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第7章 复合铸造 7.1 概述 现代机械设备的设计和制造技术的发展，不断对铸件的性能和质量提出更高的要求，例如，要求同一铸件兼有几种不同的使用性能。要生产这类铸件，仅仅靠控制单一材料的成分和组织，一般是难以实现的，需要采用某些特殊的复合制造方法，如机械连接复合、镶套复合、铸造复合等方法。复合铸造是指将两种或两种以上具有不同性能的金属材料铸造成为一个完整的铸件，使铸件的不同部位具有不同的性能，以满足使用的要求。通常是一种合金具有较高的力学性能，而另一种或几种合金则具有抗磨、耐蚀、耐热等特殊使用性能。,常见的复合铸造工艺有镶铸工艺、重力复合铸造工艺、离心复合铸造工艺。镶铸工艺是将一种或两种金属预制成一定形状的镶块，镶铸到另一种金属液体内，得到兼有两种或多种特性的双(多)金属铸件。目前用镶铸工艺生产的铸件有：高压阀门、高压柱塞泵等耐磨耐蚀耐热关键性金属零部件、硬质合金导卫板等。重力复合铸造是将两种或多种不同成分、性能的铸造合金分别熔化后，采用特定的浇注方式或浇注系统，在重力条件下先后浇入同一铸型内，获得复合铸件的工艺。重力复合铸造生产的铸件有：挖掘机斗齿、双金属锤头、保险柜材料等。,离心复合铸造是将两种或多种不同成分、性能的铸造合金分别熔化后，先后浇人离心机旋转的模筒内，获得复合铸件的工艺。离心复合铸造生产的铸件有：组合轧辊，轧辊辊环，陶瓷内衬复合铸铁管等。,复合铸造铸件的质量除取决于铸造合金本身的性能外，更主要地取决于两种合金材料界面结合的质量。在双金属复合铸造过程中，两种金属中的主要元素在一定温度场内可以相互扩散、相互熔融形成一层成分与组织介于两种金属之间的过渡合金层，一般厚度为4060mm。控制各工艺因素以获得理想的过渡层的成分、组织、性能和厚度，是制造优质复合铸造铸件的技术关键。除上述常规复合铸造工艺外，近年来还出现了水平磁场制动复合连铸法(LMF)、包覆层连续铸造法(CPC)、电渣包覆铸造法(ESSLM)、反向凝固连铸复合法、复合线材铸拉法、双流连铸梯度复合法、双结晶器连铸法、充芯连铸法(CFC法)等复合铸造新技术和新工艺。,7.2 水平磁场制动复合连铸法(LMF)近年来，电磁力技术在材料加工过程中的应用取得了引人注目的成就。利用温度计检验和磁流体动力学分析的方法，研究安装在结晶器上的水平磁场(LMF，Level Magnetic Field)所产生的磁场对钢液在结晶器中流动的影响，发现LMF可以抑制结晶器内化学成分的混合程度，导致了一种新的复合钢坯连铸工艺概念的形成，即水平磁场制动复合连铸工艺。在这种新工艺中，结晶器中的不同钢液通过水平磁场的作用实现分离，并且凝固成复合钢坯。用LMF方法生产复合钢坯的连铸工艺如图7-l所示。,水平磁场（5）安装在结晶器（4）的下部，两种不同化学成分的金属液分别通过长型（2）和短型（1）的浸入式浇口同时注入结晶器的上部和下部。,如果没有水平磁场(LMF)的作用，从两个浇口流出的两种金属液会造成混合。有了水平磁场，它的制动力会对垂直穿过水平磁场的钢液流产生作用，从而阻止两种金属液的混合。根据磁流体动力学的原理，在结晶器中形成以水平磁场为界的上下两部分。冷却仍然采用水冷铜结晶器和出结晶器后喷水冷却两种方式。位于结晶器上部的熔融钢液凝固形成复合钢坯的外层，位于结晶器下部的钢液凝固成复合钢坯的芯部。