專利名稱：金屬霧化噴射連續(xù)生產(chǎn)雙金屬薄板、薄帶的工藝及設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種金屬霧化噴射連續(xù)生產(chǎn)雙金屬薄板、薄帶工藝及設備，屬于冶金領域。
背景技術：
金屬材料的復合化和功能化是新世紀金屬材料發(fā)展的主要趨勢。雙金屬復合板(帶)是通過溫度和壓力將由兩種具有合適性能的金屬材料結(jié)合在一起的新型金屬復合材料。它可以按設計要求充分發(fā)揮每個組份的性能特長，并以其高強、耐磨、抗蝕等力學、物理、化學等工程性能來滿足現(xiàn)代工業(yè)對材料多種性能的要求。單一的金屬板與其無法比擬。雙金屬復合材料能夠起到測量、過載保護和機構調(diào)節(jié)等作用，已廣泛應用于航空、儀表、機電、家電等領域，并將大量取代傳統(tǒng)的單一金屬材料，成為現(xiàn)代材料的生力軍。
雙金屬復合板(帶)材的主要生產(chǎn)方法是固-固相復合，如固相復合軋制，粉末軋制，爆破軋制等。這些固-固相復合方法由于存在工序多，裝機容量大，以及產(chǎn)品成材率低等問題，制約了金屬復合板(帶)材的應用推廣。采用熱、冷大壓下軋制及擴散退火工藝(壓合方法)，很難生產(chǎn)合金含量高的金屬板(帶)，因為在鑄造過程中，極易產(chǎn)生成分偏析和開裂；在軋制過程中更易開裂。另外，采用壓合方法制作雙金屬板(帶)，雖然采用了擴散退火工藝，但二者的結(jié)合力仍然不夠強，工藝復雜，生產(chǎn)率低。為此，世界各國都在尋求新的更經(jīng)濟更先進的生產(chǎn)工藝，以推進金屬復合板(帶)的發(fā)展。
由中國東北大學崔建忠教授研究開發(fā)的“液-固相軋制雙金屬復合板”技術，與國內(nèi)外普遍采用的固-固相軋制復合板相比，具有明顯優(yōu)勢。該技術是將金屬熱浸鍍和鑄軋技術巧妙地結(jié)合，利用液態(tài)金屬的高擴散能力和軋制時高壓，使材料實現(xiàn)冶金結(jié)合。它以低投入、高產(chǎn)出、低成本、高效益、短工序、高復合強度及優(yōu)良的產(chǎn)品質(zhì)量等優(yōu)勢，進入雙金屬復合板生產(chǎn)領域，但兩種金屬是包覆關系。
噴射成形技術是一項新興的先進冶金加工技術，該技術可生產(chǎn)高合金或超高合金材料，并能克服常規(guī)工藝制備的這類材料在鑄造中極易產(chǎn)生宏觀偏析，在軋制過程材料極易開裂的致命缺點；獲得的材料不僅組織均勻細小，無宏觀偏析，而且還有良好的加工性能。
正是基于噴射成形技術制備的材料在顯微組織以及后續(xù)變形加工方面所具有的優(yōu)勢，最先提出噴射成形思想的Singer教授于1986年發(fā)明的專利(美國專利號4,579,168)所涉及的生產(chǎn)金屬帶的工藝，與上述直噴-水平拉帶的方式有所不同。其工藝過程為將霧化金屬直接噴射到兩個水平放置的水冷軋輥的輥縫間，在軋輥逆向轉(zhuǎn)動軋制力的作用下，被熱壓實而形成單金屬帶(板)。該專利的特點是軋制應力較小，但只用于制作單金屬帶(板)，并要求霧化金屬噴射位置必須在雙輥的輥縫正上方。
專利號為4,420,441的美國專利提供的工藝也采用直噴-水平拉帶的方式，以生產(chǎn)具有不同熔點的雙相或多相組成的金屬薄帶(板)。該工藝過程將低熔點的基體材料(如鋁)霧化的同時，把高熔點的第二相顆粒(如鐵)引入其中形成復合相后，沉積到位于下方的基帶上，再通過垂直放置但同樣偏離霧化金屬噴射位置的雙輥軋機軋制，實現(xiàn)制備具有雙相或多相組織的單金屬帶(板)的目的?？梢?，所述的專利只能生產(chǎn)單金屬帶板，并存在結(jié)構欠緊湊和軋制變形應力增加的缺點。
