CN111283175B - 一种铸造异构金属棒材的装置及方法 - Google Patents

一种铸造异构金属棒材的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于异构材料制备领域，具体涉及一种铸造异构金属棒材的装置及方法。在离心铸造工作段中交替浇铸两种或两种以上金属液，得到两种或两种以上金属径向交替排列的管状材料，随后利用压铸的方式填充铸件心部，得到两种或两种以上金属径向交替排列的金属铸件，对得到的金属铸件脱模后进行去应力退火处理，最终获得异种金属径向交替排列的异构金属棒材。本发明制备的异构金属棒材具有异构材料的特性，多种合金层分别提高基体的强度和韧性，满足实际应用的需要；本发明可制备大尺寸的异构金属棒材，微观结构设计具有灵活性和指向性，不同微观组织分布比例易于调控，铸件成品率较高，应用范围更广。

Description

一种铸造异构金属棒材的装置及方法
技术领域
本发明属于异构材料制备领域，具体涉及一种铸造异构金属棒材的装置及方法。
背景技术
金属材料是人类社会发展的重要物质基础，各种金属材料在航空航天，物品封装等多种领域得到了广泛的应用。但其强度与韧性间的相互制约限制了应用范围的进一步扩大。对于传统均质材料来说，强度的提高往往伴随韧性的显著下降，难以实现强度与韧性的良好匹配。异构材料由强度差异显著的多种组织组成，在变形过程中，不同组织界面附近会产生较大的应变梯度，从而产生显著的背应力来强化材料，同时背应力加工硬化使基体获得良好的塑性，最终实现强度和韧性的良好匹配。
经过对现有技术的检索发现，Fuping Yuan等人在《Materials ResearchLetters》 (材料研究快报，7：1(2019)，12-17)上发表的“Ductility by shear banddelocalization in the nanolayer of gradient structure”(梯度结构纳米层中剪切带去局域化诱发塑性)一文中，提到了利用表面机械研磨处理制备异构材料的方法。该技术的特点是：(1)工艺流程简单，生产效率高；(2)制得的材料为梯度材料，能实现强度和韧性的良好匹配，满足使用的需要。但该技术也存在以下缺点：(1) 制得的材料中细晶层在表面，粗晶层在内部，无法对微观结构进行灵活调控；(2) 制得的材料细晶层厚度有极限，无法制备大尺寸样品，限制其在工业领域的应用。
进一步检索发现，黄崇湘等人在专利CN106929780A《一种高强韧性微/纳米层状金属材料及其制备方法》中提到了通过“热轧——液氮冷轧——部分再结晶退火和轧制减薄循环——部分再结晶退火”的方法制备高强韧性微/纳米层状异构金属材料。该技术的特点是：(1)制得的材料界面间距可控，微观结构设计较为灵活；(2)该技术方法适用的范围较广，铜/黄铜，铜/铌，镁/铝等皆可。但该技术也存在以下缺点：(1)叠轧工艺程序复杂，且对轧制设备要求高；(2)制得的材料为板材，不能直接用于导线等工件的制备。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铸造异构金属棒材的方法。首先在离心铸造工作段中交替浇铸多种金属液，得到多种金属径向交替排列的管状材料，随后利用压铸的方式填充铸件心部，得到多种金属径向交替排列的金属铸件，对得到的金属铸件脱模后进行去应力退火处理，最终获得异种金属径向交替排列的异构金属棒材。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种铸造异构金属棒材的方法，在离心铸造工作段中交替浇铸两种或两种以上金属液，得到两种或两种以上金属径向交替排列的管状材料，随后利用压铸的方式填充铸件心部，得到两种或两种以上金属径向交替排列的金属铸件，对得到的金属铸件脱模后进行去应力退火处理，最终获得异种金属径向交替排列的异构金属棒材。
进一步的，所述两种或两种以上金属具有强度差异，且各金属之间不形成中间化合物，各金属之间熔点相差小于100℃。
