專利名稱：一種復層金屬鑄錠的半連續(xù)鑄造裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于金屬材料制備領域，特別涉及到復層金屬鑄錠的連續(xù)鑄造裝置。
背景技術：
復層金屬材料是利用復合技術使兩種或兩種以上的物理、化學、力學性能不同的金屬在界面上實現(xiàn)牢固結合而制備的一種新型復合材料，在保持母材金屬特性的同時具有"互補效應"，可以彌補各自的不足，被廣泛地應用于汽車、艦船、航空航天、石油化工、電子和核工業(yè)等領域。
目前制備雙金屬材料的方法有多種。 一般常用機械或化學的方法將不同性能的金屬材料以固_固或固_液的形式復合在一起，如軋制復合、爆炸復合、固-液包熔復合等。[0004] 1、軋制復合法 在一定的壓縮變形量下，經過表面處理的兩種金屬表面相互嵌合，露出的新鮮金屬原子之間形成原子鍵。在這兩種機制的共同作用下使兩種金屬結合在一起。軋制復合分為熱軋復合和冷軋復合。其優(yōu)點是可制備薄的復層板帶，易于實現(xiàn)工業(yè)化生產，而且沒有采用電鍍和物理化學方法時存在的環(huán)境污染問題，但是由于軋制過程中擴散和化學反應進行的不充分，未完全在復合界面形成過渡結構，因此結合強度不理想[0006] 2、爆炸焊接法 是指將兩種固體金屬板材用爆破的方法熔合到一起，得到性能不同的兩側面的復層材料。該方法制備的復層材料存在固_固界面，生產效率低、不能生產大型的板材、勞動條件差，而且具有一定的危險性。 3、包覆鑄造成形法 將預先制備好的經過表面處理的高熔點金屬件作為芯材置于鑄型內，預熱到合適的溫度后澆入熔點較低的金屬，通過兩者的擴散熔合形成整體鑄件。其典型代表是用于生產復層軋輥的連續(xù)澆鑄包覆法。這種方法生產工藝簡單，得到的軋輥性能良好，生產成本低，但是包覆鑄造成形法主要用于生產線材，且要求對預制件進行嚴格的表面處理，難以解決界面問題。即，外層凝固時，氣體和雜質易于富集在界面。[0010] 4、雙流連續(xù)鑄造法 1998年，張文衛(wèi)等在金屬學報上發(fā)表的論文"以連續(xù)鑄造法制備梯度材料的實驗研究"中闡述了雙流澆注連鑄工藝的基本原理在傳統(tǒng)的連續(xù)鑄造基礎上增加一個內澆包及其導流系統(tǒng)，內外澆包分別容納不同成分的兩種熔體，流經外澆包的金屬液經出水口后直接進入結晶器中，受激冷而首先凝固成具有一定厚度的薄殼，當內澆包的熔體脫離內導管時則被凝固薄殼和富含籽晶和熔斷枝晶的殘余外部金屬液包圍。通過調整鑄造時的工藝參數(shù)，可以控制內外澆包中兩種液體的凝固時間差，促進結晶器內熔體由外向內順序凝固，實現(xiàn)兩種液體的部分混合，形成合理厚度的中間結合層，從而得到梯度復合材料。該方法內外層合金液之間發(fā)生混合，得到的是梯度復合材料，沒有清晰的過渡層，且主要用來生產圓錠。[0012] 上述的制備方法生產的復層金屬材料在隨后的軋制和機械加工過程中，由于應力 集中，很容易在界面處出現(xiàn)裂紋，導致材料失效。 1999年公開的專利98101042. 3應用了雙結晶器連鑄工藝的基本原理，該專利提 出由2 4個水冷結晶器、1 3個氧化防護套、1 3個熔池感應加熱器、紅外測溫與溫度 控制儀、引錠機組成，各結晶器沿引錠方向配置于同一軸線上。該發(fā)明的優(yōu)點為多層復合材 料可以一次鑄造成形，實現(xiàn)短流程復合，獲得各層之間的界面無氧化皮、油污夾雜的高質量 的復合材料。但是，該方法主要用來生產圓錠，不宜用來生產板坯且只適合心部金屬熔點 高，外層金屬熔點低的情況。 2002年公開的專利01109076. 6中提出了充芯連鑄的方法，該方法的主要特征是 采用上下兩個坩鍋，使心部金屬與外層金屬分別在上下兩個坩鍋中熔化；由導流管和結晶 器共同構成連鑄鑄管的鑄型，外層金屬液在其中凝固形成鑄管；下拉外層金屬鑄管的同時， 心部金屬液隨之充入鑄管中，在一定的拉速和溫度下，實現(xiàn)心部金屬的凝固及其與外部金 屬的復合，該方法主要用來鑄造復層圓錠且只適合于心部金屬熔點低，外層金屬熔點高的 情況。 1998年公開的JP平1-271042專利提出在結晶器底部施加直流電磁場的方法。兩 種不同成分的液態(tài)金屬同時通過一長一短兩個浸入式水口進入結晶器，借助位于結晶器下 面的水平磁場的作用，產生與上部金屬液重力相等的洛侖茲力，使結晶器內形成上、下兩個 區(qū)域，在連鑄過程中，上部區(qū)域中的金屬液形成外層金屬，而下部區(qū)域的金屬液進入芯部成 為內層金屬。 2003年公開的CN1413782A專利提出在水冷結晶器外側施加直流電磁場的方法。
