本發(fā)明涉及包覆復(fù)合材料連鑄技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種固-液包覆復(fù)合材料的連續(xù)鑄造成形裝置和方法。

背景技術(shù)：

復(fù)合材料是集兩種性能不同的金屬于一體的新型材料，采用復(fù)合材料可達(dá)到綜合利用單一金屬各自的性能，減少短缺資源的用量、減輕單位長度線材重量的目的，以降低生產(chǎn)成本，可廣泛應(yīng)用于通信、接地、傳輸?shù)阮I(lǐng)域。隨科學(xué)水平不斷進(jìn)步和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，復(fù)合材料這類將會(huì)成為材料領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。

復(fù)合材料制備方法通常包括固-固相復(fù)合法、液-液相復(fù)合法和固-液相復(fù)合法。其中固-固相復(fù)合法是將兩種已經(jīng)處理好的金屬通過施加外力作用使其機(jī)械復(fù)合在一起、形成良好結(jié)合界面的復(fù)合材料，如軋制法復(fù)合、連續(xù)擠壓法包覆復(fù)合等。該方法對(duì)兩種材料的表面質(zhì)量要求高，但是復(fù)合結(jié)合界面不牢固，成本高。液-液相復(fù)合法可以很大程度上簡(jiǎn)化工藝，降低生產(chǎn)成本，使結(jié)合界面達(dá)到冶金結(jié)合，但是在生產(chǎn)過程中芯部材料的保護(hù)措施及溫度控制困難，設(shè)備投資很大，設(shè)備維護(hù)費(fèi)也很高，生產(chǎn)成本高。固-液相復(fù)合法目前包括熔銅浸漬法和電鍍法。熔銅浸漬法利用金屬熱滲透原理形成包覆層，結(jié)合界面良好，但是對(duì)包覆層的厚度難以精確控制，芯材與金屬液接觸時(shí)間長，容易發(fā)生侵蝕并污染金屬液，另外該方法工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本高。電鍍法成本低，但是電鍍層不均勻影響結(jié)合界面導(dǎo)致包覆層開裂或脫落，并且鍍層厚度較薄，且鍍液對(duì)環(huán)境污染大。

專利“一種包覆材料固/液復(fù)合水平連鑄成形設(shè)備與方法”(授權(quán)公告號(hào)CN 104148599 B)中的包覆材料連鑄成形設(shè)備與方法，芯線沒有預(yù)熱，從而影響了包覆材料的結(jié)合界面；芯線需要預(yù)熱需要增設(shè)芯線加熱裝置，造成能源浪費(fèi)；芯線牽引速度受冷卻速度限制，導(dǎo)流管及反向凝固器內(nèi)容易受芯線激冷而無法順利牽引。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在提供一種固-液包覆復(fù)合材料的連續(xù)鑄造成形裝置和方法，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作維護(hù)方便、生產(chǎn)效率高、質(zhì)量控制穩(wěn)定。

一種固-液包覆復(fù)合材料的連續(xù)鑄造成形裝置，包括爐體、用于對(duì)爐體進(jìn)行加熱的加熱元件，以及結(jié)晶器冷卻套，還包括有導(dǎo)流管；所述導(dǎo)流管設(shè)于所述爐體內(nèi)且其前端和后端分別與爐體的外部連通；所述導(dǎo)流管的前端伸出所述爐體外并套接于所述結(jié)晶器冷卻套形成結(jié)晶區(qū)；所述導(dǎo)流管的前部設(shè)有金屬液入口連通導(dǎo)流管的內(nèi)部，所述金屬液入口配置有可分離的堵件。

進(jìn)一步地，所述導(dǎo)流管和結(jié)晶器冷卻套位于同一水平軸線上。

進(jìn)一步地，裝置還包括有入口冷卻水套，所述導(dǎo)流管的后端伸出所述爐體外并且套接于所述入口冷卻水套；所述入口冷卻水套與導(dǎo)流管、結(jié)晶器冷卻套位于同一水平軸線上。

進(jìn)一步地，裝置還包括有芯材定位機(jī)構(gòu)，所述芯材定位機(jī)構(gòu)設(shè)于與所述導(dǎo)流管的后端對(duì)應(yīng)的位置；所述芯材定位機(jī)構(gòu)與導(dǎo)流管、結(jié)晶器冷卻套位于同一水平軸線上。

