铸造单面复合板/复合铸件及其生产方法与流程

本发明属于复合板材技术领域，尤其涉及一种铸造单面复合板/复合铸件及其生产方法。

背景技术：

单面复合板是一种以碳素钢、合金钢为基材，单面复合其它材质的覆材（面材），基材与覆材以一定连接方式结合成一体的复合板、铸件，兼具辅材材料的特有性能和碳素钢、合金钢的强度，是一种性价比高、经济实用的新型节能材料，具有十分广阔的市场和巨大的经济价值。

为描述方便，以复合不锈钢板为例，对目前国内外不锈钢复合板及其生产方法阐述如下。

概括来说，目前不锈钢复合板有三类生产方式：固-固相复合、液-液相复合、液-固相复合。固-固相复合：主要包括爆炸复合、焊接-轧制复合、直接轧制复合等。综合经济型、实用性、基材与覆材的结合强度等原因，目前规模化工业应用的主要是爆炸复合法和焊接轧制复合法。爆炸复合法基材与覆材结合强度好、界面冶金结合率高，但生产成本高，受自然环境气象条件影响大，如阴雨天就不能进行爆炸作业，难以实现大规模生产，并且爆炸时产生严重的噪音、粉尘污染，近年来已受到越来越多的限制。焊接-轧制复合法：将基材如低碳钢板的复合面进行抛光除锈，脱除氧化层等污物。将不锈钢复合面进行抛光除锈脱除氧化膜。为防止轧制时碳钢向不锈钢渗碳并阻止已清理好的复合界面再氧化，有的在基材或覆材清理好的界面上涂上一层金属镍，然后将基材与覆材叠合，叠合面四周封焊，封焊时留一个抽气孔，从抽气孔中抽去空气使结合界面保持高真空状态，封闭抽气孔后便完成了焊接复合板坯的制作。在复合板完成轧制后需要切掉四周的封焊层。需要注意的是轧制前的复合板坯界面不存在任何的物理、化学及冶金结合形式，只有在板坯轧制过程中，在高温及强大轧制力的作用下，才能实现复合界面有限的冶金结合，因其界面结合程度受轧制温度、压下量、轧制力、复合界面清洁度、复合界面真空度（或惰性气体的保护能力）等众多环节的影响，决定了基材与覆材难以实现100%的冶金结合，用户在使用该方法生产复合板的弯曲、扭曲过程中，会出现覆材与基材脱离的现象，打击了消费者的使用信心。该方法工艺繁琐，制造成本高，难以实现大规模工业生产，不容易上产量，目前号称国内最大的焊接-轧制不锈钢复合板企业，年产能不过3万吨。

液-液相复合：又叫电磁连铸复合法，其基本原理是借助于安装在结晶器下方的两个水平电磁场，利用洛伦兹力各自约束不同材质的钢水，在连铸过程中完成不同材料的复合，具有无污染、材料复合强度高、适合大规模生产的特点，但目前工艺设备都不完善，处于进一步深入研究论证的阶段。

液-固相复合法：包括反向凝固法、铸轧法、浇铸复合法等。反向凝固法是一种浸镀复合法，将一定厚度的固态基材母带，连续通过熔融的覆材钢水中，钢水在母带表面凝固生成一定厚度的覆材。该方法具有效率高、能耗低、质量好、生产流程短、能够实现连续生产的特点，但操作难度大，目前工艺设备都不完善，处于进一步深入研究论证的阶段。铸轧法是将半凝固状态的金属与固态金属同时送入轧机轧制，可实现高熔点与低熔点金属的复合，复合强度高、生产效率高、成本低，但目前工艺技术设备均不完善，尚处于深入研究论证的阶段。

浇铸复合法：浇铸复合法是将两块不锈钢板叠合，中间涂上剥离剂，朝外的复合界面涂上抗氧化剂，四周焊合后放入铸模中浇入钢水，在铸模中实现碳素钢水与不锈钢复合形成复合板坯。在板坯轧制后，将焊合的四周割掉，形成两张复合不锈钢板。该方法工艺、技术均不成熟，产品质量达不到要求、生产不稳定，原因有以下几个方面：结合界面虽有抗氧化剂，但在钢水浇铸过程中的高温下极易氧化，在界面处生成渣、孔缺陷；结合界面的抗氧化剂涂层难以有效阻止高温钢水的碳向覆材渗透；对不锈钢覆板缺乏有效的保护，使不锈钢板容易被高温钢水熔损造成废品；基层或覆层钢板厚度不能按照客户要求的任意比例复合，市场推广受限。因此，在文献资料中，该方法仅限于简单的介绍，未见工业应用。

