一种Cu-Fe复合材料双熔体混合铸造装备与工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种Cu‑Fe复合材料双熔体混合铸造设备及工艺，包括第一熔化炉，用于加热熔化纯Cu；第二熔化炉，用于加热熔化Cu‑Fe合金；混合腔，通过导流管与所述第一熔化炉和第二熔化炉的出液口连通，将加热熔化后的纯Cu和Cu‑Fe合金进行混合；感应加热器，用于对混合腔内的混合熔体进行加热及电磁搅拌；结晶器，与所述混合腔的出液口对接；塞棒机构，用于控制所述第一熔化炉和第二熔化炉的出液口启闭及熔体流量；对所述第一熔化炉和第二熔化炉内的气压进行调节的气压调节机构。该铸造装备与工艺不仅解决了Cu‑Fe复合材料在铸造过程中成分和组织不均匀的问题，同时可显著提高生产效率和降低生产成本，适合于工业化规模生产。

Equipment and technology of dual melt mixed casting for Cu Fe Composite

【技术实现步骤摘要】
一种Cu-Fe复合材料双熔体混合铸造装备与工艺
本专利技术属于复合材料制备
，尤其涉及一种Cu-Fe复合材料双熔体混合铸造装备与工艺。
技术介绍
Cu-Fe复合材料兼有Cu的高导电、导热性能和Fe的软磁、较高强度与刚度的特性，拥有独特的电磁屏蔽性能，被广泛应用于脉冲强磁场系统、粒子加速电磁发射器、高能同步辐射光源等高精尖
Cu-Fe复合材料凝固过程中会形成两种液相区域，即富Cu区(L1)和富Fe区(L2)。由于两种液相的成分不同，密度差引起的斯托克斯运动导致在重力场的作用下引起宏观偏析，产生Cu-Fe复合材料成分、组织和性能不均匀的问题，因此采用传统熔铸法无法制备成分、组织较均匀的Cu-Fe复合材料。目前，国内外主要采用粉末冶金、喷射沉积等方法制备Cu-Fe复合材料的锭坯，结合后续冷加工(轧制、拉拔等)制备Cu-Fe复合材料。其中粉末冶金法是将Cu粉和Fe粉均匀混合后，通过热等静压设备将粉末进行压合制备出组织均匀、性能优良的Cu-Fe复合材料锭坯。喷射沉积法是将Cu和Fe熔化后，通过气体喷雾器将熔体喷散成细小的液滴，金属液滴经高速冷却在预成型靶上开始凝固，凝固后成颗粒状组织。但是上述两种工艺存在的主要问题为：(1)坯料制备需要热等静压设备或喷射沉积设备，设备投资大、要求苛刻；(2)工艺流程长，工序复杂；(3)生产的铸锭重量和规格有限，致密度较低，不利于后续冷加工成形和制备高质量产品；(4)生产效率低、成本高。
技术实现思路
本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术的目的之一在于提供一种Cu-Fe复合材料双熔体混合铸造装备与工艺，该铸造装备与工艺不仅解决了Cu-Fe复合材料在铸造过程中成分和组织不均匀的问题，同时可显著提高生产效率和降低生产成本，适合于工业化规模生产。为解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案：一种Cu-Fe复合材料双熔体混合铸造设备，包括：第一熔化炉，用于加热熔化纯Cu；第二熔化炉，用于加热熔化Cu-Fe合金；混合腔，通过导流管与所述第一熔化炉和第二熔化炉的出液口连通，将加热熔化后的纯Cu和Cu-Fe合金进行混合；感应加热器，用于对混合腔内的混合熔体进行加热及电磁搅拌；结晶器，与所述混合腔的出液口对接；塞棒机构，用于控制所述第一熔化炉和第二熔化炉的出液口启闭及熔体流量；以及，对所述第一熔化炉和第二熔化炉内的气压进行调节的气压调节机构。进一步的，还包括用于测量第一熔化炉、第二熔化炉和混合腔中熔体温度的测温元件。进一步的，所述结晶器采用水冷结晶器。进一步的，所述混合腔和导流管的材质为石墨或耐火材料。一种Cu-Fe复合材料双熔体混合铸造工艺，将纯Cu加热至Ta并保温，得到Cu熔体，将Cu-Fe合金加热至Tb并保温，得到Cu-Fe合金熔体，其中Ta小于Tb；将上述Cu熔体和Cu-Fe合金熔体搅拌混合均匀后冷却制得Cu-Fe复合材料。进一步的，包括如下具体步骤：步骤1：将纯Cu放入第一熔化炉中，加热至Ta并保温；将纯铜、纯铁按设定比例放入第二熔化炉中，加热至Tb并保温；同时，在两熔化炉内通入惰性气体进行保护；步骤2：当第一熔化炉和第二熔化炉中的金属熔化和达到目标温度后，启动塞棒机构，使纯Cu熔体和Cu-Fe合金熔体分别通过两个导流管进入混合腔，启动感应加热器，对混合腔中的混合熔体进行加热控温和电磁搅拌；同时，启动气压调节机构，调节炉体内的气压，以控制纯Cu熔体和Cu-Fe合金熔体的注入流速；步骤3：混合后的熔体经过混合腔下方的出口注入到结晶器，凝固制备得到Cu-Fe复合材料锭坯。进一步的，Ta的取值范围为1100℃～1300℃，Tb的取值范围为1400℃～1600℃。进一步的，所述混合腔内混合熔体的温度控制在1300℃～1400℃。进一步的，所述结晶器采用水流量为200～1200L/h的水冷结晶器。进一步的，所述混合腔和导流管的材质为石墨或耐火材料。与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果在于：1、本专利技术提出的双熔体混合铸造技术采用两个密闭的熔化系统分别对纯铜和Cu-Fe合金进行独立熔化和精确控温，并通过惰性气体压力控制驱动纯铜液(熔体)和Cu-Fe合金液(熔体)在混合腔中进行混合；一方面，温度较低的纯铜液使Cu-Fe合金液快速降温，提高混合熔体的粘度，可抑制富Fe液相上浮而与富Cu液相分离导致的宏观偏析现象；另一方面，气压调节机构可分别对纯铜液和Cu-Fe合金液的流速进行调控，使两种金属液按设定比例混合，实现混合熔体成分的精确控制。2、本专利技术采用感应加热方式对混合腔中的混合熔体进行精确控温和电磁搅拌，可进一步使混合熔体的成分更加均匀，减少微观偏析。3、本专利技术采用水冷结晶系统，比传统铁模铸造方式具有更强的冷却能力，混合熔体注入到水冷结晶系统后，可实现快速凝固，有利于抑制宏观偏析和细化组织，提高铸造效率。4、与传统熔铸法相比，本专利技术制备的Cu-Fe复合材料规格范围大，表面质量良好，内部无宏观偏析、无气孔、无疏松和裂纹等缺陷，成分均匀和组织细小；与粉末冶金、喷射沉积等方法相比，本专利技术具有装备简单、生产效率高、成本低、适合工业规模生产等优点。综上所述，本专利技术在传统熔铸法的基础上，提出将温度较低的纯铜熔体和温度较高的高Fe含量Cu-Fe合金熔体进行混合，并通过混合熔体温度场控制和电磁搅拌作用的思路，专利技术了一种Cu-Fe复合材料双熔体混合铸造装备与工艺，解决现有生产工艺存在设备投资大、流程长、产品规格有限、生产效率低和成本高等问题，所制备的Cu-Fe复合材料铸锭规格范围大、表面质量好、宏观偏析小、组织均匀细小。附图说明图1为本专利技术的结构示意图；图2为导流管与混合腔连接示意图；图3为传统熔铸法制备的Cu-10wt.％Fe复合材料的金相组织；图4为实施例1制备的Cu-Fe复合材料的金相组织。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。参见图1，一种Cu-Fe复合材料双熔体混合铸造设备，包括用于加热熔化纯Cu的第一熔化炉I、用于加热熔化Cu-Fe合金的第二熔化炉II、将加热熔化后的纯Cu和Cu-Fe合金进行混合的混合腔8、用于对混合腔8内的混合熔体进行加热及电磁搅拌的感应加热器9、结晶器10、塞棒机构1和气压调节机构11。其中，混合腔8通过导流管6与第一熔化炉I和第二熔化炉II的出液口连通，熔化炉内加热熔化的熔体通过导流管6引导至混合腔8；结晶器10的进液口与混合腔8的出液口对接，混合腔8内混合均匀的熔体进入结晶器10进行结晶，为提高铸造效率，进一步抑制宏观偏析和细化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Cu-Fe复合材料双熔体混合铸造设备，其特征在于，包括：/n第一熔化炉，用于加热熔化纯Cu；/n第二熔化炉，用于加热熔化Cu-Fe合金；/n混合腔，通过导流管与所述第一熔化炉和第二熔化炉的出液口连通，将加热熔化后的纯Cu和Cu-Fe合金进行混合；/n感应加热器，用于对混合腔内的混合熔体进行加热及电磁搅拌；/n结晶器，与所述混合腔的出液口对接；/n塞棒机构，用于控制所述第一熔化炉和第二熔化炉的出液口启闭及熔体流量；以及，/n对所述第一熔化炉和第二熔化炉内的气压进行调节的气压调节机构。/n

