专利名称：异型断面铜包铝复合材料的连铸直接成形模具及制备方法
技术领域：
本发明属连铸技术领域，提供一种异型断面铜包铝复合材料的水平连铸直接复合成形模具及其工艺。
背景技术：
双金属异型截面复合材料在电气、石油、航空航天等领域有着广泛应用。例如，矩形截面的铜包铝复合母排由于综合了纯铜良好的导电性能、连接性能以及纯铝的低密度、 低成本等优点，可在大电流传输领域如母线干线系统、输配电系统、低压成套开关设备、控制设备等行业代替纯铜母排。已经公开报道的异型截面的铜包铝复合材料的制备工艺主要有以下几种 第一种方法是静液挤压法。静液挤压法可以直接成形异型截面的双金属包复材料而
无需从圆形截面包复材料开始加工，可用于生产方形、矩形、管形以及截面形状更为复杂的铜包铝复合材料(见谢建新等.材料加工新技术与新工艺.冶金工业出版社，(2004)，p. 263-268)。静液挤压法的挤压筒内的粘性介质显著降低了坯料和挤压筒与模具之间的摩擦力，因而可大大改善金属流动的均勻性。但静液挤压法存在的主要问题是(1)成形非圆形截面的双金属包复材料时需将包覆层金属和芯材金属预加工为尺寸与模具精确配合的管材和棒材，并要对两者进行一系列表面处理，以保证复合前的“清洁”界面，工艺流程较长 (见胡捷.机械加工与自动化.No. 9 (2001),p. 27-28); (2)静液挤压工艺的设备复杂、 设备投资大；(3)静液挤压法难以实现连续生产，非生产性间隙时间长，生产效率低。第二种方法是先将铝液浇注到异型铜管中制备铜铝异型复合铸坯，然后经轧制、 拉拔成形矩形断面的铜包铝母排(见张坚华等.铜铝复合汇流排的铸锭、拉伸成型工艺及设备.中国专利ZL200710177267.8)，这种方法主要缺点在于(1)铜铝复合前需预先成形异型铜管并对铜管进行表面处理，增加了生产成本和环境负担；(2)铝液浇入铜管时，难以避免铜管内表面的氧化问题，导致铜铝结合界面质量下降；(3)铜铝异型复合铸坯的制备过程是非连续性的，并且单根复合坯料长度较短，加之坯料因疏松和冒口等缺陷需切头去尾，生产效率和成材率均较低。第三种方法是先采用水平连铸直接复合成形工艺(见谢建新等.一种包复材料水平连铸直接复合成形设备与工艺.中国专利ZL200610112817. 3.)制备圆形断面的铜包铝复合坯料，然后再通过轧制、拉拔等工艺制备矩形断面的铜包铝复合母排(见谢建新等.一种高性能铜包铝矩形横断面复合导电母排及其制备工艺.中国专利ZL200810057668. 4)。 这种方法采用水平连铸直接复合成形法制备圆形断面铜包铝坯料，可避免坯料预成形以及表面处理的问题，提高了生产效率，缩短了工艺流程，但由于铜和铝的塑性加工性能差异较大，在圆坯加工成异型断面的过程中不仅工艺比较复杂，而且由于变形复杂，容易由于变形的不协调而产生边部开裂、界面开裂等缺陷，降低了产品的成材率。
发明内容
本发明的目的在于针对现有异型铜包铝复合材料制备工艺存在的问题，提供一种采用水平连铸直接复合成形工艺直接制备异型铜包铝复合材料的制备方法及连铸成形模具，不仅使异型铜包铝复合材料的生产工艺流程显著缩短，而且使生产效率和成材率提高， 断面形状和包覆比可控。为了实现本发明的目的，提供一种采用水平连铸制备异型铜包铝复合材料的模具，该模具的关键部分由外模3和芯管4组成，由外模3的内腔尺寸和芯管4的外形尺寸共同控制铜包铝复合铸坯包覆层的形状以及厚度，由芯管4的外形尺寸控制芯部铝的尺寸， 从而实现铜包铝复合材料的形状以及包覆厚度的控制。根据需要，该模具的外模3的内腔和芯管4的外形可设计为方形、矩形、椭圆形等异型结构，从而生产具有上述形状的铜包铝复合铸坯。芯管4的内孔为铝液通道，可以设计为圆形或者与外形一样的形状。芯管4的外形沿轴向带有锥度，锥度值α为0.5° 2。。 方形和矩形坯料的外模3的四个角采用圆角过渡，圆角半径为3 8mm，外模3的内腔不带锥度，外模3和芯管4通过复合腔实现精确定位。模具材料可以是石墨或氮化硼等耐火材料。本发明还提供一种运用上述连铸模具制备异型铜包铝复合材料的方法，该方法工艺流程短、生产效率高、断面形状可控性强，其技术方案具体为将由铜控温坩埚、铝控温坩埚、导流管、复合腔、复合结晶器、二次冷却系统、牵引机构及锯切机构等连铸单元装配在一起，组成连铸系统。先将熔炼好的铜液和铝液分别注入到铜控温坩埚和铝控温坩埚并保温。 