材料加工新技術與新工藝7復合鑄造

概述

7 復合鑄造合、鑄造復合等方法。復合鑄造是指將兩種或兩種以上具有不同性能的金屬材料鑄造成為一個完整的鑄件鑄件的不同部位具有不同的性能，以滿足使用的要求。通常是一種合金具有較高的力學性能，而另一種或幾種合金則具有抗磨、耐蝕、耐熱等特別使用性能。常見的復合鑄造工藝有鑲鑄工藝、重力復合鑄造工藝、離心復合鑄造工藝。兼有兩種或多種特性的雙(多)金屬鑄件。目前用鑲鑄工藝生產(chǎn)的鑄件有：高壓閥門、高壓柱塞泵等耐磨耐蝕耐熱關鍵性金屬零部件、硬質(zhì)合金導衛(wèi)板等。生產(chǎn)的鑄件有：挖掘機斗齒、雙金屬錘頭、保險柜材料等。旋轉的模筒內(nèi)，獲得復合鑄件的工藝。離心復合鑄造生產(chǎn)的鑄件有：軋輥輥環(huán)，陶瓷內(nèi)襯復合鑄鐵管等。復合鑄造鑄件的質(zhì)量除取決于鑄造合金本身的性能外，更主要地取決于兩種合金材料互集中、相互熔融形成一層成分與組織介于兩種金屬之間的過渡合金層，一般厚度為40～60mm。掌握各工藝因素以獲得抱負的過渡層的成分、組織、性能和厚度，是制造優(yōu)質(zhì)復合鑄造鑄件的技術關鍵。(LMF)、包覆層連續(xù)鑄造法(CPC)、電渣包覆鑄造法(ESSLM)、反向凝固連鑄復合法、復合線材鑄拉法、雙流連鑄梯度復合法、雙結晶器連鑄法、充芯連鑄法(CFC法)等復合鑄造技術和工藝。水平磁場制動復合連鑄法(LMF)LMF可以抑制結晶器內(nèi)化學成分的混合程度，導致了一種的復合鋼坯連鑄工藝概念的形成，即水平磁場制動復合連鑄工藝。在這種工藝中，結晶器中的不同鋼液通過水平磁場的作用實現(xiàn)分別，并且凝固成復合鋼坯。用LMF可以抑制結晶器內(nèi)化學成分的混合程度，導致了一種的復合鋼坯連鑄工藝概念的形成，即水平磁場制動復合連鑄工藝。在這種工藝中，結晶器中的不同鋼液通過水平磁場的作用實現(xiàn)分別，并且凝固成復合鋼坯。用LMF方法生產(chǎn)復合鋼坯的連鑄7-l所示。7-1中水平磁場安裝在結晶器的下部，兩種不同化學成分的金屬液分別通過長型和短型的浸入式澆口同時注入然承受水冷銅結晶器和出結晶器后噴水冷卻兩種方式復合鋼坯的外層，位于結晶器下部的鋼液凝固成復合鋼坯的芯部。此工藝過程中關鍵技術是：水平磁場的作用強度；兩種金屬的澆注速度的正確掌握。8m170mm厚，800mm寬，900mm長，水平磁場的中部位于從結晶器的頂部向下690mm處，水平磁場的最大強度為0.8T。峰值的80％；在寬度方向上的磁場強度幾乎是一樣的。水平磁場的強度是指磁場中間的強度。兩個澆包都裝置了鋼液重量偏差在1kg范圍內(nèi)的負載測試儀，以使作為芯材和外層鋼液的澆注速度可得到準確測量和掌握。爐中熔化，然后注人不同的澆包，并且連續(xù)澆人結晶器。拉速為0.8～1.2m/min，磁場強度0～08T。上、下兩局部金屬液的邊界位置定位在距結晶器頂部750～810mm的地方。x射線微觀對復合鋼坯中的Ni濃度沿厚度方向上的變化進展測定的結果說明Ni的濃度大致等同于相應中間包內(nèi)的濃度。部與外層之間有厚度為l～2mm的化學成分連續(xù)變化的過渡層。包覆層連續(xù)鑄造法(CPC)ProcessforCladding)合性能好，生產(chǎn)本錢低。CPC7-2所示。將軋輥輥芯材料l垂直地放于水8進入結晶器金屬的冷卻強度ProcessforCladding)合性能好，生產(chǎn)本錢低。CPC7-2所示。