該方法的特征是同時向連鑄結晶器內澆注兩種不同成分的金屬液，在水冷結晶器外側施加
直流電磁場降低浸入式澆口流出的金屬液的流速，從而抑制兩種金屬液間的混流，直接連
續(xù)鑄造出左右兩側面具有不同成分的復層鑄錠。該方法工藝過程簡單，顯著降低了復層材
料的生產成本；由于兩種金屬液是直接鑄造形成復層材料，不存在一般復層材料的界面問
題，所以制備的鑄件質量好。但是，該方法只適合生產左右分層的復合鑄錠。 2005年公開的US2005011630-A1專利提出在水冷結晶器內設置隔板，將水冷結晶
器的內腔分隔成兩個單獨的空腔，第一種金屬液由浸入式水口澆鑄到隔板形成的空腔，表
面形成薄殼后，進入水冷結晶器形成的、液面更低的第二種金屬液的熔池內，第二種金屬液
也是通過浸入式水口澆鑄的，兩者相互結合形成復層鑄錠。但是，該技術要求精確控制第二
種合金液在結晶器內的液面高度，使其不能接觸到隔板底端。而且采用浸入式澆口澆注合
金液可能會對半固態(tài)凝殼造成沖擊使其破裂，導致芯層和表層合金液混流。

實用新型內容本實用新型要提供一種復層金屬鑄錠的半連續(xù)鑄造裝置，用該裝置生產出的復層 鑄錠左右或內外層成分和性能不同，界面清晰、平直，具有牢固的冶金結合，鑄錠表面光潔。 本實用新型的技術方案如下 在石墨內襯結晶器正上方放置內設雨淋式澆注口和的熱頂。在石墨內襯結晶器的 空腔內插入形核裝置，該形核裝置一側具有冷卻功能、與芯層金屬熔體接觸，其冷卻強度可 以通過調節(jié)流入、流出管道的冷卻介質的流量來控制，另一側和底面為與表層金屬熔體接觸由絕熱材料制成的保溫層。在石墨內襯結晶器外側安裝穩(wěn)恒磁場發(fā)生裝置。鑄造過程中芯層金屬熔體和表層金屬熔體通過各自的雨淋式澆注口澆注到石墨內襯結晶器內，并由形核裝置隔開，形核裝置在芯層金屬熔體的局部區(qū)域形核、并形成一個含有一定固相比率的低溫帶，阻止芯層金屬熔體和表層金屬熔體之間的混流，固相的比率可通過改變形核裝置的冷卻強度調整。同時，穩(wěn)恒磁場發(fā)生裝置產生的磁場能夠對流動的芯層和表層金屬熔體產生電磁制動力，以阻止它們對低溫帶的沖擊，避免芯層金屬熔體和表層金屬熔體之間的混流，兩種合金凝固后便形成可靠的冶金結合。底模以一定速度連續(xù)下拉鑄造出界面清晰，表面光潔，內外層性能不同的復層鑄錠。 本實用新型具有以下優(yōu)點和效果鑄造平穩(wěn)，容易操作，同時澆注兩種金屬熔體直接連續(xù)鑄造出二層或三層復層鑄錠，復合界面具有良好的冶金結合而且清晰、平直。鑄錠各層的厚度比例任意可調，可以生產大規(guī)格的鑄錠，顯著降低了復層材料的生產成本，易于實現(xiàn)大批量連續(xù)生產。

圖1是芯層合金熔點高、表層合金熔點低時，復層金屬鑄錠電磁連續(xù)鑄造示意圖。[0023] 圖2是芯層合金熔點低、表層合金熔點高時，復層金屬鑄錠電磁連續(xù)鑄造示意圖。[0024] 圖3是二層復層鑄坯的鑄造時，復層金屬鑄錠電磁連續(xù)鑄造示意圖。[0025] 圖中1形核裝置，2保溫層，3冷卻介質，4冷卻介質流入、流出管道，5雨淋式澆注口 I， 6雨淋式澆注口 II， 7熱頂，8石墨內襯結晶器，9穩(wěn)恒磁場發(fā)生裝置，10芯層金屬熔體，11表層金屬熔體，12含有一定固相比率的低溫帶，14復層鑄坯復合界面，15底模。
