專利名稱：層狀金屬復(fù)合材料制造工藝及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬復(fù)合材料生產(chǎn)工藝，特別是一種層狀復(fù)合材料制造工藝及設(shè)備。
背景技術(shù)：
層狀金屬復(fù)合材料是將不同的材料通過鑄造、軋制、擠壓、焊接、膠接以及浸漬等加工 方法而形成一個整體的新材料，使材料的不同部位具有不同的性能，-滿足不同的使用要求。
文獻《特種鑄造及有色合金》雜志(2001年第2期第17—19頁)中報導(dǎo)了《高速鋼/結(jié) 構(gòu)鋼雙金屬復(fù)合材料界面研究》，報導(dǎo)中公開了一種雙金屬復(fù)合材料制造工藝，所述的常用工 藝為砂型鐮鑄法，即將所需銀鑄的芯材放入砂型內(nèi)，將所需復(fù)合的液體金屬澆入到砂型中， 液態(tài)金屬在充滿型腔的同時，也將所需鑲鑄的芯材緊密覆住，包覆層在隨后的液態(tài)降溫、凝 固和冷卻過程中，釋放出大量的熱量，這些熱量一部分被鑄型吸收并通過鑄型散熱，另一部 分被鑄型的芯材吸收并使之溫度升高，利用金屬液的熱量，在鑄件凝固時，使外層復(fù)合材料 和芯部材料結(jié)合在一起。該工藝的實質(zhì)就相當(dāng)于在鑄件中放置一塊冷鐵，因此，要想實現(xiàn)兩 種材料間的冶金結(jié)合，只有在外層材料與芯部材料的體積比大于8.0的條件下，才有可能獲 得兩種材料間的冶金結(jié)合。因此該工藝技術(shù)難度大，無法制造體積比小于8.0的薄壁形雙金 屬復(fù)合材料及多層狀復(fù)合材料。文獻《鑄造手冊、特種鑄造分冊》 一書(機械工業(yè)出版社2003 年第二版)中的第7章(離心鑄造)部分，論述了用離心鑄造工藝制造雙金屬復(fù)合軋輥工藝， 該工藝雖然具有設(shè)備投資小，生產(chǎn)效率高之特點。但該工藝存在生產(chǎn)工藝復(fù)雜，工藝控制難 度大，當(dāng)生產(chǎn)高合金外層復(fù)合材料時，易產(chǎn)生偏析，使組織和成分不均勻，且無法制造鍛造 芯部材料的復(fù)合產(chǎn)品等缺陷。
文獻《中國材料工程大典》第五巻一書(化學(xué)工業(yè)出版社2006年第一版)中的第13篇 第4章(制造層狀復(fù)合材料)部分中介紹了日本所開發(fā)的包覆層連續(xù)鑄造復(fù)合法制造復(fù)合軋 輥的CPC生產(chǎn)工藝，該工藝是將需要復(fù)合的外層金屬液體澆入到在其中心安裝有芯棒材料的 水冷結(jié)晶器內(nèi)，芯棒材料通過在其上部安裝的感應(yīng)加熱器進行預(yù)熱，從而可以實現(xiàn)二種材料 的復(fù)合，并實現(xiàn)二種材料之間的界面達到冶金結(jié)合。通過抽錠設(shè)備，將復(fù)合好的軋輥不斷地 從水冷結(jié)晶器中抽出，使生產(chǎn)連續(xù)進行，直到復(fù)合軋輥燒注完成。該工藝雖然克服了常規(guī)鑲 鑄復(fù)合工藝所存在的無法制造復(fù)合比小于8.0的雙金屬復(fù)合產(chǎn)品和離心鑄造工藝所存在的缺 點。但是由于CPC法生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本髙，外層材料的潔凈度和生產(chǎn)效率 低，至今推廣使用范圍很小。該書中同時介紹了烏克蘭所開發(fā)的一種電渣包覆鑄造復(fù)合法。 該工藝是將芯棒材料安裝在導(dǎo)電結(jié)晶器的中心，導(dǎo)電水冷結(jié)晶器代替非自耗電極對電渣進行 加熱，使液渣保持在高溫狀態(tài)，將需復(fù)合的外層金屬液以一定的速度和方式澆入導(dǎo)電水冷結(jié) 晶器中，外層金屬液在與己經(jīng)被電渣預(yù)熱的輥芯材料表面熔合的同時受到電渣的精練，并因 水冷結(jié)晶器的冷卻而凝固，形成復(fù)合層。