專利名稱：雙金屬復層管材的制備方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及金屬管材，尤其是雙金屬復層管材的制備方法及裝置。。
背景技術：
金屬管材是一種常見的型材，種類繁多，用途廣泛。隨著社會的發展和進步，在很多領域，如汽車行業、航空航天行業都要求金屬管材具有多重的性能，為此應運而生了具有兩種或兩種以上材料的物理、化學、力學性質，形成互補的雙金屬復合管材。此種材料能有效的結合各組成部分的優點，使得其在不同位置具有不同的性能，具有良好的可設計性。這樣就在保持母材性能的基礎上兼具復層的特性，從而實現了兩者的互補，滿足了各行業對管材多重性能的要求。傳統的制備復合管材的方法主要有離心鑄造法、焊接法等。離心鑄造法是先離心鑄造一層金屬，然后在此基礎上將另一種材質的金屬液離心澆注到第一層金屬上，從而實現兩者的復合；焊接法是將經軋制工序而復合到一起的復合板坯卷曲后利用焊接的方法連接到一起，從而形成管材。離心鑄造的方法，生產效率低，成本高，很難做小規格管材。而軋制復合后卷焊的方法生產的管材在焊縫處的強度稍低，在后續加工過程中有開裂的風險， 由于是采用軋制復合的板材作為原料，復合界面處往往有夾雜和缺陷存在，界面強度不高， 同時設備投資大、工序長、能耗高，且對環境和工人都有一定的污染。專利200610112817 (專利文件I )提出了一種包復材料的水平連鑄直接成型設備和工藝，其具體工藝為包覆層金屬由包覆層金屬控溫坩堝保溫，流經包覆層金屬保溫腔后，注入由包覆層金屬結晶器和芯部金屬液澆注管形成的鑄型中凝固成覆層金屬管；芯部金屬在先凝固的包覆層金屬中凝固，并與包覆層金屬管形成復合鑄錠，經牽引機構連續牽弓丨，達到一定長度后通過鋸切裝置切斷。此種方法相比于離心鑄造及焊接法而言具有設備簡單、短流程、生產效率高的特點。但同時也有其不足之處，如生產的產品局限于外層金屬液熔點溫度高于內層，而對于內層金屬液熔點高于外層的情況就無法適用；內層金屬液流出后需要有額外的保溫裝置，消耗了大量能源；只能生產棒材，如利用此方法制備管材還需要后續的加工手段，無形中增加了工序和能耗。專利201010587350 (專利文件2 )提出了一種制備復層管坯的連續鑄造方法，此種方法的流程短、所需設備少，可以連續的生產復層管坯，但是該方法外層金屬液在澆注過程中要受到內層金屬液的二次加熱，使得包覆層金屬和芯部金屬復合時的溫度很難控制， 容易造成內層和外層金屬的過度復合。同時，在鑄造的過程中內層金屬液的冷卻凝固所要散失的熱量主要靠外層金屬的傳遞，在實際操作中很難控制冷卻的強度，易導致內外層金屬的過度復合。
發明內容
本發明的目的在于克服專利文件I和2技術中的缺陷，解決外層金屬液在澆注過程中要受到內層金屬液二次加熱以及包覆層金屬和芯部金屬復合時的溫度難以控制的問
4題，提供一種設備簡單、短流程、能耗低、生產效率高，可防止內外層過度復合的雙金屬復層管材的制備方法及裝置。為了實現上述目的，權利要求I的技術方案為一種雙金屬復層管材的制備裝置， 具有內層金屬液保溫爐、外層金屬液保溫爐、模具、牽引機構、冷卻裝置，鋸切裝置，其特征在于，模具(4 )的前端深入到內層金屬液保溫爐(I )內，模具(4 )內部設有模具芯棒(2 ) 用于制備內層管坯(3)，在模具(4)內部，制備內層管坯(3)用的模具前端區域外側設有制備外層管坯(I 2 )用的模具后端區域，外層金屬液保溫爐(7 )通過外層導流管(9 )與模具(4 )的模具后端區域連接，在模具(4 )的模具前端區域外側安裝有第一組冷卻裝置 (6 )，在模具(4 )的模具后端區域外側設有第二組冷卻裝置(I I )，牽引裝置(I 3 )和鋸切裝置(I 4)設置在模具(4)后方，模具(4)中復合的雙金屬復層管材由牽引裝置(I 3) 向后拉動，在達到規定長度時鋸切裝置(I 4)切斷。