铸造法制造金属层状复合材料工艺及设备制造技术

本发明专利技术公开了一种铸造法制造金属层状复合材料工艺及设备，通过安装在铸模或水冷结晶器外部的电磁感应加热器对被复合材料进行加热到３００－１２００℃后，将熔化好的液态电渣倒入铸模或水冷结晶器内，将电极插入对其进行加热，金属液通过顶注式或底注式浇入铸模或水冷结晶器内，浇注完毕后，感应加热器和电极继续进行加热３－２０分钟后在停止加热，即可以制造成各种几何形状的平面梯度层状复合材料、层合状复合材料和包覆形复合材料。使用该发明专利技术，简化了复合材料生产工序，实现了复合过程中各种工艺参数的动态调整，复合层界面易于控制，可以实现良好的冶金结合，且复合层材料的选择范围宽，生产效率高，工艺简单，成本低。

【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于层板状金属复合材料，
主要涉及的是一种铸造法制造金属层状复合 材料工艺及设备。
技术介绍
层板状金属复合材料是利用各种复合技术使两种或两种以上物理、化学、力学性能不同 的金属材料进行分层组合使其在界面上实现牢固的冶金结合而制备成的各种双层或多层梯度 层状复合材料、层板状复合材料和包覆型层状复合材料，所制备的复合材料尽管各层金属仍 然保持各自原有特性，但其物理、化学、力学性能比单一金属材料优越得多，使材料的不同 部位具有不同的性能，从而克服不同金属材料的各自缺点，发挥各自的优点，使材料具有特 殊的性能，以适用和满足各种不同工况的使用要求。文献《铸造》杂志(2005年第二期第103 一107页)中报导了《双金属复合复层材料制备现状及研究进展》，报导中共开了几种双金属 复层材料制备技术，即轧制复合法、爆炸焊接复合法、喷射沉积复合法、铸造复合法等复合 技术，其中轧制复合法是将金属板的表面通过清理处理后装配在一起，通过大压下量的轧制 变形，使两层金属的待复合表面发生塑性变形，使表面金属层破裂，使清净而活化的金属层 从破裂的金属表面露出，在强大压力作用下，形成平面状的冶金结合。在后续的低温长时间 的扩散退火处理后，获得理想的复合界面结构，形成稳固结合。但是由于轧制复合过程中没 有充分的扩散和化学反应，因此复合界面的过度层结构在很大程度上并未完全实现，结合强 度仍然存在缺憾。该工艺且仅适用于制备金属薄板产品的复合。爆炸复合法是借助爆炸产生的高强化学能驱动复合板高速碰撞基板，碰撞点产生的瞬间 高压在露出新鲜金属表面上形成一薄层，具有塑性变形、熔化、扩散以及波形特征的焊接过 渡区，从而实现强固结合的金属焊接复合。爆炸复合法虽然可以适合制备单张面积较大、较 厚的复合板材或复合板坯、多层复合板的生产，但是爆炸复合法机械化程度低，劳动条件差， 且具有一定的危险性，制备双金属变形较大，不平整，生产成本高。喷射沉积复合法是将金属液体通过惰性气体的高压气流雾化成颗粒后喷射沉积到金属基 体上，从而形成双金属复合材料，所制备的材料成分均匀组织细小，可以灵活的生产不同厚 度的复合产品，但是雾化喷射沉积过程较复杂，且复合层材料的致密度差，生产成本高，设 备复杂，技术难度大，目前仅在有色金属上有所应用，在黑色金属上的应用较少。铸造复合法是将两种或两种以上的金属材料通过铸造的方法使其复合成一体。该工艺与 上述各种复合工艺相比具有投资小，复合工艺简单，生产成本低，适用范围广之特点。该文 献中介绍了一种复合钢的制造方法，即将被复合材料通过表面处理后，涂上一定量的防止氧 化作用的涂料并使之干燥，然后将其放置在铸型内，用底铸法将复合金属液浇注到型内，使 其包覆于被复合金属材料。此方法对工艺参数的要求比较高，如果浇注金属的温度高，则被 复合材料的下部的熔损大，如果注入的速度过快或过慢将会增加界面上的夹渣，且每次只能 浇注一件产品，生产效率低。该工艺由于被复合材料不进行预热，因而只能制备复合比大于 8.0以上的产品，文献中同时还介绍了使用芯材的复合法，用以生产包覆层双金属复合材料。 但是由于芯材铸造复合法仍然没有解决界面问题，致使复合材料外层凝固时，气体和杂质易 富集于界面，从而影响了产品质量，且工艺复杂，技术难度大，生产成本高，适用范围窄， 仅适用于制备包覆层复合材料，而不适用于制备梯度层状金属复合材料、层板状金属复合材 料。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对目前已有技术的不足，提供一种工艺简便，适用产品范围广， 生产设备简单，产品性能好，成本低，投资小的铸造法制造金属层状复合材料工艺及设备。解决其技术问题的设备方案是该设备有一设备底座，在设备底座的旁边安装有电渣炉 和电极把持器，在设备底座的上面安装有铸模或带有进出水管的水冷结晶器，在铸模或水冷 结晶器的外部安装有电磁感应加热器，在铸模或水冷结晶器的上部或侧面安装有浇注漏斗和 浇注流道槽，在铸模或水冷结晶器的底部安装有底板或底水箱，水冷结晶器和底水箱分别安 装有进水管和出水管，在设备底座或铸模或水冷结晶器上安装有超声波或机械振动装置，被 复合材料安装在底板或底水箱和工作台上。