具體實施方式以下結合技術方案和附圖詳細敘述本實用新型的具體實施例。[0027] 實施例1 :芯層合金熔點高，表層合金熔點低，參看圖1。 石墨內襯結晶器8的斷面尺寸為400mmX125mm。插入兩個形核裝置1于石墨內忖結晶器8內，形成三個單獨的空腔。3003鋁合金為芯層金屬熔體10，4004鋁合金表層金屬熔體11 ，分別通過雨淋式澆注口 5和6澆注到石墨內襯結晶器8的三個空腔中，澆注溫度分別為73(TC和68(TC，水為冷卻介質3。接通穩(wěn)恒磁場發(fā)生器9，調整至產生180mT的直流磁場，以85mm/min的速度牽引底模15，當鑄造出的復層鑄錠13達到要求長度時，停止?jié)沧⒑辖鹑垠w，停止鑄機，關閉冷卻系統(tǒng)，切斷電源。獲得的鑄錠的復合界面14處無氣孔、氧化和夾雜等，具有良好的冶金結合且清晰、平直，鑄錠表面光潔。[0029] 實施例2 :芯層合金熔點低，表層合金熔點高，參看圖2。 石墨內襯結晶器8的斷面尺寸為400mmX125mm。插入兩個形核裝置1于石墨內襯結晶器8內，形成三個單獨的空腔。AZ61A鎂合金為芯層金熔體10， A356鋁合金表層金屬熔體11 ，分別通過雨淋式澆注口 5和6澆注到石墨內襯結晶器8的三個空腔中，澆注溫度分別為62(TC和66(TC，機油為冷卻介質3。接通穩(wěn)恒磁場發(fā)生器9，調整至產生180mT的直流磁場，以85mm/min的速度牽引底模15，當鑄造出的復層鑄錠13達到要求長度時，停止?jié)沧⒑辖鹑垠w，停止鑄機，關閉冷卻系統(tǒng)，切斷電源。獲得的鑄錠的復合界面14處無氣孔、氧化和夾雜等，具有良好的冶金結合且清晰、平直，鑄錠表面光潔。[0031] 實施例3 :二層復層鑄坯的鑄造，參看圖3。 石墨內襯結晶器8的斷面尺寸為400mmX125mm。插入一個形核裝置1于石墨內襯 結晶器8內，形成二個單獨的空腔。3003鋁合金10和4004鋁合金11分別通過雨淋式澆注 口 5和6澆注到石墨內襯結晶器8的三個空腔中，澆注溫度分別為73(TC和68(TC，水為冷 卻介質3。接通穩(wěn)恒磁場發(fā)生器9，調整至產生180mT的直流磁場，以85mm/min的速度牽引 底模15，當鑄造出的復層鑄錠13達到要求長度時，停止?jié)沧⒑辖鹑垠w，停止鑄機，關閉冷卻 系統(tǒng)，切斷電源。獲得的鑄錠的復合界面14處無氣孔、氧化和夾雜等，具有良好的冶金結合 且清晰、平直，鑄錠表面光潔。
權利要求一種復層金屬鑄錠的半連續(xù)鑄造裝置，其特征是在石墨內襯結晶器(8)正上方放置內設雨淋式澆注口I(5)和雨淋式澆注口II(6)的熱頂(7)；在石墨內襯結晶器(8)的空腔內插入形核裝置(1)；在石墨內襯結晶器(8)外側安裝穩(wěn)恒磁場發(fā)生裝置(9)。
2. 根據權利要求1所述的一種復層金屬鑄錠的半連續(xù)鑄造裝置，其特征在于該形核 裝置一側由具有冷卻功能的金屬制成，另一側和底面由絕熱材料制成的保溫層(2)。
3. 根據權利要求1所述的一種復層金屬鑄錠的半連續(xù)鑄造裝置，其特征在于形核裝 置(1)的冷卻強度通過調節(jié)流入、流出管道(4)的冷卻介質(3)的流量來控制，冷卻介質是 水或機油。
專利摘要一種復層金屬鑄錠的半連續(xù)鑄造裝置，屬于金屬材料制備領域。在石墨內襯結晶器正上方放置內設雨淋式澆注口的熱頂；在石墨內襯結晶器的空腔內插入形核裝置；在石墨內襯結晶器外側安裝穩(wěn)恒磁場發(fā)生裝置。用該裝置生產出的復層鑄錠左右或內外層成分和性能不同，界面清晰、平直，具有牢固的冶金結合，鑄錠表面光潔。本實用新型同時澆注兩種金屬熔體直接連續(xù)鑄造出二層或三層復層鑄錠，復合界面具有良好的冶金結合而且清晰、平直，顯著降低了復層材料的生產成本，易于實現(xiàn)大批量連續(xù)生產。在汽車、艦船、航空航天、石油化工、電子、核工業(yè)等領域有廣闊的應用前景。
文檔編號B22D11/00GK201534212SQ20092031139
公開日2010年7月28日 申請日期2009年9月25日 優(yōu)先權日2009年9月25日
發(fā)明者孫建波, 孫敏, 曹志強, 李廷舉, 王同敏 申請人:大連理工大學