专利名称：多层复合材料一次铸造成形设备与工艺的制作方法
技术领域：
本发明提供了一种用于各种金属或合金多层复合材料一次铸造成形的方法及其关键技术。
随着科学技术的发展，石油、化工、交通运输、建筑等各个领域对材料的使用要求越来越高，在许多情况下单一材料难以满足实际使用对性能的要求，将具有不同性能的材料复合在一起，以提高其综合使用性能的多层复合材料日益受到重视，是21世纪材料领域的重要研究方向之一。到目前为止，将两种或两种以上的材料复合成一体的、适合于大规模工业生产的方法主要有机械法与塑性变形法。机械法又分镶套、液压扩管、拉拔(见日本伸铜学会编，铜おょび铜合金の基础と工业技术，(1988)，p.190～192)等方法，其特点为各复合层的界面为机械结合、界面结合强度低，且不适合于长尺寸复合材料的制备；塑性变形法(见陈勇富等，轻合金加工技术，Vol.24，No.11(1996)，p.37；魏月贞，复合材料，机械工业出版社，(1987)，p.146)虽可实现冶金结合(或称金属学结合)，但要获得无氧化皮、无夹杂、完全清洁的复合界面往往十分困难，而且塑性变形法的生产工艺一般很复杂、复合材料生产成本高。这些均不利于高性能的复合材料的制备与大规模的工业应用。
本发明的目的在于开发一种短流程、节能、廉价、适用于大规模工业生产，并能获得完全清洁复合界面的多层复合材料一次铸造成形法。
本发明的设备构成为，由水冷结晶器(1)、(5)、(9)、氧化防护套(2)、(6)、熔池(3)、(8)、感应加热器(4)、(7)组成，总结晶器的个数为2～4个，总防护套的个数为1～3个，总熔池个数为1～3个，总感应加热器的个数为1～3个。其持征在于，结晶器(1)、(5)、(9)沿引锭方向配置于同一轴线上；防护套(2)、(6)的上端紧密与结晶器连接，防护套的下端伸入相邻金属熔池液面之下1～200mm，防护套的总长度为50～1000mm(对应于结晶器(1)的下端面与金属熔体(18)液面之间的距离以及结晶器(5)的下端面与金属熔体(16)液面之间的距离为49～999mm)，防护套的内径比与之相连的结晶器的内径大0.1～10mm；熔池(3)、(8)内的金属熔体(16)、(18)可以通过感应加热器(4)、(7)进行保温和加热。
采用本发明的工艺过程为芯材(10)在结晶器(1)内凝固成形，凝固后芯材(10)在氧化防护套(2)的保护作用下，保持无氧化皮、无油污夹杂的清洁表面进入金属熔体(18)，在结晶器(5)内与第一包覆层(11)复合；由芯材和第一包覆层组成的复合材料在氧化防护套(6)的保护作用下，保持表面无氧化皮、无油污夹杂的状态进入金属熔体(16)，然后在结晶器(9)内与第二包覆层(12)复合。芯材和各包覆层所需的冷却速度由引锭机的引锭速度V＝1～2500mm/min、各结晶器的水冷强度以及感应加热器(4)、(7)来控制。此外，根据需要可在氧化防护套(2)与芯材表面(13)、氧化防护套(6)与第一包覆层表面(14)之间的间隙内充入氩气等惰性气体进行保护。整个铸造成形过程可以采用人工控制或计算机控制。
本发明的优点在于1.将水冷结晶器(1)、(5)、(9)分别用于芯材(10)、第一包覆层(11)、第二包覆层(12)的凝固成形，从而实现多层复合材料一次铸造成形。本发明的方法可以用于各种金属与金属、金属与合金、合金与合金的多层复合材料，以及复合轧辊一类的工模具、零部件的铸造成形，达到短流程、节能降耗的目的。
2.采用防护套(2)、(6)，分别用于防止芯材(10)的表面(13)、第一包覆层(11)的表面(14)产生氧化和污染，从而获得无氧化皮、无夹杂的完全清洁的复合界面，大大提高复合材料的质量。
3.对于凝固成为包覆层(11)、(12)的金属熔体(16)、(18)，分别采用熔池(3)、(8)和感应加热器(4)、(7)进行保温和加热，可以有效地实现芯材和各包覆层的凝固速度调节，以保证稳定铸造成形。
4.通过调节氧化防护套(2)、(6)的长度，并利用感应加热器(4)、(7)加热的趋肤效应，可以控制包覆层(11)、(12)在凝固时产生近似反向凝固(即结晶器(5)、(9)内的液固界面(15)、(17)与结晶器(1)内的液固界面(19)呈相反走向)，有利于防止在复合界面产生收缩空洞与裂纹。
5.本发明的适用范围广，既可用于冶金工业大规模生产，又可用于各种特殊行业和用途的精密铸造。
下面结合附图对本发明作进一步的说明
