專利名稱：以連續(xù)及半連續(xù)鑄造方式制備梯度材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及合金材料制備工藝，具體是指以連續(xù)及半連續(xù)鑄造方式采用多液澆注制備合金成分隨鑄件截面連續(xù)分布的梯度材料的方法，既可用于生產(chǎn)常規(guī)的以連續(xù)鑄造方法鑄錠的金屬結(jié)構(gòu)材料，也可以用于制備金屬與非金屬復(fù)合的梯度功能材料，制備包括各種幾何形狀的錠材或半成品。
工程上尤其是高科技領(lǐng)域的許多應(yīng)用場合，對材料的不同部位有截然不同的性能要求，最常見的是對材料表面和芯部性能要求上的區(qū)別。傳統(tǒng)的解決方法無非是采用兩種途徑或通體使用綜合性能好的高檔次材料，或進(jìn)行附加的表面改性處理。這兩種途徑都帶來資源或能源的浪費(fèi)，引起可觀的成本上升。
常用于制備軸瓦和軋輥等材料的各種復(fù)合鑄造方法，盡管也是采用多種金屬液體澆注，但是所有傳統(tǒng)的復(fù)合鑄造方法中的多液澆注均為非連續(xù)進(jìn)行的，即在時間上分先后依次澆注。先澆注的金屬結(jié)成凝固外殼后，再澆注另一種金屬液。這種復(fù)合鑄造產(chǎn)生的組織相當(dāng)于兩種金屬夾一片過渡層，并不具備成分連續(xù)梯度變化的特征。
英國專利GB732115實質(zhì)上提出一種連續(xù)鑄造生產(chǎn)復(fù)合材料的設(shè)想。該方法固然也采用不同的熔煉爐制備成分差別很大的金屬鋁和氧化鋁兩種液體，不過，在進(jìn)入結(jié)晶器前，就在中間包里對兩種液體進(jìn)行充分的機(jī)械攪拌。該方法制備的組織是宏觀截面處處均勻的混合物，完全沒有內(nèi)外成分連續(xù)變化的梯度材料的特點。
德國專利申請公開說明書DE4108203A1首次提出以連續(xù)鑄造方法生產(chǎn)合金成分呈梯度變化的材料的設(shè)想。其特征在于采取兩步結(jié)晶法，即安置初級和次級兩級結(jié)晶器。首先，讓不同的金屬液在各自的初級結(jié)晶器里冷卻，發(fā)生部分凝固。然后再把部分凝固的不同金屬坯輸送到一個共同的次級結(jié)晶器里。該發(fā)明提出，在次級結(jié)晶器里，不同金屬會合時的互相擠壓將引起凝同薄殼的破裂以及局部區(qū)域的重新熔化，從而使得不同金屬間發(fā)生部分混合，凝固后的宏觀組織出現(xiàn)成分的連續(xù)分布。實際情況卻表明，由于部分凝同的金屬坯已具有一定的剛度和強(qiáng)度，把兩種(或更多)已經(jīng)形成凝固薄殼的金屬坯加以彎曲再引進(jìn)同一個次級結(jié)晶器，工藝上實現(xiàn)起來顯然有很大難度，至今未能付之實施。
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種合金成分根據(jù)實際性能需求隨工件截面連續(xù)變化的梯度材料的生產(chǎn)方法。這種方法以現(xiàn)有的連續(xù)及半連續(xù)鑄造技術(shù)為基礎(chǔ)，只需對澆注系統(tǒng)作相應(yīng)改造，經(jīng)濟(jì)效益顯著，設(shè)備簡單，可操作性好，適用于工業(yè)化生產(chǎn)。
本發(fā)明的目的是通過以下措施來實現(xiàn)的1、以連續(xù)鑄造及半連續(xù)鑄造方式制備梯度材料，其特征在于將多種金屬液以分離水口方式連續(xù)注入同一結(jié)晶器，順序凝固，結(jié)成一體，由引錠裝置以恒速牽引。
2、對于兩種不同金屬(或非金屬)液的雙流澆注，采用內(nèi)外配置的兩套澆注系統(tǒng)，外部金屬液經(jīng)中間包直接進(jìn)入水冷結(jié)晶器，內(nèi)層金屬則流經(jīng)浸入式耐火材料導(dǎo)管也注入同一結(jié)晶器，由結(jié)晶器壁開始逐層順序凝固。外層金屬首先形成凝固薄殼，造成鑄態(tài)組織中合金成分由外至內(nèi)連續(xù)變化。
3、由改變金屬液的成分來影響金屬的凝固溫度，由改變冷卻強(qiáng)度和澆注溫度來影響實際溫度場，把兩方面的影響因素結(jié)合起來調(diào)整液穴形貌，實現(xiàn)逐層順序凝固。
4、通過改變分離水口或?qū)Ч艿牟迦肷疃龋{(diào)節(jié)凝固組織的成分分布曲線。
5、在熔煉及爐外的冶金處理階段，需按照現(xiàn)行工業(yè)規(guī)范實施除氣精煉處理。
