[发明专利]多层复合材料一次铸造成形设备与工艺

说明书

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，铜ぉ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，总熔池个数方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49～999mm)，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ν＝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：