本發(fā)明屬于金屬層狀復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種金屬包覆材料固/液連鑄復(fù)合成形設(shè)備與工藝方法，適合于包覆層金屬熔點低于芯材金屬熔點的包覆材料制備。

背景技術(shù)：

金屬包覆材料兼有包覆層和芯材金屬的優(yōu)良性能，不僅可解決單一金屬材料無法滿足高強度、高耐磨、高導(dǎo)電、高耐蝕等綜合性能問題，還可減少短缺金屬的用量、減小材料的密度、降低生產(chǎn)成本等，在航天、石油、化工、交通運輸、建筑、電子、電力及家用電器等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。以鐵路貫通地線用復(fù)合線材為例，其芯材采用純銅絞線，包覆層采用厚度1mm以上的耐蝕銅合金，可使地線具有芯材優(yōu)良的導(dǎo)電性能和包覆層較高的強度和耐腐蝕性能。

目前，適合于大規(guī)模生產(chǎn)金屬包覆材料的制備方法主要有連鑄直接復(fù)合成形法、熱浸鍍法、反向凝固法等。連鑄直接復(fù)合成形法是將兩種金屬熔液同時注入復(fù)合結(jié)晶器內(nèi)，通過金屬熔液溫度和冷卻控制，使包覆層金屬在復(fù)合結(jié)晶器中首先凝固形成包覆層，然后芯材金屬液在已凝固成形的包覆層型腔內(nèi)與包覆層復(fù)合凝固，該方法制備的復(fù)合材料界面清潔、無氧化且達(dá)到良好的冶金結(jié)合狀態(tài)，并具有流程短、節(jié)能降耗和生產(chǎn)成本低等優(yōu)點[謝建新，劉新華，劉雪峰，蘇亞軍.一種包復(fù)材料水平連鑄直接復(fù)合成形設(shè)備與工藝.中國發(fā)明專利，申請?zhí)枺篫L200610112817.3，授權(quán)日：2008.04.2]，但只適合用于制備包覆層熔點高于芯材金屬熔點的復(fù)合材料。

熱浸鍍法是將經(jīng)過預(yù)熱的芯材通過牽引裝置連續(xù)浸入到包覆層金屬液中，使芯材與包覆層金屬之間通過熔合、擴散等方式形成冶金結(jié)合的界面擴散層，當(dāng)芯材從包覆層金屬液中出來時，附著于芯材表面的包覆層金屬經(jīng)冷卻凝固形成復(fù)合材料[王一新，黎立.一種帶鋼熱浸鍍鋅法.中國發(fā)明專利，申請?zhí)枺篊N201110247890.2，申請日：2011.08.26]。熱浸鍍法主要用于制備包覆層金屬熔點低于芯材、包覆層厚度較薄的復(fù)合材料，難以生產(chǎn)包覆層厚度達(dá)到毫米級的復(fù)合材料。

