CN105772683A - 一种金属包覆材料的复合设备与工艺 - Google Patents
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Abstract
一种金属包覆材料的复合设备与工艺属于材料制备技术，设备由金属熔化坩埚、加热元件、导流管、包覆层金属管、芯层金属棒、防护罩（内置有加热器）、加压机构、底板、水冷模具、挤压筒组成；其工艺为：包覆层金属管、芯层金属棒经清洗后，放置于保护罩内加热保温；待复合金属熔化后，由挤压筒注入由包覆层金属管、芯层金属棒、底板和压力机构组成的型腔，在保压条件和水冷模具冷却下待复合金属凝固，实现待复合金属液与包覆层金属管、芯层金属棒的复合。
Description
技术领域
此技术涉及到一种金属包覆材料的生产设备及方法，特别是涉及到金属熔点存在较大差异的一种金属包覆材料的生产设备与方法。
背景技术
随着科学技术的发展，石油、化工、电力、电子等领域对材料性能的要求越来越高，单质材料已难以满足实际使用性能的要求，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，将两种金属材料包覆复合成一体的、适合于大规模工业生产的方法主要，固相-固相复合法和固相-液相复合法。固相-固相复合法又分轧制、挤压、拉拔、包覆焊接等（张新宇等，中国有色金属学报，2014,24（5）：1275-1276）方法，其特点生产工艺流程长，生产成本较高。固相-液相复合方法主要有连铸连轧（廖文俊等，同济大学学报（自然科学版），2012,40(8):1234）、垂直铸造直接成形法（谢建新等，一种包复材料一次铸造连续成形设备与工艺[P]，中国专利，专利号：CN01109076。），水平连铸直接复合成形法（谢建新等，一种包覆材料水平连铸直接复合成形设备与工艺[P]，中国专利，专利号：ZL200610112817.3；谢建新等，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[P]，中国专利，专利号：ZL201110207276.3），虽生产流程短，但制备包覆层面积比受到一定限制，而且包覆层金属与芯部液态金属在高温阶段停留时间过长，过渡层组织和厚度控制不易。
发明内容
本发明目的在于开发一种适合于包覆层金属熔点高于芯部金属复合棒坯的成形方法。
本发明的设备构成为：金属熔化坩埚（12）、加热元件（11）、导流管（16）、包覆层金属管（5）、芯层金属棒（3）、防护罩（内置有加热器）（7）、加压机构（1、9）、底板（8）、水冷模具（6）、挤压筒（15）。其特征在于，挤压筒（15）置于金属液熔池，使导流口1（10）低于金属熔池液面，挤压筒（15）与导流管（14）的连接采用机械连接，压力机构（1）施加于包覆层金属管（5）和芯层金属棒（3），使包覆层金属管（5）和芯层金属棒（4）与底板（8）上端紧密相连，底板（8）与导流管（14）之间采用机械连接，防护罩（7）的加热器，可对包覆金属管和芯层金属棒加热和保温，金属熔化坩埚（12）内金属的熔化和保温由加热元件（11）实现，铸造时由压力机构（9）对挤压筒（10）内金属液（13）实现挤压，充型，然后在水冷模具（6）的强制冷却作用下，实现夹层金属（4）与包覆层金属管（5）和芯层金属棒（4）的复合。
采用本发明的工艺流程为：包覆层金属管（5）、芯层金属棒（3）经清洗后，放置于通入保护性气体的保护罩内加热保温；待复合金属熔化后，由导流孔1（10）进入挤压筒（15）内，压力机构（9）作用下，金属液（13）由导流管（14）经导流孔2（17）注入由包覆层金属管（4）、芯层金属棒（3）、底板（8）和压力机构（1）组成的型腔，由于充型和热膨胀产生的气压则由排气孔（2）泄压，在压力机构（9）保压和水冷模具（6）强制冷却的条件下，金属液将与包覆层金属管（5）、芯层金属棒（3）产生一定的冶金反应，并逐渐凝固成夹层金属（4），实现与包覆层金属管（5）和芯层金属棒（3）的复合。整个铸造过程可采用人工或计算机自动控制。
本发明的优点在于：
1.）将水冷模具（6）用于金属复合时凝固，加大了金属凝固的冷却速度，既可细化晶粒，也可控制复合界面处金属的反应时间，以控制复合过渡层厚度，提高材料的力学性能。