图1为本发明的一种设备配置图。其中(1)、(5)、(9)为水冷结晶器；(2)、(6)为氧化防护套，采用陶瓷(含金属陶瓷)、硬质合金或高温合金制成；(3)、(8)为熔池，采用耐火材料制成；(4)、(7)为中频感应加热器，带有红外测温和控温设备；(10)为芯材；(11)、(12)分别为第一、第二包覆层；(13)、(14)分别为芯材和第一包覆层表面，同时也是复合界面；(15)、(17)、(19)为液固界面。根据需要，一般总结晶器的个数为2～4个，总防护套的个数为1～3个，总熔池个数为1～3个，总感应加热器的个数为1～3个。金属熔体(16)、(18)、(20)的温度一般控制在相应金属或合金的凝固点至凝固点以上200～500℃的范围。
实施例
1.不锈钢包覆碳钢棒材连铸成形45号碳钢芯材直径30mm，1Cr18Ni9不锈钢包覆层厚度5mm。采用2个结晶器铸造成形，其中碳钢熔体(20)通过结晶器(1)凝固成芯材(10)，不锈钢熔体(18)通过结晶器(5)凝固成包覆层(11)。选用氧化防护套(2)的长度为200mm，氧化防护套的内径比与其相连的结晶器的内径大1.0mm，控制结晶器(1)的冷却水流速为12m/s，调节连铸拉坯速度V＝25mm/min，使得碳钢芯材(10)的表面温度在进入熔体(18)中时比不锈钢液相线低100℃，同时调节中频感应加热器(4)的功率，控制结晶器(5)内液固界面的形状与位置，使结晶器(5)内不锈钢的凝固近似为反向凝固，可获得高质量的连铸复合棒材。
2.三层复合轧辊半连铸成形三层复合轧辊由球墨铸铁辊芯(10)、45号钢中套(11)和高铬铸铁外套(12)组成，辊芯(10)的直径为350mm，中套(11)厚度25mm，外套(12)厚度50mm。采用3个结晶器铸造成形，其中球墨铸铁熔体(20)通过结晶器(1)凝固成辊芯(10)，45号钢熔体(18)通过结晶器(5)凝固成中套(11)，高铬铸铁熔体(16)通过结晶器(9)凝固成外套(12)。选用氧化防护套(2)、(6)的长度分别为300mm和200mm，氧化防护套的内径比与其相连的结晶器的内径各大2.0mm，控制结晶器(1)、(5)的冷却水流速为12m/s，调节连铸拉坯速度V＝25mm/min，使得球墨铸铁芯材(10)的表面温度比其固相线温度低200℃，45号钢包覆层(11)的表面温度比其固相线温度低250℃，同时调节中频感应加热器(4)、(7)的功率，控制结晶器(5)、(9)内液固界面的形状与位置，使各结晶器内金属的凝固近似为反向凝固，可获得具有完全清洁界面的高质量三层复合轧辊。
权利要求
1.一种多层复合材科一次铸造成形设备，由水冷结晶器(1)、(5)、(9)、氧化防护套(2)、(6)、熔池(3)、(8)、感应加热器(4)、(7)组成，总结晶器的个数为2～4个，总防护套的个数为1～3个，总熔池个数为1～3个，总感应加热器的个数为1～3个；其特征在于，结晶器(1)、(5)、(9)沿引锭方向配置于同一轴线上防护套(2)、(6)的上端紧密与结晶器连接，防护套的下端伸入相邻金属熔池液面之下1～200mm，防护套的总长度为50～1000mm，对应于结晶器(1)的下端面与金属熔体(18)液面之间的距离以及结晶器(5)的下端面与金属熔体(16)液面之间的距离为49～999m，防护套的内径比与之相连的结晶器的内径大0.1～10mm；熔池(3)、(8)内的金属熔体(16)、(18)可以通过感应加热器(4)、(7)进行保温和加热。
2.一种多层复合材料一次铸造成形工艺，其特征在于芯材(10)在结晶器(1)内凝固成形，凝固后芯材(10)在氧化防护套(2)的保护作用下，保持无氧化皮、无油污夹杂的清洁表面进入金属熔体(18)，在结晶器(5)内与第一包覆层(11)复合；由芯材和第一包覆层组成的复合材料在氧化防护套(6)的保护作用下保持表面无氧化皮、无油污夹杂的状态进入金属熔体(16)，然后在结晶器(9)内与第二包覆层(12)复合；芯材和各包覆层所需的冷却速度由引锭机的引锭速度V＝1～2500mm/min、各结晶器的水冷强度以及感应加热器(4)、(7)来控制；根据需要可在氧化防护套(2)与芯材表面(13)、氧化防护套(6)与第一包覆层表面(14)之间的间隙内充入氩气等惰性气体进行保护。
全文摘要
本发明提供了一种用于各种金属或合金多层复合材料一次铸造成形的方法及其关键技术,其特征为:铸造设备由2～4个水冷结晶器、1～3个氧化防护套、1～3个熔池感应加热器、红外测温与温度控制仪、引锭机组成,各结晶器沿引锭方向配置于同一轴线上。本发明的优点为多层复合材料可以一次铸造成形,实现短流程复合,获得各层之间的界面无氧化皮、油污夹杂的高质量的复合材料。
文档编号B22D11/00GK1229703SQ9810104
公开日1999年9月29日 申请日期1998年3月20日 优先权日1998年3月20日
发明者谢建新, 吴春京, 李静媛 申请人:北京科技大学