专利名称：制造金属层状复合材料的设备的制作方法
技术领域：
本发明属于层板状金属复合材料，技术领域主要涉及的是一种制造金属层状复合材料的 设备。
背景技术：
层板状金属复合材料是利用各种复合技术使两种或两种以上物理、化学、力学性能不同 的金属材料进行分层组合使其在界面上实现牢固的冶金结合而制备成的各种双层或多层梯度 层状复合材料、层板状复合材料和包覆型层状复合材料，所制备的复合材料尽管各层金属仍 然保持各自原有特性，但其物理、化学、力学性能比单一金属材料优越得多，使材料的不同 部位具有不同的性能，从而克服不同金属材料的各自缺点，发挥各自的优点，使材料具有特 殊的性能，以适用和满足各种不同工况的使用要求。文献《铸造》杂志(2005年第二期第103 —107页)中报导了《双金属复合复层材料制备现状及研究进展》，报导中共开了几种双金属 复层材料制备技术，即轧制复合法、爆炸焊接复合法、喷射沉积复合法、铸造复合法等符合 技术，其中轧制复合法是将金属板的表面通过清理处理后装配在一起，通过大压下量的轧制 变形，使两层全属的待复合表面发生塑性变形，使表面全属层破裂，使清净而活化的全属层 从破裂的金属表面露出，在强大压力作用下，形成平面状的冶金结合。在后续的低温长时间 的扩散退火处理后，获得理想的复合界面结构，形成稳固结合。但是由于轧制复合过程中没 有充分的扩散和化学反应，因此复合界面的过度层结构在很大程度上并未完全实现，结合强 度仍然存在缺憾。该工艺且仅适用于制备金属薄板产品的复合。
爆炸复合法是借助爆炸产生的高强化学能驱动复合板高速碰撞基板碰撞点产生的瞬间高 压在露出新鲜金属表面上形成一薄层具有塑性变形、熔化、扩散以及波形特征的焊接过渡区， 从而实现强固结合的金属焊接复合。爆炸复合法虽然可以适合制备单张面积较大、较厚的复 合板材或复合板坯、多层复合板的生产，但是爆炸复合法机械化程度低，劳动条件差，且具 有一定的危险性，制备双金属变形较大，不平整，生产成本髙。
喷射沉积复合法是将金属液体通过惰性气体的高压气流雾化成颗粒后喷射沉积到金属基体 上，从而形成双金属复合材料，所制备的材料成分均匀组织细小，可以灵活的生产不同厚度 的复合产品，但是雾化喷射沉积过程较复杂，且复合层材料的字密度差，生产成本髙，设备 复杂，技术难度大，目前仅在有色金属上所应用，在黑色金属上的应用较少。
铸造复合法是将两种或两种以上的金属材料通过铸造的方法使其复合成一体。该工艺与 上述各种复合工艺相比具有投资小，复合工艺简单，生产成本低，适用范围广之特点。该文 献中介绍了一种复合钢的制造方法，即将被复合材料通过表面处理后，涂上一定量的防止氧 化作用的涂料并使之干燥，然后将其放置在铸型内，用底铸法将复合金属液浇注到型内，使 其包覆于被复合金属材料。此方法对工艺参数的要求比较高，如果浇注金属的温度高，则被复合材料的下部的熔损大，如果注入的速度过快或过慢将会增加街面上的夹渣，且每次只能 浇注一件产品，生产效率低。该工艺由于被复合材料不进行预热，因而只能制备复合比大于 8.0以上的产品文献中同时还介绍了使用芯材的复合法，用以生产包覆层双金属复合材料。 但是由于芯材铸造复合法仍然没有解决界面问题，致使复合材料外层凝固时，气体和杂质易 富集于界面，从而影响了产品质量，且工艺复杂，技术难度大，生产成本高，适用范围窄， 仅适用于制备包覆层复合材料，而不适用于制备梯度层状金属复合材料、层板状金属复合材 料。
发明内容
本发明的目的在于针对目前已有技术的不足，提供一种工艺简便，适用产品范围广， 生产设备简单产品性能好，成本低，投资小的制造金属层状复合材料的设备。