反向凝固法是將經(jīng)過預(yù)熱的芯材穿過包覆層金屬液，包覆層金屬液附在芯材金屬表面并在芯材金屬的冷卻作用下凝固形成一定厚度，然后通過軋輥對所形成的復(fù)合層進(jìn)行加工，獲得表面平整、形狀尺寸規(guī)整的復(fù)合材料。該方法可較好地解決包覆層金屬凝固過程中可能出現(xiàn)的疏松、縮孔等問題，所制備的復(fù)合材料具有包覆層致密以及復(fù)合界面達(dá)到冶金結(jié)合、結(jié)合強度高等優(yōu)點[李寶綿，許光明，崔建忠.反向凝固法生產(chǎn)H90-鋼-H90復(fù)合帶.中國有色金屬學(xué)報，2007，17(4):505-510]。反向凝固法包覆層的凝固不是在傳統(tǒng)連鑄水冷結(jié)晶器的作用下完成的，而是依靠經(jīng)過預(yù)熱處理后的芯材溫度低于包覆層金屬液的溫度，即在芯材的冷卻作用下從芯材外表面(界面)開始凝固而實現(xiàn)的(故稱反向凝固)，芯材與包覆層金屬液的復(fù)合溫度和界面反應(yīng)控制難度大，芯材容易被包覆層金屬液過度熔蝕或熔斷，芯材金屬元素易擴散進(jìn)入包覆層金屬液中造成污染，導(dǎo)致復(fù)合材料包覆層化學(xué)成分和厚度、界面結(jié)合質(zhì)量(如界面擴散層厚度、易生產(chǎn)金屬間化合物等)和表面質(zhì)量難以控制，不利于制備高質(zhì)量金屬包覆材料。因此，在反向凝固法的基礎(chǔ)上強化連鑄過程溫度場控制，以精確控制包覆層金屬的凝固過程及其與芯材復(fù)合界面的反應(yīng)，是解決上述問題的有效途徑。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明將反向凝固法和發(fā)明申請人等發(fā)明的熱冷組合鑄型復(fù)合連鑄法[謝建新，梅俊，劉新華，劉雪峰.一種白銅管材熱冷組合鑄型水平連鑄工藝與設(shè)備.中國發(fā)明專利，申請?zhí)枺篫L 201010501407.4，授權(quán)日：2012.06.27]相結(jié)合，提供一種金屬包覆材料固/液連鑄復(fù)合成形設(shè)備與工藝，通過精確控制包覆層金屬的連鑄凝固過程及包覆層與芯材復(fù)合界面的反應(yīng)，解決包覆層金屬與芯材發(fā)生過度熔合和擴散對包覆層質(zhì)量與界面結(jié)合狀態(tài)產(chǎn)生不利影響的問題，實現(xiàn)高質(zhì)量金屬包覆材料短流程、近終形、高效率、低成本連鑄成形，特別適合于包覆層金屬熔點低于芯材金屬熔點的雙金屬包覆材料固/液連鑄復(fù)合成形。

一種金屬包覆材料固/液連鑄復(fù)合成形設(shè)備，由熔化坩堝、坩堝加熱器、測溫儀、塞棒、導(dǎo)流管、芯材導(dǎo)向裝置、芯材保護(hù)裝置、復(fù)合裝置、鑄型、鑄型加熱器、水冷結(jié)晶器、二次冷卻裝置、牽引裝置組成，熔化坩堝、坩堝加熱器、測溫儀一和塞棒構(gòu)成包覆層金屬熔化系統(tǒng)；由導(dǎo)流管、芯材導(dǎo)向裝置、芯材保護(hù)裝置、復(fù)合裝置、測溫儀二、鑄型加熱器、鑄型、水冷結(jié)晶器、二次冷卻裝置和牽引裝置構(gòu)成連續(xù)鑄造復(fù)合系統(tǒng)；如圖1所示。熔化坩堝底部與復(fù)合裝置通過導(dǎo)流管相連接，塞棒安裝在導(dǎo)流管的上方，用于控制包覆層金屬液通過導(dǎo)流管進(jìn)入復(fù)合裝置和鑄型；坩堝中包覆層金屬液的溫度由加熱器和測溫儀一通過控溫系統(tǒng)進(jìn)行控制；芯材導(dǎo)向裝置、芯材保護(hù)裝置、復(fù)合裝置、鑄型、鑄型加熱器、水冷結(jié)晶器、二次冷卻裝置、牽引裝置沿牽引方向(鉛垂方向)依次配置；牽引裝置用于使芯材連續(xù)穿過芯材保護(hù)裝置進(jìn)入復(fù)合裝置和鑄型中，在鑄型內(nèi)與包覆層金屬連續(xù)復(fù)合后從鑄型拉出，獲得包覆材料；芯材導(dǎo)向裝置安裝在芯材保護(hù)裝置的上方，用于對芯材進(jìn)行對中和引導(dǎo)；向芯材保護(hù)裝置通入保護(hù)性氣體，可對通過其內(nèi)部的芯材起到防氧化作用；通過導(dǎo)流管進(jìn)入復(fù)合裝置和鑄型中的包覆層金屬液發(fā)生凝固并與芯材復(fù)合成一體；鑄型的上半部分在加熱器的作用下構(gòu)成鑄型的加熱段(熱型段)，鑄型的下半部分在水冷結(jié)晶器的作用下構(gòu)成鑄型的冷卻段(冷型段)，通過調(diào)節(jié)熱型段的加熱溫度和冷型段的冷卻強度，使流入鑄型的包覆層金屬液在熱型段和冷型段之間的位置與芯材復(fù)合，實現(xiàn)連續(xù)成形。通過控制包覆層金屬液與芯材的復(fù)合界面反應(yīng)，可避免兩者生成過厚的界面擴散層或金屬間化合物層，并獲得表面質(zhì)量良好和所需厚度的包覆層金屬，確保包覆層金屬厚度的均勻性；二次冷卻裝置安裝在水冷結(jié)晶器和牽引裝置之間，對包覆材料實現(xiàn)進(jìn)一步的冷卻，以防止包覆層金屬表面的氧化。

