一种铝/镁复合材料连续铸造制备方法技术

本发明专利技术提供一种铝/镁复合材料连续铸造制备方法。该方法的包括如下步骤：在保护气氛下将镁合金熔体浇入上结晶器，然后启动连铸引锭杆，得到连铸芯材；当连铸芯材到达等离子喷涂喷枪位置时，启动电源实现对芯材表面的均匀喷涂，得到表面喷涂合金中间层的连铸芯材；表面喷涂合金中间层的连铸芯材到达下结晶器时，将包覆层铝合金熔体浇入下结晶器与芯材进行复合，获得铝/镁复合材料铸锭。本发明专利技术还提供了一种铝/镁复合材料连续铸造制备的设备。本发明专利技术通过在连铸过程中在线制备合金中间层的方法，阻碍了界面区域硬脆第二相的形成，获得具有良好冶金结合界面的铝/镁复合材料，且具有生产成本低、流程短、污染少的特点。

A continuous casting method for aluminum / Magnesium Composites

The present invention provides a method for continuous casting of aluminum / magnesium composite materials. The method comprises the following steps: under protective atmosphere the magnesium alloy melt poured into the crystallizer, and then start the caster dummy bar, get the casting core; when casting core material to plasma spraying gun position, to start power evenly spraying the core material on the surface of the core material are casting surface spraying intermediate alloy the surface coating layer; casting alloy core middle layer to the crystallizer, the coating layer Aluminum Alloy melt is poured into the mould and core material compound, obtained ingot aluminum / magnesium composite material. The invention also provides a equipment for continuous casting of aluminum / magnesium composite materials. The invention prevents the formation of hard and brittle second phase in the interface area, and obtains the aluminum / magnesium composite material with good metallurgical bonding interface, and has the characteristics of low production cost, short process and less pollution through the preparation of the alloy intermediate layer in the continuous casting process.