高溫液態(tài)電渣同時還起到對芯棒加熱和表面清洗及 隔離所澆入的金屬液與空氣的接觸，從而對金屬液進行保護。該工藝與CPC工藝相比，雖然設(shè)備簡單，所生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量好，但是仍然存在生產(chǎn)效率低，導(dǎo)電結(jié)晶器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)難度 大，設(shè)備的控制技術(shù)難度大等缺點。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是要提供一種生產(chǎn)工藝簡單、產(chǎn)品性能好、成本低的層狀復(fù)合材料制造 工藝及設(shè)備。解決其技術(shù)問題的設(shè)備方案是該設(shè)備有一工作臺，在工作臺上有一孔洞，在工作臺的 下面安裝有一升降裝置，在工作臺的上面安裝有水冷結(jié)晶器和電極把持器。水冷結(jié)晶器的外 部安裝有感應(yīng)加熱器，上面安裝有保溫蓋和澆注漏斗，下面安裝有底水箱，在水冷結(jié)晶器和 底水箱的下部和上部分別連接有進出水管。金屬芯棒通過水冷結(jié)晶器的中心穿過底水箱的中 心孔襯套固定在升降裝置上。在電極把持器上安裝有多根自耗或非自耗電極，電源K連接在電極把持器和底水箱上。 在錄注漏斗的下面連接有澆注管。在芯棒上安裝有超聲波振動器。在底水箱的中心連接有襯 套。水冷結(jié)晶器即可以是圓形，赤可以是矩形、長方形等幾何形狀和帶有凹凸形槽形狀的整 體結(jié)構(gòu)或雙開合哈復(fù)式結(jié)構(gòu)。解決其技術(shù)問題采用的工藝技術(shù)方案是首先將需要復(fù)合的金屬芯棒材料進行表面處理 后，在其表面涂S—層含有硼砂等堿金屬氧化物、氯化物、融鹽所組成的防氧化涂料，經(jīng)烘 干后安裝在水冷結(jié)晶器的中心并穿過底水箱的中心孔固定在升降裝置上，在金屬芯棒的上部 安裝超聲波振動器。將所需復(fù)合的金屬冶煉后到入金屬澆注包內(nèi)，打開水冷結(jié)晶器和底水箱 的進出水管，啟動安裝在水冷結(jié)晶器外部的感應(yīng)加熱器對芯棒進行表面加熱，將配制好的所 需成分的電渣放入結(jié)晶器內(nèi)，用非自耗電極或自耗電極進行起弧化渣或?qū)⒃诮Y(jié)晶器外所化好 的液渣澆入結(jié)晶器內(nèi)，用非自耗電極或自耗電極對電渣進行加熱熔化成液態(tài)渣，在芯棒表面 達到所預(yù)定的溫度后，將澆注包內(nèi)的金屬液按照所預(yù)定的澆注程序澆入水冷結(jié)晶器內(nèi)，同時 將加熱電渣的電極通過電極把持器向上逐步提升，啟動超聲波振動器對所澆入的金屬液進行 超聲波處理，以細化和改善復(fù)合層金屬凝固組織，金屬液燒注完畢后，感應(yīng)加熱器和電極繼 續(xù)進行加熱，待保溫一定時間后停止加熱，啟動升降裝置將所復(fù)合好的雙金屬產(chǎn)品以一定的 速度從結(jié)晶器內(nèi)抽出，或?qū)⒔Y(jié)晶器連同復(fù)合好的產(chǎn)品一同下降至底部后打開結(jié)晶器，松開芯 棒固定裝置，將復(fù)合產(chǎn)品放入熱處理設(shè)備內(nèi)進行熱處理。通過反復(fù)重復(fù)上述工藝即可實現(xiàn)多 層層狀復(fù)合材料的制造，改變抽出工藝赤可以制造大長度的層狀復(fù)合材料。改變結(jié)晶器的形 狀即可以制造各種幾何形狀的層狀復(fù)合材料產(chǎn)品。水冷結(jié)晶器內(nèi)的熔渣為一元或多元物質(zhì)所組成的渣系，其物質(zhì)為CaF2 、 A12Q3、 CaO、 MnO、 TiO2 、 RE、 RexOy、 Na2B407、 SiO2、 Na20、 K20、 SiCa、 Al等，所復(fù)合的金屬材料 為各種使用工況的黑色金屬和各種有色金屬及金屬基復(fù)合材料。芯棒表面防氧化涂料的成分