由權利要求I的技術方案可知，內層金屬液保溫爐(I )中的內層金屬液經模具 (4 )的前端流入模具芯棒(2 )與模具(4 )內壁之間的空間，在向后流動過程中，被第一組冷卻裝置(6)冷卻凝固形成內層管坯(3)。內層管坯(3)在向后方移動的過程中，外層金屬液保溫爐(7 )中的外層金屬液經外層導流管(9 )流入內層管坯(3 )和模具(4 )之間的空間，外層金屬液在向后方移動的過程中被第二組冷卻裝置(I I)冷卻凝固形成復合在內層管坯(3)上的外層管坯(I 2)，該雙金屬復合管坯在牽引裝置(I 3)的連續牽引下達到規定長度時由鋸切裝置(I 4)切斷形成雙金屬復層管材。由于在制造時，無需其他額外的加熱設備和裝置，具有設備簡單、短流程、能耗低、 生產效率高的特點。并且，內層管坯與外層管坯的凝固過程相對獨立，不僅可用于外層金屬熔點溫度高于內層金屬熔點溫度的材料，也適應于內層金屬熔點溫度高于外層金屬熔點溫度的材料，并且凝固過程中的溫度控制容易，可防止過度復合的發生，保證了雙金屬復層管材的質量。權利要求2的技術方案為基于權利要求I的雙金屬復層管材的制備裝置，其特征在于，還具有控流閥門，控流閥門(8 )設置在外層導流管(9 )中，用于控制外層金屬液的流出。由權利要求2的技術方案可知，由于在外層導流管(9 )中設置有控流閥門(8 )， 因此，可根據需要隨時控制外層金屬液的流出時機。權利要求3的技術方案為基于權利要求I的雙金屬復層管材的制備裝置，其特征在于，還具有電磁發生裝置，其中，第一組電磁發生裝置(5 )設置在模具(4 )的模具前端區域外側；第二組電磁發生裝置(I Q )設置在模具(4 )的模具后端區域外側。由于在模具(4 )的模具前端區域外側和模具后端區域外側分別設有第一組電磁發生裝置(5)和第二組電磁發生裝置(I 0)，因此，利用其產生的磁場，可使內層管坯(3) 和外層管坯(I 2)的組織致密、成分均勻、性能優良。權利要求4的技術方案為基于權利要求I的雙金屬復層管材的制備裝置，其特征在于，內層金屬液保溫爐(I )和外層金屬液保溫爐(7 )分別將內層金屬液和外層金屬液的溫度控制在凝固點至凝固點以上250°C以內的范圍內。由于內層金屬液和外層金屬液都被控制在凝固點至凝固點以上250°C以內的范圍內，可防止內層管坯(3)與外層管坯(I 2)之間處出現過度復合，降低了能耗、提高了雙金屬復層管材的質量。權利要求5的技術方案為基于權利要求I的雙金屬復層管材的制備裝置，其特征在于，第一組電磁發生裝置(5)和第二組電磁發生裝置(I 0 )產生的磁場強度范圍是
0-300mT，磁場頻率為I-IOOOHz。由于第一組電磁發生裝置(5)和第二組電磁發生裝置(I 0)產生的磁場強度范圍在0-300mT，磁場頻率在1-lOOOHz，可使磁場強度和磁場頻率更加理想化，使內層管坯 (3 )和外層管坯(I 2 )的組織更加致密、成分均勻、性能優良。權利要求6的技術方案為基于權利要求I的雙金屬復層管材的制備裝置，其特征在于，第一組冷卻裝置(6 )和第二組冷卻裝置(I I )的冷卻強度范圍為0-10m3/h。由于第一組冷卻裝置(6 )和第二組冷卻裝置(I I )的冷卻強度范圍為0-10m3/h， 與技術方案4相配合，可使內層管坯(3)與外層管坯(I 2)的冷卻速度達到最佳，既降低了能耗又保證了質量。權利要求7的技術方案為基于權利要求I的雙金屬復層管材的制備裝置，其特征在于，牽引裝置(13)的牽引速度為l-1000mm/min。由于牽引裝置(I 3)的牽引速度為l-1000mm/min，可保證雙金屬復層管材的質量。權利要求8的技術方案為一種雙金屬復層管材的制備方法，其特征在于，
步驟I，將熔化、精煉好的內層金屬液和外層金屬液分別澆入到內層金屬液保溫爐 (I )和外層金屬液保溫爐(7 )中，進行控溫；