此工艺过程中关键技术是：(1)水平磁场的作用强度；(2)两种金属的浇注速度的正确控制。,实验用连铸机是一个长度为8m的垂直型连铸机，其结晶器为170mm厚，800mm宽，900mm长，水平磁场的中部位于从结晶器的顶部向下690mm处，水平磁场的最大强度为0.8T。在拉铸方向上，磁场强度的峰值出现在水平磁场的中部，并且在磁场的顶端和底端达到峰值的80；在宽度方向上的磁场强度几乎是相同的。水平磁场的强度是指磁场中间的强度。两个浇包都装置了钢液重量偏差在1kg范围内的负载测试仪，以使作为芯材和外层钢液的浇注速度可得到准确测量和控制。,针对芯材是碳钢、外层是不锈钢的复合钢坯连铸进行了实验。芯材和外层钢液在不同的炉中熔化，然后注入不同的浇包，并且连续浇人结晶器。拉速为0.81.2m/min，磁场强度为00.8T。上、下两部分金属液的边界位置定位在距结晶器顶部750810mm的地方。没有水平磁场作用时，复合钢坯的内外层边界难以分辨，说明结晶器中芯材和外层的钢液混合在一起。而有水平磁场作用时，复合钢坯的芯部与外层界面可通过凝固组织很明显地分辨出来，且外层坯壳厚度基本均匀，说明结晶器上下部分的边界维持在稳定的水平面状态。,采用x射线微观分析仪对复合钢坯中的Ni浓度沿厚度方向上的变化进行测定的结果表明，在水平磁场的制动作用下，复合钢坯外层中Ni的浓度大致等同于相应中间包内的浓度。对其他元素的分析也得出类似的结果，从而证实了芯部与外层化学元素被良好隔离，只在芯部与外层之间有厚度为l2mm的化学成分连续变化的过渡层。,7.3 包覆层连续铸造法(CPC)轧钢技术的发展要求轧辊具有更高的强韧性和耐磨性，因此近年来欧美和日本不断采用新的轧辊制造工艺，如CPC、Osprey、HIP、CBC、ESR、CIC等方法，使生产的复合轧辊的强韧性和耐磨性显著提高。其中，包覆层连续铸造法(CPC法：Continuous Pouring Process for Cladding)工艺简单，复合性能好，生产成本低。CPC法的原理如图7-2所示。,将轧辊辊芯材料1垂直地放于水冷紫铜的结晶器8中，为了减小刚进入结晶器金属的冷却强度，防止出现裂纹，在结晶器的上部设置和结晶器同轴心的石墨隔离环7。将金属液4浇注到配置在结晶器和隔离环上方的耐火材料浇口杯6和辊芯材料之间，使外层金属液和辊芯熔合，并顺序向上凝固，将凝固部分连续向下拉拔，实现连续铸造复合辊外层9。,为了实现辊芯金属和外层金属的良好复合，需要预热辊芯材料，防止辊芯材料进入外层金属液时的温度太低，因此在辊芯材料的外面设置感应热线圈3。为了防止辊芯在进入外层金属液之前被氧化，导致辊芯金属和外层金属的复合质量下降，需要在辊芯材料的外面涂一层防氧化涂料2。CPC法的关键技术包括以下两个方面：(1)温度的正确设定、匹配与控制；(2)辊芯防氧化。,温度的正确设定、匹配与控制：在生产复合轧辊的尺寸和生产装备确定的条件下，通过控制预热器的功率、加热器的功率、浇注温度、拉拔速度等工艺参数，实现在生产复合轧辊的不同高度位置上和时间下，复合界面的热量均衡，实现外层金属液将辊芯材料均匀熔化l3mm，使辊芯金属和外层金属实行冶金结合。通过汁算机数值模拟可以为设计生产装置和制定生产工艺参数提供定量参考。,辊芯防氧化：在CPC法复合前一般需要将辊芯整体预热，预热温度约：350450。在复合过程中需要对辊芯局部预热，使其在进入外层金属液时的温度达到800900。