一种双层或多层金属复合管棒型坯的制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料复合浇铸技术领域，尤其涉及一种双层或多层金属复合管棒型坯的制备方法。
背景技术
双层或多层金属复合材料通常是以不锈钢、钛合金、镍基合金、硬质耐磨材料等做覆材，以碳钢、低合金钢等廉价金属做基材，通过冶金方式结合而成。这种复合材料既具备基体材料高强度、高塑韧性、优良的焊接性能以及低廉的生产成本等优点，又具备覆层材料耐蚀、耐磨、抗氧化、华丽美观等特性，具有同规格纯覆层材料无法比拟的价格优势和使用性能。因此，使用双层或多层金属复合材料代替单一的覆层材料具有广阔的应用前景。复合材料轧制法因为效率高、成材率高、产量高，到目前为止一直是制备双层或多层金属复合材料的最佳选择。而复合坯料是轧制复合材料必须的原料，鉴于管棒型材塑性变形的特殊性，采用常规套管焊接法制备的复合坯料通常难以承受轧制时反复交替变化的拉压应力，容易导致轧制过程中覆层与基体之间分层开裂，造成复合失败。因此，制备出满足轧制需求的双层或多层金属复合管棒型坯具有重要意义。
目前，制备双金属复合钢管坯的方法很多，最常采用的方法就是嵌套法，即先将待复合的管坯内外表面处理干净，然后将其中小直径的管坯插入大直径管坯内，将组合坯料的端部进行焊接密封，经过冷拔或冷扩后再进行扩散退火制成复合管坯或复合管材。中国专利公开文献CN103982711A、CN103464508A、CN103481033A、CN102274853A、CN102537531A、CN104384859A等均采用先嵌套复合，再进行压力加工的方法制备复合管材。该类方法的最大弊端就是工艺繁琐、生产效率低，需要较大的塑性变形才能消除覆层与基体之间存在的间隙。专利公开文献CN101670383A、CN101566256A、JPH02229616A等采用了钎焊法制坯，该种方法是在两种管坯之间增加了隔离层，可以阻止界面脆性化合物生成，提高了界面韧性，但制坯之后也必须采用较大的塑性变形才能提高界面结合强度。中国专利公开文献CN103962558A、CN101934370B等采用喷射成型技术，在内层管坯的外表面喷射另一种金属熔体制备复合管坯，该种方法虽可获得表面细晶或超细晶金属层，但是表面层金属厚度不易控制，喷射成型效率不高，工艺参数不易控制。日本专利公开文献JPH0292436A采用双结晶器连续浇铸的方法制备复合钢管，采用该法制备的复合管坯具有界面结合强度高、生产效率高等优点，但采用双结晶器连续浇铸时，准确控制液态金属结晶难度很大。中国专利公开文献CN104588436A首先采用消失模铸造的方法浇注出内层薄壁高合金耐蚀管坯，再在高合金管坯外部采用砂型铸造的方法浇注出外层碳钢管坯，制成双金属复合管坯。该方法采用两步砂型铸造法，工序复杂，制备效率低，生产成本高。专利公开文献CN101530898A、CN101704084A、CN101530907A、CN101804450A、CN102581250A、US5558150A、JPH0890190A等都采用了离心浇铸复合制备管坯的方法。该类方法是采用离心浇铸设备，将待复合的两种金属熔体分批分层地浇注到离心铸模内，从而使得两种金属材料在界面处形成冶金熔合。这种方法浇铸出来的复合管坯界面结合强度高，但缺点是界面区混熔严重，工艺也比较复杂，生产成本较高。
发明内容
本发明提供了一种双层或多层金属复合管棒型坯的制备方法，实现了采用常规模铸法获得双金属复合管棒型坯，并可通过后续塑性变形得到金属复合管棒型材，其生产成本低、复合质量好。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种双层或多层金属复合管棒型坯的制备方法，包括以下步骤：