解决其技术问题的设备方案是该设备有一设备底座，在设备底座的旁边安装有电渣炉 和电极把持器，在设备底座的上面安装有铸模或带有进出水管的水冷结晶器，在铸模或水冷 结晶器的外部安装有电磁感应加热器，在铸模或水冷结晶器的上部或側面安装有浇注漏斗和 浇注流道槽，在铸模或水冷结晶器的底部安装有底板或底水箱，水冷结晶器和底水箱分别安 装有进水管和出水管，在设备底座或铸模或水冷结晶器上安装有超声波或机械振动装置，被 复合材料安装在底板或底水箱和工作台上。
在上述设备的外部还连接有真空罩，在真空罩上连接有惰性气体罐，在惰性气体罐与真 空罩的中间连接有充气控制阀，真空罩通过管道与真空泵连接，在真空罩与真空泵中间连接 有充气控制阀。
解决其技术问题采用的工艺技术方案是首先将一个铸模或水冷结晶器独立的或多个铸 模或水冷结晶器的组合体呈方形、长方形、矩形、圆形等布置方式安装在设备底座上，在铸 模或水冷结晶器的外部安装有电磁感应加热器，将1个或多个被复合材料进行表面清洁处理 后，在其表面涂覆一层含有硼砂等碱金属氧化物、氯化物、融盐所组成的防氧化涂料，经干 燥后按照复合工艺要求固定在铸模或水冷结晶器内所需复合尺寸的底部、侧面或中间位置， 或将1个或多个被复合金属材料在铸模或水冷结晶器的中间根据需要而将被复合金属材料间 隔一定的尺寸布置在铸模或水冷结晶器内，将所需复合的金属材料熔炼后倒入浇注包内，启 动安装在铸模或水冷结晶器外部的电磁感应加热器对铸模或水冷结晶器内的被复合材料进行
表面加热，待加热到50卜120(rC的温度后，将熔化好的液态电渣倒入铸模或水冷结晶器内， 将非自耗电极或自耗电极插入铸模或水冷结晶器内，启动电渣炉电源K，对所浇入的液态电
渣进行加热，或将低熔点或自发热保护渣放入铸模内，使其在复合金属液的高温下熔化成液 态，从而对复合金属进行保护，以防止复合金属的氧化。将复合金属液通过顶注式或底注式 浇入铸模或水冷结晶器内，同时将电极向上逐步提升，启动超声波或机械振动处理设备对所 浇入的金属液进行振动处理，以细化和改善结晶组织，金属液浇注完毕后，电磁感应加热器
和电极继续进行加热3—20分钟后在停止加热，以利于金属液的流动补縮，当采用多模布置时，其浇注方式可以釆用浇注漏斗通过多流流道槽以顶注式或底注式的方式进行分流浇注， 也可以釆用单模逐个分别浇注，从而实现一个或多个复合体的复合，待金属凝固后，打开铸
模或水冷结晶器将复合好的产品取出后，按所需热处理工艺进行热处理，如需要制造多种不 同成分的多层层状复合材料时，通过反复重复上述工艺即可实现多种不同材料的多层层状复 合。通过改变铸模或水冷结晶器的形状即可以制造成各种几何形状的平面梯度层状复合材料 和平面梯度多层层状复合材料，如破碎机复合锤头、复合板锤等产品，层合状复合材料，如 鄂板、衬板、各种双金属层状复合板材和多层层合状金属复合板材、矩形复合材料，包覆形 辊轴类复合材料和包覆形管材复合材料等各种形式的层状金属复合材料和产品。
在复合过程中启动真空泵对安装在真空保护罩内的复合设备进行抽真空，使设备处在真 空状态下工作；或者在设备抽真空后打开阀门，向真空保护罩内的设备充入惰性气体，使其 在低压惰性气体保护状态下或真空状态下进行浇注复合生产，重复上述工艺，即可制造出上 述各种金属层状复合材料。
水冷结晶器内的熔渣为一元或多元物质所组成的渣系，其物质为CaF2 、 A1203、 CaO、 Ti02 、 MnO、 Si02、 RE、 RexOy、 NaBA、 0、 SiCa、 K2 0、 Al等，低熔点或自发热保护渣由CaO、 Si02、 A1A等的氧化物和Na2C03、 CaF2、 NaCl、 NaF等碱金属或碱土金属或氟化物等及一定剂 量的铝粉、硅钙粉发热剂和硝酸钾、氧化钠等氧化剂等组成，复合材料材质为各种使用工况 的各种材质的黑色金属与各种材质的黑色金属间的复合，各种材质的黑色金属与各种材质的 有色金属间的复合，各种材质的有色金属与各种材质的有色金属间的复合及各种材质的黑色 金属、各种材质的有色金属与各种材质的硬质合金、钢结硬质合金和陶瓷、金属陶瓷间的复 合。被复合材料表面防氧化涂料的成分为Na2BA、Na2 0、 Si"、 A12(V、 K2 0、 B^、 CaO、等。