为了防止辊芯材料在进入外层金属液之前被氧化，导致辊芯金属和外层金属的复合质量下降，需要在辊芯材料的外面涂一层防氧化涂料，防氧化涂料的成分之一例为：36SiO2，5A12O3，6CaO，25Na2O，3K2O，25B2O3；密度2.58g/cm3，软化点578。,CPC法制造复合轧辊具有如下特点：轧辊的芯部材质可为强韧钢系材料；轧辊的外层材质可以选择多种高合金材料；CPC法外层凝固速度快，组织致密；离心铸造工具钢时出现的初晶碳化物偏折在用CPC法制造轧辊时可以避免；CPC法由下向上的顺序凝固，避免了缩孔的产生；在浇口杯中保持一定的金属液也保证了非金属夹杂物的上浮；工作层中有高的残余压应力，其抗热裂性好；外层材料与芯部材料的结合强度高，结合强度可达540640MPa。,采用CPC法生产高速钢复合轧辊的实例：辊芯为42CrMo锻钢(300rmn)，辊芯的预热温度900，外层高速钢液的金属温度控制为1300，复合轧辊的尺寸为150mm700mm，复合后经过1100淬火及500550回火，轧辊表面硬度HS（肖氏硬度）为85，用于热轧板的轧辊，具有耐磨、轧材表面质量好等优点。日本新日铁的CPC法设备可以制造热带连轧机精轧用的轧辊，轧辊最大直径为850mm，辊身最大长度3000mm，辊身外层最大厚度100mm，轧辊全长5700m，轧辊最大单重15t。,CPC法（包覆层连续铸造法）对于解决外层金属复合的完整性及控制复合效果方面有着独到的优势，而在实际生产中产品的质量也得到了保证，但对设备的能力、厂房条件的要求也比较高，对操作工人的能力和实际操作水平要求较高，且这种方法只适用于单件小批量生产。,7.4 电渣包覆铸造法(ESSLM),1997年乌克兰ELMET轧辊集团研究开发成功了采用电渣包覆铸造法生产复合轧辊的工艺，该法简称为ESSLM法。从成形原理上看，ESSLM法与CPC法在本质上是相同的。其原理如图7-3所示。工艺过程为：先将轧辊辊芯材料1垂直地放于水冷紫铜的结晶器5 中，并使二者保持同轴状态。轧辊辊芯的外表面和结晶器的内表面的间隙决定复合轧辊的外层厚度。,然后，在化渣炉中熔化电渣，将电渣液浇入轧辊辊芯的外表面和结晶器的内表面的间隙中，电渣液形成渣池3，其热量将轧辊辊芯的外表面预热。随后用浇包2浇入外层所需成分的金属液4，可以连续浇入也可以按预先设定的程序浇入。外层金属在通过电渣池时被电渣精炼，同时将电渣上浮。外层金属液与已经被电渣预热的轧辊辊芯材料表面熔合，并因水冷结晶器的冷却而凝固，形成复合层6。由拉拔装置不断地将已经凝固部分拉出结晶器，或使结晶器上移，同时不断注入外层金属液，直至达到预定的复合轧辊长度为止。水冷结晶器采用特殊设计，具有导电功能，起到保持电渣过程所需的电极的作用(不消耗电极)。,电渣熔炼是利用电流通过熔渣时产生的电阻热作为热源进行熔炼的方法。采用电渣包覆铸造法（ESSLM法）生产辊类件的直径可由l00mm到1000mm以上。复合层厚度可根据需要控制在20mm到100mm范围。复合轧辊致密、无疏松、裂纹、缩孔等缺陷；外层金属与母体熔合良好，主要合金元素、硬度及显微组织在高度方向和横断面上的分布均匀；生产成本低，生产效率高，电能消耗少，设备简单，可生产任意成分的复合辊外层。采用ESSLM法成功地制备了热带钢工作辊用高速钢复合轧辊，其尺寸为344mm650mm。,7.5 反向凝固连铸复合法 反向凝固连续铸造复合成形的原理图如图7-4所示。