200um。
本發明所述鎳基塗層的塗覆方法為刷塗或噴淋施工方法，該塗覆方法的鎳基塗層的組成成分按重量份數為：鎳粉50-100、鎢粉10-20、鈷粉10-20、醇溶性樹脂粘結劑5-10、醇類溶劑40-60，鎳基塗料的塗層厚度：0.1-2.0mm。
所述醇溶性樹脂粘結劑為：脲醛樹脂。所述醇類溶劑為商品甲醇或乙醇。
鎳基塗層的作用是：防止鋼水澆鑄前和澆鑄過程中界面氧化，防止熔融基材在高溫下向覆材滲碳，降低覆材和基材接合界面金屬的熔點，防止覆材被液態基材熔損。
本發明所述的生產方法：兩件覆材疊合後挾在澆鑄模具中，在覆材與澆鑄模具的兩空腔中澆入基材熔融液，形成基材，打開澆鑄模具，製成兩塊單面複合板/複合鑄件，在兩件覆材的外表面塗覆防鍛接塗層。
基材澆鑄前的準備工作：用對應基材厚度、寬度、長度的澆鑄模具，將已經疊合到一起的覆材挾在澆鑄模具中，用若干緊固螺絲把合緊實。在兩覆材與澆鑄模具之間形成的空腔，即型腔，就是待澆鑄基材的模型。
防鍛接塗層的作用是：防止兩覆材在澆鑄過程中或後續深加工過程中產生任何形式的連接，保證兩覆材在澆鑄後或後續深加工過程中能夠輕鬆分離；保證兩覆材在熔融狀態下仍然保持原有形狀不變。
所述防鍛接塗層按重量份數的組成成分：鋁礬土粉熟料40-60、膨潤土粉2-10、石英粉20-40、粘結劑5-10、水40-60，所述粘結劑為：矽溶膠、鉀水玻璃或白乳膠。防鍛接塗層的施工方法：塗層可以通過刷塗、噴塗、噴淋、浸塗等。所述防鍛接塗層的厚度為5-200um。
本發明所述鑄造單面複合板/複合鑄件的生產方法，具體包括以下步驟：
1）覆材的內側面脫除汙漬和氧化膜，提高覆材結合界面表面活性；
2）在覆材的內側面塗覆鎳基塗層；
3）在覆材的外表面塗覆防鍛接塗層；
3）把覆材放置在澆鑄模具中；
4）首先在澆鑄模具的型腔內充滿氬氣，然後開始澆鑄熔融的基材；
5）澆鑄結束後充入壓力為0.5-1MPa的氬氣，對液態基材進行加壓；
6）加壓至液態基材凝固後，撤除氬氣，製成了鑄造單面複合板/複合鑄件。
氬氣對覆材的結合界面進行保護，保證界面冶金結合度100%。在型腔內充滿氬氣後，開始澆鑄熔融的基材，澆鑄結束後蓋上加壓蓋，壓緊鎖扣，開始衝入壓力為0.5-1MPa的氬氣，對液態基材進行加壓，加壓的目的：提高基材界面的冶金結合率，提高基材的密度。
所述步驟4）中基材的澆鑄溫度高於覆材的熔點2-300℃。
所述步驟6）之後還包括軋制、鍛造或機械加工等深加工工序。
本發明所述澆鑄模具包括模具本體和位於模具本體上的金屬蓋，金屬蓋上固定連接有澆口杯，在澆口杯的上口有加壓蓋，所述加壓蓋上有氬氣管路。本發明的模具本體為金屬哈弗模。
所述加壓蓋與澆口杯通過鎖扣連接，所述金屬蓋與模具本體通過鎖扣連接。
所述澆口杯與加壓蓋之間有密封墊，密封墊防止加壓時漏氣；所述金屬蓋也模具本體之間有密封墊，密封墊防止加壓時漏氣。
所述金屬蓋相對型腔的側面上有耐火襯。金屬蓋上與鋼水接觸的部位有由耐火材料打制的耐火襯，可以保護金屬蓋，還有保溫作用。
根據上述方法生產的鑄造單面複合板/複合鑄件。
本發明的鑄造單面複合板/複合鑄件覆材、基材的規格：覆材厚度1-300mm；基材厚度：10-600mm。