铜液经由导流管和复合腔，进入由安装于复合结晶器1中的外模3和芯管4形成的铸型6 中，在冷却水的作用下凝固成异型铜管；同时，铝液经由导流管和芯管4的铝液通道5浇注到铜管中，并以铜管为铸型凝固成为芯材，从而制备异形断面复合铸坯。铜包铝复合铸坯的断面形状及包覆层厚度由外模3和芯管4共同控制。铜包铝复合铸坯在经过二次冷却水的进一步冷却后通过牵引机构连续引出，达到一定长度后通过锯切装置切断。只需改变复合结晶器中的模具，就能制备不同断面形状和包覆比的异型铜包铝复合材料。复合铸坯所需的冷却速度由牵引机构的引锭速度、复合结晶器1的冷却速度、控温坩埚以及复合腔的温度、二次冷却水的冷却强度共同控制。铜控温坩埚温度控制在1150 130(TC，铝控温坩埚温度控制在690 90(TC，复合腔的温度控制在1100 1300°C。引锭速度为V=50 500mm/min ；复合结晶器的冷却强度以结晶器内的冷却水流量和压力表示，其流量为0. 5 10m3/h，压力为0. 05 0. 5MPa。根据异形断面铸坯的冷却特点，采用多喷头二次冷却系统，在铸坯轴向上、下、前、 后采用4个独立可控的喷头，每个二次冷却水喷头的冷却强度为喷水流量为50 1000L/h。本发明提供的异型铜包铝复合材料制备工艺和模具具有以下优点
(1)铜包铝异型坯连铸一次成形，无需预成形包覆层金属管材或带材与芯材金属棒材， 省去了现有工艺的包覆层金属和芯材金属预成形的工序，缩短了工艺流程；
(2)采用水平连铸工艺，其设备简单、维护方便，有利于进行自动化和连续化生产，生产效率高；
(3)包覆层金属和芯材金属在复合前为清洁界面，不但免除了表面预处理的工序，而且界面结合性能优良；
(4 )通过模具结构和尺寸的设计，可精确控制双金属异型坯的截面形状和包覆比，操作和控制方便；
(5)由于包覆层金属和芯材金属在加工性能上的差异，在双金属包复材料在轧制、拉拔等压力加工过程中，易由于变形的不协调而产生裂纹等缺陷，降低加工成材率。而采用水平连铸直接制备异形断面铸坯，后续加工工序简单，可有效解决后续加工过程中的包覆层金属和芯材金属的变形不协调，提高成品的成材率。
图1为断面形状分别为正方形、矩形、椭形的典型铸坯的横断面结构图； 图2为本发明用于正方形断面铜包铝水平连铸的复合结晶器及模具示意图； 图3是图2的A向视图4为本发明的用于矩形断面铜包铝水平连铸的复合结晶器以及模具示意图； 图5是图4的A向视图6为本发明的用于椭形断面铜包铝水平连铸复合结晶器以及模具示意图； 图7是图6的A向视图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例并配合附图，对本发明进一步详细说明
实施例1 外形尺寸42 X 42mm，铜层厚度3mm的方形铜包铝复合材料的水平连铸直接复合成形其模具及其工艺。水平连铸直接复合成形铜包铝方坯所采用外模3和芯管4均采用高纯石墨加工。 外模3与芯管4根据图3设计，外模3的内腔横截面尺寸为宽度42mm、高度42mm，圆角半径为8mm，外模3的内腔不带锥度；芯管4的横截面外形尺寸为宽度36mm、高度36mm，圆角半径为8mm，芯管4的锥度α为2°。外模3与复合结晶器1的水冷铜套2之间采用螺纹配合或锥面配合方式，外模3与芯管4之间的相对位置由复合腔与复合结晶器之间的精确定位保证。铜/铝双金属包复方坯外形尺寸42X42mm，铜层厚度3mm。保温坩埚中的铝液熔体温度控制在690°C ；保温坩埚中的铜液熔体温度控制在1150°C范围；控制水冷金属型复合结晶器的冷却水流量为0. 5 1. 6m3/h，二次冷却水流量为0. 4 1. 6m3/h，水压为0. 1 0. 3MPa ；调节牵引机构使得连铸铸造的拉坯速度为50 120mm/min，可获得高质量的连铸
铜/铝双金属复合方坯。实施例2 外形尺寸50 X 30mm，铜层厚度3mm的矩形铜包铝复合材料的水平连铸直接复合成形工艺及其模具。水平连铸直接复合成形铜包铝矩形坯所采用外模3和芯管4均采用高纯石墨加工。外模3与芯管4根据图4设计，外模3的内腔横截面尺寸为宽度50mm、高度30mm，圆角半径为3mm，外模3的内腔不带锥度；芯管4的横截面外形尺寸为宽度44mm、高度24mm，圆角半径为3mm，芯管4的锥度α为0. 5°。外模3与水冷铜套2之间采用螺纹配合或锥面配合方式，外模3与芯管4之间的相对位置由复合腔与复合结晶器1之间的精确定位保证。