Watson等人發(fā)明的專利(美國專利號4,961,457)采用直噴-水平拉帶以及履帶式傳動的方式，將金屬霧化后沉積到通過履帶傳動的基帶上，實現(xiàn)制備銅基原位反應復合材料帶的目的。該工藝的特點是在銅基合金中加入0.1-0.5％重量的Al，Si，Ti，Cr，Zr或它們的混合物，這些元素容易同霧化用氮氣反應而形成細小的氮化物，并彌散分布在基體材料中，這種通過原位反應得到的銅基復合合金經(jīng)過氣體霧化后沉積在接收基帶上而形成復合材料帶。該專利的最大不足是獲得的金屬帶本身所存在的空隙由于不能及時軋制而無法彌合，從而影響其結(jié)合強度。
Singer教授于1973年發(fā)明了利用噴射沉積與雙輥軋機相結(jié)合工藝生產(chǎn)金屬復合帶(板)的技術。該技術專利(美國專利號3,775,156)，采用直噴-水平拉帶的方式。首先將來自于兩個不同鋼包容器的具有不同密度的金屬進行霧化，然后沉積到位于下方經(jīng)過預熱的金屬背帶上，再隨背帶的運動而通過垂直放置的雙輥軋機軋制，形成金屬復合帶(板)，并利用常用方法將它進一步加工成軸瓦。該工藝需要兩個鋼包容器，并要求兩個鋼包容器裝有的不同金屬在液態(tài)是難互溶或部分互溶；另外，由于用于軋制的雙輥軋機偏離霧化金屬噴射位置，使得雙金屬復合帶在進入軋機輥縫時由于背帶上的沉積層金屬經(jīng)歷了較長的冷卻時間而處于固態(tài)，其結(jié)果使軋制應力明顯增加，且噴覆金屬層與母帶由于未得到及時軋制，二者的結(jié)合力不夠而易開裂。另外，該專利在噴射與背帶之間未設置側(cè)封機構，部分霧化金屬液滴將會向背帶的兩個邊緣飛逝，會造成沉積層的邊緣質(zhì)量、形狀差和金屬的收得率低的問題。由此可見，該專利具有結(jié)構欠緊湊、沉積層金屬冷卻時間較長而導致雙金屬結(jié)合力差及軋制變形難和金屬收得率低、邊部質(zhì)量差的不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術問題是工藝生產(chǎn)流程短、設備結(jié)構緊湊，產(chǎn)品收得率高，軋制力小，且獲得的雙金屬具有良好的冶金結(jié)合和邊部質(zhì)量的一種金屬霧化噴射連續(xù)生產(chǎn)雙金屬薄板、薄帶工藝及設備本發(fā)明的技術解決方案本發(fā)明包括噴嘴、雙軋制輥、母帶，噴嘴置于兩水平放置的兩個軋輥的上方，軋輥內(nèi)部可通水冷卻，軋輥輥縫隙上方的兩側(cè)面設有側(cè)封板，噴覆軋制雙金屬薄板或帶的母帶是通過雙軋制輥與開卷輥或助開卷輥預張緊的。
可采用一排多個噴嘴布置。
可使用一個扁平式單噴嘴；可采用一個掃描式噴嘴或多個掃描式噴嘴。
所述的霧化噴嘴可置于雙軋制輥間隙的正上方或右上方而噴覆在母帶上。
所述的母帶部分包纏在其中一個軋輥上。
所述的母帶是經(jīng)過除銹處理和預熱處理的。
金屬霧化噴射連續(xù)生產(chǎn)雙金屬薄板、薄帶工藝，工藝步驟如下1)液態(tài)合金的準備冶煉被噴覆金屬，將過熱度控制在50～200℃之間；2)母帶的準備母帶是熱軋卷帶或冷軋卷帶；3)對母帶進行開卷和平整處理；a)除污去除母帶表面的油污；b)去除氧化層采用噴丸或噴砂或其它機械處理方式去除母帶上的氧化層；c)母帶加熱通過對母帶加熱工序到其固相線溫度以下50～250℃之間，以進一步提高母帶與噴覆層之間的結(jié)合力。
4)母帶通過助卷輥對母帶進行張緊并繞過一只軋輥轉(zhuǎn)動，將母帶輸送到二個水平放置的軋輥和之間；5)從霧化噴嘴噴出的高速氣流將液態(tài)金屬破碎成細小的金屬顆粒；