本發(fā)明的工藝過程為：采用熔化坩堝和坩堝加熱器將包覆層金屬熔化和保溫，當(dāng)包覆層金屬液達(dá)到目標(biāo)溫度后，啟動牽引裝置使芯材連續(xù)穿過芯材導(dǎo)向裝置、芯材保護(hù)裝置、復(fù)合裝置、鑄型、鑄型加熱器、水冷結(jié)晶器、二次冷卻裝置，然后啟動塞棒裝置將包覆層金屬液通過導(dǎo)流管注入復(fù)合裝置和鑄型中，通過調(diào)節(jié)熱型段的加熱溫度和冷型段的冷卻強度，使包覆層金屬液在鑄型的熱型段和冷型段之間的位置發(fā)生凝固并與芯材復(fù)合，形成表面質(zhì)量良好、包覆層厚度均勻和界面為冶金結(jié)合的雙金屬包覆材料；雙金屬包覆材料經(jīng)過二次冷卻裝置進(jìn)一步冷卻后，通過牽引裝置實現(xiàn)連鑄成形；連鑄過程中向芯材保護(hù)裝置中持續(xù)通入防氧化保護(hù)性氣體。

所述熔化坩堝可用中間包取代，以實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)；所述芯材保護(hù)裝置中可以通入惰性氣體(如氮氣、氬氣)或還原性氣體(如氫氣)；所述芯材可以是金屬線材(單根線、絞線等)、棒材、管材、板材或型材；所述的包覆層金屬與芯材金屬的組合可以為純金屬與純金屬、純金屬與合金、合金與合金組合；所述包覆層金屬液與芯材復(fù)合界面反應(yīng)控制，是通過鑄型加熱器的加熱溫度、水冷結(jié)晶器的冷卻強度和拉坯速度協(xié)同控制實現(xiàn)的；所述連鑄方法可以是上引式、下引式或水平式中的任何一種。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：

1、本發(fā)明的包覆層金屬液在復(fù)合裝置中在水冷結(jié)晶器和芯材的共同冷卻作用下快速凝固，包覆層金屬液與芯材的接觸時間短，可避免包覆層金屬液與芯材發(fā)生過度熔合和擴散反應(yīng)導(dǎo)致生成過厚的界面擴散層或金屬間化合物層，提高界面結(jié)合質(zhì)量；另外，在反向凝固的同時附加水冷結(jié)晶器冷卻，提高了復(fù)合過程的冷卻強度，有利于提高拉坯速度，提高生產(chǎn)效率。