【技术实现步骤摘要】
一种铝/镁复合材料连续铸造制备方法
本专利技术属于复合金属加工
，尤其涉及一种铝/镁复合材料连续铸造制备方法。
技术介绍
镁合金是目前工业中密度最小的金属结构材料，且具有高的比强度，良好的消震性和电磁屏蔽性，但是塑性和耐蚀性差；铝合金具有较好的塑性和耐蚀性，但是密度相比镁合金较大。铝镁双金属复合材料兼具了二者的优势，成为交通运输领域最具吸引力的一类复合材料，对于减轻汽车质量、提高燃料经济性、保护环境、增强竞争力等方面都有显著效果。制备双金属复合材料的关键是获得具有良好结合性能的界面。冶金结合界面是通过原子相互扩散使两种金属材料紧密的结合在一起，相比机械结合界面，具有结合强度高、稳定性好、杂质缺陷少等优点，已成为制备双金属复合材料的主要界面结合机制。目前双金属复合材料制备方法主要包含以下几类：1)固/固复合。包含轧制复合、焊接、挤压复合和爆炸复合等技术。CN101518848A公开了一种制备镁与铝异种金属复合板的方法，通过叠合焊接后高温扩散反应，获得铝/镁复合板。CN102642344A公开了一种铝包镁线材轧制复合制备方法。CN101992345A公开了一种铝合金和镁合金叠层板爆炸复合制备方法。CN102689090A公开了一种镁/铝合金中厚板搅拌摩擦焊方法。但是，这些工艺存在工序复杂，界面结合不均匀，成品率低，成本高，且制件尺寸受限，无法实现大规模生产等问题。2)固/液复合。主要为铸造复合法。由于铝/镁金属间化合物形成温度远低于合金熔体浇铸温度，铸造复合过程中两种金属会在界面反应生成硬脆中间相，严重影响结合性能，铸造复合工艺的关键就在于控制和减少界面反应。CN102350492A公开了一种铸造铝包镁复合铸锭的制备方法，通过将液态镁合金浇入到一定形状和尺寸的铝板盒内，冷却后既得包铝镁合金铸锭。但是该方法需要预制铝板盒，且浇注前还需对其进行预热和表面处理，工艺复杂，且浇注时界面反应较剧烈，无法保证均匀良好的界面结合。CN103691909A公开了一种铝/镁固液复合铸造成型方法，通过将经表面处理和预热的铝合金管材置入镁合金液中，然后迅速淬入室温水中，待界面凝固后放于空气中冷却获得复合铸锭。该方法减少了铝/镁界面反应，但工艺复杂，且受限于模具尺寸。CN105964919A公开了一种消失模制造液/液复合铝/镁双金属铸件的方法，首先提供一个包含镁合金部分、中间铝片和铝合金部分的复合泡沫模型，其次对其涂涂料并埋砂造型，最后分别浇注镁合金液和铝合金液，冷却凝固后获得铝/镁双金属铸件。该方法通过在界面处预先添加铝片阻碍界面反应，工艺复杂，不能保证均匀良好的冶金结合，且受限于模具尺寸。3)液/液复合。主要为连续铸造复合法。相比其它方法，连续铸造复合法制备双金属材料具有成本低、流程短、效率高、且易实现冶金结合等优点，具有广阔发展前景。CN106216618A公开了一种浇注连续铸造制备双金属复合材料的方法，通过向液态金属熔体在结晶器形成的凝固液穴内加入金属半固态浆料，凝固后获得梯度过渡的双金属复合铸锭。CN104174823A公开了一种包覆材料固/液复合连铸成型设备与方法，适于包覆层金属熔点低于芯材金属熔点的难以卷曲的大尺寸包覆材料连铸成型。CN1927504A公开了一种包覆材料水平连铸直接复合成形设备与工艺。但是，这些工艺仅适用于熔点相差较大或没有中间相产生的异种金属复合，如铝/钢，铝/铜，铝/铝复合材料等。由于液/液复合时界面温度高，原子扩散加剧，且铝和镁的熔点仅相差约10℃，铝/镁界面处会形成大量脆性第二相，从而限制了连续铸造法在制备铝/镁复合材料方面的应用。
技术实现思路
为了克服上述技术和性能的不足之处，本专利技术提供一种铝/镁复合材料连续铸造制备方法。该方法在传统的包覆材料垂直连续铸造装置中增加了等离子喷涂的设置，可以对先凝固的芯材表面进行在线喷涂合金中间层，然后再与包覆层合金熔体进行复合，从而避免了高温下镁、铝两种合金的直接接触，能够获得界面无明显脆性相、实现良好冶金结合的铝/镁复合材料。本专利技术的技术方案：一种铝/镁复合材料连续铸造制备方法，包括以下步骤：(1)在保护气氛下将镁合金熔体浇入上结晶器，然后启动连铸引锭杆，牵引速度为60-120mm/min，镁合金熔体受上结晶器激冷作用迅速凝固，得到连铸芯材；(2)当连铸芯材在引锭杆的牵引下到达等离子喷涂喷枪位置时，启动电源对芯材表面进行均匀喷涂合金中间层，得到表面喷涂厚度为30-100μm合金中间层的连铸芯材；(3)表面喷涂合金中间层的连铸芯材在引锭杆的牵引下经过下结晶器时，将包覆层铝合金熔体浇入下结晶器，铝合金溶体通过下结晶器与连铸芯材进行复合，凝固后获得铝/镁复合材料铸锭。所述镁合金为金属镁、镁-铝系列、镁-锰系列、镁-锌系列或镁-稀土系列合金。所述铝合金为金属铝、铝-镁系列、铝-锰系列、铝-铜系列、铝-锌系列或铝-硅系列合金。所述合金中间层优选为镍合金。所述等离子喷涂工艺优选为，喷涂电压40-60V，电流500-700A，等离子气体(Ar)流量30-50L/min，辅助气体(H2)流量3-10L/min，送粉气体(Ar)流量5-20g/min。所述等离子喷涂喷枪与芯材表面距离优选为5-15cm，喷涂作业窗口高度范围为5-15cm。所述连铸芯材截面直径优选为5-15mm；所述的包覆层的厚度优选为3-20mm。所述二次冷却装置可以是水冷、油冷或空冷中的任何一种。一种铝/镁复合材料连续铸造制备的装置，该装置的组成包括上结晶器、等离子喷涂喷枪、外浇包、下结晶器、二次冷却装置和连铸引锭杆；其中，上结晶器、外浇包、下结晶、二次冷却装置从上到下依次配置于同一轴线上；上结晶器的下部与外浇包顶部之间间距为10-30cm，等离子喷涂喷枪安装在二者之间的外部，枪头位置可围绕轴心水平自由转动；下结晶器的顶部与外浇包的下部紧密相连；所述的引锭杆头端为凸台结构。本专利技术的实质性特点为：本专利技术的创新点为通过在连铸过程中在线制备合金中间层的方法,获得具有良好冶金结合界面的铝/镁复合材料。本专利技术克服了连续铸造复合法制备铝/镁复合材料时界面反应剧烈、易形成大量硬脆第二相的缺点，利用等离子喷涂工艺效率高、工艺简单和不受样件形状尺寸约束的特点，在线喷涂高熔点合金中间层阻碍两种金属的直接接触和硬脆相的形成，同时合金中间层与两种金属均形成良好的冶金结合，在保证获得良好结合性能的前提下，充分发挥了连续铸造法制备复合材料成本低、流程短、能耗低、污染小的优势。本专利技术的有益效果为：本专利技术在连续铸造过程中利用等离子喷涂技术高效率和高灵活性的特点，同步制备合金中间层，实现铝/镁复合材料的制备；针对当前技术中，连续铸造法不能用来制备铝镁复合材料，本专利技术则提供了一种连续铸造法制备铝镁复合材料的方法，直接在铸造过程中就获得结合良好的铝镁复合材料，省去了固/固复合或固/液复合制备铝镁复合材料时的二次加工过程，制备流程大幅缩短，相应节约了能耗，所以说效率高，成本低。具体体现为：1)良好的结合界面组织性能。本专利技术所制备的铝/镁复合材料界面无明显硬脆第二相形成，合金中间层薄且均匀，裂纹及孔洞缺陷少，结合强度高。2)成本低、效率高。连续铸造法一次制备界面结合良好的铝/镁复合材料，与固/固复合法相比，省去样品表面处理、加热及本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铝/镁复合材料连续铸造制备方法，其特征为该方法包括以下步骤：（1）在保护气氛下将镁合金熔体浇入上结晶器，然后启动连铸引锭杆，牵引速度为60‑120mm/min，镁合金熔体受上结晶器激冷作用迅速凝固，得到连铸芯材；（2）当连铸芯材在引锭杆的牵引下到达等离子喷涂喷枪位置时，启动电源对芯材表面进行均匀喷涂合金中间层，得到表面喷涂合金中间层厚度为30‑100μm的连铸芯材；（3）表面喷涂合金中间层的连铸芯材在引锭杆的牵引下经过下结晶器时，将包覆层铝合金熔体浇入下结晶器，铝合金溶体通过下结晶器与连铸芯材进行复合，凝固后获得铝/镁复合材料铸锭；所述的上结晶器、外浇包、下结晶、二次冷却装置从上到下依次配置于同一轴线上；上结晶器的下部与外浇包顶部之间间距为10‑30cm，等离子喷涂喷枪安装在二者之间的外部，枪头位置可围绕轴心水平自由转动；下结晶器的顶部与外浇包的下部紧密相连；所述的引锭杆头端为凸台结构。