6、在整個澆鑄過程對中間包的金屬液施加低壓保護(hù)氣體。
7、內(nèi)層金屬液的流量由改變內(nèi)導(dǎo)管的節(jié)流孔徑來調(diào)節(jié)，外層金屬液的流量由拉錠速度所規(guī)定的總的物質(zhì)流量和內(nèi)層金屬的流量間接控制。
8、采用特殊形狀的引鐵，并在引鐵上覆蓋一定厚度的隔熱耐火材料，幫助引錠階段形成有利的液穴形狀。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點1.本發(fā)明在鑄態(tài)下一步實現(xiàn)合金元素按性能需求隨材料截面連續(xù)變化，有效和經(jīng)濟(jì)地解決了對材料的不同部位有不同性能需求這一類問題。以鋼鐵結(jié)構(gòu)材料為例，實際應(yīng)用中最典型的性能要求是外堅內(nèi)韌，采用本方法讓碳元素由外至內(nèi)均勻遞減，可以達(dá)到表面強(qiáng)度高、內(nèi)部韌性好的目的，從而成倍提高材料的疲勞壽命。對于鋼鐵材料的防腐蝕問題，采用本方法讓鎳、鉻等合金元素在鑄態(tài)組織中只富集在表面，既保證了抗腐蝕性能，又改善了材料的韌性，使其有較好的綜合性能。
2.與德國專利申請公開說明書DE4108203A1相比，本發(fā)明解決了實現(xiàn)連續(xù)鑄造方式生產(chǎn)梯度材料的工藝上的主要難點(1)把多種金屬液澆入同一個結(jié)晶器，利用熱流傳導(dǎo)形成的溫度場的特點，實現(xiàn)分層順序凝固；(2)抑制不同金屬液之間的對流，使得只發(fā)生部分的而不是完全的混合；(3)利用液態(tài)和固態(tài)高溫下原子擴(kuò)散能力強(qiáng)的特點，通過凝固及冷卻過程的原子擴(kuò)散，使不同金屬液之間的內(nèi)界面消失，形成連續(xù)光滑的成分分布；(4)利用室溫附近原子擴(kuò)散能力弱的特點，在有限時間內(nèi)擴(kuò)散幾乎不再進(jìn)行，使成分分布得以穩(wěn)定。
3.本方法設(shè)備簡單，可操作性好，基本設(shè)備和工藝操作均可以沿用現(xiàn)有的連續(xù)及半連續(xù)鑄造的生產(chǎn)線，只需對澆注系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的改造。本方法的經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。應(yīng)用到鋼材生產(chǎn)，采用本方法，或者可以用低合金鋼代替高合金鋼，或者可以取代表面處理，都會帶來可觀的成本下降。
4.本方法適用范圍廣，可用于鋼材及鐵基合金半成品的制備，也可用于制備金屬與非金屬復(fù)合的梯度功能材料，為材料科學(xué)工作者開發(fā)材料提供新的思路。本方法的原理可用于帶兩種或兩種以上的金屬(或非金屬)，雖然本專利沒有提供三種或三種以上的液體復(fù)合澆注連續(xù)鑄造的實驗實例，但是原理上沒有任何區(qū)別，只是在工藝上的區(qū)別，需要配置附加的澆注系統(tǒng)和熔煉設(shè)備。


圖1為采用雙液澆注的連續(xù)及半連續(xù)鑄造方式制備梯度材料的原理圖。
圖2為表現(xiàn)澆注系統(tǒng)與其它部分相互關(guān)系的示意圖。
圖3為實施例不同合金系成分隨截面變化的一組曲線(內(nèi)導(dǎo)管插入深度取18mm，其余參數(shù)列于表1)。
圖4為反映鋁硅系(表1中的第一組合金)內(nèi)導(dǎo)管插入深度對硬度分布的影響的一組曲線。
圖5為鋁硅系(表1中的第一組合金)梯度材料金相組織由外至內(nèi)連續(xù)變化的一組照片。其中(a)為距中心5mm部位；(b)為距中心10mm部位；(c)為距中心20mm部位；(d)為距中心30mm部位。
以下通過實施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳述。
本發(fā)明的原理可用于帶兩種或兩種以上的金屬或非金屬熔液的連續(xù)鑄造，并且主要的應(yīng)用前景將在于目前大量以連續(xù)鑄造方式鑄錠的各類鋼鐵材料。制備的錠材或半成品型材允許有不同的幾何截面。由于本實施例的目的只是進(jìn)一步說明基本原理、掌握成分梯度分布形成的基本條件，所以采用冶金操作性好的鋁硅合金、鋁銅合金及鋁鎂合金作為實驗樣品材料，表1列出了實施例已進(jìn)行實驗研究的四個合金系。同時，采用雙液澆注，鑄錠的幾何截面形狀取簡單的圓形。內(nèi)外層金屬的配置也設(shè)計成最簡單的，即內(nèi)層金屬液處于外層金屬液的幾何中心位置。