2、在本發(fā)明設(shè)計的包覆層金屬熔化和復(fù)合連鑄系統(tǒng)中，熔化坩堝底部與復(fù)合裝置通過導(dǎo)流管相連接，坩堝中包覆層金屬液中的夾渣、氣體等上浮至金屬液表面易于被清除，潔凈的包覆層金屬液從坩堝底部通過導(dǎo)流管進(jìn)入復(fù)合裝置和鑄型中，從而保證了鑄型中包覆層金屬液的潔凈度，有利于提高復(fù)合材料包覆層金屬的質(zhì)量。

3、本發(fā)明在復(fù)合裝置中鑄型的上半部分設(shè)置加熱裝置(熱型段)，可實現(xiàn)對鑄型內(nèi)包覆層金屬溫度的獨立控制，鑄型的下半部分采用水冷結(jié)晶器進(jìn)行強制冷卻(冷型段)，主要有以下4個方面的作用：1)控制包覆層金屬的固液界面位置，使其位于熱型段和冷型段之間的區(qū)域內(nèi)，因而可采用長度較短的水冷結(jié)晶器，減小包覆層金屬凝殼長度和凝殼與鑄型之間的摩擦作用，改善包覆層金屬的表面質(zhì)量；2)鑄型加熱裝置可采用電磁感應(yīng)加熱方式，通過合理設(shè)計加熱線圈結(jié)構(gòu)、加熱電源的功率和頻率，實現(xiàn)“電磁軟接觸”約束成形，即產(chǎn)生電磁約束力以平衡包覆層金屬液的靜水壓力，減小包覆層金屬初生凝殼與鑄型間的摩擦，進(jìn)一步提高包覆層金屬的表面質(zhì)量，同時延長鑄型的使用壽命；3)控制包覆層金屬的固液界面形狀由芯材凸向液相，使包覆層金屬從芯材表面由內(nèi)向外進(jìn)行結(jié)晶和生長，有利于包覆層金屬凝固時向液相中排氣、排雜，提高復(fù)合材料包覆層金屬質(zhì)量；4)精確控制包覆層金屬液的溫度和包覆層與芯材的界面反應(yīng)，防止包覆層金屬液溫度等工藝參數(shù)波動對包覆材料復(fù)合界面、包覆層金屬厚度與表面質(zhì)量的不利影響，實現(xiàn)高質(zhì)量金屬包覆材料的高效、穩(wěn)定復(fù)合連鑄成形；

4、本發(fā)明控制包覆層金屬在鑄型內(nèi)壁和芯材表面構(gòu)成的型腔內(nèi)凝固，可以通過調(diào)整鑄型與芯材之間的間隙寬度，精確控制包覆層金屬厚度，包覆材料的包覆比調(diào)控簡單，產(chǎn)品規(guī)格范圍大。

5、本發(fā)明不僅具有設(shè)備簡單、流程短、近終形、生產(chǎn)效率高、節(jié)能降耗、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點，適合于生產(chǎn)包覆層金屬致密、厚度均勻、包覆比調(diào)控范圍大、表面質(zhì)量與界面質(zhì)量好的高性能金屬包覆材料。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明：

圖1為本發(fā)明的一種設(shè)備示意圖。其中，熔化坩堝1，包覆層金屬液2，坩堝加熱器3，測溫儀一4、測溫儀二11，塞棒5，導(dǎo)流管6，芯材7，芯材導(dǎo)向裝置8，芯材保護(hù)裝置9，復(fù)合裝置10，鑄型加熱器12，鑄型13，水冷結(jié)晶器14，二次冷卻裝置15，牽引裝置16，包覆材料17。

