专利名称：一种包复材料受压顶出充芯连铸精细成形的设备与工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于金属材料中的压力加工领域，提供了一种包复材料受压顶出充芯连铸精细成 形的设备与工艺。
背景技术：
由于高新技术的发展对材料的苛刻要求，推动了新材料的发展。复合材料可以发挥其组 成原材料的协同作用，同时又有很大的材料设计自由度，所以发展很快。它们不仅在应用范 围上愈加广泛，而且在装饰性、导电性、导热性、耐蚀耐磨性和力学性能上得到提高，选材 更合理和制造成本降低，结构与功能一体化成为这类材料深入发展的潜在优势。
现在，复合材料的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 又分为镶套、液压扩管、拉拔(见日本伸铜学会编，铜fc A ^铜合金^基础t工业技术，(1988)， p.l90—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(见陈勇福等，轻合金加工技术，Vol.24, No.l 1(1996)， p.3;魏月贞，复合材料，机械工业出版社，(1987)， p.l46)虽然可以实现冶金结合，但是要获 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，生产成本高。
冶金结合法有反向凝固法、包复层连铸法、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巻增刊，p.l5)是包复层金属液附在内部固体金属凝固，此方法有利 于凝固补縮和铸轧辊的轧制，但为了保证包复层和母带界面良好复合，除控制母带浸入时间、 包复层金属过热度。母带原始厚度关键工艺参数外，还需要对母带进行预处理。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。包复 层连铸法(见山本厚生，日本昭57—196464专利)是包复层金属液附在内部固体金属凝固， 此方法有助于包复层金属液的凝固补縮，为了保证包复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，或者包复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，热态直接连铸包复层，但此方法对包复金属熔点高于芯 材金属熔点的情形难以控制，不利于高性能的外层金属熔点高于芯材浸入熔点的复合材料的 大规模应用。
一种包复材料的一次铸造成形法(见吴舂京等， 一种包复材料的一次铸造成形设备与工
艺，中国专利，0U0卯76.6)采用上下两个加热设备,使芯部金属与外层金属分别在上下两个加 热器中熔化,在两个加热器中的温度达到规定的温度时，在电机动力牵引的引锭杆作用下，牵引外层金属液进入结晶器，在结晶器和导流管中形成外层金属管，芯部金属液随之进入外层金属 管中,然后在一定的拉速下实现芯部金属和外层金属的复合。由于粘结力和摩擦力仍然存在， 铸坯中必然存在拉应力，其是发生微裂纹主要原因。由于振痕、结晶器振动的动配合间隙和 结晶器的磨损、凝固过程的不连续、铸坯中的拉应力原因，此方法不适合于制备精密的连铸 坯，如外径O15 20mm以下，壁厚1.0 3mm的连铸管坯。
发明内容
本发明的目的在于开发一种短流程、节能、廉价、适合于大规模工业生产，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一种包复材料受压顶出充芯连铸精细成 形设备与工艺。
一种包复材料受压顶出充芯连铸精细成形设备，由上测温仪，芯部金属液，芯部金属控 温坩埚，芯部金属控温炉，下测温仪，下控温结晶器，外层金属控温炉，外层金属，芯部金 属液充芯管，外层金属固液界面，压力罩，上控温结晶器，下控温结晶器，外层金属结晶器， 二次冷却装置，限位装置，压力传感器，退让装置，窥测孔，托板构成。上控温结晶器和芯 部金属液充芯管沿连铸方向装配于同一轴线上；芯部金属液充芯管上端与芯部金属控温炉紧 密连接，芯部金属液充芯管的下端深入外层金属液中，由芯部金属液充芯管隔离外层和芯部 金属液，形成外层金属型芯，浇注芯部金属液。上控温结晶器上端紧密与外层金属控温坩埚 连接，压力罩与托板边端连接，托板内侧与下控温结晶器连接；外层金属铸坯由压力罩施加 压力顶出。
其中上、下测温仪采用红外测温或者热电偶测温；芯部金属控温炉和外层金属控温炉采 用电感加热或电阻加热；芯部金属控温坩埚和外层金属控温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， 一般控制在相应金属或合金的凝固点至凝 固点以上50(TC的范围内；芯部金属液充芯管，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；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)；压力罩可通入N2、 C02、 H2; 二次冷却装置，采用喷 水、吹风、自然冷却。
