专利名称：复层材料的电磁连续铸造方法
技术领域：
本发明属于金属材料制备领域，特别涉及到复层材料的电磁连续铸造方法。
背景技术：
不同侧面具有不同性能的金属复层材料是军工、航空航天、勘探、民用等领域急需的材料，也是近年来国家新材料发展规划的优先项目。复层金属材料常用机械或化学的方法将不同性能的金属材料(固-固，固-液)复合到一起，如机械压力压合、爆破复合、固-液包熔复合等。但是目前的制造方法生产的复层金属材料不可避免地存在界面，在随后的轧制和机械加工过程中，由于应力集中，很容易在界面处出现裂纹，引起材料破坏。
目前生产方法主要有(1)爆破冲击合金法是将两种固体金属板材用爆破的方法融合到一起，得到两侧面性能不同的复层材料。此方法制备复层材料存在固-固界面，且生产效率低。
(2)包覆铸造成形法将预先制备好的高熔点金属件经过表面处理后放置于铸型中，预热到合适的温度后浇入熔点较低的金属，通过两者的扩散融合形成整体铸件；包覆铸造成形法的典型代表是用于复合轧辊成形的连续浇注包覆法。其原理是将芯材部分融合，并顺序向上凝固，将凝固部分连续向下拉拔，实现包覆层连续铸造成形。这种方法是日本山本厚生首先提出的，已获得工业化生产应用。用于高速钢复合轧辊成形，具有生产工艺简单，轧辊性能良好，生产成本低等优点。但是包覆铸造成形法主要用于生产线材，且要求对预制件进行严格的表面处理，以保证性能良好的结合界面。
(3)双流浇注法两种金属分别在不同的熔化设备中进行熔炼，同时或间隔一定时间浇入铸型。双流浇注法避免了上述问题，实现了从液态开始先后凝固的复合铸件。目前，主要有三种方法实现了双流铸造双流浇注半连铸工艺，双结晶器连铸工艺和电磁制动制备金属复层材料连铸工艺。其中，电磁制动制备金属复层材料连铸工艺是一种新的制造复合坯的先进方法。
20世纪90年代中期，日本的Takeuchi和Tanaka等人利用电磁制动的工艺制作出了内外层为不同材料的复层钢坯。该工艺利用在结晶器宽度方向上的水平磁场，通过磁场对流动粒子产生的洛仑兹力对金属液流动施加作用，从而阻止两种金属液的混合，生产出界面清晰的复层铸坯。
1998年公开的JP平1-271042专利提出在结晶器底部施加直流电磁场的方法。该方法采用电磁连铸法生产内外分层的复层材料，在结晶器宽度方向上施加水平电磁场，抑制了两种金属液的混合，生产出了界面清晰的复层铸坯。但是，该法生产复层铸坯存在两个问题，一是金属液面波动大，浇注的表面质量不佳；二是只能制备内外层不同的铸坯。
综上所述，现有制造两侧面性能不同的复层材料所使用的爆破法、包覆法等存在的问题是生产效率低、工艺复杂、结合界面不稳定，给大规模生产带来了问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种复层材料的电磁连续铸造方法，用该方法可以生产出表面光洁、两侧面性能不同的复层铸坯。在连续铸造熔融金属的过程中，同时浇注两种不同成分的熔融金属；将直流电磁场或永久磁铁固定于铸模下端，对铸坯液池内的熔融金属的混流施加阻力。
实现本发明的技术方案为(1)本发明采用水冷铜(或金属)结晶器。
(2)在铸造开始前，将直流电磁场或永久磁铁固定于铸模下端，金属底模置于结晶器内部。
(3)连续铸造时，开启磁场电源，磁场强度为0.1-0.4T，将两种预先熔化好的金属液通过两个直浇道同时浇注进结晶器中，开动拉坯装置，实现复层铸坯的连续铸造。
本发明的效果和益处是显著降低了复层材料的生产成本，工艺过程简单。用两种金属液直接浇注出铸坯，既保证了良好的结合界面，又形成了梯度层，而且可以大批量地连续铸造生产。
附图是复层材料电磁连续铸造原理示意图。
图中(1)水冷结晶器，(2)直流电磁场，(3)底模，(4)中间包I，(5)中间包II，(6)直浇道，(7)合金液i，(8)合金液ii，(9)复层铸坯.
具体实施例方式
以下结合附图，详细说明本发明的具体实施方案。
以用直流电磁场制备200mm×400mm的Al-12.3％Si和Al-8％Mg合金的复层材料为例，具体步骤如下步骤1装置准备实验采用直流磁场(2)的磁场强度范围在0.1-0.4T内，本次实验采用0.3T的直流磁场，施加在水冷结晶器(1)的底部(线圈下底面与结晶器下底面平行)，线圈内侧与结晶器外测底距离是5-10mm，内部尺寸是200mm×400mm×600mm。
步骤2金属坯料熔化将等重量的Al-12.3％Si(7)和Al-8％Mg(8)合金分别熔化至860K，除渣后倒入中间包(4)、(5)中待用。
步骤3复层材料的电磁连续铸造将底模(3)置入结晶器(1)内的空腔，检查冷却系统并保证其处于正常工作状态后，将830-835K的金属液通过直浇道(6)浇注入铸型内，液面控制在距结晶器(1)顶端10-20mm，允许误差为±10％。启动直流电磁场(2)发生器电源，并以0.48m/s的速度拉动底模(3)。随着金属液的不断浇入和底模(3)的下移，始终将液面控制在要求允许的范围内；当铸造复层坯(9)达到要求长度时，停止浇注金属液，切断电源，关闭冷却系统，停机。
步骤4质量检查将铸坯(9)按100mm长度切断，将端面抛光、腐蚀后观察金相组织。同种工艺条件下，不施加直流电磁场(2)的铸坯两种金属液混合到了一起，而施加直流电磁场的铸坯(9)两侧分别为Al-12.3％Si和Al-8％Mg。，明显有清晰的界面。
权利要求
1.一种复层材料的电磁连续铸造方法，其特征是通过将两种不同成分熔融的金属液同时连续浇注入水冷结晶器(1)的空腔内，在铸造开始前，将直流电磁场或永久磁铁固定于铸模下端，金属底模置于结晶器内部，并在水冷结晶器(1)外测施加直流电磁场(2)，控制两种金属熔体(7)、(8)的混流，得到左右两侧面成分不同的复层铸坯(9)；连续铸造时，开启磁场电源，在水冷结晶器(1)外侧施加磁场强度是0.1-0.4T的直流电磁场(2)控制两种金属液的混流；将两种预先熔化好的金属液通过两个直浇道同时浇注进结晶器中，开动拉坯装置，实现复层铸坯的连续铸造。
全文摘要
一种复层材料的电磁连续铸造方法属于金属材料制备领域。本发明的技术特征是同时向连铸结晶器内浇注两种不同成分的金属液，在水冷结晶器外侧施加直流电磁场控制两种金属液的混流，直接连续铸造出左右两侧面具有不同成分的复层铸坯。本发明的特点是工艺过程简单，显著降低了复层材料的生产成本；由于两种金属液是直接铸造形成复层材料，不存在一般复层材料的界面问题，所以制备的铸件质量好。本发明方法在军工、核工业、高温耐蚀、民用及石油化工等领域有广阔的应用前景。
文档编号B22D11/049GK1413782SQ02144610
公开日2003年4月30日 申请日期2002年11月22日 优先权日2002年11月22日
发明者李廷举, 金俊泽, 李玉亭, 姚山, 温斌 申请人:大连理工大学