該發明生產的單面複合板/複合鑄件具有以下顯著特點：單面複合板/複合鑄件在澆鑄後就實現了覆材與基材界面100%的冶金結合，界面結合強度高，產品質量穩定、可靠；單面複合板/複合鑄件一次澆鑄成型，工藝流程短、能耗低；採用金屬模具鑄造，環境友好、生產效率高、能夠實現大規模工業生產；覆材不被基材熔損，可以複合任意厚度的基材和覆材。
附圖說明
附圖1：鑄造單面複合板/複合鑄件模具本體，
附圖2：鑄造單面複合板/複合鑄件澆鑄模具，
圖中：1-覆材，2-型腔，3-模具本體，4-鎳基塗層，5-防鍛接塗層，6-緊固螺絲，7-密封墊，8-耐火襯，9-金屬蓋，10-澆口杯，11-鎖扣，12-加壓蓋，13-氬氣管路。
具體實施方式
實施例1：
澆鑄覆材1材質為鈦板、厚度5－10mm，基材材質Q345B，厚度50－100mm的單面複合鈦板時：澆鑄溫度1750-1800℃。
生產方法具體包括以下步驟：
1）覆材1的內側面脫除汙漬和氧化膜，提高覆材1結合界面表面活性；
2）在覆材1的內側面塗覆鎳基塗層4；
3）在覆材1的外表面塗覆防鍛接塗層5；
3）把覆材1放置在澆鑄模具中；
4）首先在澆鑄模具的型腔2內充滿氬氣，然後開始澆鑄熔融的基材；
5）澆鑄結束後充入壓力為0.5-1MPa的氬氣，對液態基材進行加壓；
6）加壓至液態基材凝固後，撤除氬氣，製成了鑄造單面複合板/複合鑄件。
其中鎳基塗層4的塗覆方法為等離子噴塗、電弧噴塗或火焰噴塗，該塗覆方法的鎳基塗層4的組成成分按重量份數為：鎳50-100、鎢10-35、鈷10-25；噴塗鎳基混合塗層的厚度：5-200um。
防鍛接塗層5按重量份數的組成成分：鋁礬土粉熟料40-60、膨潤土粉2-10、石英粉20-40、矽溶膠粘結劑5-10、水40-60，防鍛接塗層5的施工方法：塗層可以通過刷塗、噴塗、噴淋、浸塗等。
根據圖1所示，將已經疊合到一起的覆材挾在澆鑄模具本體3中，用若干緊固螺絲6把合緊實。在兩覆材與澆鑄模具本體3之間形成的空腔，即型腔2，就是待澆鑄基材的模型。
根據圖2所示，本發明的澆鑄模具包括模具本體3和位於模具本體3上的金屬蓋9，金屬蓋9上固定連接有澆口杯10，在澆口杯10的上口有加壓蓋12，所述加壓蓋12上有氬氣管路13，加壓蓋12與澆口杯10通過鎖扣11連接，金屬蓋9與模具本體3通過鎖扣11連接。澆口杯10與加壓蓋12之間有密封墊7，金屬蓋9與模具本體3之間有密封墊7。金屬蓋9相對型腔2的側面上有耐火襯8。
製得的單面複合鈦板，鈦板與Q345B的界面冶金結合率為100%，剪切強度大於350MPa。
上述製得的單面複合板經鍛壓後，界面剪切強度大於400MPa。
實施例2：
澆鑄覆材1材質為316L不鏽鋼、厚度5－20mm，基材材質Q235、厚度50－200mm的單面複合不鏽鋼板時：澆鑄溫度1600-1650℃。
具體方法步驟和澆鑄模具同實施例1，
其中鎳基塗層4的塗覆方法為刷塗或噴淋施工方法，該塗覆方法的鎳基塗層的組成成分按重量份數為：鎳粉50-100、鎢粉10-20、鈷粉10-20、脲醛樹脂粘結劑5-10、商品甲醇溶劑40-60，鎳基塗層的塗層厚度：0.1-2.0mm。
防鍛接塗層5按重量份數的組成成分：鋁礬土粉熟料40-60、膨潤土粉2-10、石英粉20-40、鉀水玻璃粘結劑5-10、水40-60，防鍛接塗層的施工方法：塗層可以通過刷塗、噴塗、噴淋、浸塗等。
製得的單面複合板，316L不鏽鋼板與Q235基材的界面冶金結合率為100%，界面剪切強度大於320MPa。
實施例3