6)金屬顆粒隨高速氣流在運動的同時被逐漸冷卻，在半固態(tài)狀況下以較高的速度噴覆在經(jīng)表面處理和預熱的母帶與另一個軋輥及側(cè)封機構圍成的區(qū)域內(nèi)形成噴覆層；7)噴覆層隨預熱的母帶和軋制輥運動，通過二個逆向轉(zhuǎn)動的軋制輥；8)將預熱的母帶與噴覆層組成的雙金屬進行軋制，形成良好結(jié)合的雙金屬薄板或帶；9)再對雙金屬薄板或帶進行后續(xù)熱處理、軋制、噴淋冷卻，通過助卷進入到卷取機卷取成卷。
10)通過上述步驟即可連續(xù)生產(chǎn)雙金屬薄板或帶。
本發(fā)明綜合了多重噴嘴的噴射成形、連續(xù)軋制以及在雙軋制輥輥縫兩側(cè)設立側(cè)封機構的優(yōu)點，采用噴射-復合-軋制在同一工位同時完成的工藝方式，來制備雙金屬薄板(帶)。本發(fā)明具有結(jié)構緊湊，生產(chǎn)的雙金屬薄板(帶)的結(jié)合強度高、表面質(zhì)量優(yōu)、邊部質(zhì)量好、收得率高、軋制力低以及能夠連續(xù)生產(chǎn)雙金屬薄板(帶)等特點。
本發(fā)明的主要優(yōu)點是可以連續(xù)生產(chǎn)雙金屬薄板(帶)；工藝流程短、設備結(jié)構緊湊；噴覆后立即進行軋制；軋制力應力較??；獲得的雙金屬薄板(帶)具有高的結(jié)合強度；噴覆金屬收得率高；雙金屬薄板(帶)邊部質(zhì)量好；工藝易控制。
四

圖1為噴覆軋制雙金屬薄板薄帶連續(xù)結(jié)構示意圖；圖2為軋制段噴覆雙金屬薄板薄帶工藝示意圖；圖3為水平段噴覆雙金屬薄板薄帶工藝示意圖；圖4為噴覆軋制雙金屬薄板薄帶全工藝方案示意圖。
五具體實施例方式
噴嘴1置于兩水平放置的軋輥4和41上方，軋輥4和41內(nèi)部通水冷卻，軋輥4和41輥縫隙上方的兩側(cè)面設有側(cè)封板15，噴覆軋制雙金屬薄板或帶的母帶是通過雙軋制輥與開卷輥或助開卷輥預張緊的。
所述的霧化噴嘴可置于雙軋制輥間隙的正上方而噴覆在母帶11上。
工藝步驟如下1)液態(tài)合金的準備冶煉被噴覆金屬，將過熱度控制在50～200℃之間；2)母帶的準備母帶11是熱軋卷帶或冷軋卷帶；3)對母帶11進行開卷和平整處理；a)除污去除母帶11表面的油污；b)去除氧化層采用噴砂12或其它機械處理方式去除母帶11上的氧化層；c)母帶加熱通過對母帶11的加熱工序13到其固相線溫度以下50～250℃之間，以進一步提高母帶與噴覆層3之間的結(jié)合力。
4)母帶11通過助卷輥對母帶11進行張緊并繞過一只軋輥轉(zhuǎn)動，將母帶11輸送到二個水平放置的軋輥4和41之間；5)從霧化噴嘴1噴出的高速氣流將液態(tài)金屬破碎成細小的金屬顆粒2；6)金屬顆粒2隨高速氣流在運動的同時被逐漸冷卻，在半固態(tài)狀況下以較高的速度噴覆在經(jīng)表面處理和預熱的母帶14與另一個軋輥及側(cè)封機構圍成的區(qū)域內(nèi)形成噴覆層3；7)噴覆層3隨預熱的母帶14和軋制輥運動，通過二個逆向轉(zhuǎn)動的軋制輥4和41；8)將預熱的母帶14與噴覆層3組成的雙金屬進行軋制，形成良好結(jié)合的雙金屬薄板或帶5；9)再對雙金屬薄板或帶5進行后續(xù)熱處理6、軋制7、噴淋冷卻8，通過助卷9進入到卷取機10卷取成卷。
10)通過上述步驟即可連續(xù)生產(chǎn)雙金屬薄板或帶5。
本發(fā)明通過對母帶卷先進行開卷及噴砂或噴丸預處理后，再進行預熱，然后通過助卷輥對母帶進行張緊并繞過一只軋輥轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)將母帶輸送到二個水平放置的軋輥之間。
霧化金屬噴覆的方式可采用多霧化噴嘴同時實施噴覆，通過每個噴射園的交叉，實現(xiàn)在母帶上能夠比較均勻地噴覆第二種金屬(或合金)的目的；或采用單霧化掃描噴嘴或多個霧化掃描噴嘴，沿垂直于母帶前進方向上的掃描式噴覆，實現(xiàn)在母帶上均勻地噴覆第二種金屬(或合金)的目的；或通過偏平噴嘴的噴覆，實現(xiàn)在母帶上均勻地噴覆第二種金屬(或合金)的目的。