進(jìn)一步地，裝置還包括有牽引機(jī)構(gòu)和牽引桿，所述牽引桿的一端伸入導(dǎo)流管的結(jié)晶區(qū)內(nèi)，并且另一端連接于牽引機(jī)構(gòu)；所述牽引機(jī)構(gòu)和牽引桿與導(dǎo)流管、結(jié)晶器冷卻套位于同一水平軸線上。

進(jìn)一步地，所述結(jié)晶器冷卻套的前方還設(shè)有二次冷卻機(jī)構(gòu)，所述二次冷卻機(jī)構(gòu)與導(dǎo)流管、結(jié)晶器冷卻套位于同一水平軸線上。

進(jìn)一步地，所述導(dǎo)流管的后部為芯材預(yù)熱區(qū)，內(nèi)徑大小與所述芯材的外徑相匹配；前部為金屬液入口通道，其內(nèi)徑大于芯材預(yù)熱區(qū)的內(nèi)徑。

利用上述裝置進(jìn)行固-液包覆復(fù)合材料的連續(xù)鑄造成形的方法，包括如下步驟：

S1堵件堵塞導(dǎo)流管的金屬液入口，在爐體內(nèi)加入需要包覆的金屬固體或者金屬液，并利用加熱元件對(duì)爐體加熱，從而對(duì)金屬液保溫或?qū)⒔饘偌訜釣榻饘僖?，金屬液需要沒過導(dǎo)流管；

S2將芯材從導(dǎo)流管的后端伸入導(dǎo)流管；

S3在金屬液加熱到預(yù)設(shè)溫度后將堵件提升離開金屬液入口，金屬液進(jìn)入導(dǎo)流管的前部并流往結(jié)晶區(qū)，在結(jié)晶器冷卻套的作用下，在結(jié)晶區(qū)內(nèi)金屬液凝固和芯材形成包覆復(fù)合材料鑄坯；

S4將結(jié)晶區(qū)內(nèi)的包覆材料往前牽引，則后續(xù)的芯材部分繼續(xù)進(jìn)入結(jié)晶區(qū)，與后續(xù)流入結(jié)晶區(qū)內(nèi)的金屬液繼續(xù)凝固形成包覆復(fù)合材料鑄坯，則在連續(xù)的牽引下就能實(shí)現(xiàn)包覆復(fù)合材料鑄坯的連續(xù)鑄造。

需要說明的是，當(dāng)設(shè)有芯材定位機(jī)構(gòu)時(shí)，芯材先通過芯材定位機(jī)構(gòu)再進(jìn)入導(dǎo)流管，芯材定位機(jī)構(gòu)對(duì)芯材進(jìn)行定位和引導(dǎo)，避免芯材在行進(jìn)過程中偏離位置；當(dāng)設(shè)有牽引機(jī)構(gòu)和牽引桿時(shí)，步驟S1中，芯材的前端固定在牽引桿位于結(jié)晶區(qū)內(nèi)的一端；在步驟S3中，牽引桿的一端與芯材和金屬液一并形成包覆復(fù)合材料鑄坯，牽引機(jī)構(gòu)通過將牽引桿向前牽引，將初始在結(jié)晶區(qū)形成的包覆復(fù)合材料鑄坯牽引出來，步驟S4中，在牽引機(jī)構(gòu)的連續(xù)運(yùn)行下，結(jié)晶區(qū)內(nèi)連續(xù)形成包覆復(fù)合材料鑄坯。

需要說明的是，當(dāng)具有二次冷卻機(jī)構(gòu)時(shí)，包覆復(fù)合材料鑄坯在從結(jié)晶區(qū)被牽引出來后，二次冷卻機(jī)構(gòu)對(duì)其實(shí)現(xiàn)再次冷卻；當(dāng)具有入口冷卻水套時(shí)，所述入口冷卻水套不斷對(duì)導(dǎo)流管的后端進(jìn)行冷卻，當(dāng)有金屬液流向?qū)Я鞴艿暮蠖藭r(shí)，入口冷卻水套對(duì)金屬液實(shí)現(xiàn)冷卻凝固，則金屬液不能從導(dǎo)流管的后端流出。

本發(fā)明的有益效果在于：

1.通過導(dǎo)流管的設(shè)計(jì)和使用，使得可以根據(jù)芯材和包覆復(fù)合材料的規(guī)格尺寸確定導(dǎo)流管芯材預(yù)熱區(qū)、結(jié)晶區(qū)的規(guī)格尺寸，從而使得產(chǎn)品的尺寸的控制更加穩(wěn)定；另外還可通過設(shè)計(jì)金屬液通道長度，控制芯材與金屬液的接觸距離和時(shí)間，防止芯材被侵蝕，污染金屬液。