具體實施方式

圖1為本發(fā)明設(shè)備的一種具體實施方式。其設(shè)備由熔化坩堝(1)、坩堝加熱器(3)、測溫儀一(4)和塞棒(5)構(gòu)成包覆層金屬熔化系統(tǒng)；由導(dǎo)流管(6)、芯材導(dǎo)向裝置(8)、芯材保護(hù)裝置(9)、復(fù)合裝置(10)、測溫儀二(11)、鑄型加熱器(12)、鑄型(13)、水冷結(jié)晶器(14)、二次冷卻裝置(15)和牽引裝置(16)構(gòu)成連續(xù)鑄造復(fù)合系統(tǒng)。熔化坩堝(1)、塞棒(5)、導(dǎo)流管(6)、芯材保護(hù)裝置(9)可采用耐火材料、石墨、石英玻璃、陶瓷(含金屬陶瓷)、高溫合金、鋼、鐵等材料制成；坩堝加熱器(3)可采用電磁感應(yīng)加熱或電阻加熱，鑄型加熱器(12)采用電磁感應(yīng)加熱方式；測溫儀一(4)、測溫儀二(11)可采用紅外測溫或熱電偶測溫；水冷結(jié)晶器(14)可采用水冷金屬型、或水冷金屬型內(nèi)襯耐火材料、石墨、陶瓷(含金屬陶瓷)等材料制成；二次冷卻裝置(15)采用噴水、噴霧、吹風(fēng)、自然冷卻等方式。

實施例1：芯材為直徑12mm的低碳鋼棒、純銅包覆層厚度為1mm的銅包鋼復(fù)合棒材的制備。

采用加熱器(3)將熔化坩堝(1)中的純銅進(jìn)行熔化和保溫，當(dāng)純銅液(2)溫度達(dá)到1200℃時，啟動牽引裝置(16)將低碳鋼芯棒(7)連續(xù)穿過芯材導(dǎo)向裝置(8)、芯材保護(hù)裝置(9)、復(fù)合裝置(10)、鑄型(13)、鑄型加熱器(12)、水冷結(jié)晶器(14)、二次冷卻裝置(15)，然后啟動塞棒裝置(5)將純銅液(2)通過導(dǎo)流管(6)進(jìn)入復(fù)合裝置(10)和鑄型(13)中，使純銅液(2)與低碳鋼芯棒(7)在鑄型(13)內(nèi)進(jìn)行復(fù)合和凝固，形成銅包鋼復(fù)合棒材(17)；制備的復(fù)合棒材(17)經(jīng)過二次冷卻裝置(15)進(jìn)一步冷卻后，通過牽引裝置(16)實現(xiàn)連鑄成形；連鑄過程中向芯材保護(hù)裝置(9)中持續(xù)通入氮氣。在純銅液熔化溫度1200℃、鑄型加熱溫度1150℃、水冷結(jié)晶器水流量800L/h、二次冷卻裝置水流量200L/h、拉坯速度150mm/min的參數(shù)條件下，可制備出表面質(zhì)量良好、包覆層致密且厚度均勻和界面為冶金結(jié)合的芯材為直徑12mm低碳鋼棒、純銅包覆層厚度為1mm的銅包鋼復(fù)合棒材。

實施例2：芯材為直徑6.5mm的純銅絞線、包覆層為H68黃銅的外徑9mm黃銅包銅絞線復(fù)合線材的制備。

采用加熱器(3)將熔化坩堝(1)中的H68黃銅進(jìn)行熔化和保溫，當(dāng)H68黃銅液(2)溫度達(dá)到1020℃時，啟動牽引裝置(16)將直徑為6.5mm的銅絞線(7)連續(xù)穿過芯材導(dǎo)向裝置(8)、芯材保護(hù)裝置(9)、復(fù)合裝置(10)、鑄型(13)、鑄型加熱器(12)、水冷結(jié)晶器(14)、二次冷卻裝置(15)，然后啟動塞棒(5)裝置將H68黃銅液(2)通過導(dǎo)流管(6)進(jìn)入復(fù)合裝置(10)和鑄型(13)中，使H68黃銅液(2)與銅絞線(7)在鑄型(13)內(nèi)進(jìn)行復(fù)合和凝固，形成黃銅包銅絞線復(fù)合線材(17)；制備的復(fù)合線材(17)經(jīng)過二次冷卻裝置(15)進(jìn)一步冷卻后，通過牽引裝置(16)實現(xiàn)連鑄成形；連鑄過程中向芯材保護(hù)裝置(9)中持續(xù)通入氮氣。在H68黃銅液熔化溫度1020℃、鑄型加熱溫度1000℃、水冷結(jié)晶器水流量500L/h、二次冷卻裝置水流量200L/h、拉坯速度100mm/min的參數(shù)條件下，可制備出表面質(zhì)量良好、包覆層致密和界面為冶金結(jié)合的外徑9mm黃銅包銅絞線復(fù)合線材。