综上所述，目前的不锈钢复合方法和技术，除尚在研究探索阶段的电磁连铸法、反向凝固法外，实际工业应用的是爆炸复合法和焊接-轧制复合法。爆炸复合法覆层与基层结合质量好，但对环境影响大，成本高，产量低、难以形成规模生产。焊接-轧制复合法是目前最普遍的一种生产方法，但难以实现大规模工业化生产，并且覆板与基板界面结合强度较差，产品质量不稳定，造成消费者使用焊接-轧制复合不锈钢板的信心不足，影响了焊接-轧制不锈钢复合板的推广应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于，克服现有技术的不足，提供了一种铸造单面复合板/复合铸件及其生产方法。本发明包括覆材、基材，覆材与基材可以任意比例搭配，将两件覆材叠合后挟在浇铸模具的中间，在覆材与浇铸模具的两空腔中浇入基材熔融液，形成基材，打开浇铸模具切除两基材的浇口，形成完整的两块单面复合板/复合铸件。覆材与基材在浇铸后就可实现100%的冶金结合界面，并且不会出现覆材被高温基材熔损。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：铸造单面复合板/复合铸件的生产方法，所述单面复合板/复合铸件包括覆材和位于覆材内侧面的基材，所述内侧面为覆材与基材的结合界面，其特征在于：覆材放置在浇铸模具内，把基材熔融液浇铸到覆材的内侧面与浇铸模具之间的空腔内，形成基材，浇铸之前，在覆材的内侧面涂覆镍基涂层。根据需要选择合适的覆材为不锈钢、钛板或各种合金成分板材、铸钢件、铸铁件，厚度可以任意厚度；根据需要确定基材的合金成分、厚度，所述基材为碳素钢、合金钢、铸铁件，厚度可以任意厚度。用不同空腔尺寸的浇铸模具和覆材，组成所需尺寸的铸造基材模型，在两空腔中浇入金属液，形成两块基材。

本发明所述镍基涂层的涂覆方法为等离子喷涂、电弧喷涂或火焰喷涂，该涂覆方法的镍基涂层的组成成分按重量份数为：镍50-100、钨10-35、钴10-25；喷涂镍基涂层的厚度：5-200um。

本发明所述镍基涂层的涂覆方法为刷涂或喷淋施工方法，该涂覆方法的镍基涂层的组成成分按重量份数为：镍粉50-100、钨粉10-20、钴粉10-20、醇溶性树脂粘结剂5-10、醇类溶剂40-60，镍基涂料的涂层厚度：0.1-2.0mm。

所述醇溶性树脂粘结剂为：脲醛树脂。所述醇类溶剂为商品甲醇或乙醇。

镍基涂层的作用是：防止钢水浇铸前和浇铸过程中界面氧化，防止熔融基材在高温下向覆材渗碳，降低覆材和基材接合界面金属的熔点，防止覆材被液态基材熔损。

本发明所述的生产方法：两件覆材叠合后挟在浇铸模具中，在覆材与浇铸模具的两空腔中浇入基材熔融液，形成基材，打开浇铸模具，制成两块单面复合板/复合铸件，在两件覆材的外表面涂覆防锻接涂层。

基材浇铸前的准备工作：用对应基材厚度、宽度、长度的浇铸模具，将已经叠合到一起的覆材挟在浇铸模具中，用若干紧固螺丝把合紧实。在两覆材与浇铸模具之间形成的空腔，即型腔，就是待浇铸基材的模型。

防锻接涂层的作用是：防止两覆材在浇铸过程中或后续深加工过程中产生任何形式的连接，保证两覆材在浇铸后或后续深加工过程中能够轻松分离；保证两覆材在熔融状态下仍然保持原有形状不变。

所述防锻接涂层按重量份数的组成成分：铝矾土粉熟料40-60、膨润土粉2-10、石英粉20-40、粘结剂5-10、水40-60，所述粘结剂为：硅溶胶、钾水玻璃或白乳胶。防锻接涂层的施工方法：涂层可以通过刷涂、喷涂、喷淋、浸涂等。所述防锻接涂层的厚度为5-200um。

本发明所述铸造单面复合板/复合铸件的生产方法，具体包括以下步骤：

1）覆材的内侧面脱除污渍和氧化膜，提高覆材结合界面表面活性；

2）在覆材的内侧面涂覆镍基涂层；

3）在覆材的外表面涂覆防锻接涂层；

3）把覆材放置在浇铸模具中；

4）首先在浇铸模具的型腔内充满氩气，然后开始浇铸熔融的基材；

5）浇铸结束后充入压力为0.5-1MPa的氩气，对液态基材进行加压；

6）加压至液态基材凝固后，撤除氩气，制成了铸造单面复合板/复合铸件。

氩气对覆材的结合界面进行保护，保证界面冶金结合度100%。在型腔内充满氩气后，开始浇铸熔融的基材，浇铸结束后盖上加压盖，压紧锁扣，开始冲入压力为0.5-1MPa的氩气，对液态基材进行加压，加压的目的：提高基材界面的冶金结合率，提高基材的密度。