2.利用金屬液的溫度對(duì)芯材進(jìn)行預(yù)熱作用，可避免芯材與包覆金屬材料之間形成氣孔，提高包覆復(fù)合材料鑄坯的界面結(jié)合質(zhì)量，同時(shí)不用額外對(duì)其進(jìn)行加熱，節(jié)約了能源；

3.通過設(shè)置芯材定位機(jī)構(gòu)，對(duì)芯材起到定位的作用，保證芯材在鑄造過程中位置的穩(wěn)定，從而穩(wěn)定產(chǎn)品的質(zhì)量；

4.通過設(shè)置牽引桿并使芯材的前端固定在牽引桿在結(jié)晶區(qū)內(nèi)的一端上，不僅能夠解決在鑄造初始牽引鑄坯的問題，也起到鑄造初始芯材固定與定位作用。

5.入口冷卻水套既防止金屬液從導(dǎo)流管芯材通道間隙溢出，也可以有效保護(hù)導(dǎo)流管和芯材，防止其裸露在空氣中氧化。

6.利用導(dǎo)流管、牽引桿等實(shí)現(xiàn)對(duì)芯材在包覆材料鑄坯中的定位，定位方法簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、且適用于偏心定位。

7.本發(fā)明方法具有短流程、效率高、節(jié)能環(huán)保、工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)，可制備包覆層組織均勻、厚度均勻且界面結(jié)合好的包覆復(fù)合材料鑄坯。

8.通過導(dǎo)流管的規(guī)格尺寸設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)不同包覆率、不同規(guī)格形狀的包覆復(fù)合材料的鑄造。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述，需要說明的是，本實(shí)施例以本技術(shù)方案為前提，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于本實(shí)施例。

如圖1所示，一種固-液包覆復(fù)合材料的連續(xù)鑄造成形裝置，包括爐體4、用于對(duì)爐體4進(jìn)行加熱的加熱元件5，以及結(jié)晶器冷卻套9，還包括有導(dǎo)流管8；所述導(dǎo)流管8設(shè)于所述爐體4內(nèi)且其前端和后端分別與爐體4的外部連通；所述導(dǎo)流管8的前端伸出所述爐體4外并套接于所述結(jié)晶器冷卻套9形成結(jié)晶區(qū)；所述導(dǎo)流管8的前部設(shè)有金屬液入口(即圖1中堵件7下端穿過導(dǎo)流管的部分)連通導(dǎo)流管8的內(nèi)部，所述金屬液入口配置有可分離的堵件7。

加熱元件5可以安裝在爐體4的外側(cè)，或者嵌在爐體內(nèi)部。圖1所示為加熱元件5安裝在爐體4的外側(cè)的狀態(tài)。

爐體可以用中間包或者保溫爐替代。爐體材料可以澆筑或者坩堝替代。加熱元件可以采用感應(yīng)加熱器或者電阻加熱器，其位置可以在爐體及導(dǎo)流管下側(cè)或者覆蓋整個(gè)爐體。另外，爐體可以選擇置于大氣中、真空中或者特定保護(hù)性氣氛環(huán)境中。

導(dǎo)流管的芯材預(yù)熱區(qū)、金屬液入口通道和結(jié)晶區(qū)可以采用一體成形的方式，也可以采用分段組合式結(jié)構(gòu)，材料則可以選擇石墨、陶瓷、金屬或者混合選擇組成。

進(jìn)一步地，所述導(dǎo)流管8和結(jié)晶器冷卻套9位于同一水平軸線上。

進(jìn)一步地，裝置還包括有入口冷卻水套3，所述導(dǎo)流管8的后端伸出所述爐體4外并且套接于所述入口冷卻水套3；所述入口冷卻水套3與導(dǎo)流管8、結(jié)晶器冷卻套9位于同一水平軸線上。

進(jìn)一步地，裝置還包括有芯材定位機(jī)構(gòu)2，所述芯材定位機(jī)構(gòu)2設(shè)于與所述導(dǎo)流管8的后端對(duì)應(yīng)的位置；所述芯材定位機(jī)構(gòu)2與導(dǎo)流管8、結(jié)晶器冷卻套9位于同一水平軸線上。

