鑄造法制備金屬層狀復(fù)合材料的發(fā)展及應(yīng)用

劉朋柱

摘 要：鑄造復(fù)合技術(shù)以其生產(chǎn)成本低、界面易于實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合、生產(chǎn)過程連續(xù)化和短流程化等優(yōu)勢(shì)成為目前制備金屬層狀復(fù)合材料的主要發(fā)展方向之一。金屬層狀復(fù)合材料是利用復(fù)合技術(shù)將兩種具有不同性能的金屬以層狀的方式在界面處實(shí)現(xiàn)牢固結(jié)合的新型功能材料，其既能保持原金屬的性能優(yōu)勢(shì)，又能通過“相補(bǔ)效應(yīng)”彌補(bǔ)二者的缺點(diǎn)，從而獲得比單一金屬更加優(yōu)越的綜合性能。為做好鑄造復(fù)合技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用應(yīng)當(dāng)在總結(jié)分析鑄造復(fù)合技術(shù)工藝和機(jī)理的基礎(chǔ)上持續(xù)做好對(duì)于鑄造復(fù)合技術(shù)的研究。

關(guān)鍵詞：鑄造技術(shù)；層狀復(fù)合材料；結(jié)合機(jī)理

中圖分類號(hào)：TG146 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

金屬?gòu)?fù)層材料的成形技術(shù)按照工藝屬性可分為軋制復(fù)合法、焊接復(fù)合法、鑄造復(fù)合法和沉積復(fù)合法等。相對(duì)其他方法而言，鑄造法生產(chǎn)成本低、制備工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、流程短，且復(fù)合界面易實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合。因此，鑄造法目前已成為制備金屬層狀復(fù)合材料的主要發(fā)展方向之一，并得到日益廣泛的研究和應(yīng)用。

1 鑄造復(fù)合方法

鑄造復(fù)合法按成型工藝可分為：傳統(tǒng)復(fù)合鑄造工藝、離心鑄造法、噴射鑄造法及連續(xù)鑄造復(fù)合工藝等。其中傳統(tǒng)復(fù)合鑄造工藝是最簡(jiǎn)單的方法，包括模鑄法、雙液雙金屬法、鑲鑄法等，但直接澆注使得復(fù)合界面處溫度難以控制，工藝可靠性較差，因此限制了該方法的生產(chǎn)應(yīng)用。

1.1 連續(xù)鑄造復(fù)合技術(shù)

連續(xù)鑄造復(fù)合技術(shù)是制備金屬層狀復(fù)合材料的新型工藝方法，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的連續(xù)化和自動(dòng)化，且界面結(jié)合質(zhì)量穩(wěn)定。連鑄復(fù)合法可分為兩類：一類為包覆鑄造成型法（固液法），包括：連續(xù)澆注包覆（CPC）法、電渣液態(tài)澆注復(fù)合法（ESSLM）、反向凝固工藝、復(fù)合線材的鑄拉工藝；另一類為雙流鑄造法（液液法），包括：電磁制動(dòng)法、Novelis復(fù)合鑄造法、直接水冷半連鑄、雙流澆注復(fù)合、雙結(jié)晶器連鑄、充芯連鑄法等。

（1）連續(xù)澆注包覆CPC法生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單成品質(zhì)量高。不足之處是需要進(jìn)行復(fù)雜的預(yù)處理。

（2）電磁制動(dòng)連鑄復(fù)合技術(shù)通過在結(jié)晶器內(nèi)直接實(shí)現(xiàn)兩種材料的液液復(fù)合，從而有效地避免了界面出現(xiàn)氧化、夾渣等的問題。

（3）Novelis復(fù)合連鑄法

Novelis復(fù)合連鑄技術(shù)的工藝原理是在結(jié)晶器中間放置隔板，先澆注芯部合金錠，后澆注外層合金，使較薄的外層合金與先凝固的芯層合金在半固態(tài)下結(jié)合，先凝固的合金作為外層合金熔體凝固的基礎(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)兩種合金的復(fù)合， 如圖1所示。