為Na2B40 . SiO2、 Na20、 K20、 A1203.、 CaO、 B203,等。有益效果上述方案中，使用該發(fā)明生產(chǎn)層狀復(fù)合材料時，生產(chǎn)工藝簡單易于操作，生 產(chǎn)效率高，電耗低，生產(chǎn)成本低，設(shè)備簡單投資小復(fù)合層金屬的純凈度高，產(chǎn)品無成分偏 析，組織致密度高，復(fù)合產(chǎn)品至下而上順序凝固，有利于金屬的補縮，結(jié)晶組織優(yōu)良，所生 產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量易于控制，可以根據(jù)不同的使用要求自由的選擇不同強度要求的芯棒材料和不 同性能的復(fù)合層材料，且芯棒和復(fù)合層材料的選擇范圍寬，復(fù)合層界面易于控制界面質(zhì)量好， 可以實現(xiàn)良好的冶金結(jié)合，可以不受設(shè)備和工藝的限制，實現(xiàn)用小型設(shè)備制造大體積的層狀 復(fù)合產(chǎn)品及薄壁復(fù)合層產(chǎn)品。


圖1為本發(fā)明第一實施例的結(jié)構(gòu)圖。 圖2為本發(fā)明第二實施例的結(jié)構(gòu)圖。 圖3為本發(fā)明第三實施例的結(jié)構(gòu)圖。 圖4為本發(fā)明第四實施例的結(jié)構(gòu)圖。 圖5為本發(fā)明第五實施例的結(jié)構(gòu)圖。 圖6為本發(fā)明第六實施例的結(jié)構(gòu)圖。 圖7為本發(fā)明第七實施例的結(jié)構(gòu)圖。
具體實施方式
實施例1:在圖1中，該設(shè)備有一工作臺，在工作臺上有一孔洞，在工作臺的下面安裝 有一升降裝置20,在工作臺的上面安裝有水冷結(jié)晶器16和電極把持器9。水冷結(jié)晶器16的 外部安裝有感應(yīng)加熱器3，在水冷結(jié)晶器16的上面安裝有保溫蓋5和澆注漏斗6，在水冷結(jié) 晶器16的下面安裝有底水箱1，在水冷結(jié)晶器16的下部和上部分別連接有進水管17和出水 管4，在底水箱1的下部和上部分別連接有進水管18和出水管2。金屬芯棒19通過水冷結(jié)晶 器16的中心穿過底水箱1的中心孔襯套21固定在升降裝置19上。水冷結(jié)晶器的結(jié)構(gòu)為整體 式或雙開合哈復(fù)式。在芯棒19上面安裝有超聲波振動器11,在電極把持器9的上面連接有 非自耗電極或自耗電極IO，電源K與非自耗電極或自耗電極10和底水箱1相連接，在痛注 漏斗6的下面連接有澆注管13。工作開始時，將需要復(fù)合的金屬芯棒19進行表面處理后安裝在水冷結(jié)晶器16的中心并 穿過底水箱1的中心孔襯套21固定在升降裝置20上，超聲波振動器11安裝在金屬芯棒19 的上部。將所需復(fù)合的金屬冶煉后到入金屬澆注包7內(nèi)，打開水冷結(jié)晶器16的進出水管17 和4和底水箱1的進出水管18和2，啟動安裝在水冷結(jié)晶器16外部的感應(yīng)加熱器3對金屬 芯棒19進行表面加熱，將配制好的所需成分的電渣放入結(jié)晶器內(nèi)，用非自耗電極或自耗電極 10進行起弧化渣或?qū)⒃诮Y(jié)晶器外所化好的液渣澆入結(jié)晶器16內(nèi)，用非自耗電極或自耗電極 10對電渣進行加熱熔化成液態(tài)電渣14，在芯棒19表面達到所預(yù)定的溫度后，將燒注包7內(nèi)