【技术特征摘要】
1.一种铝/镁复合材料连续铸造制备方法，其特征为该方法包括以下步骤：（1）在保护气氛下将镁合金熔体浇入上结晶器，然后启动连铸引锭杆，牵引速度为60-120mm/min，镁合金熔体受上结晶器激冷作用迅速凝固，得到连铸芯材；（2）当连铸芯材在引锭杆的牵引下到达等离子喷涂喷枪位置时，启动电源对芯材表面进行均匀喷涂合金中间层，得到表面喷涂合金中间层厚度为30-100μm的连铸芯材；（3）表面喷涂合金中间层的连铸芯材在引锭杆的牵引下经过下结晶器时，将包覆层铝合金熔体浇入下结晶器，铝合金溶体通过下结晶器与连铸芯材进行复合，凝固后获得铝/镁复合材料铸锭；所述的上结晶器、外浇包、下结晶、二次冷却装置从上到下依次配置于同一轴线上；上结晶器的下部与外浇包顶部之间间距为10-30cm，等离子喷涂喷枪安装在二者之间的外部，枪头位置可围绕轴心水平自由转动；下结晶器的顶部与外浇包的下部紧密相连；所述的引锭杆头端为凸台结构。2.如权利要求1所述的铝/镁复合材料连续铸造制备方法，其特征为所述镁合金为金属镁、镁-铝系列、镁-锰系列、镁-锌系列或镁-稀土系列合金。3.如权利要求1所述的铝/镁复合材料连续铸造制备方法，其特征为所述铝合金为金属铝、铝-镁系列、铝-锰系列、铝-铜系列、铝-锌系列或铝-硅系列合金。4.如权利要求1所述的铝/...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宁，刘灿春，王璐，殷福星，梁春永，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12