在上述设备的外部还连接有真空罩，在真空罩上连接有惰性气体罐，在惰性气体罐与真 空罩的中间连接有充气控制阀，真空罩通过管道与真空泵连接，在真空罩与真空泵中间连接 有控制阀。解决其技术问题采用的工艺技术方案是首先将一个铸模或水冷结晶器独立的或多个铸 模或水冷结晶器的组合体呈方形、长方形、矩形、圆形等布置方式安装在设备底座上，在铸 模或水冷结晶器的外部安装有电磁感应加热器，将1个或多个被复合材料进行表面清洁处理 后，在其表面涂覆一层含有硼砂等碱金属氧化物、氯化物、融盐所组成的防氧化涂料，经干 燥后按照复合工艺要求固定在铸模或水冷结晶器内所需复合尺寸的底部、侧面或中间位置， 或将1个或多个被复合金属材料在铸模或水冷结晶器的中间根据需要而被间隔一定的尺寸布 置在铸模或水冷结晶器内，将所需复合的金属材料熔炼后倒入浇注包内，启动安装在铸模或 水冷结晶器外部的电磁感应加热器对铸模或水冷结晶器内的被复合材料进行表面加热，待加热到300—1200'C的温度后，将熔化好的液态电渣倒入铸模或水冷结晶器内，将非自耗电极 或自耗电极插入铸模或水冷结晶器内，启动电渣炉电源K，对所浇入的液态电渣进行加热， 或将低熔点或自发热保护渣放入铸模内，使其在复合金属液的高温下熔化成液态，从而对复 合金属进行保护，以防止复合金属的氧化。将复合金属液通过顶注式或底注式浇入铸模或水 冷结晶器内，同时将电极向上逐步提升，启动超声波或机械振动处理设备对所浇入的金属液 进行振动处理，以细化和改善结晶组织，金属液浇注完毕后，电磁感应加热器和电极继续进 行加热3—20分钟后在停止加热，以利于金属液的流动补缩，当采用多模布置时，其浇注方 式可以采用浇注漏斗通过多流流道槽以顶注式或底注式的方式进行分流浇注，也可以采用单 模逐个分别浇注，从而实现一个或多个复合体的复合，待金属凝固后，打开铸模或水冷结晶 器将复合好的产品取出后，按所需热处理工艺进行热处理，如需要制造多种不同成分的多层 层状复合材料时，通过反复重复上述工艺即可实现多种不同材料的多层层状复合。通过改变 铸模或水冷结晶器的形状即可以制造成各种几何形状的平面梯度层状复合材料和平面梯度多 层层状复合材料，如破碎机复合锤头、复合板锤等产品，层合状复合材料，如鄂板、衬板、 各种双金属层状复合板材和多层层合状金属复合板材、矩形复合材料，包覆形辊轴类复合材 料和包覆形管材复合材料等各种形式的层状金属复合材料和产品。在复合过程中启动真空泵对安装在真空保护罩内的复合设备进行抽真空，使设备处在真 空状态下工作；或者在设备抽真空后打开阀门，向真空保护罩内的设备充入惰性气体，使其 在低压惰性气体保护状态下或真空状态下进行浇注复合生产，重复上述工艺，即可制造出上 述各种金属层状复合材料。水冷结晶器内的熔渣为一元或多元物质所组成的渣系，其物质为CaF2 、 A1A、 CaO、 Ti02 、 MnO、 Si02、 RE、 RexOy、 Na2B 407、 Na20、 SiCa、 K20、 Al等，低熔点或自发热保护渣由CaO、 Si02、 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铸造法制造金属层状复合材料工艺，其特征是：首先将一个铸模或水冷结晶器独立的或多个铸模或水冷结晶器的组合体呈方形、长方形、矩形、圆形等布置方式安装在设备底座上，在设备底座的旁边安装有电渣炉，在铸模或水冷结晶器的外部安装有电磁感应加热器，将１个或多个被复合材料进行表面清洁处理后，在其表面涂覆一层含有硼砂等碱金属氧化物、氯化物、融盐所组成的防氧化涂料，经干燥后按照复合工艺要求固定在铸模或水冷结晶器内所需复合尺寸的底部、侧面或中间位置，或将１个或多个被复合金属材料在铸模或水冷结晶器内根据需要而被间隔一定的尺寸布置在铸模或水冷结晶器内，将所需复合的金属材料熔炼后倒入浇注包内，启动安装在铸模或水冷结晶器外部的电磁感应加热器对铸模或水冷结晶器内的被复合材料进行表面加热，待加热到３００－１２００℃的温度后，将熔化好的液态电渣倒入铸模或水冷结晶器内，将非自耗电极或自耗电极插入铸模或水冷结晶器内，启动电渣炉电源Ｋ，对所浇入的液态电渣进行加热，将复合金属液通过顶注式或底注式浇入铸模或水冷结晶器内，同时将电极向上逐步提升，启动超声波或机械振动处理设备对所浇入的金属液进行振动处理，以细化和改善结晶组织，金属液浇注完毕后，电磁感应加热器和电极继续进行加热３－２０分钟后在停止加热，以利于金属液的流动补缩，当采用多模布置时，其浇注方式可以采用浇注漏斗通过多流流道槽以顶注式或底注式的方式进行分流浇注，也可以采用单模逐个分别浇注，从而实现一个或多个复合体的复合，如需要制造多种不同成分的多层层状复合材料时，通过反复重复上述工艺即可实现多种不同材料的多层层状复合。通过改变铸模或水冷结晶器的形状即可以制造成各种几何形状的平面梯度层状复合材料和平面梯度多层层状复合材料，如破碎机复合锤头、复合板锤等产品，层合状复合材料，如鄂板、衬板、各种双金属层状复合板材和多层层合状金属复合板材、矩形复合材料，包覆形辊轴类复合材料和包覆形空心管材复合材料。...