a.准备原料：选取复合管棒型坯的外层金属材料作为待浇铸材料，利用熔炼装置将外层金属材料熔化，获得液态金属熔体；选取复合管棒型坯的内层金属材料作为待复合固体材料，并将其加工成固态金属芯坯，在固态金属芯坯的底部加工2个定位螺栓孔，去除固态金属芯坯表面的氧化皮后将其表面清洗干净并烘干；
b.准备铸模：根据复合管棒型坯的形状、尺寸设计铸模的形状和尺寸，铸模由模身和模底组成；模身至少由2片带有耳座的模槽组合而成，模槽为对称结构，相对扣合在一起，通过多个紧固螺栓锁紧后构成模腔；模底的形状与复合管棒型坯的形状相同，模底的顶部设置凸台，凸台的形状、尺寸与模腔的形状、尺寸相对应，模身与模底通过凸台插入模腔内进行定位固定，同时将模腔的底部封闭；模底上加工2个定位螺栓通孔，定位螺栓通孔的位置与固态金属芯坯底部2个定位螺栓孔的位置相对应；模底的侧面设多个连接螺栓通孔；模身的下部对应设置多个连接螺栓孔；
c.装模：将模底、模身及固态金属芯坯预热，将固态金属芯坯坐在模底的中心位置，将2根定位螺栓穿过2个定位螺栓通孔后拧紧在对应的定位螺栓孔中，使模底与固态金属芯坯连成一个整体；将模身坐在模底上，模腔下部套在凸台外侧，将多个连接螺栓穿过连接螺栓通孔后拧紧在连接螺栓孔中，使模身、模底和固态金属芯坯形成一个整体；将模身、模底及固态金属芯坯组合件放入保护气氛室内，盖上保护气氛室顶部的盖板，并在盖板顶部安装浇口杯，浇口杯的底部设置一个环形水口，环形水口的下端插入保护气氛室内，环形水口的环形钢水出口正对下方固态金属芯坯与模身之间的环形空隙；
d.浇铸复合：通过保护气氛室上的进排气管口向保护气氛室内充入惰性气体，将保护气氛室内的空气排出，当保护气氛室内全部充满惰性气体时，将预先熔炼好的液态金属熔体倒入浇口杯内，液态金属熔体通过浇口杯底部的环形水口注入固态金属芯坯与模身之间的环形空隙内；
e.冷却成型：液态金属熔体浇注完成后，模身内的液态金属熔体包围固态金属芯坯凝固形成复合坯，打开保护气氛室顶部的盖板，待复合坯冷却到设定温度后，将铸模和复合坯从保护气氛室内取出，然后拆下定位螺栓、连接螺栓及紧固螺栓，获得双层金属复合管棒型坯；
f.制备多层金属复合坯：以双金属复合坯为固态金属芯坯，重复步骤a至步骤e，即获得多层金属复合管棒型坯。
所述去除氧化铁皮时利用机械方法或化学方法。
所述模身和模底均采用铸铁浇铸而成，或采用钢板焊接制作而成。
制备空心复合管坯时，所述固态金属芯坯为空心管状结构，制备实心复合管棒型坯时，所述固态金属芯坯为实心棒体结构。
所述浇口杯由杯壁、耐火材料层、连接筋板、杯底和环形水口组成，杯壁为上口大、下口小的漏斗形结构，杯底设于杯壁的下口处，杯壁的下口与杯底之间通过多个间隔设置的连接筋板连接固定，使杯壁与杯底之间形成环形通道，环形通道与环形水口对应连接；耐火材料层涂敷于杯壁的内表面、杯底的上表面以及连接筋板的外表面。
所述杯壁、杯底、连接筋板三者之间通过焊接固定。
将所制备的双层金属复合管棒型坯或多层金属复合管棒型坯重新加热后，通过锻造、轧制、挤压、拉拔或其它金属压延加工，最终获得双层或多层金属复合管棒型材。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)与现有的固-固相复合制坯法相比，本发明采用液-固浇铸复合制坯工艺，工艺过程大大简化，省去了固-固相复合法中的表面加工、穿套、焊接密封以及抽真空等工序，复合效率大幅度提高，工序成本下降，综合生产成本降低；
(2)与现有的固-固相复合制坯法相比，本发明采用液-固浇铸复合制坯方法，由外层液态金属熔体包覆内层固态金属芯坯凝固，收缩的凝固组织对内层固态金属芯坯产生压应力，内、外两层材料之间没有间隙，并在高温下发生元素扩散，故可使液-固界面结合更牢固，使最终获得的复合坯料质量更好。
附图说明
图1是采用本发明所述方法制备双层金属复合管棒型坯时的过程示意图。
图2是图1中的A-A视图。