實施例3：芯材為直徑10mm的純銅棒、金包覆層厚度為0.5mm的金包銅復(fù)合棒材的制備。

采用加熱器(3)將熔化坩堝(1)中的純金進(jìn)行熔化和保溫，當(dāng)金液(2)溫度達(dá)到1150℃時，啟動牽引裝置(16)將純銅芯棒(7)連續(xù)穿過芯材導(dǎo)向裝置(8)、芯材保護(hù)裝置(9)、復(fù)合裝置(10)、鑄型(13)、鑄型加熱器(12)、水冷結(jié)晶器(14)、二次冷卻裝置(15)，然后啟動塞棒裝置(5)將金液(2)通過導(dǎo)流管(6)進(jìn)入復(fù)合裝置(10)和鑄型(13)中，使金液(2)與純銅芯棒(7)在鑄型(13)內(nèi)進(jìn)行復(fù)合和凝固，形成金包銅復(fù)合棒材(17)；制備的復(fù)合棒材(17)經(jīng)過二次冷卻裝置(15)進(jìn)一步冷卻后，通過牽引裝置(16)實現(xiàn)連鑄成形；連鑄過程中向芯材保護(hù)裝置(9)中持續(xù)通入氬氣。在金液熔化溫度1150℃、鑄型加熱溫度1100℃、水冷結(jié)晶器水流量500L/h、二次冷卻裝置水流量200L/h、拉坯速度100mm/min的參數(shù)條件下，可制備出表面質(zhì)量良好、金包覆層致密且厚度均勻和界面為冶金結(jié)合的芯材為直徑10mm純銅棒、金包覆層厚度為1mm的金包銅復(fù)合棒材。

實施例4：芯材為直徑8mm的純銅棒、銀包覆層厚度為0.6mm的銀包銅復(fù)合棒材的制備。

采用加熱器(3)將熔化坩堝(1)中的純銀進(jìn)行熔化和保溫，當(dāng)銀液(2)溫度達(dá)到1050℃時，啟動牽引裝置(16)將純銅芯棒(7)連續(xù)穿過芯材導(dǎo)向裝置(8)、芯材保護(hù)裝置(9)、復(fù)合裝置(10)、鑄型(13)、鑄型加熱器(12)、水冷結(jié)晶器(14)、二次冷卻裝置(15)，然后啟動塞棒裝置(5)將銀液(2)通過導(dǎo)流管(6)進(jìn)入復(fù)合裝置(10)和鑄型(13)中，使銀液(2)與純銅芯棒(7)在鑄型(13)內(nèi)進(jìn)行復(fù)合和凝固，形成銀包銅復(fù)合棒材(17)；制備的復(fù)合棒材(17)經(jīng)過二次冷卻裝置(15)進(jìn)一步冷卻后，通過牽引裝置(16)實現(xiàn)連鑄成形；連鑄過程中向芯材保護(hù)裝置(9)中持續(xù)通入氬氣。在銀液熔化溫度1050℃、鑄型加熱溫度1000℃、水冷結(jié)晶器水流量400L/h、二次冷卻裝置水流量200L/h、拉坯速度120mm/min的參數(shù)條件下，可制備出表面質(zhì)量良好、銀包覆層致密且厚度均勻和界面為冶金結(jié)合的芯材為直徑8mm純銅棒、銀包覆層厚度為0.6mm的銀包銅復(fù)合棒材。