【技术特征摘要】
1、一种铸造法制造金属层状复合材料工艺，其特征是首先将一个铸模或水冷结晶器独立的或多个铸模或水冷结晶器的组合体呈方形、长方形、矩形、圆形等布置方式安装在设备底座上，在设备底座的旁边安装有电渣炉，在铸模或水冷结晶器的外部安装有电磁感应加热器，将1个或多个被复合材料进行表面清洁处理后，在其表面涂覆一层含有硼砂等碱金属氧化物、氯化物、融盐所组成的防氧化涂料，经干燥后按照复合工艺要求固定在铸模或水冷结晶器内所需复合尺寸的底部、侧面或中间位置，或将1个或多个被复合金属材料在铸模或水冷结晶器内根据需要而被间隔一定的尺寸布置在铸模或水冷结晶器内，将所需复合的金属材料熔炼后倒入浇注包内，启动安装在铸模或水冷结晶器外部的电磁感应加热器对铸模或水冷结晶器内的被复合材料进行表面加热，待加热到300-1200℃的温度后，将熔化好的液态电渣倒入铸模或水冷结晶器内，将非自耗电极或自耗电极插入铸模或水冷结晶器内，启动电渣炉电源K，对所浇入的液态电渣进行加热，将复合金属液通过顶注式或底注式浇入铸模或水冷结晶器内，同时将电极向上逐步提升，启动超声波或机械振动处理设备对所浇入的金属液进行振动处理，以细化和改善结晶组织，金属液浇注完毕后，电磁感应加热器和电极继续进行加热3-20分钟后在停止加热，以利于金属液的流动补缩，当采用多模布置时，其浇注方式可以采用浇注漏斗通过多流流道槽以顶注式或底注式的方式进行分流浇注，也可以采用单模逐个分别浇注，从而实现一个或多个复合体的复合，如需要制造多种不同成分的多层层状复合材料时，通过反复重复上述工艺即可实现多种不同材料的多层层状复合。通过改变铸模或水冷结晶器的形状即可以制造成各种几何形状的平面梯度层状复合材料和平面梯度多层层状复合材料，如破碎机复合锤头、复合板锤等产品，层合状复合材料，如鄂板、衬板、各种双金属层状复合板材和多层层合状金属复合板材、矩形复合材料，包覆形辊轴类复合材料和包覆形空心管材复合材料。2、 一种铸造法制造金属层状复合材料工艺，其特征是在复合过程中启动真空泵对安装 在真空保护罩内的复合设备进行抽真空，使设备处在真空状态下工作；或者在设备抽真空后 打开阀门，向真空保护罩内的设备充入惰性气体，使其在低压惰性气体保护状态下或真空状 态下进行浇注复合生产，重复上述工艺，即可制造出上述各种金属层状复合材料。3、 根据权利要求1所述的铸造法制造金属层状复合材料工艺，其特征是将由CaO、 Si02、 Al必等的氧化物和Na2C03、 CaF2、 NaCl、 NaF等碱金属或碱土金属或氟化物等及一定剂量的的 铝粉、硅钙粉发热剂和硝酸钾、氧化钠等氧化剂等组成的低熔点或自发热保护渣28放入铸模 26内，启动安装在铸模26外部的电磁感应加热器6对被复合的金属材料9进行加热，待加 热到300—1200。C的温度后，将钢水包4内的复合金属液5倒入浇注漏斗25内，通过浇注漏 斗25将复合金属液5浇入铸模26，低熔点或自发热保护渣28在复合金属液5的高温下熔化 成液态，从而对复合金属12进行保护，以防止复合金属的氧化，浇注完毕后，电磁感应加热 器6继续进行加热3—20分钟后在停止加热，以利于金属液的流动补縮，待复合金属12凝固 后，...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁家伟，丁刚，
申请(专利权)人：丁家伟，丁刚，
类型：发明
国别省市：32[]