的金屬液8按照所預(yù)定的澆注程序澆入水冷結(jié)晶器16內(nèi)，同時將加熱液態(tài)電渣14的電極10 通過電極把持器9向上逐步提升,啟動超聲波振動器11對所澆入的金屬液8進行超聲波處理， 以細化和改善復(fù)合層金屬15的凝固組織，金屬液燒注完畢后，感應(yīng)加熱器3和電極10繼續(xù) 進行加熱，待保溫一定時間后停止加熱，啟動升降裝置20將所復(fù)合好的雙金屬產(chǎn)品15以一 定的速度從結(jié)晶器16內(nèi)抽出，或?qū)⒔Y(jié)晶器16連同復(fù)合好的產(chǎn)品15 —同下降至底部后打開結(jié) 晶器16，松開芯棒固定裝置，將復(fù)合好的產(chǎn)品15放入熱處理設(shè)備內(nèi)進行熱處理。改變抽出 工藝赤可以制造大長度的層狀復(fù)合材料產(chǎn)品15。實施例2:在圖2中，與圖1的不同點為在結(jié)晶器16的外部不安裝感應(yīng)加熱器3，工作 開始后，直接啟動電源K熔化電渣14，通過液態(tài)電渣14對金屬芯棒19直接進行加熱。其它 過程及設(shè)備與實施例1同，略。實施例3:在圖3中，與圖1的不同點為在結(jié)晶器16的上部沒有電極把持器9和電極10 及電源K設(shè)備，工作開始后，將需要復(fù)合的金屬芯棒19進行表面處理后，在其表面涂種一 層含有硼砂等低熔點類融鹽或氧化物的防氧化涂料23，經(jīng)烘干后安裝在水冷結(jié)晶器16的中 心并穿過底水箱1的中心孔襯套21固定在升降裝置20上，超聲波振動器11安裝在金屬芯棒 19的上部。將所需復(fù)合的金屬冶煉后到入金屬澆注包7內(nèi)，將低熔點的防氧化渣料26放入 水冷結(jié)晶器16內(nèi)，打開水冷結(jié)晶器16的進出水管17和4和底水箱1的進出水管18和2 ， 啟動安裝在水冷結(jié)晶器16外部的感應(yīng)加熱器3對金屬芯棒19進行表面加熱，在芯棒19表面 達到所預(yù)定的溫度后,將澆注包7內(nèi)的金屬液8按照所預(yù)定的澆注程序澆入水冷結(jié)晶器16內(nèi)。 其它過程及設(shè)備與實施例1同，略。實施例4:在圖4中，與圖3的不同點為在金屬芯棒19的表面包覆一層鋁板24，工作開 始后，所澆入的高溫金屬液將包覆層鋁板24熔化，熔化后的鋁板24在金屬芯棒19和復(fù)合金 屬液8之間形成一層具有良好韌性的Al-Fe固溶體和Al-Fe共晶體28，從而降低了凝固溫 度，平衡了鐵水凝固產(chǎn)生的收縮應(yīng)力，使復(fù)合層金屬液在凝固收縮時不易產(chǎn)生裂。其它過程 及設(shè)備與實施例1同，略。實施例5:在圖5中，與圖1的不同點為水冷結(jié)晶器是帶有凹凸形槽形狀的雙開合哈復(fù) 式結(jié)構(gòu)25。重復(fù)實施例1的工藝過程，所制造的制品表面為帶有凹槽形狀的復(fù)合材料產(chǎn)品28。 其它過程及設(shè)備與實施例1同，略。實施例6:在圖6中，與圖1的不同點為將施例1所制備的雙金屬復(fù)合材料用做金屬芯 棒19，經(jīng)表面處理后，重復(fù)實施例l的工藝過程，即可制備出多層層狀的復(fù)合材料制品。其 它過程及設(shè)備與實施例1同，略。實施例7:在圖7中，與圖3的不同點為將施例3所制備的雙金屬復(fù)合材料用做金屬芯 棒19，經(jīng)表面處理后，重復(fù)實施例3的工藝過程，即可制備出多層層狀的復(fù)合材料制品。其 它過程及設(shè)備與實施例3同，略。
權(quán)利要求