有益效果上述方案中，使用该发明生产金属层状复合材料时，生产效率高，工艺简单 易于操作，电耗低，生产成本低，设备简单投资小，适合于批量生产；复合层金属材料的纯 净度高，结晶组织优良，无成分偏析，复合产品至下而上顺序凝固，有利于金属的补缩，简 化了复合材料生产工序，实现了复合过程中各种工艺参数的动态调整，所生产的产品质量易 于控制，可以根据不同的使用要求自由的选择不同材质的复合材料和不同性能的被复合材料 进行复合，且被复合层材料和复合层材料的选择范围宽，复合层界面易于控制，复合层界面 质量好，可以实现良好的冶金结合，可以制造各种使用工矿要求的各种层状复合结构的层状 复合材料和产品。
图1为本发明第一实施例的结构图。
图2为本发明第二实施例的结构图。 图3为本发明第三实施例的结构图。 图4为本发明第四实施例的结构图。 图5为本发明第五实施例的结构图。图6为本发明第六实施例的结构图。 图7为本发明第七实施例的结构图。 图7-l为图7的俯视图。 图8为本发明第八实施例的结构图。 图9为本发明第九实施例的结构图。 图10为本发明第十实施例的结构图。
具体实施方式
实施例h在图1中，该设备有一设备底座15，在设备底座15的旁边安装有电渣炉1， 在电渣炉1的上面安装有电极把持器3，在电极把持器3的上面安装有电极2，在设备底座 15的上面安装有底水箱13，在底水箱13的任一侧面的底部安装有进水管16，在底水箱13 的任一侧面的上部安装有出水管14，在底水箱13的上面安装有水冷结晶器8，在水冷结晶器 8的任一侧面的底部安装有进水管10，在水冷结晶器8的任一侧面的上部安装有出水管11， 在水冷结晶器8的外面安装有电磁感应加热器6，被复合金属材料9通过底水箱13的中心固 定在设备底座15上面，在设备底座15上安装有超声波或机械振动设备22，在电极把持器3 和底水箱13上连接有电源K。
工作开始时，将需要复合的金属材料9进行表面处理后，在其表面涂覆一层防氧化的涂 料，干燥后安装在水冷结晶器8的中心，穿过底水箱13的中心孔固定在设备底座15上。将 所需复合的金属熔化后倒入钢包4，打开水冷结晶器8的进出水管10和11和底水箱13的进 出水管16和14，启动安装在水冷结晶器8外部的电磁感应加热器6对被复合的金属材料9 进行加热，待加热到300^120(TC的温度后，将熔化好的液态电渣7倒入水冷结晶器8内， 将非自耗电极或自耗电极2插入水冷结晶器8内，启动电渣炉电源K，对所浇入的液态电渣7 进行加热，将复合金属液5浇入水冷结晶器8内，同时将电极2通过电极把持器3向上逐步 提升，启动超声波或机械振动处理设备22对所浇入的金属液进行振动处理，以细化和改善结 晶组织，金属液5浇注完毕后，电磁感应加热器6和电极2继续进行加热3—20分钟后在停 止加热，以利于金属液的流动补縮，待复合金属12凝固后，即可以制造成平面梯度复合材料。 打开水冷结晶器8将复合好的产品取出后，送入热处理炉内，按所需热处理工艺进行热处理。
实施例2:在图2中，与图1的不同点为被复合材料9固定在底水箱15的上面，安装在 结晶器8的側面，重复实施例1的复合工艺即可以复合成双金属复合板等复合材料和产品。 其它过程及设备与实施例1同，略。