铜包铝双金属包复矩形坯外形尺寸50X30mm，铜层厚度3mm。保温坩埚中的铝液熔体温度控制在800°C;保温坩埚中的铜液熔体温度控制在1300°C;控制水冷金属型结晶器 1的冷却水流量为0. 5 1. 6m3/h, 二次冷却水流量为0. 4 1. 0m3/h,水压为0. 1 0. 3MPa ； 调节牵引机构使得连铸铸造的拉坯速度为60 200mm/min，可获得高质量的连铸铜包铝双金属复合矩形坯。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明， 凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种采用水平连铸制备异型铜包铝复合材料的模具，其特征在于所述模具由外模 3和芯管4组成，由所述外模3的内腔尺寸和所述芯管4的外形尺寸共同控制铜包铝复合铸坯包覆层的形状以及厚度；由所述芯管4的外形尺寸控制芯部铝的尺寸，从而实现铜包铝复合材料的形状以及包覆厚度的控制。
2.根据权利要求1所述的水平连铸制备异型铜包铝复合材料的模具，其特征在于所述外模3的内腔和所述芯管4的外形为方形、矩形、椭圆形；所述芯管4的内孔为铝液通道 5，其形状为圆形或者与外形的形状相同的方形、矩形、椭圆形；所述芯管4的外形沿轴向带有锥度。
3.根据权利要求2所述的水平连铸制备异型铜包铝复合材料的模具，其特征在于所述具有方形和矩形内腔的外模3的四个角采用圆角过渡，圆角半径为3 8mm。
4.根据权利要求2所述的水平连铸制备异型铜包铝复合材料的模具，其特征在于所述芯管4的外形沿轴向带有锥度，锥度值α为0.5° 2°。
5.根据权利要求1-4所述的水平连铸制备异型铜包铝复合材料的模具，其特征在于 所述模具材料是石墨或氮化硼耐火材料。
6.一种制备异型铜包铝复合材料的方法，其特征在于包括步骤1)将铜控温坩埚、铝控温坩埚、导流管、复合腔、复合结晶器、二次冷却系统、牵引机构及锯切机构多个连铸单元装配在一起，组成连铸系统；2)先将熔炼好的铜液和铝液分别注入到铜控温坩埚和铝控温坩埚并保温；铜液经由导流管和复合腔，进入由安装于复合结晶器1中的外模3和芯管4形成的铸型6中，在冷却水的作用下凝固成异型铜管；3)同时，铝液经由导流管和芯管4的铝液通道5浇注到铜管中，并以铜管为铸型凝固成为芯材，从而制备异形断面铜包铝复合铸坯；4)铜包铝复合铸坯在经过二次冷却水的进一步冷却后，通过牵引机构连续引出，达到规定长度后通过锯切装置切断；5)外模3和芯管4共同控制铜包铝复合铸坯的断面形状及包覆层厚度；通过改变复合结晶器1中的模具，制备不同断面形状和包覆比的异型铜包铝复合材料。
7.根据权利要求6所述的制备异型铜包铝复合材料的方法，其特征在于步骤2和3 中，铜包铝复合铸坯所需的冷却速度由牵引机构的引锭速度、复合结晶器1的冷却速度、铜控温坩埚、铝控温坩埚以及复合腔的温度共同控制。
8.根据权利要求7所述的制备异型铜包铝复合材料的方法，其特征在于所述铜控温坩埚温度控制在1150 130(TC，铝控温坩埚温度控制在690 90(TC，复合腔的温度控制在1100 1300°C ；引锭速度为50 500mm/min ；复合结晶器的冷却水流量为0. 5 IOm3/ h，冷却水压力为0. 05 0. 5MPa。
9.根据权利要求6所述的制备异型铜包铝复合材料的方法，其特征在于在步骤4中， 所述二次冷却水采用多喷头二次冷却系统，在铸坯轴向的上、下、前、后位置采用4个独立可控的二次冷却水喷头，每个二次冷却水喷头的喷水流量为50 1000L/h。
全文摘要
本发明提供一种异型断面铜包铝复合材料的水平连铸直接复合成形模具及其工艺。采用的模具由外模3和芯管4组成，由所述外模3的内腔尺寸和所述芯管4的外形尺寸共同控制铜包铝复合铸坯包覆层的形状以及厚度；由所述芯管4的外形尺寸控制芯部铝的尺寸，从而实现铜包铝复合材料的形状以及包覆厚度的控制。本发明的铜包铝异型坯连铸一次成形技术，缩短了工艺流程，生产效率高，不但免除了表面预处理的工序，而且界面结合性能优良，可精确控制双金属异型坯的截面形状和包覆比，便于操作和控制，显著提高成品的成材率。
文档编号B22D11/045GK102248137SQ201110207269
公开日2011年11月23日 申请日期2011年7月22日 优先权日2011年7月22日
发明者刘新华, 吴永福, 谢建新 申请人:北京科技大学