專利名稱：多層復(fù)合材料一次鑄造成形設(shè)備與工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供了一種用于各種金屬或合金多層復(fù)合材料一次鑄造成形的方法及其關(guān)鍵技術(shù)。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，石油、化工、交通運(yùn)輸、建筑等各個(gè)領(lǐng)域?qū)Σ牧系氖褂靡笤絹?lái)越高，在許多情況下單一材料難以滿足實(shí)際使用對(duì)性能的要求，將具有不同性能的材料復(fù)合在一起，以提高其綜合使用性能的多層復(fù)合材料日益受到重視，是21世紀(jì)材料領(lǐng)域的重要研究方向之一。到目前為止，將兩種或兩種以上的材料復(fù)合成一體的、適合于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的方法主要有機(jī)械法與塑性變形法。機(jī)械法又分鑲套、液壓擴(kuò)管、拉拔(見日本伸銅學(xué)會(huì)編，銅おょび銅合金の基礎(chǔ)と工業(yè)技術(shù)，(1988)，p.190～192)等方法，其特點(diǎn)為各復(fù)合層的界面為機(jī)械結(jié)合、界面結(jié)合強(qiáng)度低，且不適合于長(zhǎng)尺寸復(fù)合材料的制備；塑性變形法(見陳勇富等，輕合金加工技術(shù)，Vol.24，No.11(1996)，p.37；魏月貞，復(fù)合材料，機(jī)械工業(yè)出版社，(1987)，p.146)雖可實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合(或稱金屬學(xué)結(jié)合)，但要獲得無(wú)氧化皮、無(wú)夾雜、完全清潔的復(fù)合界面往往十分困難，而且塑性變形法的生產(chǎn)工藝一般很復(fù)雜、復(fù)合材料生產(chǎn)成本高。這些均不利于高性能的復(fù)合材料的制備與大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。
本發(fā)明的目的在于開發(fā)一種短流程、節(jié)能、廉價(jià)、適用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，并能獲得完全清潔復(fù)合界面的多層復(fù)合材料一次鑄造成形法。
本發(fā)明的設(shè)備構(gòu)成為，由水冷結(jié)晶器(1)、(5)、(9)、氧化防護(hù)套(2)、(6)、熔池(3)、(8)、感應(yīng)加熱器(4)、(7)組成，總結(jié)晶器的個(gè)數(shù)為2～4個(gè)，總防護(hù)套的個(gè)數(shù)為1～3個(gè)，總?cè)鄢貍€(gè)數(shù)為1～3個(gè)，總感應(yīng)加熱器的個(gè)數(shù)為1～3個(gè)。其持征在于，結(jié)晶器(1)、(5)、(9)沿引錠方向配置于同一軸線上；防護(hù)套(2)、(6)的上端緊密與結(jié)晶器連接，防護(hù)套的下端伸入相鄰金屬熔池液面之下1～200mm，防護(hù)套的總長(zhǎng)度為50～1000mm(對(duì)應(yīng)于結(jié)晶器(1)的下端面與金屬熔體(18)液面之間的距離以及結(jié)晶器(5)的下端面與金屬熔體(16)液面之間的距離為49～999mm)，防護(hù)套的內(nèi)徑比與之相連的結(jié)晶器的內(nèi)徑大0.1～10mm；熔池(3)、(8)內(nèi)的金屬熔體(16)、(18)可以通過(guò)感應(yīng)加熱器(4)、(7)進(jìn)行保溫和加熱。
采用本發(fā)明的工藝過(guò)程為芯材(10)在結(jié)晶器(1)內(nèi)凝固成形，凝固后芯材(10)在氧化防護(hù)套(2)的保護(hù)作用下，保持無(wú)氧化皮、無(wú)油污夾雜的清潔表面進(jìn)入金屬熔體(18)，在結(jié)晶器(5)內(nèi)與第一包覆層(11)復(fù)合；由芯材和第一包覆層組成的復(fù)合材料在氧化防護(hù)套(6)的保護(hù)作用下，保持表面無(wú)氧化皮、無(wú)油污夾雜的狀態(tài)進(jìn)入金屬熔體(16)，然后在結(jié)晶器(9)內(nèi)與第二包覆層(12)復(fù)合。芯材和各包覆層所需的冷卻速度由引錠機(jī)的引錠速度V＝1～2500mm/min、各結(jié)晶器的水冷強(qiáng)度以及感應(yīng)加熱器(4)、(7)來(lái)控制。