步驟2，使內層金屬液由模具(4 )的前端進入模具(4 )內壁與模具芯棒(2 )之間的空間；
步驟3，開啟第一組電磁發生裝置(5 )和第一組冷卻裝置(6)，使進入模具(4 )的模具前端區域的內壁與模具芯棒(2 )之間的內層金屬液在磁場作用下凝固形成內層管坯(3 ); 步驟4，啟動牽引裝置(I 3 )連續向后牽引出內層管坯(3 )
步驟5，使外層金屬液保溫爐(7 )中的外層金屬液經外層導流管(9 )澆注到模具(4 ) 的模具后端區域內壁與內層管坯(3)之間的空間；
步驟6，開啟第二組電磁發生裝置(I 0)和第二組冷卻裝置(I 1)，使澆注到內層管坯(3)上的外層金屬液在磁場作用下凝固形成復合在內層管坯(3)上的外層管坯(I 2);
步驟7，在牽引裝置(I 3)的牽引下，復合的雙金屬復層管材達到規定長度時，啟動鋸切裝置(I 4)將雙金屬復層管材切斷。采用權利要求8的技術方案時，可獲得與權利要求I的技術方案相同的效果。權利要求9的技術方案為基于技術方案8的雙金屬復層管材的制備方法，其特征在于，
步驟I中，內層金屬液保溫爐(I )和外層金屬液保溫爐(7 )分別將內層金屬和外層金屬的溫度控制在凝固點至凝固點以上250°C以內的范圍內；
步驟3中，第一組電磁發生裝置(5)產生的磁場強度范圍是0-300mT，磁場頻率為
1-lOOOHz，第一組冷卻裝置(6)的冷卻強度范圍是0-10m3/h ；
步驟4中，啟動牽引裝置(13)的牽引速度為l-1000mm/min。采用權利要求9的技術方案時，可獲得與權利要求4至7的技術方案相同的效果。
圖I是說明本發明中雙金屬復層管材的制備裝置的結構圖。
具體實施例方式
下面，參照
對本發明的實施方式進行說明。本發明的裝置由內層金屬液保溫爐、外層金屬液保溫爐、電磁發生裝置、模具、牽引機構、冷卻裝置、鋸切裝置等組成。其中如圖I所示，模具4的前端深入到內層金屬液保溫爐I內，模具4內部設有模具芯棒2用于制備內層管坯3。在模具4內部，制備內層管坯 3用的模具前端區域外方設有制備外層管坯I 2用的模具后端區域，外層金屬液保溫爐7 通過外層導流管9與模具4的模具后端區域連接，模具4中與外層導流管9連接的澆注孔設置在與模具前端區域的交界位置。在外層導流管9中設置有控流閥門8，用于控制外層金屬液的流出時機，同時也可通過控流閥門8控制外層金屬液的流量。在模具前端區域， 即靠近內層保溫爐I的模具4外側分別安裝第一組電磁發生裝置5和冷卻裝置6，在外層導流管8后方的模具后端區域，模具4的外側設有第二組電磁發生裝置I 0和冷卻裝置 I I。模具4的內部，以與外層導流管9連接的澆注孔為分界，靠近外層金屬液保溫爐7 — 側的模具前端區域，其內徑按照內層金屬層的外徑設定，澆注孔后方一側的模具后端區域， 其內徑按照外層金屬層的外徑設定。牽引裝置I 3設置在模具4后方，鋸切裝置I 4在牽引裝置I 3后方用于切斷管材。第一組電磁發生裝置4、第二組電磁發生裝置10，第一組冷卻裝置6、第二組冷卻裝置 I I、模具4、牽引裝置I 3、鋸切裝置I 4的中心線設置在同一水平線上。本發明的工藝過程為
步驟I，將熔化、精煉好的內層金屬液和外層金屬液分別澆入到內層保溫爐I和外層保溫爐7中進行控溫。步驟2，使內層金屬液模具4的前端進入模具4內壁與模具芯棒2之間的空間。步驟3，開啟第一組電磁發生裝置5和第一組冷卻裝置6，使進入模具4的模具前端區域的內壁與模具芯棒2之間的內層金屬液在磁場作用下凝固形成內層管坯3。步驟4，啟動牽引裝置I 3連續向后牽引出內層管坯3。步驟5，當參數適合后打開控流閥門8，使外層金屬液保溫爐7中的外層金屬液經外層導流管9澆注到模具4的模具后端區域內壁與內層管坯(3 )之間的空間。步驟6，開啟第二組電磁發生裝置I 0和第二組冷卻裝置I I，使澆注到內層管坯3上的外層金屬液在磁場作用下凝固形成復合在內層管坯3上的外層管坯I 2，
