专利名称：双金属复层管材的制备方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及金属管材，尤其是双金属复层管材的制备方法及装置。。
背景技术：
金属管材是一种常见的型材，种类繁多，用途广泛。随着社会的发展和进步，在很多领域，如汽车行业、航空航天行业都要求金属管材具有多重的性能，为此应运而生了具有两种或两种以上材料的物理、化学、力学性质，形成互补的双金属复合管材。此种材料能有效的结合各组成部分的优点，使得其在不同位置具有不同的性能，具有良好的可设计性。这样就在保持母材性能的基础上兼具复层的特性，从而实现了两者的互补，满足了各行业对管材多重性能的要求。传统的制备复合管材的方法主要有离心铸造法、焊接法等。离心铸造法是先离心铸造一层金属，然后在此基础上将另一种材质的金属液离心浇注到第一层金属上，从而实现两者的复合；焊接法是将经轧制工序而复合到一起的复合板坯卷曲后利用焊接的方法连接到一起，从而形成管材。离心铸造的方法，生产效率低，成本高，很难做小规格管材。而轧制复合后卷焊的方法生产的管材在焊缝处的强度稍低，在后续加工过程中有开裂的风险， 由于是采用轧制复合的板材作为原料，复合界面处往往有夹杂和缺陷存在，界面强度不高， 同时设备投资大、工序长、能耗高，且对环境和工人都有一定的污染。专利200610112817 (专利文件I )提出了一种包复材料的水平连铸直接成型设备和工艺，其具体工艺为包覆层金属由包覆层金属控温坩埚保温，流经包覆层金属保温腔后，注入由包覆层金属结晶器和芯部金属液浇注管形成的铸型中凝固成覆层金属管；芯部金属在先凝固的包覆层金属中凝固，并与包覆层金属管形成复合铸锭，经牵引机构连续牵弓丨，达到一定长度后通过锯切装置切断。此种方法相比于离心铸造及焊接法而言具有设备简单、短流程、生产效率高的特点。但同时也有其不足之处，如生产的产品局限于外层金属液熔点温度高于内层，而对于内层金属液熔点高于外层的情况就无法适用；内层金属液流出后需要有额外的保温装置，消耗了大量能源；只能生产棒材，如利用此方法制备管材还需要后续的加工手段，无形中增加了工序和能耗。专利201010587350 (专利文件2 )提出了一种制备复层管坯的连续铸造方法，此种方法的流程短、所需设备少，可以连续的生产复层管坯，但是该方法外层金属液在浇注过程中要受到内层金属液的二次加热，使得包覆层金属和芯部金属复合时的温度很难控制， 容易造成内层和外层金属的过度复合。同时，在铸造的过程中内层金属液的冷却凝固所要散失的热量主要靠外层金属的传递，在实际操作中很难控制冷却的强度，易导致内外层金属的过度复合。
发明内容
本发明的目的在于克服专利文件I和2技术中的缺陷，解决外层金属液在浇注过程中要受到内层金属液二次加热以及包覆层金属和芯部金属复合时的温度难以控制的问
4题，提供一种设备简单、短流程、能耗低、生产效率高，可防止内外层过度复合的双金属复层管材的制备方法及装置。为了实现上述目的，权利要求I的技术方案为一种双金属复层管材的制备装置， 具有内层金属液保温炉、外层金属液保温炉、模具、牵引机构、冷却装置，锯切装置，其特征在于，模具(4 )的前端深入到内层金属液保温炉(I )内，模具(4 )内部设有模具芯棒(2 ) 用于制备内层管坯(3)，在模具(4)内部，制备内层管坯(3)用的模具前端区域外侧设有制备外层管坯(I 2 )用的模具后端区域，外层金属液保温炉(7 )通过外层导流管(9 )与模具(4 )的模具后端区域连接，在模具(4 )的模具前端区域外侧安装有第一组冷却装置 (6 )，在模具(4 )的模具后端区域外侧设有第二组冷却装置(I I )，牵引装置(I 3 )和锯切装置(I 4)设置在模具(4)后方，模具(4)中复合的双金属复层管材由牵引装置(I 3) 向后拉动，在达到规定长度时锯切装置(I 4)切断。