該方法由2006年美國(guó)Novelis公司提出，并已進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)。該公司的奧斯威戈軋制廠已鑄造50多種不同規(guī)格的鋁合金錠，產(chǎn)品性能良好（見圖2）。Novelis法工藝靈活，能鑄造多種鋁合金復(fù)合板錠，且可生產(chǎn)在固態(tài)下難以結(jié)合的復(fù)合材料。

1.2 離心鑄造復(fù)合法

離心鑄造法是制備金屬?gòu)?fù)層材料的傳統(tǒng)方法，主要生產(chǎn)雙金屬輥、套、筒類鑄件以及復(fù)合管材。其工藝原理是向旋轉(zhuǎn)的鑄模中依次澆鑄各層金屬，或?qū)⑷刍母矊咏饘贊茶T到預(yù)處理后的基層金屬上，兩層金屬通過組分?jǐn)U散或外層金屬的重熔以實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合。

1.3 噴射鑄造復(fù)合法

噴射鑄造又稱噴射成形復(fù)合，是利用快速凝固方法來獲得金屬?gòu)?fù)層材料的一種先進(jìn)特種鑄造技術(shù)。工藝原理為分別熔煉兩種不同的金屬，并霧化成熔體射流，在噴射沉積成一層金屬坯體后，隨著拉坯的進(jìn)行噴射另一種金屬液，兩種金屬相互復(fù)合擴(kuò)散，通過調(diào)整工件的類型和位置可實(shí)現(xiàn)復(fù)層板、棒、管等坯件的制備。改變兩種金屬霧化錐的距離則可形成不同梯度層厚度的復(fù)層材料。

2 鑄造復(fù)合技術(shù)的應(yīng)用

鑄造復(fù)合技術(shù)因其優(yōu)異的特性廣泛應(yīng)用于金屬層狀復(fù)合板材、線材以及管型材料的制備，目前應(yīng)用較為成熟的則是制備復(fù)層板材以及復(fù)合軋輥。

金屬?gòu)?fù)層板材的鑄造復(fù)合技術(shù)主要包括電磁制動(dòng)連鑄復(fù)合工藝、Novelis復(fù)合連鑄法、直接水冷半連續(xù)鑄造、噴射鑄造法、反向凝固法。金屬?gòu)?fù)層線材主要應(yīng)用在電力線、電纜導(dǎo)體以及航空航天等領(lǐng)域，其鑄造復(fù)合制備方法包括：鑄拉復(fù)合工藝和反向凝固法，分別用于鋁包鋼以及銅包鋼線材的制備；用于制備鋁合金復(fù)層棒材的雙流連續(xù)澆注法；雙結(jié)晶器連續(xù)鑄造和充芯連鑄工藝（銅包鋁線）。

鑄造法制備金屬?gòu)?fù)層管材的應(yīng)用包括傳統(tǒng)的離心鑄造法、噴射鑄造法、以及水平電磁連鑄法。

結(jié)語

鑄造復(fù)合技術(shù)以其生產(chǎn)成本低、制備工藝簡(jiǎn)單、對(duì)鑄件形狀和尺寸適應(yīng)性強(qiáng)、易實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)在金屬層狀復(fù)合材料制備領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景。近些年我國(guó)也對(duì)其進(jìn)行了大量探索，為使我國(guó)的復(fù)合材料取得進(jìn)一步發(fā)展，必須通過加強(qiáng)對(duì)鑄造復(fù)合技術(shù)的研究，深入探索界面結(jié)合機(jī)理，尋求適合中國(guó)企業(yè)生產(chǎn)狀況的新型方法和工藝路線，盡快把科研成果推廣到實(shí)際生產(chǎn)中去。

參考文獻(xiàn)

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