外层金属在外层金属控温炉中熔化和保温，并通过压力罩加压的方式注入由上控温结晶 器和芯部金属液充芯管外壁构成的内结晶器中凝固成金属管。芯部金属在芯部金属控温炉中 熔化和保温，通过芯部金属液充芯管内孔充填到已凝固的外层金属管内孔中，在下控温结晶 器中，芯部金属和外层金属管内壁熔合和凝固成复合坯。外层金属结晶器和芯部金属液充芯 管沿连铸方向配置于同一轴线上，芯部金属液充芯管上端紧密与芯部金属控温坩埚连接，芯 部金属液充芯管的下端深入外层金属液中，由芯部金属液充芯管隔离外层和芯部金属液，形 成外层金属型芯，浇注芯部金属液。
压力罩与托板边端连接，托板内侧与下控温结晶器连接；外层金属铸坯由压力罩内气体 施加压力顶出，当内层金属液充型较好时，也可仅对外层金属加压。
连铸外层金属管的凝固温度主要由上控温结晶器控制，外层金属管内壁和芯部金属的复 合温度主要由下控温结晶器控制。连铸的速度由退让装置控制，退让装置对铸坯不产生拉力，与压力罩一起构成对铸坯的加压系统。当退让装置退让时，铸坯从结晶器中被压出。通过窥 测孔可以观察充芯连铸情况，压力的大小可由金属液高度的压差和压力罩参数来调节。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50(TC的范围内。
本发明和现有技术相比所具有的有益效果在于
(1) 采用压力罩内气体施加压力顶出，在结晶器内的铸坯主要承受轴向压应力，铸坯是被 压力罩产生的压力顶出，而不是被拉出，这样消除了一般连铸坯中易出现的裂纹、振痕，可 以一次连续铸造包复材料，获得高质量的复合界面，后续加工生产成本低、效率高。
(2) 外层金属由外层金属结晶器和芯部金属液充芯管构成的铸型中凝固成外层金属管，同 时芯部金属液通过芯部金属液充芯管浇注到外层金属管中与其熔合和凝固，从而实现外层金 属熔点高于芯部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部金属熔点的包复材料、零部件的铸造 成形，达到短流程、节能降耗的目的。
(3) 采用芯部金属液充芯管的下端深入到外层金属中，由芯部金属液充芯管隔离外层和芯 部金属液，形成外层金属的型芯，同时浇注芯部金属液，使外层金属管在成形脱离内结晶器 后，直接与充芯的芯部金属液接触，无论是外层金属管管的内壁，还是与外层金属管管的内 壁接触的芯部金属液，都与空气完全隔离，复合界面无氧化物，无夹杂，也没有一般加工方 法中易出现的油污等，大大提高复合材料的质量、生产率和经济效益。
(4) 外层金属和芯部金属液分别由控温坩埚和加热元件、测温仪保温和加热，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液的凝固速度调节，以 保证稳定连续铸造成形。
(5) 后续加工工艺简化、效率高，高质量精细的复合坯可以直接上中小型的拉拔机，直接 拉成S①lmm的复合坯。由于外层金属与内层金属界面具有良好的冶金结合，不需要靠强拉拔 变形和热处理来提高界面复合质量，因此既可以直接采用小规格坯料在中小型拉拔机上成形， 减少拉拔道次，同时热处理的目的只需要考虑消除应力，而不需要在较高的温度和较长的时 间下进行扩散焊接，提高了生产效率。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 图I是本发明的设备结构图。
1.上测温仪，2.芯部金属液，3.芯部金属控温坩埚，4.芯部金属控温炉，5.下测温仪， 6.下控温结晶器，7.外层金属控温炉，8.外层金属，9.芯部金属液充芯管，10.外层金属固 液界面，11.压力罩，12.上控温结晶器，13.下控温结晶器，14.外层金属结晶器，15. 二 次冷却装置，16.限位装置，17.压力传感器，18.退让装置，19.窥测孔，20.托板。
图2是本发明压力罩在芯部金属液之外的设备结构图。
当内层金属液充型较好时，也可仅对外层金属加压，将压力罩下移，如图2所示，各零 部件与图l相同。
具体实施方式
铅包锡复合材料受压顶出充芯连铸成形。
铅包锡金属复合棒外直径12mm，外层铅金属厚度2mm，上、下测温仪l、 5采用热电偶 测温；芯部金属控温炉和外层金属控温炉采用电阻加热，芯部金属控温坩埚3、上控温结晶 器12、外层金属控温坩埚6和芯部金属液充芯管9均采用45号钢制成；压力罩内通入空气， 压力为0.03MPa， 二次冷却装置15采用吹风冷却，其速度为3m/s;芯部金属控温坩埚3的温 度控制在相应其金属或合金的凝固点至凝固点以上IO(TC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80'C的范围，控制水冷金属型结晶器14 的冷却水流速为4m/s，调节连续铸造拉坯速度V-30mm/min,可获得高质量的连续铸造铅/ 锡金属复合棒材。试验结果显示试样界面结合致密，结合面整齐，复合层宽度大约为0.2mm, 很好地实现了冶金结合。