所述步骤4）中基材的浇铸温度高于覆材的熔点2-300℃。

所述步骤6）之后还包括轧制、锻造或机械加工等深加工工序。

本发明所述浇铸模具包括模具本体和位于模具本体上的金属盖，金属盖上固定连接有浇口杯，在浇口杯的上口有加压盖，所述加压盖上有氩气管路。本发明的模具本体为金属哈弗模。

所述加压盖与浇口杯通过锁扣连接，所述金属盖与模具本体通过锁扣连接。

所述浇口杯与加压盖之间有密封垫，密封垫防止加压时漏气；所述金属盖也模具本体之间有密封垫，密封垫防止加压时漏气。

所述金属盖相对型腔的侧面上有耐火衬。金属盖上与钢水接触的部位有由耐火材料打制的耐火衬，可以保护金属盖，还有保温作用。

根据上述方法生产的铸造单面复合板/复合铸件。

本发明的铸造单面复合板/复合铸件覆材、基材的规格：覆材厚度1-300mm；基材厚度：10-600mm。

该发明生产的单面复合板/复合铸件具有以下显著特点：单面复合板/复合铸件在浇铸后就实现了覆材与基材界面100%的冶金结合，界面结合强度高，产品质量稳定、可靠；单面复合板/复合铸件一次浇铸成型，工艺流程短、能耗低；采用金属模具铸造，环境友好、生产效率高、能够实现大规模工业生产；覆材不被基材熔损，可以复合任意厚度的基材和覆材。

附图说明

附图1：铸造单面复合板/复合铸件模具本体，

附图2：铸造单面复合板/复合铸件浇铸模具，

图中：1-覆材，2-型腔，3-模具本体，4-镍基涂层，5-防锻接涂层，6-紧固螺丝，7-密封垫，8-耐火衬，9-金属盖，10-浇口杯，11-锁扣，12-加压盖，13-氩气管路。

具体实施方式

实施例1：

浇铸覆材1材质为钛板、厚度5－10mm，基材材质Q345B，厚度50－100mm的单面复合钛板时：浇铸温度1750-1800℃。

生产方法具体包括以下步骤：

1）覆材1的内侧面脱除污渍和氧化膜，提高覆材1结合界面表面活性；

2）在覆材1的内侧面涂覆镍基涂层4；

3）在覆材1的外表面涂覆防锻接涂层5；

3）把覆材1放置在浇铸模具中；

4）首先在浇铸模具的型腔2内充满氩气，然后开始浇铸熔融的基材；

5）浇铸结束后充入压力为0.5-1MPa的氩气，对液态基材进行加压；

6）加压至液态基材凝固后，撤除氩气，制成了铸造单面复合板/复合铸件。

其中镍基涂层4的涂覆方法为等离子喷涂、电弧喷涂或火焰喷涂，该涂覆方法的镍基涂层4的组成成分按重量份数为：镍50-100、钨10-35、钴10-25；喷涂镍基混合涂层的厚度：5-200um。

防锻接涂层5按重量份数的组成成分：铝矾土粉熟料40-60、膨润土粉2-10、石英粉20-40、硅溶胶粘结剂5-10、水40-60，防锻接涂层5的施工方法：涂层可以通过刷涂、喷涂、喷淋、浸涂等。

根据图1所示，将已经叠合到一起的覆材挟在浇铸模具本体3中，用若干紧固螺丝6把合紧实。在两覆材与浇铸模具本体3之间形成的空腔，即型腔2，就是待浇铸基材的模型。

根据图2所示，本发明的浇铸模具包括模具本体3和位于模具本体3上的金属盖9，金属盖9上固定连接有浇口杯10，在浇口杯10的上口有加压盖12，所述加压盖12上有氩气管路13，加压盖12与浇口杯10通过锁扣11连接，金属盖9与模具本体3通过锁扣11连接。浇口杯10与加压盖12之间有密封垫7，金属盖9与模具本体3之间有密封垫7。金属盖9相对型腔2的侧面上有耐火衬8。

制得的单面复合钛板，钛板与Q345B的界面冶金结合率为100%，剪切强度大于350MPa。

上述制得的单面复合板经锻压后，界面剪切强度大于400MPa。

实施例2：

浇铸覆材1材质为316L不锈钢、厚度5－20mm，基材材质Q235、厚度50－200mm的单面复合不锈钢板时：浇铸温度1600-1650℃。

具体方法步骤和浇铸模具同实施例1，

其中镍基涂层4的涂覆方法为刷涂或喷淋施工方法，该涂覆方法的镍基涂层的组成成分按重量份数为：镍粉50-100、钨粉10-20、钴粉10-20、脲醛树脂粘结剂5-10、商品甲醇溶剂40-60，镍基涂层的涂层厚度：0.1-2.0mm。