進(jìn)一步地，裝置還包括有牽引機(jī)構(gòu)12和牽引桿13，所述牽引桿13的一端伸入導(dǎo)流管8的結(jié)晶區(qū)內(nèi)，并且另一端連接于牽引機(jī)構(gòu)12；所述牽引機(jī)構(gòu)12和牽引桿13與導(dǎo)流管8、結(jié)晶器冷卻套9位于同一水平軸線上。圖1中所示為牽引桿已經(jīng)與初始形成的包覆復(fù)合材料鑄坯被牽引出的狀態(tài)。牽引機(jī)構(gòu)為電動(dòng)式牽引機(jī)構(gòu)，可以采用人工控制，也可以通過控制系統(tǒng)采用自動(dòng)控制。

進(jìn)一步地，所述結(jié)晶器冷卻套9的前方還設(shè)有二次冷卻機(jī)構(gòu)10，所述二次冷卻機(jī)構(gòu)10與導(dǎo)流管8、結(jié)晶器冷卻套9位于同一水平軸線上。

進(jìn)一步地，入口冷卻水套3后端可增設(shè)氣氛保護(hù)裝置，防止易氧化芯材被氧化。

進(jìn)一步地，所述導(dǎo)流管8的后部為芯材預(yù)熱區(qū)，內(nèi)徑大小與所述芯材的外徑相匹配；前部為金屬液入口通道，其內(nèi)徑大于芯材預(yù)熱區(qū)的內(nèi)徑。

利用上述裝置進(jìn)行固-液包覆復(fù)合材料的連續(xù)鑄造成形的方法，包括如下步驟：

S1堵件堵塞導(dǎo)流管的金屬液入口，在爐體內(nèi)加入需要包覆的金屬固體或者金屬液，并利用加熱元件對(duì)爐體加熱，從而對(duì)金屬液保溫或?qū)⒔饘偌訜釣榻饘僖?，金屬?需要沒過導(dǎo)流管；

S2將芯材1從導(dǎo)流管的后端伸入導(dǎo)流管；

S3在金屬液加熱到預(yù)設(shè)溫度后將堵件提升離開金屬液入口，金屬液進(jìn)入導(dǎo)流管的前部并流往結(jié)晶區(qū)，在結(jié)晶器冷卻套的作用下，在結(jié)晶區(qū)內(nèi)金屬液凝固和芯材形成包覆復(fù)合材料鑄坯11；

S4將結(jié)晶區(qū)內(nèi)的包覆材料往前牽引，則后續(xù)的芯材部分繼續(xù)進(jìn)入結(jié)晶區(qū)，與后續(xù)流入結(jié)晶區(qū)內(nèi)的金屬液繼續(xù)凝固形成包覆復(fù)合材料鑄坯，則在連續(xù)的牽引下就能實(shí)現(xiàn)包覆復(fù)合材料鑄坯的連續(xù)鑄造。

需要說明的是，當(dāng)設(shè)有芯材定位機(jī)構(gòu)時(shí)，芯材先通過芯材定位機(jī)構(gòu)再進(jìn)入導(dǎo)流管，芯材定位機(jī)構(gòu)對(duì)芯材進(jìn)行定位和引導(dǎo)，避免芯材在行進(jìn)過程中偏離位置；當(dāng)設(shè)有牽引機(jī)構(gòu)和牽引桿時(shí)，步驟S1中，芯材的前端固定在牽引桿位于結(jié)晶區(qū)內(nèi)的一端；在步驟S3中，牽引桿的一端與芯材和金屬液一并形成包覆復(fù)合材料鑄坯，牽引機(jī)構(gòu)通過將牽引桿向前牽引，將初始在結(jié)晶區(qū)形成的包覆復(fù)合材料鑄坯牽引出來，步驟S4中，在牽引機(jī)構(gòu)的連續(xù)運(yùn)行下，結(jié)晶區(qū)內(nèi)連續(xù)形成包覆復(fù)合材料鑄坯。

需要說明的是，當(dāng)具有二次冷卻機(jī)構(gòu)時(shí)，包覆復(fù)合材料鑄坯在從結(jié)晶區(qū)被牽引出來后，二次冷卻機(jī)構(gòu)對(duì)其實(shí)現(xiàn)再次冷卻；當(dāng)具有入口冷卻水套時(shí)，所述入口冷卻水套不斷對(duì)導(dǎo)流管的后端進(jìn)行冷卻，當(dāng)有金屬液流向?qū)Я鞴艿暮蠖藭r(shí)，入口冷卻水套對(duì)金屬液實(shí)現(xiàn)冷卻凝固，則金屬液不能從導(dǎo)流管的后端流出。