图3是本发明所述浇口杯的俯视图。
图4是采用本发明所述方法制备空心复合管坯时的过程示意图。
图中：1.模底 2.连接螺栓 3.模身 4.紧固螺栓 5.保护气氛室 6.进排气管口 7.盖板 8.浇口杯 81.杯壁 82.耐火材料层 83.连接筋板 84.环形水口 85.杯底 9.固态金属芯坯 10.液态金属熔体 11.定位螺栓
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
如图1、图2、图4所示，本发明所述一种双层或多层金属复合管棒型坯的制备方法，包括以下步骤：
a.准备原料：选取复合管棒型坯的外层金属材料作为待浇铸材料，利用熔炼装置将外层金属材料熔化，获得液态金属熔体；选取复合管棒型坯的内层金属材料作为待复合固体材料，并将其加工成固态金属芯坯9，在固态金属芯坯9的底部加工2个定位螺栓孔，去除固态金属芯坯9表面的氧化皮后将其表面清洗干净并烘干；
b.准备铸模：根据复合管棒型坯的形状、尺寸设计铸模的形状和尺寸，铸模由模身3和模底1组成；模身3至少由2片带有耳座的模槽组合而成，模槽为对称结构，相对扣合在一起，通过多个紧固螺栓4锁紧后构成模腔；模底1的形状与复合管棒型坯的形状相同，模底1的顶部设置凸台，凸台的形状、尺寸与模腔的形状、尺寸相对应，模身3与模底1通过凸台插入模腔内进行定位固定，同时将模腔的底部封闭；模底上加工2个定位螺栓通孔，定位螺栓通孔的位置与固态金属芯坯9底部2个定位螺栓孔的位置相对应；模底1的侧面设多个连接螺栓通孔；模身3的下部对应设置多个连接螺栓孔；
c.装模：将模底1、模身3及固态金属芯坯9预热，将固态金属芯坯9坐在模底1的中心位置，将2根定位螺栓11穿过2个定位螺栓通孔后拧紧在对应的定位螺栓孔中，使模底1与固态金属芯坯9连成一个整体；将模身3坐在模底1上，模腔下部套在凸台外侧，将多个连接螺栓2穿过连接螺栓通孔后拧紧在连接螺栓孔中，使模身3、模底1和固态金属芯坯9形成一个整体；将模身3、模底1及固态金属芯坯9组合件放入保护气氛室5内，盖上保护气氛室5顶部的盖板7，并在盖板7顶部安装浇口杯8，浇口杯8的底部设置一个环形水口84，环形水口84的下端插入保护气氛室5内，环形水口84的环形钢水出口正对下方固态金属芯坯9与模身3之间的环形空隙；
d.浇铸复合：通过保护气氛室5上的进排气管口6向保护气氛室5内充入惰性气体，将保护气氛室5内的空气排出，当保护气氛室5内全部充满惰性气体时，将预先熔炼好的液态金属熔体10倒入浇口杯8内，液态金属熔体10通过浇口杯8底部的环形水口84注入固态金属芯坯9与模身3之间的环形空隙内；
e.冷却成型：液态金属熔体10浇注完成后，模身3内的液态金属熔体10包围固态金属芯坯9凝固形成复合坯，打开保护气氛室5顶部的盖板7，待复合坯冷却到设定温度后，将铸模和复合坯从保护气氛室5内取出，然后拆下定位螺栓11、连接螺栓2及紧固螺栓4，获得双层金属复合管棒型坯；
f.制备多层金属复合坯：以双金属复合坯为固态金属芯坯，重复步骤a至步骤e，即获得多层金属复合管棒型坯。
所述去除氧化铁皮时利用机械方法或化学方法。
所述模身3和模底1均采用铸铁浇铸而成，或采用钢板焊接制作而成。
制备空心复合管坯时，所述固态金属芯坯9为空心管状结构，制备实心复合管棒型坯时，所述固态金属芯坯9为实心棒体结构。
如图3所示，所述浇口杯8由杯壁81、耐火材料层82、连接筋板83、杯底85和环形水口84组成，杯壁81为上口大、下口小的漏斗形结构，杯底85设于杯壁81的下口处，杯壁81的下口与杯底85之间通过多个间隔设置的连接筋板83连接固定，使杯壁81与杯底85之间形成环形通道，环形通道与环形水口84对应连接；耐火材料层82涂敷于杯壁81的内表面、杯底85的上表面以及连接筋板83的外表面。
所述杯壁81、杯底85、连接筋板83均采用普通钢材制作，三者之间通过焊接固定。