將軋輥輥芯材料l垂直地放于水8進入結晶器金屬的冷卻強度結晶器同軸心的石墨7金屬液4澆注到配置在結晶器和澆口杯6和輥芯材料之間，使外層金屬液凝固局部連續(xù)向下拉拔9，為了實現(xiàn)輥芯金屬和外層金屬的冶金結合置感應加熱線圈5。為了實現(xiàn)輥芯金屬和外層金屬的良好復合，需要預熱輥芯材料，防止輥芯材料進入外層金屬液時的溫度太低，因此在輥芯材料的外面設置感應熱線圈3。為了防止材料的外面涂一層2。CPC法的關鍵技術包括以下兩個方面：溫度的正確設定、匹配與掌握；輥芯防氧化。的不同高度位置上和時間下l～3mm，使輥芯金屬和外層金屬實行冶金結合。通過汁算機數(shù)值模擬可以為設計生產(chǎn)裝置和制定生產(chǎn)工藝參數(shù)供給定量參考。輥芯防氧化：在CPC法復合前一般需要將輥芯整體預熱，預熱溫度約：350—450℃。在復合過程中需要對輥芯局部預熱，使其在進入外層金屬液時的溫度到達800～900℃。為了36％Si0，5％A1O，2 2 32 6％CaO，25％Na2O，3％K2O，25％BO2.58g/cm3578℃。CPC2 軋輥的芯部材質(zhì)可為強韌鋼系材料；軋輥的外層材質(zhì)可以選擇多種高合金材料；CPC法外層凝固速度快，組織致密；離心鑄造工具鋼時消滅的初晶碳化物偏折在用CPC法制造軋輥時可以避開；CPC法由下向上的挨次凝固，避開了縮孔的產(chǎn)生；在澆口杯中保持肯定的金屬液也保證了非金屬夾雜物的上浮；工作層中有高的剩余壓應力，其抗熱裂性好；外層材料與芯部材料的結合強度高，結合強度可達540～640MPa。CPC42CrMo鍛鋼(300rmn)，輥芯的預熱溫度900℃，外層高速鋼液的金屬溫度掌握為1300℃，復合軋輥的尺寸為150mm×700mm1100500～550℃回火，軋輥外表硬度HS85，用于熱軋板具有耐磨、軋材外表質(zhì)量好等優(yōu)點。日本日鐵的CPC法設備可以制造熱帶連軋機精軋用的軋輥，軋輥最大直徑為850mm，輥身最大長度3000mm，輥身外層最大厚度100mm，軋輥全長5700m，軋輥最大15t。CPC法對于解決外層金屬復合的完整性及掌握復合效果方面有著獨到的優(yōu)勢，而在實人的力量和實際操作水平要求較高，且這種方法只適用于單件小批量生產(chǎn)。電渣包覆鑄造法(ESSLM)1997年烏克蘭ELMET軋輥集團爭論開發(fā)成功了承受電渣包覆鑄造法生產(chǎn)復合軋輥的工藝，該法簡稱為ESSLM7-3所示。從成形原理上考慮，ESSLMCPC法在本質(zhì)上是一樣的。用ESSLM法生產(chǎn)復合軋l5池3池32澆入外層所需成分的金屬液4，可以連續(xù)澆入也可以按預先設定的程序澆入。外層金屬在通過電渣池時被電渣精煉，同時將電渣上浮。外層金屬液與已經(jīng)被電渣預熱的軋輥輥芯材料外表熔合，并因水冷結晶器的冷卻而凝固，形成復合層6。由拉拔裝置不斷地將已經(jīng)凝固局部拉出結晶器，或使結晶器上移，同時不斷注入外層金屬液，直至到達預定的復合軋輥長度為止。水冷結晶器承受特別設計，具有導電功能，起到保持電渣過程所需的電極的作用(不消耗電極)。ESSLM法生產(chǎn)輥類件的直徑可由l00mm1000mm以上20mm100mm密、無疏松、裂紋、縮孔等缺陷；外層金屬與母體熔合良好，主要合金元素、硬度及顯微組織在高度方向和橫斷面上的分布均勻；生產(chǎn)本錢低，生產(chǎn)效率高，電能消耗少，設備簡潔，可生產(chǎn)任意成分的復合輥外層。承受ESSLM法成功地制備了熱帶鋼工作輥用高速鋼復合軋輥，其尺寸為 344mm×650mm。