澆鑄覆材1材質為2205不鏽鋼、厚度5－50mm，基材材質Q345、厚度50－500mm的單面複合不鏽鋼板時：澆鑄溫度1600-1650℃。
具體方法步驟和澆鑄模具同實施例1，
其中鎳基塗層4的塗覆方法為等離子噴塗、電弧噴塗或火焰噴塗，該塗覆方法的鎳基塗層4的組成成分按重量份數為：鎳50-100、鎢10-35、鈷10-25；噴塗鎳基塗層4的厚度：5-200um。
防鍛接塗層5按重量份數的組成成分：鋁礬土粉熟料40-60、膨潤土粉2-10、石英粉20-40、白乳膠粘結劑5-10、水40-60，防鍛接塗層的施工方法：塗層可以通過刷塗、噴塗、噴淋、浸塗等。
製得的單面複合板，覆材不鏽鋼板與Q345基材的界面冶金結合率為100%，剪切強度大於350MPa。
上述製得的單面複合板經軋制後，剪切強度大於400MPa。
實施例4
澆鑄覆材1材質為高鉻耐磨白口鑄鐵、厚度10－30mm，基材材質ZG230－450、厚度50－200mm的單面複合鑄件時：澆鑄溫度1580-1630℃。
具體方法步驟和澆鑄模具同實施例1，
其中鎳基塗層4的塗覆方法為刷塗或噴淋施工方法，該塗覆方法的鎳基塗層4的組成成分按重量份數為：鎳粉50-100、鎢粉10-20、鈷粉10-20、脲醛樹脂粘結劑5-10、商品乙醇溶劑40-60，鎳基塗層的塗層厚度：0.1-2.0mm。
防鍛接塗層5按重量份數的組成成分：鋁礬土粉熟料40-60、膨潤土粉2-10、石英粉20-40、矽溶膠粘結劑5-10、水40-60，防鍛接塗層的施工方法：塗層可以通過刷塗、噴塗、噴淋、浸塗等。
製得的單面複合鑄件，覆材與基材的界面冶金結合率為100%，界面剪切強度大於350MPa。
實施例5
澆鑄覆材1材質為高鎳鉻耐腐蝕鑄鐵、厚度10－30mm，基材材質HT200、厚度50－100mm的單面複合鑄件時：澆鑄溫度1400-1450℃。
具體方法步驟和澆鑄模具同實施例1，
其中鎳基塗層4的塗覆方法為刷塗或噴淋施工方法，該塗覆方法的鎳基塗層4的組成成分按重量份數為：鎳粉50-100、鎢粉10-20、鈷粉10-20、脲醛樹脂粘結劑5-10、商品甲醇溶劑40-60，鎳基塗層4的塗層厚度：0.1-2.0mm。
防鍛接塗層5按重量份數的組成成分：鋁礬土粉熟料40-60、膨潤土粉2-10、石英粉20-40、矽溶膠粘結劑5-10、水40-60，防鍛接塗層5的施工方法：塗層可以通過刷塗、噴塗、噴淋、浸塗等。
製得的單面複合鑄件，覆材與基材的界面冶金結合率為100%，界面剪切強度大於160MPa。
實施例6
澆鑄覆材1材質為4Cr25Ni35Mo耐熱高強鋼、厚度10－30mm，基材材質ZG35CrMo、厚度50－100mm的單面複合鑄件時：澆鑄溫度1630-1680℃。
具體方法步驟和澆鑄模具同實施例1，
其中鎳基塗層4的塗覆方法為等離子噴塗、電弧噴塗或火焰噴塗，該塗覆方法的鎳基塗層4的組成成分按重量份數為：鎳50-100、鎢10-35、鈷10-25；噴塗鎳基塗層4的厚度：5-200um。
防鍛接塗層5按重量份數的組成成分：鋁礬土粉熟料40-60、膨潤土粉2-10、石英粉20-40、矽溶膠粘結劑5-10、水40-60，防鍛接塗層5的施工方法：塗層可以通過刷塗、噴塗、噴淋、浸塗等。
製得的單面複合鑄件，覆材與基材的界面冶金結合率為100%，界面剪切強度大於450MPa。