母带6从下向上以一定速度穿过熔池5，熔池内装有一定量和温度的包覆层金属液4，包覆层金属液附在母带表面凝固，凝固的厚度逐步增加，直至完全通过包覆层金属液；然后通过一对轧辊2对母带及附在母带表面凝固层3进行轧制，达到平整表面、控制复合带材厚度的目的，最终获得所需的复合带材产品1。,反向凝固工艺中，凝固方向为从里向外(即从母带表面开始凝固)，有别于一般连铸的从外向里的凝固工艺，因此称为反向凝固工艺。该工艺有利于凝固补缩，是一种很有前途的连铸新工艺。1989年德国阿亨大学钢研所、曼内斯曼德马克公司和曼内斯曼研究所三方合作开始反向凝固法生产薄带的试验。据德国专家估计，该工艺能够达到年产复合带钢100万吨的生产能力。1996年北京科技大学与东北大学合作，在国家自然科学基金资助下，开始反向凝固法生产不锈钢碳钢复合带实验研究已取得较大进展。,反向凝固复合法的关键包括以下三个方面：侧封技术；凝固控制技术；母带预处理技术。侧封技术：母带从装有金属液的熔池底部由下向上穿过，并以一定速度运动，需要密封母带的四个侧面防止金属液从母带的侧面漏出。由于母带以一定速度运动，必然会磨损侧封物，因而需要具有自动调整其间隙的功能。凝固控制技术：为了保证包覆层与母带界面良好复合，需要控制母带穿过金属液的速度、包覆层金属液的高度、包覆层金属液的过热度、母带原始厚度等关键工艺参数。防止温度过高或停留时间过长，造成母带被熔化过多或熔断。相反，则可能造成母带与包覆层结合效果差。,母带预处理技术：母带为经过热轧或冷轧的薄钢带，其表面存在氧化层或污染，易对界面复合质量产生影响，因此需要对母带进行如图7-5所示的预处理。如果界面预处理效果不好，或者预处理后不能马上使用，被氧化或污染，将难以保证获得质量良好的复合界面。,7.6 复合线材铸拉法 复合线材铸拉法是传统的热浸镀、连续铸造和拉伸变形三项工艺的结合。它主要包括钢丝表面处理、钢丝预热、铸拉和后处理四个工艺环节，其工艺原理如图7-6所示。将预先处理好的钢丝1由上向下穿过保温炉2、结晶器4和拉拨模6，然后浇注铝液3，拉拔钢丝带动复合导线经过拉拔模6，获得表面光滑的复合导线。,复合线材铸拉工艺的关键技术有两个：钢丝表面预处理：铸拉工艺控制。钢丝表面预处理包括除油、酸洗、水洗、涂助焊剂和预热。预热是为了形成良好的润湿环境，保证获得性能良好的结合界面。铸拉工艺控制的核心是通过结晶器的冷却完成复合过程，在拉拔模中使复合线产生一定的变形，以改善其力学性能、导电性能和表面质量。复合线材铸拉工艺实例：结晶器内径13.5mm，结晶器内表面的粗糙度为3m，结晶器内冷却水流速1ms，钢丝直径为4.5mm，铝液的浇注温度为850900。,7.7 双流连铸梯度复合法 要使材料内部与外部具有不同的性能，而且不存在成分、组织与性能突变的界面，最经济的办法无疑是在铸造条件下直接使合金成分随铸件截面按要求分布。20世纪90年代初，有人提了一种以多流浇注连续铸造方式大规模生产合金成分随铸件截面连续梯度变化的结构材料的设想。张卫文等人在此设想的基础上采用双流浇注半连续铸造方法对A1-Si系合金进行了实验研究。,双流连铸法生产梯度复合材料的基本原理如图7-7所示，即在传统的连续铸造基础上增加一个内浇包2及其内导管4。内浇包2及外浇包3分别容纳不同成分的两种金属液体，流经外浇包的金属液体经出水口后直接进入结晶器6中，受激冷而首先凝固成具有一定厚度的薄壳，当内浇包的熔体脱离内导管口时则被凝固薄壳和富含籽晶和熔断枝晶的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，实现两种液体的部分混合。