【技术特征摘要】
1.一种Cu-Fe复合材料双熔体混合铸造设备，其特征在于，包括：
第一熔化炉，用于加热熔化纯Cu；
第二熔化炉，用于加热熔化Cu-Fe合金；
混合腔，通过导流管与所述第一熔化炉和第二熔化炉的出液口连通，将加热熔化后的纯Cu和Cu-Fe合金进行混合；
感应加热器，用于对混合腔内的混合熔体进行加热及电磁搅拌；
结晶器，与所述混合腔的出液口对接；
塞棒机构，用于控制所述第一熔化炉和第二熔化炉的出液口启闭及熔体流量；以及，
对所述第一熔化炉和第二熔化炉内的气压进行调节的气压调节机构。


2.根据权利要求1所述的铸造设备，其特征在于：还包括用于测量第一熔化炉、第二熔化炉和混合腔中熔体温度的测温元件。


3.根据权利要求1所述的铸造设备，其特征在于：所述结晶器采用水冷结晶器。


4.根据权利要求1所述的铸造设备，其特征在于：所述混合腔和导流管的材质为石墨或耐火材料。


5.一种Cu-Fe复合材料双熔体混合铸造工艺，其特征在于：
将纯Cu加热至Ta并保温，得到Cu熔体，将Cu-Fe合金加热至Tb并保温，得到Cu-Fe合金熔体，其中Ta小于Tb；
将上述Cu熔体和Cu-Fe合金熔体搅拌混合均匀后冷却制得Cu-Fe复合材料。...

【专利技术属性】
技术研发人员：李周，姜雁斌，王檬，肖柱，龚深，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43