防锻接涂层5按重量份数的组成成分：铝矾土粉熟料40-60、膨润土粉2-10、石英粉20-40、钾水玻璃粘结剂5-10、水40-60，防锻接涂层的施工方法：涂层可以通过刷涂、喷涂、喷淋、浸涂等。

制得的单面复合板，316L不锈钢板与Q235基材的界面冶金结合率为100%，界面剪切强度大于320MPa。

实施例3

浇铸覆材1材质为2205不锈钢、厚度5－50mm，基材材质Q345、厚度50－500mm的单面复合不锈钢板时：浇铸温度1600-1650℃。

具体方法步骤和浇铸模具同实施例1，

其中镍基涂层4的涂覆方法为等离子喷涂、电弧喷涂或火焰喷涂，该涂覆方法的镍基涂层4的组成成分按重量份数为：镍50-100、钨10-35、钴10-25；喷涂镍基涂层4的厚度：5-200um。

防锻接涂层5按重量份数的组成成分：铝矾土粉熟料40-60、膨润土粉2-10、石英粉20-40、白乳胶粘结剂5-10、水40-60，防锻接涂层的施工方法：涂层可以通过刷涂、喷涂、喷淋、浸涂等。

制得的单面复合板，覆材不锈钢板与Q345基材的界面冶金结合率为100%，剪切强度大于350MPa。

上述制得的单面复合板经轧制后，剪切强度大于400MPa。

实施例4

浇铸覆材1材质为高铬耐磨白口铸铁、厚度10－30mm，基材材质ZG230－450、厚度50－200mm的单面复合铸件时：浇铸温度1580-1630℃。

具体方法步骤和浇铸模具同实施例1，

其中镍基涂层4的涂覆方法为刷涂或喷淋施工方法，该涂覆方法的镍基涂层4的组成成分按重量份数为：镍粉50-100、钨粉10-20、钴粉10-20、脲醛树脂粘结剂5-10、商品乙醇溶剂40-60，镍基涂层的涂层厚度：0.1-2.0mm。

防锻接涂层5按重量份数的组成成分：铝矾土粉熟料40-60、膨润土粉2-10、石英粉20-40、硅溶胶粘结剂5-10、水40-60，防锻接涂层的施工方法：涂层可以通过刷涂、喷涂、喷淋、浸涂等。

制得的单面复合铸件，覆材与基材的界面冶金结合率为100%，界面剪切强度大于350MPa。

实施例5

浇铸覆材1材质为高镍铬耐腐蚀铸铁、厚度10－30mm，基材材质HT200、厚度50－100mm的单面复合铸件时：浇铸温度1400-1450℃。

具体方法步骤和浇铸模具同实施例1，

其中镍基涂层4的涂覆方法为刷涂或喷淋施工方法，该涂覆方法的镍基涂层4的组成成分按重量份数为：镍粉50-100、钨粉10-20、钴粉10-20、脲醛树脂粘结剂5-10、商品甲醇溶剂40-60，镍基涂层4的涂层厚度：0.1-2.0mm。

防锻接涂层5按重量份数的组成成分：铝矾土粉熟料40-60、膨润土粉2-10、石英粉20-40、硅溶胶粘结剂5-10、水40-60，防锻接涂层5的施工方法：涂层可以通过刷涂、喷涂、喷淋、浸涂等。

制得的单面复合铸件，覆材与基材的界面冶金结合率为100%，界面剪切强度大于160MPa。

实施例6

浇铸覆材1材质为4Cr25Ni35Mo耐热高强钢、厚度10－30mm，基材材质ZG35CrMo、厚度50－100mm的单面复合铸件时：浇铸温度1630-1680℃。

具体方法步骤和浇铸模具同实施例1，

其中镍基涂层4的涂覆方法为等离子喷涂、电弧喷涂或火焰喷涂，该涂覆方法的镍基涂层4的组成成分按重量份数为：镍50-100、钨10-35、钴10-25；喷涂镍基涂层4的厚度：5-200um。

防锻接涂层5按重量份数的组成成分：铝矾土粉熟料40-60、膨润土粉2-10、石英粉20-40、硅溶胶粘结剂5-10、水40-60，防锻接涂层5的施工方法：涂层可以通过刷涂、喷涂、喷淋、浸涂等。

制得的单面复合铸件，覆材与基材的界面冶金结合率为100%，界面剪切强度大于450MPa。