将所制备的双层金属复合管棒型坯或多层金属复合管棒型坯重新加热后，通过锻造、轧制、挤压、拉拔或其它金属压延加工，最终获得双层或多层金属复合管棒型材。
以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。
【实施例1】
本实施例中，以304不锈钢为覆层材料，以Q345低合金钢为内层材料，制备304/Q345双金属复合圆形棒坯。双金属复合圆形棒坯成品中，304不锈钢覆层材料的厚度为20mm，Q345低合金钢内层材料的直径为φ200mm，成品外径为φ240mm，长度为2000mm。具体制备过程如下：
a.选取304不锈钢为待浇铸外层材料，利用感应炉将304不锈钢熔化，获得304不锈钢熔体；选用直径为φ202mm、长度为2050mm的Q345普碳钢棒材为待复合内层材料，在Q345钢芯底部加工2个M16×20mm的定位螺栓孔，利用机械加工方法去除Q345钢芯表面的氧化铁皮，然后将其表面清洗干净、烘干；
b.根据锭坯尺寸设计铸模为圆形，铸模由模身和模底组成，模身由2片带有耳座的铸铁模槽组合而成，模槽的壁厚为12mm；耳座上沿高向开设紧固螺栓孔，采用8个M16×80mm的紧固螺栓将2片模槽连接在一起，构成模腔，模腔的内径为φ240mm，长度为2250mm。模底的横截面为圆形，模底的顶部加工出直径为φ239.8mm的凸台，凸台高度为15mm，模底上加工2个φ20mm的定位螺栓通孔，定位螺栓通孔的位置与Q345钢芯底部2个定位螺栓孔的位置对应；
c.将模底、模身以及Q345钢芯预热到120～150℃，将Q 345钢芯坐在模底上，采用M16定位螺栓穿过模底的定位螺栓通孔，将模底与Q345钢芯连成一个整体；再将模身坐在模底上，使模腔套在模底的凸台上，采用M12的连接螺栓将模身与模底连接在一起。将模身、模底和Q345钢芯组合件装进保护气氛室内，盖上保护气氛室顶部的盖板，在盖板顶部安装浇口杯，浇口杯的底部设有一个环形水口，环形水口的尺寸为φ214(内径)/φ226mm(外径)，环形水口的下端插入保护气氛室内，对准Q 345钢芯与模身之间的环形空隙；
d.通过进排气管口向保护气氛室内充入99.99％的高纯氩气，将保护气氛室内的空气置换出去，然后将预先熔炼好的304不锈钢熔体通过浇口杯和环形水口注入铸模内，由304不锈钢熔体包围Q345钢芯凝固；
e.待304不锈钢熔体全部凝固之后，打开保护气氛室顶部的盖板，取出铸模和复合坯，然后拆下定位螺栓、连接螺栓、紧固螺栓，获得304不锈钢/Q345低合金钢双金属复合棒坯，以此复合棒坯为原料，经过穿孔和轧管，获得304不锈钢/Q345低合金钢双金属复合钢管。
【实施例2】
如图1、图2所示，本实施例中，以2205双相不锈钢为覆层材料，以20MnSi低合金钢为内层材料，制备2205双相不锈钢/20MnSi低合金钢双金属复合矩形棒坯，双金属复合矩形棒坯成品中，2205双相不锈钢覆层的厚度为20mm，20MnSi低合金钢芯的横截面尺寸为240×320mm，成品长度为2000mm。具体步骤如下：
a.选取2205双相不锈钢为待浇铸外层材料，利用感应炉将2205双相不锈钢熔化，获得2205双相不锈钢熔体；选用断面尺寸为200×280mm的20MnSi低合金方钢作为待复合固态金属钢芯，其长度为2050mm。在20MnSi钢芯的底部加工2个M16×20mm的定位螺栓孔，利用打磨方法去除20MnSi钢芯表面的氧化铁皮，然后将其表面清洗干净、烘干；
b.根据锭坯尺寸设计铸模为矩形，铸模由模身和模底组成，模身由2片带有耳座的铸铁模槽组合而成，模槽的厚度为20mm，耳座上沿高向设有多个紧固螺栓孔，采用8个M16×80mm紧固螺栓将两片模槽连接在一起，构成模腔，模腔的横断面尺寸为240×