反向凝固連鑄復合法反向凝固連續(xù)鑄造復合成形的原理圖如圖7-46從下向上以肯定速度穿過熔5，熔池內(nèi)裝有肯定量和溫度的包覆層金屬液45，熔池內(nèi)裝有肯定量和溫度的包覆層金屬液4，包覆層金屬液附在母帶外表凝固，凝固的厚度逐步增加，直至完全通過包覆層金屬23進展軋制，到達平坦外表、掌握復合帶材厚度的目的，最終獲得所需的復合帶材產(chǎn)品l。反向凝固工藝中，凝固方向為從里向外(即從母帶外表開頭凝固)藝。該工藝有利于凝固補縮，是一種很有前途的連鑄工藝。1989爭論所三方合作開頭反向凝固法生產(chǎn)薄帶的試驗100萬噸的生產(chǎn)力量。助下，開頭反向凝固法生產(chǎn)不銹鋼／碳鋼復合帶試驗爭論已取得較大進展。反向凝固復合法的關鍵包括以下三個方面：側封技術；凝固掌握技術；母帶預處理技術。物，因而需要具有自動調(diào)整其間隙的功能。差。7-5好，或者預處理后不能馬上使用，被氧化或污染，將難以保證獲得質(zhì)量良好的復合界面。復合線材鑄拉法絲外表處理、鋼絲預熱、鑄拉和后處理四個工藝環(huán)節(jié)，其工藝原理如圖7-6所示。復合線材鑄拉工藝的關鍵技術有兩個：鋼絲外表預處理：鑄拉工藝掌握。鋼絲外表預處理包括除油、酸洗、水洗、涂保證獲得性能良好的結合界面。鑄拉工藝掌握的核心是通過結晶器的冷卻完成復合過程，在拉拔模中使復合線產(chǎn)生肯定的變形，以改善其力學性能、導電性能和外表質(zhì)量。復合線材鑄拉工藝實例：復合線材鑄拉工藝的關鍵技術有兩個：鋼絲外表預處理：鑄拉工藝掌握。鋼絲外表預處理包括除油、酸洗、水洗、涂保證獲得性能良好的結合界面。鑄拉工藝掌握的核心是通過結晶器的冷卻完成復合過程，在拉拔模中使復合線產(chǎn)生肯定的變形，以改善其力學性能、導電性能和外表質(zhì)量。復合線材鑄拉工藝實例：結晶器內(nèi)徑13.5mm，結晶器內(nèi)外表的粗糙度為3 m，結晶器內(nèi)冷卻水流速lm／s，鋼絲直徑為 4.5mm，850～900℃。雙流連鑄梯度復合法進展了試驗爭論。雙流連鑄法生產(chǎn)梯度復合材料的根本原理如圖7-7所示，即在傳統(tǒng)的連續(xù)鑄造根底上增加一個內(nèi)澆2423分別容納不同成分的兩種金屬液體，流經(jīng)外澆包的金屬液體經(jīng)出進展了試驗爭論。雙流連鑄法生產(chǎn)梯度復合材料的根本原理如圖7-7所示，即在傳統(tǒng)的連續(xù)鑄造根底上增加一個內(nèi)澆2423分別容納不同成分的兩種金屬液體，流經(jīng)外澆包的金屬液體經(jīng)出6中，受激冷而首先凝固成具有肯定厚度的薄殼，當內(nèi)澆包的熔體脫離內(nèi)導管口時則被凝固薄殼和富含籽晶和熔斷枝晶的剩余外部金屬液包圍。通過調(diào)整鑄造時的工藝參數(shù)，可以掌握內(nèi)、外澆包中兩種液體的凝固時間差，促進結晶器內(nèi)熔體由外向內(nèi)挨次凝固，實現(xiàn)兩種液體的局部混合。內(nèi)澆包熔體的流量由內(nèi)導管中的液流掌握閥5物質(zhì)流和內(nèi)澆包熔體的流量間接掌握。管深入結晶器的長度、節(jié)流孔徑、結晶器的外形、內(nèi)導管的設計、冷卻強度、拉錠速度等。流孔徑減小，則外澆包中有足夠的熔體量凝固在鑄錠外層，使成分梯度變陡；溫度降低，凝的合金成分、冷卻強度和鑄造速度對合金成分的分布也有重要影響。易形成金屬間化合物的情形。雙結晶器連鑄法雙結晶器連鑄雙金屬復合材料的原理如圖7-841047中的外層包10依據(jù)圖7-8所示原理圖研制的試驗設備主要由上結晶器、上加熱器(保溫坩堝)、下結晶器、下加熱器(器、下加熱器(保溫坩堝)、導桿、機架、絲杠、引錠桿、帶電機的無級變速器等局部組成。