液體金屬通過位于水平放置的雙軋制輥上方的霧化噴嘴霧化后，形成高速運動的、半凝固態(tài)的金屬液滴。這些金屬液滴沉積到金屬母帶上，具有很高的溫度，在雙輥軋制力作用下，金屬母帶與高溫沉積金屬層被熱壓實而形成良好的冶金結(jié)合。由于母帶被預熱以及沉積其上的金屬層處于半凝固態(tài)，因而由此形成的雙金屬通過軋制，其結(jié)合強度比采用常規(guī)雙金屬薄板壓合方法制作的雙金屬帶要高得多。這是因為霧化沉積金屬處于半凝固狀態(tài)下就完成了與母帶的復合沉積過程，且噴覆金屬的組織均勻細小，具有很好的延展性，同時又經(jīng)過及時的熱態(tài)下的軋制，由此形成的雙金屬復合材料的冶金結(jié)合非常好；由于在很高溫度下實現(xiàn)了軋制，軋制力較小。另外，在雙輥的兩側(cè)設置側(cè)封機構，以減少或消除細微的金屬顆粒向兩側(cè)飛逝而降低金屬的收得率，并且能夠提高雙金屬帶的邊部質(zhì)量。噴覆方法包括多霧化噴嘴同時實施噴覆方法，通過每個噴射園的合理交叉，實現(xiàn)能比較均勻地噴覆第二種金屬(或合金)；單霧化噴嘴或多霧化噴嘴的掃描式噴覆方法，以實現(xiàn)能比較均勻地噴覆第二種金屬(或合金)；單霧化扁平噴嘴的噴覆方法，以實現(xiàn)能比較均勻地噴覆第二種金屬(或合金)；通過控制流入霧化噴嘴的金屬流量，控制噴覆層厚度和噴覆層的厚度變化量，和雙金屬帶的拉速來控制和穩(wěn)定軋制力，為下步軋制提供合理的前提條件和保證。
通過在雙輥的兩側(cè)設置機械式或氣封式或電磁式側(cè)封機構，以減少或消除細微的金屬顆粒向兩側(cè)飛逝而降低金屬的收得率，并且能夠提高雙金屬帶的邊部質(zhì)量。
軋制工藝根據(jù)母帶和噴覆層金屬的物性特征和溫度情況，控制軋制時的壓下量、金屬帶的拉速等工藝參數(shù)，生產(chǎn)規(guī)定厚度的雙金屬復合薄帶。
在線熱處理根據(jù)兩層金屬的特性，進行必要的在線加熱，以滿足后續(xù)精軋工藝要求。精軋工藝通過一個或多個機架的精軋，達到最終產(chǎn)品規(guī)格要求。
噴淋工藝根據(jù)母帶和噴覆層的材料特性，進行必要的噴淋冷卻或其它形式的熱處理(如固溶處理等)等。
卷取工藝控制線上各工序的薄板(帶)線速度，將薄板(帶)卷取成卷。
通過霧化噴嘴的高速惰性氣體氣流將液態(tài)金屬流碎化后，形成彌散的半凝固狀金屬顆粒，噴射到繞過其中一個軋輥的預拉緊的、經(jīng)過預處理的金屬母帶與另一個軋輥之間，利用高溫時母帶與沉積金屬顆粒的易結(jié)合性，使其能夠牢固地粘結(jié)在母帶上；在雙輥轉(zhuǎn)動軋制力的作用下，母帶與沉積金屬組成的雙金屬進一步結(jié)合，形成優(yōu)良的雙金屬薄板(帶)。本發(fā)明工藝流程短、設備結(jié)構緊湊；且噴覆后直接軋制、生產(chǎn)的雙金屬薄板(帶)具有高的結(jié)合強度；且軋制力小、能源消耗低等通過本發(fā)明提供的噴覆軋制雙金屬薄板(帶)工藝，可以連續(xù)生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的雙金屬薄板(帶)。本專利具有工藝流程短、設備結(jié)構緊湊、噴覆后即可直接軋制、軋制力小、工藝易控制，以及所獲得的雙金屬薄板(帶)具有高的結(jié)合強度等特點。
權利要求
1.金屬霧化噴射連續(xù)生產(chǎn)雙金屬薄板、薄帶的設備，包括噴嘴(1)、軋輥(4)和(41)、母帶(11)，其特征在于噴嘴(1)置于兩水平放置的軋輥(4)和(41)上方，軋輥(4)和(41)內(nèi)部可通水冷卻，軋輥(4)和(41)輥縫隙上方的兩側(cè)面設有側(cè)封板(15)，噴覆軋制雙金屬薄板或帶的母帶是通過雙軋制輥與開卷輥或助開卷輥預張緊的。