此外，根據(jù)需要可在氧化防護(hù)套(2)與芯材表面(13)、氧化防護(hù)套(6)與第一包覆層表面(14)之間的間隙內(nèi)充入氬氣等惰性氣體進(jìn)行保護(hù)。整個(gè)鑄造成形過(guò)程可以采用人工控制或計(jì)算機(jī)控制。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1.將水冷結(jié)晶器(1)、(5)、(9)分別用于芯材(10)、第一包覆層(11)、第二包覆層(12)的凝固成形，從而實(shí)現(xiàn)多層復(fù)合材料一次鑄造成形。本發(fā)明的方法可以用于各種金屬與金屬、金屬與合金、合金與合金的多層復(fù)合材料，以及復(fù)合軋輥一類的工模具、零部件的鑄造成形，達(dá)到短流程、節(jié)能降耗的目的。
2.采用防護(hù)套(2)、(6)，分別用于防止芯材(10)的表面(13)、第一包覆層(11)的表面(14)產(chǎn)生氧化和污染，從而獲得無(wú)氧化皮、無(wú)夾雜的完全清潔的復(fù)合界面，大大提高復(fù)合材料的質(zhì)量。
3.對(duì)于凝固成為包覆層(11)、(12)的金屬熔體(16)、(18)，分別采用熔池(3)、(8)和感應(yīng)加熱器(4)、(7)進(jìn)行保溫和加熱，可以有效地實(shí)現(xiàn)芯材和各包覆層的凝固速度調(diào)節(jié)，以保證穩(wěn)定鑄造成形。
4.通過(guò)調(diào)節(jié)氧化防護(hù)套(2)、(6)的長(zhǎng)度，并利用感應(yīng)加熱器(4)、(7)加熱的趨膚效應(yīng)，可以控制包覆層(11)、(12)在凝固時(shí)產(chǎn)生近似反向凝固(即結(jié)晶器(5)、(9)內(nèi)的液固界面(15)、(17)與結(jié)晶器(1)內(nèi)的液固界面(19)呈相反走向)，有利于防止在復(fù)合界面產(chǎn)生收縮空洞與裂紋。
5.本發(fā)明的適用范圍廣，既可用于冶金工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)，又可用于各種特殊行業(yè)和用途的精密鑄造。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的一種設(shè)備配置圖。其中(1)、(5)、(9)為水冷結(jié)晶器；(2)、(6)為氧化防護(hù)套，采用陶瓷(含金屬陶瓷)、硬質(zhì)合金或高溫合金制成；(3)、(8)為熔池，采用耐火材料制成；(4)、(7)為中頻感應(yīng)加熱器，帶有紅外測(cè)溫和控溫設(shè)備；(10)為芯材；(11)、(12)分別為第一、第二包覆層；(13)、(14)分別為芯材和第一包覆層表面，同時(shí)也是復(fù)合界面；(15)、(17)、(19)為液固界面。根據(jù)需要，一般總結(jié)晶器的個(gè)數(shù)為2～4個(gè)，總防護(hù)套的個(gè)數(shù)為1～3個(gè)，總?cè)鄢貍€(gè)數(shù)為1～3個(gè)，總感應(yīng)加熱器的個(gè)數(shù)為1～3個(gè)。金屬熔體(16)、(18)、(20)的溫度一般控制在相應(yīng)金屬或合金的凝固點(diǎn)至凝固點(diǎn)以上200～500℃的范圍。
實(shí)施例
1.不銹鋼包覆碳鋼棒材連鑄成形45號(hào)碳鋼芯材直徑30mm，1Cr18Ni9不銹鋼包覆層厚度5mm。采用2個(gè)結(jié)晶器鑄造成形，其中碳鋼熔體(20)通過(guò)結(jié)晶器(1)凝固成芯材(10)，不銹鋼熔體(18)通過(guò)結(jié)晶器(5)凝固成包覆層(11)。選用氧化防護(hù)套(2)的長(zhǎng)度為200mm，氧化防護(hù)套的內(nèi)徑比與其相連的結(jié)晶器的內(nèi)徑大1.0mm，控制結(jié)晶器(1)的冷卻水流速為12m/s，調(diào)節(jié)連鑄拉坯速度V＝25mm/min，使得碳鋼芯材(10)的表面溫度在進(jìn)入熔體(18)中時(shí)比不銹鋼液相線低100℃，同時(shí)調(diào)節(jié)中頻感應(yīng)加熱器(4)的功率，控制結(jié)晶器(5)內(nèi)液固界面的形狀與位置，使結(jié)晶器(5)內(nèi)不銹鋼的凝固近似為反向凝固，可獲得高質(zhì)量的連鑄復(fù)合棒材。