上加熱器熔池的材質(zhì)為高純石4060150mm，上加熱器的熱源為高頻感應加熱。用于熔化包覆金屬液的下加熱器熔池的尺寸為70、90、120mm，下加熱器的熱源為電阻220V800W2023W的兩根電阻絲組成，通過兩臺調(diào)壓器可以分別調(diào)整其功率。帶電機的無級變速器帶動鏈輪的轉動，鏈輪帶動絲杠正轉或反轉，實現(xiàn)引錠桿的上升或下降。另一臺帶電機的無級變速器通過凸輪帶動引錠桿的上下振5mm，振動的頻率可以通過調(diào)整無級變速器的進展調(diào)(1)假設溫度(2)拉坯速度的快慢影響結晶凝固坯殼太薄，簡潔產(chǎn)生拉漏事故。承受所研制的雙結晶器連鑄試驗設備對銅-鋅鋁合金復合材料工藝進展了初步的爭論。復合材料芯部為銅合金20m40ml0m試驗爭論結果如下：影響芯材與包覆層復合界面質(zhì)量的主要工藝參數(shù)有銅的加熱或保溫溫度、鋅鋁合金距離、包覆合金液的高度、振動幅度、振動頻率。芯材與包覆層連鑄成形工藝主要參數(shù)的合理匹配關系為：銅合金的加熱熔化(或保溫)的合理溫度為：1250℃；鋅鋁合金的加熱熔化(或保溫)的合理溫度為：630℃；連鑄拉坯速度為：120mm／min：350mm；80mm；2mm350mm；80mm；2mm10Hz。在上述試驗條件下，獲得了良好質(zhì)量的銅-度高于包覆層鋅鋁合金的強度，界面成分和7-9所示。殼芯連鑄法鑄外層金屬管殼中充填芯部金屬液合。CFC7-10所鑄外層金屬管殼中充填芯部金屬液合。CFC7-10所9和芯部金屬液導流管4金屬液導流管4的上端嚴密與芯部279中，形成外層金屬凝固的型芯；結晶器9上端嚴密與外層會屬控溫坩堝7連2、7通過感應加熱器1、5進展加熱和保溫，在結晶器9的出口處設置有二次冷卻裝置。79和芯4構成的鑄型中，凝固成外層金屬管；芯部金屬由控溫坩堝2加熱和保溫，4澆注到外層金屬管中與其熔合并凝固冷卻速度由牽引機構的引錠速度、結晶器9的冷卻強度，控溫坩堝27、二次冷卻裝置的冷卻強度來掌握。CFC法的主要特點如下：包覆層在出結晶器和芯部金屬液導流管(型芯)構成的鑄型中凝固成形包覆層成形后起到芯部金屬的結晶器的作用，即芯部金屬液通過導流管直接流入已清沽的復合界面，提高包覆材料的質(zhì)量。外層金屬和芯部金屬由不同的控溫坩堝進展加熱和保溫，易于有效地進展外層金屬和芯部金屬凝固速度的調(diào)整和掌握，保證連鑄成形的穩(wěn)定進展。通過掌握芯部金屬液導流管下端伸人的位置、外層金屬固液界面和芯部金屬固液界或互熔過小現(xiàn)象。CFC法適合于銅包鋁線等一類包覆層金屬溫度高于芯部金屬的復合材料的成形。銅包鋁號和移動通訊信號的頻率很高，一般在50800MH，由于電流的“趨膚效應流作用。用銅管則最經(jīng)濟，但其強度低，當電纜彎曲時易壓癟，從而影響信號的傳輸。用銅層的方案。銅包鋁線具有如下特點：1t純銅的價格與lt3.3倍，因此，在直徑一樣的條件下，1t1t2.3倍。提高同軸電纜使用的穩(wěn)定性和牢靠性。同軸電纜常用鋁管作外導體的屏蔽層，因銅接故障。銅包鋁線電纜重量輕，便于運輸和減小施工中的勞動強度。的工藝，增加了工藝參數(shù)掌握的難度。爭論對象所進展的試驗爭論結果說明，包覆層與芯部金屬的熔化(保溫)爭論對象所進展的試驗爭論結果說明，包覆層與芯部金屬的熔化(保溫)理匹配，是實現(xiàn)順當穩(wěn)定成形的關鍵。掌握包覆金屬純銅熔體的過熱度為200～250℃，芯部金屬鋁熔體的過熱度為100～200℃。假設銅熔體過熱度太