實(shí)施例1：

芯材為直徑4mm的預(yù)處理碳纖維線，包覆層為4mm厚純銅的銅包碳纖維水平連鑄成形。

碳纖維先通過表面鍍鎳、鍍銅等預(yù)處理。預(yù)處理后的碳纖維線作為芯材依次穿過入口冷卻水套、導(dǎo)流管，并在結(jié)晶區(qū)與穿入牽引桿的一端并與之固定。牽引桿的另一端固定在牽引機(jī)構(gòu)上。堵件塞住導(dǎo)流管的金屬液入口。入口冷卻水套、結(jié)晶器冷卻套通循環(huán)水。在大氣條件下，通過加熱元件對(duì)爐體內(nèi)的純銅加熱成純銅金屬液，1150℃保溫；啟動(dòng)牽引機(jī)構(gòu)的同時(shí)提升堵件，爐體的純銅金屬液流入導(dǎo)流管的金屬液入口通道并進(jìn)入結(jié)晶區(qū)中與碳纖維線和牽引桿的一端凝固并被牽引機(jī)構(gòu)牽引出來，純銅金屬液與碳纖維線在結(jié)晶器冷卻套的冷卻作用下，凝固形成銅包碳纖維復(fù)合桿材，并通過牽引機(jī)構(gòu)不斷地牽引出來，并經(jīng)過二次冷卻機(jī)構(gòu)冷卻到收卷溫度。

實(shí)施例2：

芯材為“◇”型、邊長為5mm，厚度為2mm的紫銅異型空芯材，包覆層厚度為1mm的錫層的錫包銅水平連鑄成形。

芯材依次穿過入口冷卻水套、導(dǎo)流管，并在結(jié)晶區(qū)與穿入牽引桿的一端并與之固定。牽引桿的另一端固定在牽引機(jī)構(gòu)上。堵件塞住導(dǎo)流管的金屬液入口。入口冷卻水套、結(jié)晶器冷卻套通循環(huán)水。在大氣條件下，通過加熱元件對(duì)爐體內(nèi)的純錫加熱成純錫金屬液，320℃保溫；啟動(dòng)牽引機(jī)構(gòu)的同時(shí)提升堵件，爐體的純錫金屬液流入導(dǎo)流管通道進(jìn)入結(jié)晶區(qū)中與紫銅異型空芯材和牽引桿的一端凝固并被牽引機(jī)構(gòu)牽引出來，純錫金屬液與紫銅異型空芯材在結(jié)晶器冷卻套的冷卻作用下，凝固形成錫包銅復(fù)合異型空芯材，并通過牽引機(jī)構(gòu)不斷地牽引出來，并經(jīng)過二次冷卻機(jī)構(gòu)冷卻到收卷溫度。

實(shí)施例3：

芯材為直徑為6mm，壁厚為1.5mm的紫銅管材，包覆層H65黃銅厚度為2mm的黃銅包紫銅管水平連鑄成形。

芯材依次穿過入口冷卻水套、導(dǎo)流管，并在結(jié)晶區(qū)與穿入牽引桿的一端并與之固定。牽引頭的另一端固定在牽引機(jī)構(gòu)上。堵件塞住導(dǎo)流管的金屬液入口。入口冷卻水套、結(jié)晶器冷卻套通循環(huán)水。在入口冷卻水套前連接氮?dú)獗Ｗo(hù)箱，保護(hù)紫銅管材表面不被氧化。往紫銅管材管內(nèi)通入氮?dú)?，防止?nèi)管壁氧化。在大氣條件下，通過加熱元件對(duì)爐體內(nèi)的H65黃銅金屬液進(jìn)行1000℃保溫；啟動(dòng)牽引機(jī)構(gòu)的同時(shí)提升堵件，爐體的H65黃銅金屬液流入導(dǎo)流管通道進(jìn)入結(jié)晶器中與紫銅管材和牽引桿的一端凝固并牽引出來，H65黃銅金屬液與紫銅管材在結(jié)晶器冷卻套的冷卻作用下，凝固形成黃銅包紫銅管材，并通過牽引機(jī)構(gòu)不斷地牽引出來，并經(jīng)過二次冷卻機(jī)構(gòu)冷卻到收卷溫度。

對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，可以根據(jù)以上的技術(shù)方案和構(gòu)思，作出各種相應(yīng)的改變和變形，而所有的這些改變和變形都應(yīng)該包括在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。