进一步的，所述两种或两种以上金属均为铜或铜合金。
进一步的，所述两种或两种以上金属均为铝或铝合金。
一种铸造异构金属棒材的装置，包括动力单元：包括电动机和皮带，电动机在离心铸造工作段启动，用于带动铸造模具旋转，在压力铸造工作段停止；
铸造单元：包括铸造模具、水槽、滚动体、外圈、进料车，与动力单元相连，用于棒材的铸造，模具底板设有顶杆机构，用于脱模，模具前盖上连有中部开孔的盖板，用于控制模具与进料车的接触，进料车后端设有活塞，用于将金属液压入模具，前端由保温套包裹，用于防止金属液降温凝固；
热处理单元：包括退火炉，用于对铸件进行去应力退火，改善机械性能。
进一步的，所述方法采用上述装置，具体包括如下步骤：
步骤(1)：离心铸造：打开盖板，启动电动机，将进料车与铸造模具对接后浇铸黄铜金属液进行离心铸造，在此过程中更换进料车准备下一道次浇注，待第一道次铸造完毕后保温，再进行另一种金属液的浇铸，重复上述步骤直至所铸管体内径与浇道口的外径相同；
步骤(2)：压力铸造：停止电动机，关闭盖板，将铸造铸件心部所用材料对应的进料车与模具对接，注入金属液，推动活塞使金属液迅速填满铸件心部并冷却凝固，形成两种金属径向交替排列的棒材；
步骤(3)：脱模：打开模具前盖，驱动模具底板上的顶杆机构将铸件顶出模具；
步骤(4)：去应力退火：将铸体放入退火炉中进行退火处理。
进一步的，所述步骤(1)中铸造模具的转速为400～1000r/min，待第一道次铸造完毕后保温2～10min，铸造过程中冷却方式为水冷，浇铸温度为1100～1300℃，保温温度为100～500℃。
进一步的，所述步骤(2)中的压铸温度为1100～1300℃，压力为50～-300MPa，铸造完毕后冷却至室温，冷却方式为水冷。
进一步的，所述步骤(3)中的脱模速率为2～20cm/s。
进一步的，所述步骤(4)中的退火温度为200～300℃，保温时间为0.5～2h，冷却方式为随炉冷却。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
1.本发明采用铸造的方法制备异构金属棒材，原材料来源广泛，价格低廉。
2.本发明制备的异构金属棒材具有异构材料的特性，多种合金层分别提高基体的强度和韧性，满足实际应用的需要。
3.本发明可制备大尺寸的异构金属棒材，微观结构设计具有灵活性和指向性，不同微观组织分布比例易于调控，铸件成品率较高，应用范围更广。
4.本发明制备的异构金属为棒材，为导线等工件的制备提供必需的原材料，满足工业需求。
5.本发明的装置，在模具前盖上连有中部开孔的盖板，能够控制模具与进料车的接触。
附图说明
图1为铸造设备示意图。
图2为铸造流程示意图，其中(a)为离心铸造工作段示意图，(b)为压力铸造工作段示意图，(c)为脱模工作段示意图。
图3为热处理示意图。
图4为异构金属棒材示意图，其中(a)为外形图，(b)为轴向剖面图，(c) 为径向剖面图。
附图标记说明：
1-活塞，2-进料口，3-保温套，4-冷水槽，5-盖板，6-热水槽，7-外圈，8-滚动体，9-铸造模具，10-模具底板，11-顶杆机构，12-电动机，13-金属A，14-金属B，15-退火炉，16-皮带。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
一种利用离心压力铸造制备异构金属棒材的装置，包括
动力单元：包括电动机12和皮带15，用于带动铸造模具旋转，在离心铸造过程中，皮带将电动机与离心铸造模具连接起来，电动机的转动带动铸造模具的转动，实现金属液的离心。
铸造单元：包括铸造模具9、水槽、滚动体8、外圈7、进料车，铸造单元与动力单元相连，用于进行金属棒材的铸造。外圈7外层与冷水管相连，内层与滚动体8相接触，中间通有冷水以冷却铸造模具9。在离心铸造过程中，铸造模具9转动，滚动体8随之转动而外圈7不动，从而起到隔绝的作用
热处理单元：包括退火炉15，对铸件进行去应力退火，改善机械性能。
