双金属复合材料双结晶器连铸工艺研究

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1　双金属连铸技术研究现状

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　　目前，双金属复合材料的成形方法主要有爆炸复合、轧制复合、复合铸造、离心铸造、化学镀层、热浸镀等。其中铸造法生产金属复合材料的成本较低，其应用得到很大的发展。
　　双金属复合材料连续铸造成形的研究目前仍处于初始阶段，但是，由于双金属复合材料连铸成形具有易于实现批量化、连续化、自动化生产，有利于降低生产成本，扩大其应用范围等优点，研究开发和应用将受到越来越广泛的重视^［1］。
　　 现有双金属复合材料连续铸造成形方法可以分为两大类，一类为使用已成形的芯材对其进行包覆的包覆铸造成形法，另一类为将两种金属同时注入同一个结晶器内进行成形的双流铸造法。
　　 包覆铸造成形法的典型代表为用于复合轧辊成形的连续浇注包覆CPC法，其原理是将芯材垂直置于水冷结晶器中，使成形外层的金属熔体与芯材部分熔合，并顺序向上凝固。将凝固部分连续向下拉拔，实现包覆层连续铸造成形。这种方法是日本山本厚生首先提出来的^［2］，已获得工业化生产应用。
　　用于高速钢复合轧辊成形，具有生产工艺简单，轧辊性能良好，生产成本低^［3］等优点。国内方面，钢铁研究总院、邢台机械轧辊（集团）有限公司和北京科技大学进行合作，在CPC工艺的基础上开展电渣工艺复合轧辊应用与开发研究，取得了一些进展^［4］。
　　包覆铸造成形法还有复合线材铸拉^［5］、反向凝固连续铸造法^［6,7］等。包覆铸造成形法的主要缺点是预处理工艺复杂，且如果界面预处理效果不好，或者预处理后因不能马上使用而被氧化或污染，则难以获得具有良好复合质量的界面。
　　有代表性的双流铸造法是双流浇铸连续铸造制备梯度材料法，其原理如图1所示^［8］，在传统的连续铸造基础上增加一个内浇包及其导流系统，内、外浇包分别容纳不同成分的两种熔体，外浇包的金属液流经出水口后进入结晶器中，受激冷凝固成具有一定厚度的薄壳，内浇包的金属液流出内导管口时，被凝固薄壳和残余外部金属液包围。通过调整铸造时的工艺参数，可以控制内、外浇包中两种液体的凝固时间差，促进结晶器内熔体由外向内顺序凝固，实现两种液体部分混合。此工艺的技术关键和难点在于控制两种金属液的流速和温度，形成合适厚度的中间结合层。

图1　双流浇注连续铸造制备梯度材料原理图
Fig.1　Schematic of fabrication of gradient
composites with double-stream-pouring process

　　另一种有代表性的双流铸造成形法，是在连铸工艺过程中使用了电磁制动技术，在结晶器底部施加一个水平磁场，阻止两种金属液的混合，从而在连铸过程中形成界面分明的复合钢坯^［9］。两种不同成分的液态金属同时通过长型和短型的浸入式水口进入结晶器，借助于位于结晶器下面的水平磁场LMF（Level Magnetic Field）的作用，产生与上部金属液重力相等的足够大的洛仑兹力，使结晶器内形成上下两个区域。在连铸过程中，上部区域中的金属液形成外层金属，而下部区域的金属液进入芯部成为内层金属。
　　利用电磁场将结晶器内分为上/下两部分，解决了两种金属混熔的问题，通过精确控制磁场强度、拉坯速度以及两种金属液浇注速度，可以得到稳定的外层金属厚度和均匀的组织性能，是一种新型的制造复合钢坯的先进方法。但是，这种方法对设备制造、工艺水平、操作技能及自动化控制要求很高，特别是正确控制浇注速度，使两种金属界面结合良好且界面稳定比较困难。此外，金属的组合也受到一定限制。