内浇包熔体的流量由内导管中的液流控制阀5来调节，外浇包熔体的流量由拉锭速度所规定的总物质流和内浇包熔体的流量间接控制。在实验中考虑的主要工艺参数有：内外浇包中的熔体成分、内外浇包的熔体温度、内导管深入结晶器的长度、节流孔径、结晶器的形状、内导管的设计、冷却强度、拉锭速度等。,各参数对固液界面的形状、熔体在液相穴中的流动状态有很大影响。减少内导管深入结晶器的长度，则内浇包中熔体流出导管后与外浇包熔体混合程度增加；节流孔径减小，则外浇包中有足够的熔体量凝固在铸锭外层，使成分梯度变陡；温度降低，凝固坏壳厚度增加，同时温度梯度增加，使顺序凝固趋势加强，导致成分梯度变陡；温度升高虽然可促进顺序凝固，但也增大两种成分的金属液体进行混合的程度。此外，两种金属液体的合金成分、冷却强度和铸造速度对合金成分的分布也有重要影响。由于两种金属在熔融状态直接接触、混合，因而双流连铸梯度复合法不适合于两种金属易形成金属间化合物的情形。,7.8 双结晶器连铸法,双结晶器连铸双金属复合材料的原理如图7-8所示，其工艺的思路是：沿拉坯方向设置两个同轴的结晶器4和10，芯部金属在上结晶器4中凝固，进入到下保温坩埚7中的外层包覆金属液中，在下结晶器10中外层金属凝固并与芯部金属形成冶金结合，实现连铸包覆。,在连铸过程中，选择合理的连铸温度和拉坯速度是实验成功的首要条件。(1)如果温度较高开始下拉，金属液在结晶器中不能形成一定厚度的坯壳，那么铸坯在出结晶器口时容易产生拉漏事故；如温度太低，则容易产生冷隔、拉断等问题。(2)拉坯速度的快慢影响结晶器内金属液固界面的相对位置以及液相穴的长度变化，在拉速较快的条件下，出结晶器时的凝固坯壳太薄，容易产生拉漏事故。,采用所研制的双结晶器连铸实验设备对铜-锌铝合金复合材料工艺进行了初步的研究。复合材料芯部为铜合金，直径20mm，包覆层为锌铝合金，外径40mm，包覆层厚度10mm。实验研究结果如下：(1)影响芯材与包覆层复合界面质量的主要工艺参数有铜的加热或保温温度、锌铝合金的加热或保温温度、连铸拉坯速度、结晶器的尺寸，结晶器的冷却强度、两个结晶器之间的距离、包覆合金液的高度、振动幅度、振动频率。,(2)芯材与包覆层连铸成形工艺主要参数的合理匹配关系为：铜合金的加热熔化(或保温)的合理温度为：1250；锌铝合金的加热熔化(或保温)的合理温度为：630；连铸拉坯速度为：120mmmin：上、下结晶器的高度：80mm、l00mm；结晶器结构为水冷铜内衬石墨，两结晶器之间的距离为350mm；包覆合金液的高度80mm；振动幅度2mm，振动频率10Hz。,在上述试验条件下，获得了良好质量的铜-锌铝合金双金属复合材料，其界面结合强度高于包覆层锌铝合金的强度，界面成分和组织均匀过渡。复合材料外貌如图7-9所示。,7.9 充芯连铸法,充芯连铸法(core filling continuous cast，简称CFC)是一种用于制备高熔点金属包覆低熔点金属的复合材料的新工艺，是在连铸外层金属管壳中充填芯部金属液体并使之凝固，以实现两种金属的复合。CFC法的基本原理如图7-10所示。,结晶器9和芯部金属液导流管4沿引锭方向配置于同一轴线上；芯部金属液导流管4的上端紧密与芯部金属控温坩埚2连接。下端伸入外层包覆金属控温坩埚7,和结晶器9中，形成外层金属凝固的型芯；结晶器9上端紧密与外层会属控温坩埚7连接；控温坩埚2、7通过感应加热器1、5进行加热和保温，在结晶器9的出口处设置有二次冷却装置。