1、一種層狀金屬復(fù)合材料制造工藝，其特征是首先將需要復(fù)合的金屬芯棒材料進行表面處理后，在其表面涂覆一層含有硼砂等堿金屬氧化物、氯化物、融鹽所組成的防氧化涂料，經(jīng)烘干后安裝在水冷結(jié)晶器的中心并穿過底水箱的中心孔固定在升降裝置上，在金屬芯棒的上部安裝超聲波振動器。將所需復(fù)合的金屬冶煉后到入金屬澆注包內(nèi)，打開水冷結(jié)晶器和底水箱的進出水管，啟動安裝在水冷結(jié)晶器外部的感應(yīng)加熱器對芯棒進行表面加熱，將配制好的所需成分的電渣放入結(jié)晶器內(nèi)，用非自耗電極或自耗電極進行起弧化渣或?qū)⒃诮Y(jié)晶器外所化好的液渣澆入結(jié)晶器內(nèi)，用非自耗電極或自耗電極對電渣進行加熱熔化成液態(tài)渣，在芯棒表面達到所預(yù)定的溫度后，將澆注包內(nèi)的金屬液按照所預(yù)定的澆注程序澆入水冷結(jié)晶器內(nèi)，同時將加熱電渣的電極通過電極把持器向上逐步提升，啟動超聲波振動器對所澆入的金屬液進行超聲波處理，以細化和改善復(fù)合層金屬凝固組織，金屬液澆注完畢后，感應(yīng)加熱器和電極繼續(xù)進行加熱，待保溫一定時間后停止加熱，啟動升降裝置將所復(fù)合好的雙金屬產(chǎn)品以一定的速度從結(jié)晶器內(nèi)抽出，或?qū)⒔Y(jié)晶器連同復(fù)合好的產(chǎn)品一同下降至底部后打開結(jié)晶器，松開芯棒固定裝置，將復(fù)合產(chǎn)品放入熱處理設(shè)備內(nèi)進行熱處理。通過反復(fù)重復(fù)上述工藝即可實現(xiàn)多層層狀復(fù)合材料的制造，改變抽出工藝赤可以制造大長度的層狀復(fù)合材料。改變結(jié)晶器的形狀即可以制造各種幾何形狀的層狀復(fù)合材料產(chǎn)品。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的層狀金屬復(fù)合材料制造工藝，其特征是水冷結(jié)晶器的外部不 安裝感應(yīng)加熱器，直接采用液態(tài)金屬電渣澆注工藝制造層狀金屬復(fù)合材料制造，重復(fù)上述工 藝即可制造出層狀金屬復(fù)合材料，通過反復(fù)重復(fù)該工藝過程，即可以制造出多層層狀復(fù)合材 料和產(chǎn)品。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的層狀金屬復(fù)合材料制造工藝，其特征是在水冷結(jié)晶器的外部 安裝感應(yīng)加熱器，將需要復(fù)合的金屬芯棒進行表面處理后，在其表面涂覆一層含有硼砂等低 熔點類融鹽或氧化物的防氧化涂料，經(jīng)烘干后安裝在水冷結(jié)晶器的中心并穿過底水箱的中心 孔襯套固定在升降裝置上，將低熔點的防氧化渣料放入水冷結(jié)晶器內(nèi)，啟動安裝在水冷結(jié)晶 器外部的感應(yīng)加熱器對金屬芯棒進行表面加熱，在芯棒表面達到所預(yù)定的溫度后，將所需復(fù) 合的金屬液按照所預(yù)定的澆注程序澆入水冷結(jié)晶器內(nèi)。重復(fù)上述工藝即可制造出層狀金屬復(fù) 合材料，通過反復(fù)重復(fù)該工藝過程，即可以制造出多層層狀復(fù)合材料和產(chǎn)品。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的層狀金屬復(fù)合材料制造工藝，其特征是在金屬芯棒的表面包 覆一層鋁板，工作開始后，所澆入的髙溫金屬液將包種層鋁板熔化，熔化后的鋁板在金屬芯棒和復(fù)合金屬液之間形成一層具有良好韌性的Al-Fe固溶體和Al—Fe共晶體。重復(fù)上述工 藝即可制造出層狀金屬復(fù)合材料，通過反復(fù)重復(fù)該工藝過程，即可以制造出多層層狀復(fù)合材 料和產(chǎn)品。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的層狀金屬復(fù)合材料制造工藝，其特征是水冷結(jié)晶器是帶有凹 凸槽形狀的雙開合哈復(fù)式結(jié)構(gòu)。重復(fù)上述工藝過程，所制造的制品為表面帶有凹槽形狀的復(fù)