步驟7，在牽引裝置I 3的牽引下，復合的雙金屬復層管材達到滿足要求長度時，啟動鋸切裝置I 4將雙金屬復層管材切斷。以上，在步驟I中，內層金屬和外層金屬的溫度控制在凝固點至凝固點以上250°C 以內的范圍。步驟4中，牽引速度為l-1000mm/min。步驟3中，第一組電磁發生裝置5產生的磁場強度范圍是0-300mT，磁場頻率l-1000Hz ;第一組冷卻裝置6的冷卻強度范圍是
0-IOmVh0步驟6中，第二組電磁發生裝置I0產生的磁場強度范圍是0-300mT，磁場頻率
1-IOOOHz;第二組冷卻裝置I I的冷卻強度范圍是0-10m3/h。本發明的積極效果如下I.外層金屬液可以在內層管坯3和模具4所組成的空間內凝固形成外層管坯12，從而實現復合。此種方法適用于各種金屬復合管材的制備，不僅適用外層金屬液溫度熔點高于內層的情況，對內層金屬液溫度熔點高于外層的情況也完全適用。即適用于同一種類合金材料的復合，也適用于不同種類合金材料的復合，具有流程短，能耗小的特點。2.本發明采用現在工業生產常用的模具安裝方式，通過改變模具4的設計就可以改變內外層金屬的比例，可實現不同種類雙金屬復層管材制備規格的快速轉換，同時采取水平連續鑄造的方式，生產效率高，可實現連續生產。3.本方面無需任何額外的加熱設備和裝置，可實現節省工序和能源的效果。4.通過前后兩組電磁感應裝置的使用，使得內層和外層鑄坯的組織更加致密、成分均勻、性能優良，為后續的加工打下良好的基礎。5.本發明的內外層管坯的復合過程在模具內完成，過程簡單，可獲得界面潔凈，無氧化夾雜的高質量復合材料。6.本發明采取先制備內層管坯、再制備外層管坯的方式，內外層管坯的凝固過程相對獨立，只要控制好內層管坯在外層澆注口處的溫度和外層的澆注溫度就可以制備出符合要求的復層管坯。利用本發明的裝置和方法，可使復層界面在無氧化夾雜狀態下的冶金結合，所制備的復層材料凝固組織軸向均勻、無裂紋偏析等缺陷，設備簡單，流程短，易于大規模工業化生產。所制備的雙金屬復層管材在汽車、船舶、航空航天等領域有廣泛的應用。實施例I
3003/4004鋁合金雙金屬復合管坯水平連鑄成型
招合金雙金屬復合管還外徑70mm,壁厚15mm,其中外層4004合金壁厚5mm。首先將熔化、精煉好的內層3003金屬和外層金屬4004分別澆入到內層保溫爐I和外層保溫爐7中， 內層3003鋁合金控溫溫度710°C，外層4004鋁合金控溫溫度780V。開啟第一組電磁發生裝置5和第一組冷卻裝置6，磁場強度50mT，頻率50Hz，冷卻水流量0. 5m3/h，啟動牽引裝置 I 3 ,牽引速度300mm/min,連續牽引出3003招合金內層管還3 ,打開外層金屬液控制控流閥門8，將外層金屬液澆注到模具4與內層管坯3形成的空間中形成外層4004鋁合金管坯 I 2，打開第二組磁場發生裝置10和第二組冷卻裝置11，磁場強度30mT，頻率50Hz，冷卻水流量0. 3m3/h。當復層管坯的長度滿足要求后，利用鋸切裝置14進行鋸切，得到規定長度的雙金屬復層管材。
權利要求
1.一種雙金屬復層管材的制備裝置，具有內層金屬液保溫爐、外層金屬液保溫爐、模具、牽引機構、冷卻裝置，鋸切裝置，其特征在于，模具(4)的前端深入到內層金屬液保溫爐 (I )內，模具(4 )內部設有模具芯棒(2 )用于制備內層管坯(3 )，在模具(4 )內部，制備內層管坯(3)用的模具前端區域外方設有制備外層管坯(I 2)用的模具后端區域，外層金屬液保溫爐(7 )通過外層導流管(9 )與模具(4 )的模具后端區域連接，在模具(4 )的模具前端區域外側安裝有第一組冷卻裝置(6 )，在模具(4 )的模具后端區域外側設有第二組冷卻裝置(I I )，牽引裝置(I 3)和鋸切裝置(I 4)設置在模具(4)后方，模具(4)中復合的雙金屬復層管材由牽引裝置(I 3)向后拉動，在達到規定長度時鋸切裝置(I 4)切斷。