2.三層復(fù)合軋輥半連鑄成形三層復(fù)合軋輥由球墨鑄鐵輥芯(10)、45號(hào)鋼中套(11)和高鉻鑄鐵外套(12)組成，輥芯(10)的直徑為350mm，中套(11)厚度25mm，外套(12)厚度50mm。采用3個(gè)結(jié)晶器鑄造成形，其中球墨鑄鐵熔體(20)通過(guò)結(jié)晶器(1)凝固成輥芯(10)，45號(hào)鋼熔體(18)通過(guò)結(jié)晶器(5)凝固成中套(11)，高鉻鑄鐵熔體(16)通過(guò)結(jié)晶器(9)凝固成外套(12)。選用氧化防護(hù)套(2)、(6)的長(zhǎng)度分別為300mm和200mm，氧化防護(hù)套的內(nèi)徑比與其相連的結(jié)晶器的內(nèi)徑各大2.0mm，控制結(jié)晶器(1)、(5)的冷卻水流速為12m/s，調(diào)節(jié)連鑄拉坯速度V＝25mm/min，使得球墨鑄鐵芯材(10)的表面溫度比其固相線溫度低200℃，45號(hào)鋼包覆層(11)的表面溫度比其固相線溫度低250℃，同時(shí)調(diào)節(jié)中頻感應(yīng)加熱器(4)、(7)的功率，控制結(jié)晶器(5)、(9)內(nèi)液固界面的形狀與位置，使各結(jié)晶器內(nèi)金屬的凝固近似為反向凝固，可獲得具有完全清潔界面的高質(zhì)量三層復(fù)合軋輥。
權(quán)利要求
1.一種多層復(fù)合材科一次鑄造成形設(shè)備，由水冷結(jié)晶器(1)、(5)、(9)、氧化防護(hù)套(2)、(6)、熔池(3)、(8)、感應(yīng)加熱器(4)、(7)組成，總結(jié)晶器的個(gè)數(shù)為2～4個(gè)，總防護(hù)套的個(gè)數(shù)為1～3個(gè)，總?cè)鄢貍€(gè)數(shù)為1～3個(gè)，總感應(yīng)加熱器的個(gè)數(shù)為1～3個(gè)；其特征在于，結(jié)晶器(1)、(5)、(9)沿引錠方向配置于同一軸線上防護(hù)套(2)、(6)的上端緊密與結(jié)晶器連接，防護(hù)套的下端伸入相鄰金屬熔池液面之下1～200mm，防護(hù)套的總長(zhǎng)度為50～1000mm，對(duì)應(yīng)于結(jié)晶器(1)的下端面與金屬熔體(18)液面之間的距離以及結(jié)晶器(5)的下端面與金屬熔體(16)液面之間的距離為49～999m，防護(hù)套的內(nèi)徑比與之相連的結(jié)晶器的內(nèi)徑大0.1～10mm；熔池(3)、(8)內(nèi)的金屬熔體(16)、(18)可以通過(guò)感應(yīng)加熱器(4)、(7)進(jìn)行保溫和加熱。
2.一種多層復(fù)合材料一次鑄造成形工藝，其特征在于芯材(10)在結(jié)晶器(1)內(nèi)凝固成形，凝固后芯材(10)在氧化防護(hù)套(2)的保護(hù)作用下，保持無(wú)氧化皮、無(wú)油污夾雜的清潔表面進(jìn)入金屬熔體(18)，在結(jié)晶器(5)內(nèi)與第一包覆層(11)復(fù)合；由芯材和第一包覆層組成的復(fù)合材料在氧化防護(hù)套(6)的保護(hù)作用下保持表面無(wú)氧化皮、無(wú)油污夾雜的狀態(tài)進(jìn)入金屬熔體(16)，然后在結(jié)晶器(9)內(nèi)與第二包覆層(12)復(fù)合；芯材和各包覆層所需的冷卻速度由引錠機(jī)的引錠速度V＝1～2500mm/min、各結(jié)晶器的水冷強(qiáng)度以及感應(yīng)加熱器(4)、(7)來(lái)控制；根據(jù)需要可在氧化防護(hù)套(2)與芯材表面(13)、氧化防護(hù)套(6)與第一包覆層表面(14)之間的間隙內(nèi)充入氬氣等惰性氣體進(jìn)行保護(hù)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于各種金屬或合金多層復(fù)合材料一次鑄造成形的方法及其關(guān)鍵技術(shù),其特征為:鑄造設(shè)備由2～4個(gè)水冷結(jié)晶器、1～3個(gè)氧化防護(hù)套、1～3個(gè)熔池感應(yīng)加熱器、紅外測(cè)溫與溫度控制儀、引錠機(jī)組成,各結(jié)晶器沿引錠方向配置于同一軸線上。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為多層復(fù)合材料可以一次鑄造成形,實(shí)現(xiàn)短流程復(fù)合,獲得各層之間的界面無(wú)氧化皮、油污夾雜的高質(zhì)量的復(fù)合材料。
文檔編號(hào)B22D11/00GK1229703SQ9810104
公開日1999年9月29日 申請(qǐng)日期1998年3月20日 優(yōu)先權(quán)日1998年3月20日
發(fā)明者謝建新, 吳春京, 李靜媛 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)