320mm，长度为2250mm。模底的横截面为矩形，模底顶部加工尺寸为240×320mm的矩形凸台，凸台的高度为20mm。模底的底部加工2个φ20mm的定位螺栓通孔，定位螺栓通孔的位置与20MnSi钢芯底部2个定位螺栓孔的位置对应；
c.将模底、模身以及20MnSi钢芯预热到120～150℃，将Q 235钢芯坐在模底上，采用M16定位螺栓穿过模底的定位螺栓通孔，将模底与20MnSi钢芯连成一个整体；再将模身坐在模底上，模腔套在模底的矩形凸台上，采用M16的连接螺栓将模身与模底连接在一起。将模身、模底和20MnSi钢芯的组合件装进保护气氛室内，盖上保护气氛室顶部的盖板，在盖板顶部安装浇口杯，浇口杯底部设有一个环形水口，环形水口的横截面为矩形，环形水口的下端插入保护气氛室内，对准20MnSi钢芯与模身之间的环形空隙；
d.通过进排气管口向保护气氛室内充入99.99％的高纯氩气，将保护气氛室内的空气置换出去，然后将预先熔炼好的2205双相不锈钢熔体通过浇口杯及环形水口注入铸模内，使2205双相不锈钢熔体包围20MnSi钢芯凝固；
e.待2205双相不锈钢熔体全部凝固之后，打开保护气氛室顶部的盖板，取出铸模和复合坯，然后拆下定位螺栓、连接螺栓、紧固螺栓，获得2205双相不锈钢/20MnSi低合金钢双金属复合矩形棒坯，对双金属矩形棒坯进行开坯，再经过高速线材轧机轧制，获得2205双相不锈钢/20MnSi钢双金属复合螺纹钢筋。
【实施例3】
如图4所示，本实施例中，以Q215普碳钢为基体材料，以TA2钛合金为内层材料，制备Q215普碳钢/TA2钛合金双金属复合管坯。双金属复合管坯成品中，Q215普碳钢基体材料厚度为100mm，TA2钛合金内层材料的厚度为40mm，成品长度为1500mm。具体制备过程如下：
a.选取Q215钢为待浇铸外层材料，利用熔炼炉将Q215钢熔化，获得Q215钢熔体；选用直径为φ200mm、壁厚为40mm的TA2钛合金管材为待复合的内层材料，TA2钛合金管的长度为1550mm。对TA2钛合金管的一端设端板进行封闭，并在端板上加工出2个M10×15mm的定位螺栓孔，利用钢丝刷去除TA2钛合金管表面的氧化皮，然后洗净表面、烘干；
b.根据锭坯尺寸设计铸模为圆形，铸模由模身和模底组成，模身由2片带有耳座的铸铁模槽组合而成，模槽的厚度为20mm，采用8个M16×80mm的紧固螺栓将两片模槽连接在一起，构成模腔，模腔内径为φ400mm，长度为1600mm。模底为圆形，模底的顶部加工φ400mm的凸台，凸台高度为40mm，模底的底部加工2个φ16mm的定位螺栓通孔，定位螺栓通孔的位置与TA2钛合金管底部2个定位螺栓孔的位置对应；
c.将模底、模身以及TA2钛合金管预热到100～120℃，将TA2钛合金管坐在模底上，采用M10定位螺栓穿过模底的定位螺栓通孔，将模底与TA2钛合金管连成一个整体；再将模身坐在模底上，模腔套在模底的凸台上，采用M16的连接螺栓将模身与模底连接在一起。将模身、模底和TA2钛合金管的组合件装进保护气氛室内，盖上保护气氛室顶部的盖板，在盖板顶部安装浇口杯，浇口杯底部设有一个环形水口，环形水口的尺寸为φ320(内径)/φ335mm(外径)，环形水口的下端插入保护气氛室内，对准TA2钛合金管与模身之间的环形空隙；
d.通过进排气管口向保护气氛室内充入99.99％的高纯氩气，将保护气氛室内的空气置换出去，然后将预先熔炼好的Q235钢熔体通过浇口杯和环形水口注入铸模内，由Q235钢熔体包围TA2钛合金管凝固；
e.待Q235钢熔体全部凝固之后，打开保护气氛室顶部的盖板，取出铸模和复合坯，然后拆下定位螺栓、连接螺栓、紧固螺栓，获得TA2钛合金管/Q235普碳钢双金属复合管坯，对双金属复合管坯进行进一步轧制，获得TA2钛合金管/Q235普碳钢双金属复合钢管。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