2.根據權利要求I的雙金屬復層管材的制備裝置，其特征在于，還具有控流閥門，控流閥門(8 )設置在外層導流管(9 )中，用于控制外層金屬液的流出。
3.根據權利要求I的雙金屬復層管材的制備裝置，其特征在于，還具有電磁發生裝置， 其中，第一組電磁發生裝置(5 )設置在模具(4 )的模具前端區域外側；第二組電磁發生裝置(I 0 )設置在模具(4 )的模具后端區域外側。
4.根據權利要求I的雙金屬復層管材的制備裝置，其特征在于，內層金屬液保溫爐 (I )和外層金屬液保溫爐(7 )分別將內層金屬液和外層金屬液的溫度控制在凝固點至凝固點以上250°C以內的范圍內。
5.根據權利要求I的雙金屬復層管材的制備裝置，其特征在于，第一組電磁發生裝置(5)和第二組電磁發生裝置(I 0)產生的磁場強度范圍是0-300mT，磁場頻率為1-lOOOHz。
6.根據權利要求I的雙金屬復層管材的制備裝置，其特征在于，第一組冷卻裝置(6) 和第二組冷卻裝置(I I )的冷卻強度范圍是0-10m3/h。
7.根據權利要求I的雙金屬復層管材的制備裝置，其特征在于，牽引裝置(I3 )的牽引速度為 l-1000mm/min。
8.—種雙金屬復層管材的制備方法，其特征在于，步驟I，將熔化、精煉好的內層金屬液和外層金屬液分別澆入到內層金屬液保溫爐 (I )和外層金屬液保溫爐(7 )中，進行控溫；步驟2，使內層金屬液由模具(4 )的前端進入模具(4 )內壁與模具芯棒(2 )之間的空間；步驟3，開啟第一組電磁發生裝置(5 )和第一組冷卻裝置(6)，使進入模具(4 )的模具前端區域的內壁與模具芯棒(2 )之間的內層金屬液在磁場作用下凝固形成內層管坯(3 );步驟4，啟動牽引裝置(13)連續向后牽引出內層管坯(3 );步驟5，使外層金屬液保溫爐(7 )中的外層金屬液經外層導流管(9 )澆注到模具(4 ) 的模具后端區域內壁與內層管坯(3)之間的空間；步驟6，開啟第二組電磁發生裝置(I 0)和第二組冷卻裝置(I 1)，使澆注到內層管坯(3)上的外層金屬液在磁場作用下凝固形成復合在內層管坯(3)上的外層管坯(I 2);步驟7，在牽引裝置(I 3)的牽引下，復合的雙金屬復層管材達到規定長度時，啟動鋸切裝置(I 4)將雙金屬復層管材切斷。
9.根據權利要求8的雙金屬復層管材的制備方法，其特征在于，步驟I中，內層金屬液保溫爐(I )和外層金屬液保溫爐(7 )分別將內層金屬和外層金屬的溫度控制在凝固點至凝固點以上250°C以內的范圍內；步驟3中，第一組電磁發生裝置(5)產生的磁場強度范圍是0-300mT，磁場頻率為 1-lOOOHz，第一組冷卻裝置(6 )的冷卻強度范圍是0-10m3/h ；步驟4 ,啟動牽引裝置(13)的牽引速度為l-1000mm/min。
全文摘要
本發明公開了一種雙金屬復層材料的制備方法和裝置。由內層金屬液保溫爐１、外層金屬液保溫爐７、電磁發生裝置５和１０、模具４、牽引機構１３、冷卻裝置６和１１、鋸切裝置１４等組成。制備方法為將熔化、精煉好的內層金屬和外層金屬分別澆入到保溫爐中。開啟第一組電磁發生裝置和冷卻裝置，啟動牽引裝置連續牽引出內層管坯，打開外層金屬液控制控流閥門，通過澆道將外層金屬液澆注到模具與內層管坯形成的空間中形成外層管坯，打開第二組磁場發生裝置和冷卻裝置，連續牽引，當復層管坯的長度滿足要求后，利用鋸切裝置進行鋸切。
文檔編號B22D19/16GK102527998SQ20121003113
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月13日 優先權日2012年2月13日
發明者張忠濤, 李廷舉, 王同敏, 王智斌, 胡新勝 申請人:金龍精密銅管集團股份有限公司