实施例3:在图3中，与图2的不同点为被复合材料9固定在底水箱15的上面，安装在 结晶器8的中间，电极把持器3上连接有电极2和电极18，工作开始后，将电极2和电极18 分别插入到结晶器内的被复合材料9的两边进行电渣加热，重复实施例1的复合工艺即可以 复合成含有金属复合材料17和9和12的多层层合状金属复合材料。其它过程及设备与实施 例1同，略。实施例4:在图4中，与图3的不同点为被复合材料9和被复合材料21分别间隔一定的 距离后固定在底水箱15的上面，安装在结晶器8的中心，并在结晶器8的两边分别按复合材 料要求留有所需尺寸的间隔，电极把持器3上连接有电极2和电极18和电极19，工作开始 后，将电极2、电极18和电极19分别插入到安装在结晶器内的被复合材料9和被复合材料 21的间隔中和其余结晶器内壁的间隔中进行电渣加热，重复实施例1的复合工艺即可以复合 成含有全属复合材料17和9和12和20的多层层合状金属复合材料。其它过程及设备与实施 例1同，略。
实施例5:在图5中，与图2的不同点为将施例2中的板或块状被复合材料9改成空心 状的管材23，并将其固定在结晶器的中心，重复实施例1的复合工艺过程，即可制备出双金 属复合管材，反复重复实施例1的复合工艺过程，即可以制备出多层层状全属复合管材。其 它过程及设备与实施例1同，略。
实施例6:在图6中，与图4的不同点为将施例4中的被复合材料9和21分别安装在结 晶器的两边，在其中将浇注金属复合液20，重复实施例4的工艺过程，即可制备出在其中将 含有复合金属材料的多层层合状的复合材料。其它过程及设备与实施例4同，略。
实施例7:在图7中，与上述各实施图的不同点为将上述各实施图的单一铸模复合改成 多个铸模的组合共同复合，即将两个或多个水冷结晶器或铸模8的组合体根据浇注工艺要求 呈方形、长方形、矩形、圆形等布置方式安装在设备底座15上，在水冷结晶器或铸模8的组 合体的中间安装有浇注流道槽支撑体26，在浇注流道槽支撑体26的上面安装有多流流道槽 25，在多流流道槽25的上面安装有浇注漏斗24，在浇注漏斗24的上面安装有中间浇注钢包 23，在水冷结晶器或铸模8组合体的外部可以共同或分别安装电磁感应加热器6，将所需复 合的金属熔化后倒入中间浇注钢包23内，将复合金属液5通过浇注漏斗24进入多流流道槽 25进行分流浇注浇入水冷结晶器或铸模8内，重复实施例1的复合工艺即可以一次制造出多 个复合材料和复合产品。其它过程及设备与实施例1和实施例2同，略。
实施例8:在图8中，与上述各实施图的不同点为将上述各实施图中的水冷结晶器8改 成用耐火材料制造的铸模26，将底水箱15改成用耐火材料制造的底板27，在铸模26的上面 安装有浇注漏斗25,将铸模26和底板27安装在设备底座15的上面，工作开始时将由CaO、 Si02、 Al^等的氧化物和Na2C03、 CaF2、 NaCl、 NaF等碱金属或碱土金属或氟化物等及一定剂 量的发热剂的铝粉、硅钙粉发热剂和硝酸钾、氧化钠等氧化剂等组成的低熔点或自发热保护 渣28放入铸模26内，启动安装在铸模26外部的电磁感应加热器6对被复合的金属材料9进 行加热，待加热到300—120(TC的温度后，将钢水包4内的复合金属液5倒入浇注漏斗25内， 通过浇注漏斗25将复合金属液5浇入铸模26，低熔点或自发热保护渣28在复合金属液5的 高温下熔化成液态，从而对复合金属12进行保护，以防止复合金属的氧化。浇注完毕后，电 磁感应加热器6继续进行加热3—20分钟后在停止加热，以利于金属液的流动补缩，待复合 金属12凝固后，即可以制造成各种形式的层状复合材料。实施例9:在9中，与施图8的不同点为将被复合材料9放在铸模26的中间，将浇注漏 斗25安装在浇注流道槽29上，浇注流道槽29安装在铸模26两侧的底部，复合金属液5通 过浇注漏斗25和浇注流道槽29由铸模26两侧的底部浇入到铸模26内，重复实施例8的复 合工艺即可以各种层状复合材料和产品。其它过程及设备与实施例8同，略。