由权利要求I的技术方案可知，内层金属液保温炉(I )中的内层金属液经模具 (4 )的前端流入模具芯棒(2 )与模具(4 )内壁之间的空间，在向后流动过程中，被第一组冷却装置(6)冷却凝固形成内层管坯(3)。内层管坯(3)在向后方移动的过程中，外层金属液保温炉(7 )中的外层金属液经外层导流管(9 )流入内层管坯(3 )和模具(4 )之间的空间，外层金属液在向后方移动的过程中被第二组冷却装置(I I)冷却凝固形成复合在内层管坯(3)上的外层管坯(I 2)，该双金属复合管坯在牵引装置(I 3)的连续牵引下达到规定长度时由锯切装置(I 4)切断形成双金属复层管材。由于在制造时，无需其他额外的加热设备和装置，具有设备简单、短流程、能耗低、 生产效率高的特点。并且，内层管坯与外层管坯的凝固过程相对独立，不仅可用于外层金属熔点温度高于内层金属熔点温度的材料，也适应于内层金属熔点温度高于外层金属熔点温度的材料，并且凝固过程中的温度控制容易，可防止过度复合的发生，保证了双金属复层管材的质量。权利要求2的技术方案为基于权利要求I的双金属复层管材的制备装置，其特征在于，还具有控流阀门，控流阀门(8 )设置在外层导流管(9 )中，用于控制外层金属液的流出。由权利要求2的技术方案可知，由于在外层导流管(9 )中设置有控流阀门(8 )， 因此，可根据需要随时控制外层金属液的流出时机。权利要求3的技术方案为基于权利要求I的双金属复层管材的制备装置，其特征在于，还具有电磁发生装置，其中，第一组电磁发生装置(5 )设置在模具(4 )的模具前端区域外侧；第二组电磁发生装置(I Q )设置在模具(4 )的模具后端区域外侧。由于在模具(4 )的模具前端区域外侧和模具后端区域外侧分别设有第一组电磁发生装置(5)和第二组电磁发生装置(I 0)，因此，利用其产生的磁场，可使内层管坯(3) 和外层管坯(I 2)的组织致密、成分均匀、性能优良。权利要求4的技术方案为基于权利要求I的双金属复层管材的制备装置，其特征在于，内层金属液保温炉(I )和外层金属液保温炉(7 )分别将内层金属液和外层金属液的温度控制在凝固点至凝固点以上250°C以内的范围内。由于内层金属液和外层金属液都被控制在凝固点至凝固点以上250°C以内的范围内，可防止内层管坯(3)与外层管坯(I 2)之间处出现过度复合，降低了能耗、提高了双金属复层管材的质量。权利要求5的技术方案为基于权利要求I的双金属复层管材的制备装置，其特征在于，第一组电磁发生装置(5)和第二组电磁发生装置(I 0 )产生的磁场强度范围是
0-300mT，磁场频率为I-IOOOHz。由于第一组电磁发生装置(5)和第二组电磁发生装置(I 0)产生的磁场强度范围在0-300mT，磁场频率在1-lOOOHz，可使磁场强度和磁场频率更加理想化，使内层管坯 (3 )和外层管坯(I 2 )的组织更加致密、成分均匀、性能优良。权利要求6的技术方案为基于权利要求I的双金属复层管材的制备装置，其特征在于，第一组冷却装置(6 )和第二组冷却装置(I I )的冷却强度范围为0-10m3/h。由于第一组冷却装置(6 )和第二组冷却装置(I I )的冷却强度范围为0-10m3/h， 与技术方案4相配合，可使内层管坯(3)与外层管坯(I 2)的冷却速度达到最佳，既降低了能耗又保证了质量。权利要求7的技术方案为基于权利要求I的双金属复层管材的制备装置，其特征在于，牵引装置(13)的牵引速度为l-1000mm/min。由于牵引装置(I 3)的牵引速度为l-1000mm/min，可保证双金属复层管材的质量。权利要求8的技术方案为一种双金属复层管材的制备方法，其特征在于，
步骤I，将熔化、精炼好的内层金属液和外层金属液分别浇入到内层金属液保温炉 (I )和外层金属液保温炉(7 )中，进行控温；