2.根據(jù)權利要求1所述的金屬霧化噴射連續(xù)生產(chǎn)雙金屬薄板、薄帶的設備，其特征在于可采用一排多個噴嘴布置。
3.根據(jù)權利要求1所述的金屬霧化噴射連續(xù)生產(chǎn)雙金屬薄板、薄帶的設備，其特征在于可使用一個扁平式單噴嘴。
4.根據(jù)權利要求1所述的金屬霧化噴射連續(xù)生產(chǎn)雙金屬薄板、薄帶的設備，其特征在于可采用一個掃描式噴嘴或多個掃描式噴嘴。
5.根據(jù)權利要求1所述的金屬霧化噴射連續(xù)生產(chǎn)雙金屬薄板、薄帶的設備，其特征在于所述的霧化噴嘴可置于雙軋制輥間隙的正上方或右上方而噴覆在母帶(11)上。
6.根據(jù)權利要求1所述的金屬霧化噴射連續(xù)生產(chǎn)雙金屬薄板、薄帶的設備，其特征在于所述的母帶(11)部分包纏在其中一個軋輥上。
7金屬霧化噴射連續(xù)生產(chǎn)雙金屬薄板、薄帶工藝，其特征在于工藝步驟如下1)液態(tài)合金的準備冶煉被噴覆金屬，將過熱度控制在50～200℃之間；2)母帶的準備母帶(11)是熱軋卷帶或冷軋卷帶；3)對母帶(11)進行開卷和平整處理；a)除污去除母帶(11)表面的油污；b)去除氧化層采用噴砂(12)或其它機械處理方式去除母帶(11)上的氧化層；c)母帶加熱通過對母帶(11)的加熱工序(13)到其固相線溫度以下50～250℃之間，以進一步提高母帶與噴覆層(3)之間的結(jié)合力。4)母帶(11)通過助卷輥對母帶(11)進行張緊并繞過一只軋輥轉(zhuǎn)動，將母帶(11)輸送到二個水平放置的軋輥(4)和(41)之間；5)從霧化噴嘴(1)噴出的高速氣流將液態(tài)金屬破碎成細小的金屬顆粒(2)；6)金屬顆粒(2)隨高速氣流在運動的同時被逐漸冷卻，在半固態(tài)狀況下以較高的速度噴覆在經(jīng)表面處理和預熱的母帶(14)與另一個軋輥及側(cè)封機構圍成的區(qū)域內(nèi)形成噴覆層(3)；7)噴覆層(3)隨預熱的母帶(14)和軋制輥運動，通過二個逆向轉(zhuǎn)動的軋制輥(4)和(41)；8)將預熱的母帶(14)與噴覆層(3)組成的雙金屬進行軋制，形成良好結(jié)合的雙金屬薄板或帶(5)；9)再對雙金屬薄板或帶(5)進行后續(xù)熱處理(6)、軋制(7)、噴淋冷卻(8)，通過助卷(9)進入到卷取機(10)卷取成卷。10)通過上述步驟即可連續(xù)生產(chǎn)雙金屬薄板或帶(5)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種金屬霧化噴射連續(xù)生產(chǎn)雙金屬薄板、薄帶工藝及設備，屬于冶金領域。特點是噴嘴置于兩水平放置的軋輥上方，軋輥內(nèi)部可通水冷卻，軋輥輥縫隙上方的兩側(cè)面設有側(cè)封板。通過霧化噴嘴的高速惰性氣體氣流將液態(tài)金屬流碎化后，形成彌散的半凝固狀金屬顆粒，噴射到繞過其中一個軋輥的預拉緊的、經(jīng)過預處理的金屬母帶與另一個軋輥之間，利用高溫時母帶與沉積金屬顆粒的易結(jié)合性，使其能夠牢固地粘結(jié)在母帶上；在雙輥轉(zhuǎn)動軋制力的作用下，母帶與沉積金屬組成的雙金屬進一步結(jié)合，形成優(yōu)良的雙金屬薄板(帶)。本發(fā)明工藝流程短、設備結(jié)構緊湊；且噴覆后直接軋制、生產(chǎn)的雙金屬薄板(帶)具有高的結(jié)合強度；且軋制力小、能源消耗低等。
文檔編號B22D23/00GK1788890SQ200510132519
公開日2006年6月21日 申請日期2005年12月26日 優(yōu)先權日2005年12月26日
發(fā)明者張胤, 樊俊飛 申請人:內(nèi)蒙古科技大學