2　双金属复合材料双结晶器连铸工艺

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2.1　双结晶器连铸成形原理
　　 综上所述可知，采用预成形芯材进行包覆铸造的方法，工艺复杂，界面质量难以控制，尤其是在连续铸造成形时要保证界面质量的均匀、一致性通常很困难；采用单结晶器的双金属连铸工艺（双流铸造法），主要难点在于两种金属液的混合程度难以控制，容易出现界面位置不稳定、界面层厚度不均匀现象。通过电磁场作用强制金属液在结晶器中形成分层的方法，对浇注工艺、结晶器冷却特性、拉速控制等的要求很高，金属的组合自由度也受到很大程度的限制。
　　 基于上述原因，作者等人提出采用双结晶器一次铸造成形双金属复合材料的方法^［10］，其基本原理如图2所示。在芯材结晶器内连铸凝固成形的芯材，在保护环（大气隔离环）的保护作用下，保持表面无氧化、无夹杂、无油污的状态，直接进入包覆层结晶器，热态连铸包覆层，可省略反向凝固方式中母材预处理的繁杂工序，可省略CPC法包覆层连铸工艺中需要在芯棒上涂刷防氧化涂料的工序，具有工序简单、节能降耗、复合界面良好等优点。通过控制芯材结晶器的冷却强度和包覆层结晶器内金属熔体的温度，既可以实现包覆层金属的反向凝固成形，又可实现芯材与包覆层金属之间的扩散或熔接，最终形成具有冶金学结合界面的高质量双金属复合材料。
　　采用双结晶器连铸工艺生产双金属复合材料，关键的控制工艺参数有：两种金属的浇注温度、结晶器的冷却强度、双结晶器之间的距离、拉坯速度，以及这些工艺参数之间的合理匹配等。

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图2　双金属双结晶器连铸工艺原理图
Fig.2　Schematic of duel-mold
continuous casting(DMC) technique

2.2　双金属复合材料连铸成形模拟试验
　　 根据图2所示的工艺原理，自行设计和制造了一台双金属复合材料双结晶器连铸一次成形试验样机。试验样机的基本结构特点为：芯材结晶器和包覆层结晶器均采用钢质结晶器；结晶器内金属熔体的温度通过热电偶和控温仪分别控制；采用丝杆实现连铸复合坯的拉拔。
　　作为探索性试验，本文采用低熔点的Pb(Pb-1)和Pb-Sn共晶合金(38.1Pb-61.9Sn)作为试验材料，主要探讨了连铸成形的可行性，芯材和包覆层金属的浇铸温度、拉坯速度等工艺参数的影响，以及各工艺参数之间的合理匹配问题。
　　为了检验试验样机的工作性能和基本的浇铸工艺参数，在进行复合铸造前首先分别采用包覆层成形用结晶器和芯材成形用结晶器进行单一金属（包覆材料或芯材）连铸成形。试验结果表明，对于纯铅和Pb-Sn共晶合金，不需要对结晶器进行水冷，只依靠自然冷却即可进行连铸成形。纯铅适合于进行连铸的温度为350～450℃，拉坯速度为20～40mm/min；Pb-Sn共晶合金合适的连铸温度范围为250～350℃，拉坯速度为20～50mm/min。
　　以上述试验结果为基础，对纯铅和Pb-Sn共晶合金双金属复合铸造成形的工艺参数范围及匹配关系进行了试验。结果表明，在本文的实验条件下，最佳工艺参数为：（1）芯材金属（纯铅）熔体的浇铸温度为400℃；（2）包覆材金属（Pb-Sn共晶合金）熔体的浇铸温度为280℃；（3）拉坯速度为30mm/min。当工艺参数控制不合理时，则出现芯材或包覆层拉漏、拉断、裂纹，以及芯材和包覆层互相熔化等现象。
　　采用试验样机制备的单一金属和双金属复合试样的外貌如图3所示，从上到下分别为Pb-Sn共晶合金连铸棒试样（采用包覆层结晶器成形）、Pb-Sn共晶合金包覆纯铅连铸试样（双结晶器一次成形）和纯铅连铸试样（采用芯材结晶器成形）。由图可知，连铸成形试样表面质量良好，无明显铸造缺陷。对于双金属复合试样界面附近的显微组织观察结果表明，芯材和包覆层之间无可见界面、缝隙、夹杂、空洞等缺陷，且达到完全冶金结合，如图4所示。以上结果表明本文提出的双金属复合材料双结晶器连铸工艺是可行的。

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图3　连铸成形试样(自上至下分别为Pb-Sn共晶合金、
Pb-Sn共晶合金包覆纯铅双金属棒、纯铅试样)
Fig.3　Cast samples of Pb-Sn(upper),
Pb/Pb-Sn (middle) and Pb(lower) with DMC process

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图4　界面层附近的金相显微组织　50×
Fig.4　Microstructure near interface of Pb
core and Pb-Sn eutectic alloy sheath

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　　 此外，由于本研究为采用低熔点金属的模拟实验，铸造成形时不需要对结晶器进行水冷。显然，对于高熔点金属的情形，采用水冷和正确地控制冷却强度，是实现稳定成形的重要因素。

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3　结论

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　　（1）本文提出的双金属复合材料双结晶器连铸工艺是可行的。

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　　（2）采用自行设计和制造的双结晶器连铸工艺试验样机，成功地制备了Pb-Sn合金包覆纯铅双金属复合棒材。
　　（3）影响连铸双金属复合棒材质量的主要因素是两种金属的浇注温度和拉坯速度。