步骤2，使内层金属液由模具(4 )的前端进入模具(4 )内壁与模具芯棒(2 )之间的空间；
步骤3，开启第一组电磁发生装置(5 )和第一组冷却装置(6)，使进入模具(4 )的模具前端区域的内壁与模具芯棒(2 )之间的内层金属液在磁场作用下凝固形成内层管坯(3 ); 步骤4，启动牵引装置(I 3 )连续向后牵引出内层管坯(3 )
步骤5，使外层金属液保温炉(7 )中的外层金属液经外层导流管(9 )浇注到模具(4 ) 的模具后端区域内壁与内层管坯(3)之间的空间；
步骤6，开启第二组电磁发生装置(I 0)和第二组冷却装置(I 1)，使浇注到内层管坯(3)上的外层金属液在磁场作用下凝固形成复合在内层管坯(3)上的外层管坯(I 2);
步骤7，在牵引装置(I 3)的牵引下，复合的双金属复层管材达到规定长度时，启动锯切装置(I 4)将双金属复层管材切断。采用权利要求8的技术方案时，可获得与权利要求I的技术方案相同的效果。权利要求9的技术方案为基于技术方案8的双金属复层管材的制备方法，其特征在于，
步骤I中，内层金属液保温炉(I )和外层金属液保温炉(7 )分别将内层金属和外层金属的温度控制在凝固点至凝固点以上250°C以内的范围内；
步骤3中，第一组电磁发生装置(5)产生的磁场强度范围是0-300mT，磁场频率为
1-lOOOHz，第一组冷却装置(6)的冷却强度范围是0-10m3/h ；
步骤4中，启动牵引装置(13)的牵引速度为l-1000mm/min。采用权利要求9的技术方案时，可获得与权利要求4至7的技术方案相同的效果。
图I是说明本发明中双金属复层管材的制备装置的结构图。
具体实施例方式
下面，参照
对本发明的实施方式进行说明。本发明的装置由内层金属液保温炉、外层金属液保温炉、电磁发生装置、模具、牵引机构、冷却装置、锯切装置等组成。其中如图I所示，模具4的前端深入到内层金属液保温炉I内，模具4内部设有模具芯棒2用于制备内层管坯3。在模具4内部，制备内层管坯 3用的模具前端区域外方设有制备外层管坯I 2用的模具后端区域，外层金属液保温炉7 通过外层导流管9与模具4的模具后端区域连接，模具4中与外层导流管9连接的浇注孔设置在与模具前端区域的交界位置。在外层导流管9中设置有控流阀门8，用于控制外层金属液的流出时机，同时也可通过控流阀门8控制外层金属液的流量。在模具前端区域， 即靠近内层保温炉I的模具4外侧分别安装第一组电磁发生装置5和冷却装置6，在外层导流管8后方的模具后端区域，模具4的外侧设有第二组电磁发生装置I 0和冷却装置 I I。模具4的内部，以与外层导流管9连接的浇注孔为分界，靠近外层金属液保温炉7 — 侧的模具前端区域，其内径按照内层金属层的外径设定，浇注孔后方一侧的模具后端区域， 其内径按照外层金属层的外径设定。牵引装置I 3设置在模具4后方，锯切装置I 4在牵引装置I 3后方用于切断管材。第一组电磁发生装置4、第二组电磁发生装置10，第一组冷却装置6、第二组冷却装置 I I、模具4、牵引装置I 3、锯切装置I 4的中心线设置在同一水平线上。本发明的工艺过程为
步骤I，将熔化、精炼好的内层金属液和外层金属液分别浇入到内层保温炉I和外层保温炉7中进行控温。步骤2，使内层金属液模具4的前端进入模具4内壁与模具芯棒2之间的空间。步骤3，开启第一组电磁发生装置5和第一组冷却装置6，使进入模具4的模具前端区域的内壁与模具芯棒2之间的内层金属液在磁场作用下凝固形成内层管坯3。步骤4，启动牵引装置I 3连续向后牵引出内层管坯3。步骤5，当参数适合后打开控流阀门8，使外层金属液保温炉7中的外层金属液经外层导流管9浇注到模具4的模具后端区域内壁与内层管坯(3 )之间的空间。步骤6，开启第二组电磁发生装置I 0和第二组冷却装置I I，使浇注到内层管坯3上的外层金属液在磁场作用下凝固形成复合在内层管坯3上的外层管坯I 2，