如圖1及圖2所示，3為保溫爐爐蓋，4為保溫爐爐襯，10為保溫爐爐底。將兩種不同的金屬液在不同的熔煉爐分別熔煉達(dá)到冶金質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。以分離水口形式，將外層金屬液經(jīng)外補(bǔ)澆管21注入外中間包9，外中間包9與結(jié)晶器14直接連通，金屬液直接充型。將內(nèi)層金屬液經(jīng)內(nèi)補(bǔ)澆管20注入內(nèi)中間包6，內(nèi)中間包6的金屬液通過穿過整個外中間包9并浸入結(jié)晶器14的內(nèi)導(dǎo)管11充型。在壓力水強(qiáng)冷下，金屬液沿結(jié)晶器14由外至內(nèi)逐層凝固成一體。結(jié)晶器14與外中間包9之間由絕熱襯墊24隔離。同態(tài)金屬16由引錠機(jī)以恒速牽離。在實施例里，內(nèi)外層金屬液采用多種組合，見表1。實施例所有實驗采用圓形的直徑為Φ63mm的石墨結(jié)晶器，采用手動卷揚(yáng)機(jī)引錠。
保證逐層順序凝固和有效地抑制對流，是實現(xiàn)鑄態(tài)組織成分梯度分布的兩個前提。實施本方法的其余工藝措施和條件包括1、采用浮標(biāo)控制器22、23使各中間包的液面高度保持穩(wěn)定，使兩包液體重力水頭的差值保持恒定。
2、采用兩組測溫?zé)犭娕?、2，兩組電熱繞組5、7，以及附加的溫度控制裝置進(jìn)行調(diào)溫和保溫。兩組電熱繞組5、7依上下布置，使各中間包的溫度可以分別調(diào)整。實施例的中間包的保溫溫度范圍如表1所示。內(nèi)包取較高的過熱度，以促進(jìn)順序凝固的趨勢。
3、對于雙液澆注，在合金成分、澆注溫度等參數(shù)固定的情況下，內(nèi)層金屬液的流量由內(nèi)導(dǎo)管11的節(jié)流孔徑?jīng)Q定。節(jié)流孔徑的大小的設(shè)置有兩種方法一種方法采用孔徑固定的節(jié)流孔板12，生產(chǎn)過程不需再調(diào)整；另一種采用塞棒19，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺母18，使塞棒19上下移動，在生產(chǎn)過程中即可以調(diào)節(jié)流量。直通結(jié)晶器的外層金屬液則處于“自流”狀態(tài)，外層金屬液的流量等于由拉錠速度決定的物質(zhì)總流量和由上述節(jié)流孔徑所決定的內(nèi)層金屬流量的差值。這里的所謂“自流”指不設(shè)節(jié)流裝置，液體在重力作用下流動充型。本實施例拉錠速度取12～18cm/min。
4、本方法控制順序凝固必須考慮實際溫度場和合金本身的凝固溫度兩個環(huán)節(jié)對凝固前沿液穴形貌的影響。調(diào)整實際溫度場有多種措施改變由進(jìn)水口15進(jìn)入結(jié)晶器水套13的冷卻水的壓力和流量，改變內(nèi)導(dǎo)管11的插入深度，改變不同金屬液在中間包6、9的逗留溫度，改變引錠速度，改變結(jié)晶器14的結(jié)構(gòu)尺寸，都能直接或間接影響結(jié)晶區(qū)域?qū)嶋H溫度的分布。改變不同金屬液的合金成分，不同金屬液的流量比，則影響合金的凝固溫度，因為對于大多數(shù)合金材料，液相線隨成分而下降。圖4給出實施例中內(nèi)導(dǎo)管11的插入深度對合金成分分布曲線的影響。
5、保持金屬液流態(tài)平穩(wěn)、防止不同金屬液串流的主要措施有兩條(1)對圖1所示的整個保溫爐加以密封，由入口8通以低壓保護(hù)氣體。(2)在熔煉及爐外的冶金處理階段，按照規(guī)范實施較徹底的除氣精煉操作，減小結(jié)晶中由氣泡上浮而加劇的對流現(xiàn)象。
6、采用帶有近似液穴形狀的下凹空腔的引鐵17。空腔表面覆蓋一層隔熱耐火涂層25。這種特殊形狀的引鐵使得內(nèi)澆管在啟鑄時即有足夠的插入深度，并且能夠更快地形成穩(wěn)定的液穴。