实施方式二-
铜包铝复合材料受压顶出充芯连铸成形。
铜包铝金属复合棒外直径12mm，外层铜金属厚度3mm,上、下测温仪l、 5采用热电偶 测温；芯部金属控温炉4采用电阻加热，外层金属控温炉7采用感应加热；芯部金属控温坩 埚3、外层金属控温坩埚6和芯部金属液充芯管9均采用石墨制成；上控温结晶器12采用水 冷金属型结晶器内衬石墨制成；压力罩内通入N2，压力为0.15MPa， 二次冷却装置15采用 吹风冷却；其速度为4m/s，芯部金属控温坩埚3的温度控制在相应其金属或合金的凝固点至 凝固点以上20(TC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10(TC的范围，控制水冷金属型结晶器14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包铝金属复合棒材。
实施方式三
不锈钢包铁复合材料受压顶出充芯连铸成形。
不锈钢/铁金属复合棒外直径12mm，外层不锈钢金属厚度3mm。上、下测温仪1、 5采 用红外测温；芯部金属控温炉和外层金属控温炉采用感应加热；芯部金属控温坩埚3采用石 墨制成；外层金属控温坩埚6采用氧化镁耐火材料制成；芯部金属液充芯管9采用Zr02陶瓷 制成；上结晶器12采用水冷铜金属型结晶器制成；二次冷却装置15采用喷水冷却；其速度 为5m/s，压力罩内通入N2，压力为0.20MPa，芯部金属控温坩埚3的温度控制在相应其金属 或合金的凝固点至凝固点以上8(TC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50'C的范围，控制水冷金属型结晶器12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。
权利要求
1.一种包复材料受压顶出充芯连铸精细成形设备，其特征在于由上测温仪(1)、芯部金属液(2)、芯部金属控温坩埚(3)、芯部金属控温炉(4)、下测温仪(5)、下控温结晶器(5)、外层金属控温炉(7)、外层金属(8)、芯部金属液充芯管(9)、外层金属固液界面(10)、压力罩(11)、上控温结晶器(12)、下控温结晶器(13)、外层金属结晶器(14)、二次冷却装置(15)、限位装置(16)、压力传感器(17)、退让装置(18)、窥测孔(19)、托板(20)组成上控温结晶器和芯部金属液充芯管沿连铸方向装配于同一轴线上；芯部金属液充芯管上端与芯部金属控温炉紧密连接，芯部金属液充芯管的下端深入外层金属液中，由芯部金属液充芯管隔离外层和芯部金属液，形成外层金属型芯，浇注芯部金属液；上控温结晶器上端紧密与外层金属控温坩埚连接，压力罩与托板边端连接，托板内侧与下控温结晶器连接；外层金属铸坯由压力罩施加压力顶出。
2. —种包复材料受压顶出充芯连铸精细成形工艺，其工艺特征在于外层金属在外层金属控温坩埚中保温和加热，注入由上控温结晶器和芯部金属液充芯管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保温和加热，通过芯部金属液充芯管浇注到外层金属管内，在下控温结晶器中熔合和凝固成复合坯；外层金属管的凝固温度主要由上控温结晶器控制，外层金属管内壁和芯部金属液的复合温度由下控温结晶器控制；充芯连铸的速度由退让装置控制，退让装置与压力罩一起构成对铸坯的加压系统，对铸坯不产生拉力；当退让装置退让时，铸坯从下控温结晶器中被压出；通过窥测孔能观察充芯连铸情况；压力的大小由金属液高度的压差和压力罩内气体的压强大小来调节。
3.如权利要求2所述的一种包复材料受压顶出充芯连铸精细成形工艺，其工艺特征在于顶出退让速度为V=0 4000mmAnin，上控温结晶器的冷却强度为结晶器内的冷却水流速为5 12m/s， 二次冷却装置的冷却强度为喷水速度，为0 5m/s，或风冷、空冷，风冷的速度为0 5 m/s，压力罩的压力为0 0.4MPa。
全文摘要
一种包复材料受压顶出充芯连铸精细成形设备与工艺，属于金属材料中的压力加工领域。设备由上下结晶器、测温仪、芯部金属控温炉、外层金属控温炉、充芯管、压力罩、托板、二次冷却装置、限位装置、压力传感器、退让装置组成；外层金属结晶器和芯部金属液充芯管沿连铸方向配置于同一轴线上；芯部金属液充芯管上端与芯部金属控温坩锅连接，下端深入外层金属液中，由芯部金属液充芯管隔离外层和芯部金属液，形成外层金属型芯，浇注芯部金属液。压力罩与托板边端连接，托板内侧与下控温结晶器连接；外层金属铸坯由压力罩内气体施加压力顶出。本发明消除了一般连铸坯中易出现的裂纹、振痕，可以一次连续铸造包复材料，获得高质量的复合界面，后续加工生产成本低、效率高。
文档编号B22D19/16GK101554649SQ20091008473
公开日2009年10月14日 申请日期2009年5月19日 优先权日2009年5月19日
发明者刘增辉, 吴春京, 玉 杜, 贺 梁, 黎红英 申请人:北京科技大学