步骤7，在牵引装置I 3的牵引下，复合的双金属复层管材达到满足要求长度时，启动锯切装置I 4将双金属复层管材切断。以上，在步骤I中，内层金属和外层金属的温度控制在凝固点至凝固点以上250°C 以内的范围。步骤4中，牵引速度为l-1000mm/min。步骤3中，第一组电磁发生装置5产生的磁场强度范围是0-300mT，磁场频率l-1000Hz ;第一组冷却装置6的冷却强度范围是
0-IOmVh0步骤6中，第二组电磁发生装置I0产生的磁场强度范围是0-300mT，磁场频率
1-IOOOHz;第二组冷却装置I I的冷却强度范围是0-10m3/h。本发明的积极效果如下I.外层金属液可以在内层管坯3和模具4所组成的空间内凝固形成外层管坯12，从而实现复合。此种方法适用于各种金属复合管材的制备，不仅适用外层金属液温度熔点高于内层的情况，对内层金属液温度熔点高于外层的情况也完全适用。即适用于同一种类合金材料的复合，也适用于不同种类合金材料的复合，具有流程短，能耗小的特点。2.本发明采用现在工业生产常用的模具安装方式，通过改变模具4的设计就可以改变内外层金属的比例，可实现不同种类双金属复层管材制备规格的快速转换，同时采取水平连续铸造的方式，生产效率高，可实现连续生产。3.本方面无需任何额外的加热设备和装置，可实现节省工序和能源的效果。4.通过前后两组电磁感应装置的使用，使得内层和外层铸坯的组织更加致密、成分均匀、性能优良，为后续的加工打下良好的基础。5.本发明的内外层管坯的复合过程在模具内完成，过程简单，可获得界面洁净，无氧化夹杂的高质量复合材料。6.本发明采取先制备内层管坯、再制备外层管坯的方式，内外层管坯的凝固过程相对独立，只要控制好内层管坯在外层浇注口处的温度和外层的浇注温度就可以制备出符合要求的复层管坯。利用本发明的装置和方法，可使复层界面在无氧化夹杂状态下的冶金结合，所制备的复层材料凝固组织轴向均匀、无裂纹偏析等缺陷，设备简单，流程短，易于大规模工业化生产。所制备的双金属复层管材在汽车、船舶、航空航天等领域有广泛的应用。实施例I
3003/4004铝合金双金属复合管坯水平连铸成型
招合金双金属复合管还外径70mm,壁厚15mm,其中外层4004合金壁厚5mm。首先将熔化、精炼好的内层3003金属和外层金属4004分别浇入到内层保温炉I和外层保温炉7中， 内层3003铝合金控温温度710°C，外层4004铝合金控温温度780V。开启第一组电磁发生装置5和第一组冷却装置6，磁场强度50mT，频率50Hz，冷却水流量0. 5m3/h，启动牵引装置 I 3 ,牵引速度300mm/min,连续牵引出3003招合金内层管还3 ,打开外层金属液控制控流阀门8，将外层金属液浇注到模具4与内层管坯3形成的空间中形成外层4004铝合金管坯 I 2，打开第二组磁场发生装置10和第二组冷却装置11，磁场强度30mT，频率50Hz，冷却水流量0. 3m3/h。当复层管坯的长度满足要求后，利用锯切装置14进行锯切，得到规定长度的双金属复层管材。
权利要求
1.一种双金属复层管材的制备装置，具有内层金属液保温炉、外层金属液保温炉、模具、牵引机构、冷却装置，锯切装置，其特征在于，模具(4)的前端深入到内层金属液保温炉 (I )内，模具(4 )内部设有模具芯棒(2 )用于制备内层管坯(3 )，在模具(4 )内部，制备内层管坯(3)用的模具前端区域外方设有制备外层管坯(I 2)用的模具后端区域，外层金属液保温炉(7 )通过外层导流管(9 )与模具(4 )的模具后端区域连接，在模具(4 )的模具前端区域外侧安装有第一组冷却装置(6 )，在模具(4 )的模具后端区域外侧设有第二组冷却装置(I I )，牵引装置(I 3)和锯切装置(I 4)设置在模具(4)后方，模具(4)中复合的双金属复层管材由牵引装置(I 3)向后拉动，在达到规定长度时锯切装置(I 4)切断。