所述模具底板10设有顶杆机构11，用于脱模，模具前盖上连有中部开孔的盖板5，用于控制模具与进料车的接触。
所述进料车后端设有活塞1，用于将金属液压入模具；进料车上设有进料口 2，用于金属液的浇铸；前端由保温套3包裹，用于防止金属液降温凝固。
本发明是通过以下技术方案实现的，包括以下步骤：
第一步，离心铸造：打开盖板5，启动电动机12，将进料车与铸造模具9 对接后浇铸金属液A进行离心铸造，在此过程中更换进料车准备下一道次浇注。铸造模具的转速为400～1000r/min。待第一道次铸造完毕后保温2～10min，再进行金属液B的浇铸，重复上述步骤直至所铸管体内径与浇道口的外径接近。铸造过程中采用水流冲刷模具外壁的方式进行冷却。浇铸温度为300～1500℃，保温温度为100～500℃。
第二步，压力铸造：停止电动机12，关闭盖板5，将铸造铸件心部所用材料对应的进料车与模具对接，注入金属液，推动活塞1使金属液迅速填满铸件心部并冷却凝固，形成两种金属径向交替排列的棒材。压铸温度为300～1500℃，压力为50～-300MPa，铸造完毕后冷却至室温，冷却方式为水流冲刷模具外壁。
第三步，脱模：打开模具前盖5，驱动模具底板10上的顶杆机构11将铸件顶出模具，脱模速率为2～20cm/s。
第四步，去应力退火：将铸体放入退火炉中进行退火处理。退火温度为 50～800℃，保温时间为0.5～5h，冷却方式为随炉冷却。
实施例1
如图1-4所示，以黄铜和纯铜构成的异构铜合金棒为实施例1，给出详细的实施方式和具体操作，以下实施例涉及四部工序：离心铸造，压力铸造，脱模，去应力退火，其中：
第一步，离心铸造。如图2中(a)所示，打开盖板5，启动电动机，将进料车与铸造模具9对接，向进料口2注入黄铜金属液，同时推动活塞1使金属液迅速进入铸造模具中进行离心铸造，铸造模具的转速为600r/min。待第一道次铸造完毕后保温5min，浇铸纯铜金属液，重复上述步骤直至所铸管体内径与浇道口的外径接近，得到黄铜与纯铜径向交替排列的管状材料。铸造过程中冷却方式为水流冲刷模具外壁。浇铸温度为1200℃，保温温度为500℃。
第二步，压力铸造。如图2中(b)所示，停止电动机，关闭盖板5，将铸造铸件心部所用材料对应的进料车与铸造模具9对接，注入金属液，推动活塞1使金属液迅速填满铸件心部并冷却凝固，形成黄铜与纯铜径向交替排列的棒材。压铸温度为1200℃，压力为100MPa，铸造完毕后冷却至室温。冷却方式为水流冲刷模具外壁
第三步，脱模。如图2中(c)所示，打开模具前盖，向模具底板10上的顶杆机构11加压，顶杆机构向前运动将铸件顶出铸造模具9。脱模速率为5cm/s。
第四步，去应力退火。如图3所示，对铸件进行退火处理。退火温度为300℃，保温时间为3h，冷却方式为随炉冷却。最终得到如图4所示的棒材，黄铜与纯铜因所含合金元素的差异而产生机械性能的差异，进而获得软硬两相，形成异构铜合金棒材。本专利通过上述的离心铸造与压力铸造结合的方法，成功制得了高强高韧的异构铜合金棒材。
实施例2
以7075铝合金和纯铝构成的异构铝合金棒为实施例2，给出详细的实施方式和具体操作，以下实施例涉及四部工序：离心铸造，压力铸造，脱模，去应力退火，其中：
第一步，离心铸造。如图2中(a)所示，打开盖板5，启动电动机，将进料车与铸造模具9对接，向进料口2注入7075铝合金金属液，同时推动活塞1使金属液迅速进入铸造模具中进行离心铸造，铸造模具的转速为600r/min。待第一道次铸造完毕后保温5min，浇铸纯铝金属液，重复上述步骤直至所铸管体内径与浇道口的外径接近，得到7075铝合金和纯铝径向交替排列的管状材料。铸造过程中冷却方式为冷却方式为水流冲刷模具外壁。浇铸温度为700℃，保温温度为 300℃。
第二步，压力铸造。如图2中(b)所示，停止电动机，关闭盖板5，将铸造铸件心部所用材料对应的进料车与铸造模具9对接，注入金属液，推动活塞1使金属液迅速填满铸件心部并冷却凝固，形成7075铝合金和纯铝径向交替排列的棒材。压铸温度为700℃，压力为100MPa，铸造完毕后冷却至室温。冷却方式为水流冲刷模具外壁。