实施例10:在图10中，与上述各实施图的不同点为在设备外部连接有密封箱31，在 密封箱31上通过管道28和控制阀门29与惰性气体罐30连接，通过控制阀29控制其向密封 箱31内充入惰性气体的流量，密封箱31通过管道34和控制阀门32与真空泵33连接，从而 对密封箱31内进行抽真空。
工作时，首先启动真空泵33对设备进行抽真空，这时设备处在真空状态下工作；或者在 设备抽真空后打开阀门29，向设备内充入惰性气体，使其在低压惰性气体保护状态下或真空 状态下进行生产，以减少有害气体进入设备内，防止复合金属液5和被复合材料9的氧化， 提高复合界面质量和产品质量。其它工艺过程和设备与实施例l、 2、 8、 9同，略。
权利要求1、一种实现制造金属层状复合材料的设备，其特征是该设备有一设备底座，在设备底座的旁边安装有电渣炉和电极把持器，在设备底座的上面安装有铸模或带有进出水管的水冷结晶器，在铸模或水冷结晶器的外部安装有电磁感应加热器，在铸模或水冷结晶器的上部或侧面安装有浇注漏斗和浇注流道槽，在铸模或水冷结晶器的底部安装有底板或底水箱，水冷结晶器和底水箱分别安装有进水管和出水管，在设备底座或铸模或水冷结晶器上安装有超声波或机械振动装置，被复合材料安装在底板或底水箱和设备底座上；在上述设备的外部还连接有真空罩，在真空罩上连接有惰性气体罐，在惰性气体罐与真空罩的中间连接有充气控制阀，真空罩通过管道与真空泵连接，在真空罩与真空泵中间连接有控制阀。
2、 根据权利要求1所述的制造金属层状复合材料的设备，其特征是在电极把持器上 安装有自耗或非自耗电极，电源K连接在电极把持器和底水箱上，在浇注漏斗的下面连接 有浇注流道槽，在浇注流道槽上连接有多流流道槽，铸模或带有进出水管的水冷结晶器即 可以是矩形、方形、长方形和圆形几何形状，其结构即可以是整体结构，亦可以是双开合 哈复式结构。
3、 根据权利要求1所述的制造金属层状复合材料的设备，其特征是模具材料即可以 由耐高温的耐火材料制作，也可以采用水冷导磁体材料或石墨材料制作。
4、 根据权利要求1所述的铸造法制造金属层状复合材料工艺的设备，其特征是水冷 结晶器是由3块_20块或更多块的水冷箱体组成，在每个水冷箱上均连接有进水管和出水 管，在每个水冷箱之间用耐火材料或耐高温绝缘材料进行隔开，水冷箱体的结构为弧形、 长方形、方形等各种几何形状，采用水冷箱体所组成的模型为圆形、方形、矩形、长方形、 半圆形、椭圆形和异型各种所需的形状。
5、 根据权利要求1所述的制造金属层状复合材料的设备，其特征是电磁感应加热器 的感应电源为工频感应电源、中频感应电源和高频感应电源。
专利摘要一种制造金属层状复合材料的设备和工艺，该设备由设备底座、电渣炉、电极把持器、铸模或带有进出水管的水冷结晶器、电磁感应加热器、浇注漏斗和浇注流道槽、水冷结晶器和底水箱的进水管和出水管、超声波或机械振动装置、真空罩、惰性气体罐、充气控制阀、真空泵、真空泵控制阀等设备组成。使用该设备制造金属层状复合材料时，生产工艺简单、效率高、成本低，设备简单投资小，可以实现在生产过程中各复合工艺参数的动态调整，复合层界面易于控制，组织致密度高，产品质量好，可以制造各种材料的层状及多层层状复合产品。
文档编号B22D19/16GK201157894SQ20072004633
公开日2008年12月3日 申请日期2007年10月11日 优先权日2007年10月11日
发明者刚 丁, 丁家伟 申请人:丁家伟;丁 刚