[发明专利]一种铝合金复合管坯的制备装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于金属材料制备技术领域，特别涉及一种铝合金复合管坯的制备装置及方法。

背景技术

铝合金复合管材是一种两种或多种铝合金复合而成的层状复合材料，由于可以充分发挥复合管各组元的特点，所以复合材料可以实现多种性能的组合，如高强耐磨、高强耐蚀、高强可钎焊，高强高导、耐蚀可钎焊等。所以铝合金复合管材的应用量显著增加。广泛用于汽车、、船舶、机械、石油化工、电力电子和航天、航空工业。

传统的铝合金复合管材的生产方法是挤压复合法，该方法是将挤压成的管坯，表面处理后，套到一起，加热后挤压，利用挤压时的高温、高压，将两种或多种铝合金复合成复合管材。这种方法的问题是复合工序长，复合管的界面经常有气孔和夹杂，复合界面不平直。所以不经济。

此外，也有人将表材铝合金带，经弯曲拉伸包覆材到芯材铝合金管外部，然后采用高频焊将表材焊接成管，这种方法生产的复合管材，由于表材与芯材没有冶金结合，所以不是真正的复合管材，只是包覆管材。

现代复合管材的生产方法都是先铸造复合管坯，然后挤压或轧制成复合管材。

生产制备双金属复合管坯的方法主要有：离心技术法、消失模真空吸铸法及塑性成形法等。离心铸造法是先将用作基管的金属液体放入旋转的金属模，使其受到旋转造成的离心力场，凝结成为基管，等到温度下降到某一程度时，加入内衬管的金属液体，以同样的原理形成内衬管。由于其成型原理，它只适用于内衬金属熔点低于外层金属熔点的复合管的成型，而且这种方法生产效率低，成本高。消失模真空吸铸法实质为砂型铸造，将一种管材作为外管，泡沫材料作为衬里管的铸模，一起放入砂型，浇入另一种材料替代泡沫，这种方法虽然可以做特殊形状的双金属管材，但工序复杂、劳动强度高，难以实现工业化生产。塑性成形法得到的复合管材的结合方式为机械结合，难以保证界面质量及结合强度。

专利200610112817(专利文件1)提出了一种复合材料的水平连铸直接成型设备和工艺，其工艺为：复合层金属由复合层金属控温坩埚保温，流经复合层金属保温腔后，注入由复合层金属结晶器和芯部金属液浇注管形成的铸型中凝固成复合层金属管；芯部金属在已凝固的复合层金属管中凝固，并与复合层金属管形成复合铸锭；复合铸锭经过二次冷却装置冷却后通过牵引机构连续引出，达到一定长度后通过锯切装置将其锯断。该方法虽然相对于传统方法有设备简单、短流程、节能的优点，但也存在明显的不足之处，例如该方法只适合生产外层金属熔点高于内层金属的复合铸锭，反之则无法适用；内层金属液流出后还需加保温装置，消耗了大量能源；而且该方法只能生产复合棒材，若生产复合管材还需后续一系列加工，这样就增加了工序和成本。

专利201010587350(专利文件2)提出了一种复层管坯的铸造装置和铸造方法，此方法工艺过程和设备都比较简单，易于实现大规模连续生产，降低了复层管坯的生产成本。但是该方法外层金属液在浇注过程中要受到内层金属液的二次加热，使得复合层金属和芯部金属复合时的温度难以控制，容易造成内层和外层金属的过度复合，甚至混流。同时，在铸造过程中内层金属液的冷却凝固所要散失的热量主要靠外层金属的传递，在实际操作中很难控制冷却的强度，易导致内外层金属的过度复合。

专利201210021134(专利文件3)提出了一种双金属复层材料的制备方法和装置，该方法设备简单、短流程、能耗低、生产效率高，而且可以防止内外层的过度复合。但是该方法也存在明显的不足，首先该方法中的装置具有两套独立的冷却装置，而内层金属的冷却难以达到理想状态，冷却不足容易使内层金属在外层金属浇入时重熔，甚至熔穿，冷却过度时，则外层金属浇入时界面温度过低而使其在后期冷却过程中发生开裂；其次，设备结构较为复杂，不利于实现大规模生产。

专利201010587350(专利文件2)与专利201210021134(专利文件3)涉及的制备复层管坯的方法都属于水平连续铸造法，由于水平连续铸造法的特征，使两者在制备复层管坯时存在合金种类、管坯尺寸等方面的较大局限性。首先，当外层金属液浇到已经凝固的内层金属管表面时，位于上方浇口处的界面容易因外层金属液的冲刷而被破坏，甚至整个内层管被熔穿。而远离浇口的下面，会因为冷却作用及不可避免的热量散失，这样会使外层金属液还未充满外腔时就已经凝固，特别是两相区较宽的合金，未完全凝固时流动性已经变得很差或基本失去流动性。其次，由于重力作用，该方法极容易产生成分偏析，特别是对于大尺寸的复合管坯。另外，这两种方法中装置的冷却设备冷却强度较小，对于过共晶合金很容易造成初生相的偏析与偏聚。