本實施例的分析試樣在從引鐵開始1m以后的部位上截取。圖3至圖5是其中的部分實驗結(jié)果。圖3反映不同合金系所取的試樣的合金成分隨截面變化的曲線，其中第一組硅成分由外至內(nèi)均勻遞減，第二和第三組硅和銅的成分由外至內(nèi)連續(xù)上升。圖4是一組鋁硅系試樣(表一的第一組)洛氏硬度分布曲線，反映出不同的內(nèi)導(dǎo)管插入深度對成分分布的影響。圖5是同一個試樣內(nèi)不同部位的金相組織照片。由所有分析的結(jié)論都可以看出，實施例制備的試樣在合金成分、機(jī)械性能及金相組織幾個性能指標(biāo)方面都呈現(xiàn)隨截面連續(xù)變化的趨勢。實施例證明了本發(fā)明在原理上是可行的，操作上也不復(fù)雜。
權(quán)利要求
1.一種以連續(xù)及半連續(xù)鑄造方式制備梯度材料的方法，其特征在于將多種金屬液以分離水口方式連續(xù)注入同一結(jié)晶器，順序凝固，結(jié)成一體，由引錠裝置以恒速牽引。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以連續(xù)及半連續(xù)鑄造方式制備梯度材料的方法，其特征在于采取兩種不同金屬或非金屬液的雙流澆注，兩套澆注系統(tǒng)分內(nèi)外配置，外部金屬液經(jīng)中間包直接進(jìn)入水冷結(jié)晶器，內(nèi)層金屬則流經(jīng)浸入式耐火材料導(dǎo)管也注入同一結(jié)晶器，由結(jié)晶器壁開始逐層順序凝固，外層金屬首先形成凝固薄殼，造成鑄態(tài)組織中合金成分由外至內(nèi)連續(xù)變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的以連續(xù)及半連續(xù)鑄造方式制備梯度材料的方法，其特征在于由改變金屬液的成分來影響金屬的凝固溫度，由改變冷卻強(qiáng)度和澆注溫度來影響實際溫度場，把兩方而的影響因素結(jié)合起來調(diào)整液穴形貌，實現(xiàn)逐層順序凝固。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的以連續(xù)及半連續(xù)鑄造方式制備梯度材料的方法，其特征在于通過改變分離水口或?qū)Ч艿牟迦肷疃?，調(diào)節(jié)凝固組織的成分分布曲線。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的以連續(xù)及半連續(xù)鑄造方式制備梯度材料的方法，其特征在于在熔煉及爐外的冶金處理階段，需按照現(xiàn)行工業(yè)規(guī)范實施除氣精煉處理。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的以連續(xù)及半連續(xù)鑄造方式制備梯度材料的方法，其特征在于在整個澆鑄過程對中間包的金屬液施加低壓保護(hù)氣體。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的以連續(xù)及半連續(xù)鑄造方式制備梯度材料的方法，其特征在于內(nèi)層金屬液的流量由改變內(nèi)導(dǎo)管的節(jié)流孔徑來調(diào)節(jié)，外層金屬液的流量由拉錠速度所規(guī)定的總的物質(zhì)流量和內(nèi)層金屬的流量間接控制。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的以連續(xù)及半連續(xù)鑄造方式制備梯度材料的方法，其特征在于采用特殊形狀的引鐵，并在引鐵上覆蓋一定厚度的隔熱耐火材料，幫助引錠階段形成有利的液穴形狀。
全文摘要
本發(fā)明提出一種合金成分根據(jù)實際性能需求隨工件截面連續(xù)變化的材料的制備方法。其主要技術(shù)特征是:(1)采用分離水口,把多種不同成分的金屬液注入同一結(jié)晶器,凝固后成為一個整體,由引錠裝置以恒速連續(xù)牽引拉出。(2)通過改變?nèi)垡撼煞帧⒗鋮s強(qiáng)度、澆注溫度、結(jié)晶器結(jié)構(gòu)和導(dǎo)管插入深度等參數(shù),控制由結(jié)晶器壁開始的順序凝固。(3)抑制不同金屬液間的對流。該方法用于鋼鐵材料,可以實現(xiàn)碳及其它合金元素的成分由外及內(nèi)連續(xù)變化。改善綜合性能,提高疲勞壽命。該方法也可用于制備金屬與非金屬復(fù)合的梯度功能材料。
文檔編號B22D11/00GK1174106SQ9710355
公開日1998年2月25日 申請日期1997年4月15日 優(yōu)先權(quán)日1997年4月15日
發(fā)明者郁鴿, 朱蒼山, 張衛(wèi)文, 魏興釗, 鄧?yán)麃? 鄧長寧, 鄒敢峰, 袁叔貴, 蒙繼龍, 許麟康 申請人:華南理工大學(xué)