2）采用防护罩（7），可放止包覆层金属管（5）和芯层金属棒（3）复合表面的氧化，从而获得清洁的复合界面，提高复合材料的性能。
3）调节水冷模具的冷却强度和加压机构的保压压力，可控制固液界面的相对位置和抑制缩松和裂纹的产生，以及细化晶粒。
4）本发明的适用范围广，可适用金属与金属、金属与合金、合金与合金之间的多层复合材料的制备。不仅可生产夹层熔点相对低的三层包覆复合材料；当撤掉包覆层金属管（5）时，还可适用于芯层熔点高的包覆材料，例如铝包铜，假若撤掉芯层金属棒（3）时，也可适用于芯层熔点低的包覆材料，例如铜包铝。修改模具形状也可适用于二层层状复合材料（例如铜/铝复合板），以及中间层为低熔点金属的三层层状复合材料（例如铜/铝/钢层状复合材料）的制备。
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1为本发明的一种设备配置图。其中，（1、9）为加压机构；（14）为金属液导流管，采用陶瓷（含金属陶瓷）、硬质合金、高温合金或耐热钢制成；（15）为挤压筒，采用耐热钢或高温合金制成；（12）为金属熔化坩埚，采用耐火材料制成；（6）为水冷模具，内壁为铜或铜合金内嵌石墨，外壁为钢材制成；（11）为加热元件，采用电阻加热或感应加热方式，带有测温和控温装置；（7）为防护罩，采用冷轧钢板制成，内附有电阻加热方式，带有K型热电偶测温和控温装置；（8）为底板，采用钢铁制成；（13）为待复合的金属液；（16）为金属液固界面；（2）为通气孔；（10、17）为导流口；（5）为包覆层金属管，材质根据复合材料需要；（3）为芯层金属棒，材质根据复合材料需要；（4）为金属或合金液凝固后形成的夹层金属；金属液的温度一般控制于相应金属或合金熔点以上50-150℃；包覆罩内加热温度控制范围为150-500℃；压力机构（9）保压压力范围控制于0.1-10MPa；压力机构（1）的压力范围控制于0.1-5MPa。
具体实施：
1.铜包铝包覆复合棒材的成形
包覆层采用T2紫铜管（5），尺寸为内径为30mm，外径为35mm，高度为300mm，铜管预处理经油污、砂纸打磨、稀硝酸表面处理、干燥处理，放置于防护罩内装配好，加压机构（1）保压，压力为1MPa，充氩气保护，开启防护罩（7）内加热器，复合时铜管加热温度为200℃；芯层铝材质为1060，复合时铝液温度控制为740℃；复合时加压机构（9）的压铸速度为30mm/s，保压压力设为0.5MPa，保压时间30s；水冷模具的冷却水流量为10m/s，控制冷却时间，使固液界面移至底板（8）以下，加压机构（1）拔出棒坯。可获得界面清晰的铜包铝复合棒材。
2.铜/铝/钢三层包覆复合棒材的成形
三层复合棒材由45钢芯棒（3）、1060夹层（4）、T2铜包覆层（5）组成，45钢芯棒直径为12mm，夹层外径为40mm，包覆铜层外径为46mm。铜管与芯棒高度取300mm。铜包覆层管（5）和钢芯棒（3）预处理经油污、砂纸打磨、稀硝酸表面处理、干燥处理，放置于防护罩内装配好，充氩气保护，加压机构（1）保压，压力为1MPa，充氩气保护，开启防护罩（7）内加热器，复合时铜管加热温度为200℃；芯层铝材质为1060，复合时铝液温度控制为740℃；复合时加压机构（9）的压铸速度为30mm/s，保压压力设为0.5MPa，保压时间30s；水冷模具的冷却水流量为10m/s，控制冷却时间，使固液界面移至底板（8）以下，加压机构（1）拔出棒坯。可获得具有高质量、复合界面清晰的复合棒材。
Claims (1)
1.一种金属包覆材料的复合设备与工艺属于材料制备技术，设备由金属熔化坩埚、加热元件、导流管、包覆层金属管、芯层金属棒、防护罩（内置有加热器）、加压机构、底板、水冷模具、挤压筒组成；其工艺为：包覆层金属管、芯层金属棒经清洗后，放置于保护罩内加热保温；待复合金属熔化后，由挤压筒注入由包覆层金属管、芯层金属棒、底板和压力机构组成的型腔，在保压条件和水冷模具冷却下待复合金属凝固，实现待复合金属液与包覆层金属管、芯层金属棒的复合。
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