,连铸复合成形工艺过程为：外层金属由控温坩埚7加热和保温，并注入由结晶器9和芯部金属液导流管4构成的铸型中，凝固成外层金属管；芯部金属由控温坩埚2加热和保温，通过芯部金属液导流管4浇注到外层金属管中与其熔合并凝固。包覆金属和芯部金属所需的冷却速度由牵引机构的引锭速度、结晶器9的冷却强度，控温坩埚2和7、二次冷却装置的冷却强度来控制。CFC法的主要特点如下：包覆层在出结晶器和芯部金属液导流管(型芯)构成的铸型中凝固成形。,包覆层成形后起到芯部金属的结晶器的作用，即芯部金属液通过导流管直接流入已凝固成形的包覆层中，与包覆层熔合并凝固。工艺简单，可以获得无氧化皮、无夹杂的完全清洁的复合界面，提高包覆材料的质量。外层金属和芯部金属由不同的控温坩埚进行加热和保温，易于有效地进行外层金属和芯部金属凝固速度的调节和控制，保证连铸成形的稳定进行。通过控制芯部金属液导流管下端伸入的位置、外层金属固液界面和芯部金属固液界面的位置，可以合理控制外层金属与芯部金属的复合温度，防止在复合界面层出现互熔过大或互熔过小现象。,CFC法适合于铜包铝线等一类包覆层金属温度高于芯部金属的复合材料的成形。铜包铝线主要用于信号传输，如有线电视信号和移动通讯信号的同轴电缆内导体等。有线电视信号和移动通讯信号的频率很高，一般在50800MHz，由于电流的“趋肤效应”，使高频电流集中在导体的表面层传输。当用纯铜线进行信号传输时，中心部位的铜没有起到传输电流的作用。用铜管则最经济，但其强度低，当电缆弯曲时易压瘪，从而影响信号的传输。用铜层同心地包覆具有较好导电性、密度小、价格便宜的铝制成双金属包覆导线，是一种较为理想的方案。,铜包铝线具有如下特点：节约铜用量，降低生产成本。1t纯铜的价格与l t纯铝的价格相近，但铜的密度是铝的3.3倍，因此，在直径相同的条件下，1t纯铝线的长度要比1t纯铜线长2.3倍。提高同轴电缆使用的稳定性和可靠性。同轴电缆常用铝管作外导体的屏蔽层，因铜包铝线的膨胀系数与铝材相近，可减小因温度变化使电缆内、外材料膨胀不匹配而产生的连接故障。铜包铝线电缆重量轻，便于运输和减小施工中的劳动强度。另外，由于充芯连铸工艺制备双金属复合材料是一次下拉实现两种金属同时连铸并复合的工艺，增加了工艺参数控制的难度。,根据上述原理与特点研制的实验设备如图7-11所示。以铜包铝双金属复合材料为主要研究对象所进行的试验研究结果表明，包覆层与芯部金属的熔化(保温)温度、连铸拉坯速度的正确控制与合理匹配，是实现顺利稳定成形的关键。,控制包覆金属纯铜熔体的过热度为200250，芯部金属铝熔体的过热度为100200。如果铜熔体过热度太低，则易出现金属熔体冻在结晶器的内部、拉断金属坯、拉坯阻力很大的现象；如果金属铝熔体的过热度太低，则易造成导流管堵塞，铜铝界面复合不好。反之，如果过热度过太高，容易产生非稳定拉坯现象。因为铜熔体温度过高，凝固界面低于导流管下端面时，不能形成铜管坯壳，铜熔体与铝熔体直接混合，无法进行包覆成形，甚至造成拉漏事故；而铝熔体过热度过高，可能造成已凝固铜管坯壳的熔断，造成包覆层厚度不均、拉漏等现象的产生。,拉坯速度是影响充芯连铸工艺的重要因素，需要与金属熔体温度、结晶器冷却强度进行合理匹配，否则容易造成拉漏事故(拉坯速度太快)，或拉卡、包覆层厚度不均匀(拉坯速度太慢)等现象。实验成形的铜包铝双金属复合棒的横截面和纵截面形貌如图7-12所示。从图中可以看出，包覆层的厚度均匀。,