第三步，脱模。如图2中(c)所示，打开模具前盖，向模具底板10上的顶杆机构11加压，顶杆机构向前运动将铸件顶出铸造模具9。脱模速率为5cm/s。
第四步，去应力退火。如图3所示，对铸件进行退火处理。退火温度为175℃，保温时间为2h，冷却方式为随炉冷却。最终得到如图4所示的棒材，7075铝合金与纯铝因所含合金元素的差异而产生机械性能的差异，进而获得软硬两相，形成异构铝合金棒材。本专利通过上述的离心铸造与压力铸造结合的方法，成功制得了高强高韧的异构铝合金棒材。

Claims (8)

1.一种铸造异构金属棒材的方法，其特征在于，在离心铸造工作段中交替浇铸两种或两种以上金属液，得到两种或两种以上金属径向交替排列的管状材料，随后利用压铸的方式填充铸件心部，得到两种或两种以上金属径向交替排列的金属铸件，对得到的金属铸件脱模后进行去应力退火处理，最终获得异种金属径向交替排列的异构金属棒材；
所述方法采用铸造异构金属棒材的装置，装置包括动力单元：包括电动机和皮带，电动机在离心铸造工作段启动，用于带动铸造模具旋转，在压力铸造工作段停止；
铸造单元：包括铸造模具、水槽、滚动体、外圈、进料车，与动力单元相连，用于棒材的铸造，模具底板设有顶杆机构，用于脱模，模具前盖上连有中部开孔的盖板，用于控制模具与进料车的接触，进料车后端设有活塞，用于将金属液压入模具，前端由保温套包裹，用于防止金属液降温凝固；
热处理单元：包括退火炉，用于对铸件进行去应力退火，改善机械性能；
所述方法具体包括如下步骤：
步骤（1）：离心铸造：打开盖板，启动电动机，将进料车与铸造模具对接后浇铸一种金属液进行离心铸造，在此过程中更换进料车准备下一道次浇注，待第一道次铸造完毕后保温，再进行另一种金属液的浇铸，重复上述步骤直至所铸管体内径与浇道口的外径相同；
步骤（2）：压力铸造：停止电动机，关闭盖板，将铸造铸件心部所用材料对应的进料车与模具对接，注入金属液，推动活塞使金属液迅速填满铸件心部并冷却凝固，形成两种金属径向交替排列的棒材；
步骤（3）：脱模：打开模具前盖，驱动模具底板上的顶杆机构将铸件顶出模具；
步骤（4）：去应力退火：将铸体放入退火炉中进行退火处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述两种或两种以上金属具有强度差异，且各金属之间不形成中间化合物，各金属之间熔点相差小于100℃。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述两种或两种以上金属选自铜或铜合金。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述两种或两种以上金属选自铝或铝合金。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（1）中铸造模具的转速为400~1000r/min，待第一道次铸造完毕后保温2~10min，铸造过程中冷却方式为水冷，浇铸温度为1100~1300℃，保温温度为100~500℃。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（2）中的压铸温度为1100~1300℃，压力为50~-300MPa，铸造完毕后冷却至室温，冷却方式为水冷。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤（3）中的脱模速率为2~20cm/s。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤（4）中的退火温度为200~300℃，保温时间为0.5~2h，冷却方式为随炉冷却。
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