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的層狀金屬復(fù)合材料制造工藝，其特征是水冷結(jié)晶器內(nèi)的熔渣 為一元或多元物質(zhì)所組成的渣系，其物質(zhì)為CaF2 、 Al2Cb、 CaO、 MnO、 TlOz 、 RE、 RexOy、 N*B407、 SiOz、 Na20、 K20、 SiCa、 Al等，芯棒表面防氧化涂料的成分為Na2B407, SiOi、 Na20、 K20、 A1203.、 CaO、 B203.等所復(fù)合的金屬材料為各種使用工況的黑色金屬和各種 有色金屬及金屬基復(fù)合材料。
7、 一種實現(xiàn)層狀金屬復(fù)合材料制造工藝的設(shè)備，其特征是該設(shè)備有一工作臺，在工作 臺上有一孔洞，在工作臺的下面安裝有一升降裝置，在工作臺的上面安裝有水冷結(jié)晶器和電 極把持器。水冷結(jié)晶器的外部安裝有感應(yīng)加熱器，上面安裝有保溫蓋和澆注漏斗，下面安裝 有底水箱，在水冷結(jié)晶器和底水箱的下部和上部分別連接有進出水管。金屬芯棒通過水冷結(jié) 晶器的中心穿過底水箱的中心孔襯套固定在升降裝置上。水冷結(jié)晶器的結(jié)構(gòu)為整體式或雙開 合哈復(fù)式結(jié)構(gòu)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的層狀金屬復(fù)合材料制造工藝的設(shè)備，其特征是在電極把持器 上安裝有多根自耗或非自耗電極，電源K連接在電極把持器和底水箱上。在澆注漏斗的下面 連接有澆注管。在金屬芯棒上安裝有超聲波振動器。在底水箱的中心連接有襯套。水冷結(jié)晶 器即可以是圓形，赤可以是矩形、長方形等幾何形狀和帶有凹凸形槽形狀的整體結(jié)構(gòu)或雙開 合哈復(fù)式結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種層狀金屬復(fù)合材料制造工藝，屬于金屬復(fù)合材料制造工藝，使用該工藝制造層狀金屬復(fù)合材料時，生產(chǎn)工藝簡單、生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)成本低，設(shè)備簡單投資小；該方法中是將液體金屬直接澆注到外部裝有感應(yīng)加熱器的結(jié)晶器內(nèi)，所澆注的金屬液在結(jié)晶器內(nèi)受到電渣精練的同時與安裝在結(jié)晶器內(nèi)的金屬芯棒實現(xiàn)復(fù)合，并達到冶金結(jié)合。復(fù)合層界面易于控制，產(chǎn)品無成分偏析，組織致密度高質(zhì)量好，芯棒和復(fù)合層材料的選擇范圍寬，可以不受設(shè)備和工藝的限制，實現(xiàn)用小型設(shè)備制造大體積的層狀及多層層狀復(fù)合產(chǎn)品。
文檔編號B22D19/08GK101125361SQ20061004135
公開日2008年2月20日 申請日期2006年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月17日
發(fā)明者剛 丁, 丁家偉 申請人:丁 剛;丁家偉