2.根据权利要求I的双金属复层管材的制备装置，其特征在于，还具有控流阀门，控流阀门(8 )设置在外层导流管(9 )中，用于控制外层金属液的流出。
3.根据权利要求I的双金属复层管材的制备装置，其特征在于，还具有电磁发生装置， 其中，第一组电磁发生装置(5 )设置在模具(4 )的模具前端区域外侧；第二组电磁发生装置(I 0 )设置在模具(4 )的模具后端区域外侧。
4.根据权利要求I的双金属复层管材的制备装置，其特征在于，内层金属液保温炉 (I )和外层金属液保温炉(7 )分别将内层金属液和外层金属液的温度控制在凝固点至凝固点以上250°C以内的范围内。
5.根据权利要求I的双金属复层管材的制备装置，其特征在于，第一组电磁发生装置(5)和第二组电磁发生装置(I 0)产生的磁场强度范围是0-300mT，磁场频率为1-lOOOHz。
6.根据权利要求I的双金属复层管材的制备装置，其特征在于，第一组冷却装置(6) 和第二组冷却装置(I I )的冷却强度范围是0-10m3/h。
7.根据权利要求I的双金属复层管材的制备装置，其特征在于，牵引装置(I3 )的牵引速度为 l-1000mm/min。
8.—种双金属复层管材的制备方法，其特征在于，步骤I，将熔化、精炼好的内层金属液和外层金属液分别浇入到内层金属液保温炉 (I )和外层金属液保温炉(7 )中，进行控温；步骤2，使内层金属液由模具(4 )的前端进入模具(4 )内壁与模具芯棒(2 )之间的空间；步骤3，开启第一组电磁发生装置(5 )和第一组冷却装置(6)，使进入模具(4 )的模具前端区域的内壁与模具芯棒(2 )之间的内层金属液在磁场作用下凝固形成内层管坯(3 );步骤4，启动牵引装置(13)连续向后牵引出内层管坯(3 );步骤5，使外层金属液保温炉(7 )中的外层金属液经外层导流管(9 )浇注到模具(4 ) 的模具后端区域内壁与内层管坯(3)之间的空间；步骤6，开启第二组电磁发生装置(I 0)和第二组冷却装置(I 1)，使浇注到内层管坯(3)上的外层金属液在磁场作用下凝固形成复合在内层管坯(3)上的外层管坯(I 2);步骤7，在牵引装置(I 3)的牵引下，复合的双金属复层管材达到规定长度时，启动锯切装置(I 4)将双金属复层管材切断。
9.根据权利要求8的双金属复层管材的制备方法，其特征在于，步骤I中，内层金属液保温炉(I )和外层金属液保温炉(7 )分别将内层金属和外层金属的温度控制在凝固点至凝固点以上250°C以内的范围内；步骤3中，第一组电磁发生装置(5)产生的磁场强度范围是0-300mT，磁场频率为 1-lOOOHz，第一组冷却装置(6 )的冷却强度范围是0-10m3/h ；步骤4 ,启动牵引装置(13)的牵引速度为l-1000mm/min。
全文摘要
本发明公开了一种双金属复层材料的制备方法和装置。由内层金属液保温炉１、外层金属液保温炉７、电磁发生装置５和１０、模具４、牵引机构１３、冷却装置６和１１、锯切装置１４等组成。制备方法为将熔化、精炼好的内层金属和外层金属分别浇入到保温炉中。开启第一组电磁发生装置和冷却装置，启动牵引装置连续牵引出内层管坯，打开外层金属液控制控流阀门，通过浇道将外层金属液浇注到模具与内层管坯形成的空间中形成外层管坯，打开第二组磁场发生装置和冷却装置，连续牵引，当复层管坯的长度满足要求后，利用锯切装置进行锯切。
文档编号B22D19/16GK102527998SQ20121003113
公开日2012年7月4日 申请日期2012年2月13日 优先权日2012年2月13日
发明者张忠涛, 李廷举, 王同敏, 王智斌, 胡新胜 申请人:金龙精密铜管集团股份有限公司