专利名称：铜包钢双金属复合材终形铸轧方法
技术领域：
本发明属于复合材料的制造方法。
铜包钢复合线缆具有导电性和强度兼备的良好性能，因而被应用在电气化高速铁道高架线上和远程高压输电线缆上。铜包钢复合线缆的制造方法过去均采用复合挤压法，这种方法受定尺限制。近年来，美国GE公司，日本藤仓电线株式会社及欧洲的Battelle研究中心开发出高速热浸镀(HighSpeed Hot Dipping)技术，简称HSHD法。HSHD技术是以钢丝为种子线，使其连续穿过熔融的铜液，经固、液相间热流传输，使铜液凝结在钢丝表面，从而获得铜包钢复合线缆。HSHD法使熔融的铜凝固并附着在钢芯上(日本专利平2-258157)，虽然不象挤压法那样产品受定尺限制，但因铜包钢复层厚度取决于铜液温度、走线速度、液面高度和钢丝表面状态等多种因素，这些因素的波动常引起铜复层厚度沿园周方向和长度方向的分布不均而导致导电率等性能的变化。包复层厚度取决于固、液金属间的热交换，而达到热平衡时则决定了包复比的极限值。通常，包复比的可控范围在20-40％，为了获得大于50％的包复比，则需要二次重复浸镀。所以HSHD法普遍存在产品尺寸精度低，铜包复比可按范围窄和复层质量不稳定的问题。除此而外，HSHD法只能生产轴对称复合线缆，不适用于制造复合带材和异型断面复合材。
本发明的目的在于提供一种产品尺寸精度高，铜包复比可控范围宽，能够直接生产不同断面形状铜包钢双金属复合线、扁带和异型材的终形铸轧方法。
本发明的内容其方法步骤主要包括熔化金属复层材料从上方进料口将铜(或铜合金)送进熔化炉，并把熔化后的铜液导入结晶器；予处理钢线将固态钢丝(或钢带)由开卷装置经表面予处理装置予处理，在保护气氛中经矫直、预热装置快速加热到一定温度；复合将经过予处理并加热到一定温度的钢线(或带)由下面连续穿过通模进入装有铜液的结晶器，使固态钢线与液态金属在结晶器中有效接触，经界面浸润，热流传输，液体结晶，界面扩散等一系列物理化学变化，使液态金属快速凝结在钢的表面；铸轧在钢线表面的复层金属铜还处于半凝固态时，经过铸轧辊，使其快速冷却凝结，并承受塑性加工变形，从而获得所要求的不同形状，不同规格，复层组织细化的终形铜包钢双金属复合材。工艺参数依双金属复合材组成金属种类不同，形状和尺寸规格不同，走线速度可控制在15-450m/min，钢丝(或带)的预热温度为150-650℃，金属液的过热度50-150℃，包复比(复层面积与总面积之比)的可控范围20-90％。工艺条件采用中频感应加热在熔化炉中熔化铜(或铜合金)，铜液面采用木碳或还原气体保护，铜液中氧含量控制在40ppm以下；引入结晶器的钢线(或带)可采用碳素钢、合金钢等任意材料，经表面脱脂处理、机械清刷、矫直和预热处理后由下而上贯穿结晶器，在氮气或其它还原性气体保护下采用高频感应加热预热钢芯，钢芯预热温度150-650℃；结晶器的下方与熔化炉流入的熔融铜液相连，底部装设通模引入钢芯，上部装设铸轧辊。铸轧时钢线(或带)垂直于两铸轧辊的连心线。
图1为本发明的铜包钢液/固相铸轧复合装置示意图；图2为用本发明的方法制成的铜包钢线材的断面示意图；图3为用本发明的方法制成的铜包钢异型材的断面示意图；图4为用本发明的方法制成的铜包钢带材的断面示意图。
图中1开卷装置，2钢丝(带)，3表面处理装置，4铜液，5主加热器，6熔化炉，7木炭，8加料口，9液面控制系统，10气体保护器，11矫直机，12预热装置，13通模，14结晶器，15辅助加热器，16铸轧辊，17卷取装置，18铜/钢复合材，19钢芯，20包复层。
结晶器是用石墨制成，中部装设辅助加热器15用来控制结晶器中铜液的温度；顶部装设的铸轧辊是由通水冷却的螺旋状铜内套和带有孔型的钼合金套构成。主加热器5用来熔化铜液，为中频感应加热，辅助加热器15、预热装置12为高频感应加热。
实施例1φ8mm铜包钢复合线的制造。用图1所示装置，将电解铜加入熔化炉6中加热熔化，熔融的铜液由熔化炉底部流入结晶器14，含碳量0.2％，φ3.5mm的钢丝从开卷装置引出经表面净化处理后，预热到400℃，穿过三氧化二铝与碳化硅制成的通模13进入结晶器14与铜液接触，在钢芯和铸轧辊孔型之间形成凝固层。铜包钢复合材从铸轧辊的孔型中轧出，轧制速度为40m/min，复合线经卷曲装置收卷。钢线的位置垂直于两铸轧辊连心线且处于孔型中心位置。由开卷装置、铸轧辊和卷曲装置的速度调节建立张力，张力设定为钢材的0.2～0.66s。经表面净化处理后的钢丝进入充满氮气的保护箱，以防止钢丝表面再次氧化。在熔化炉中熔融的铜液表面复盖一层木炭，以防铜液的氧化。铜液的温度保持在1150℃，液面的变化控制在5mm以内。通过控制铸轧辊铜套的冷却水量调节辊温把复合材出口温度控制在500℃以下。按此方法获得结合强度好，尺寸精确的φ8mm铜包钢复合线。
实施例2，厚度h＝4mm，宽度b＝15mm的铜包钢复合窄带的制造。用图1所示的装置，以厚度h＝2mm，宽度b＝12mm的钢带为钢芯，采用实施例1相同的方法制造铜包钢复合窄带，轧制速度为60m/min。
本发明的方法具有以下优点使铜(或铜合金)液在结晶器中经反向凝固和半凝固态塑性变形包裹在钢芯表面，铜与钢复合界面可以达到非常好的冶金结合；铸轧辊的快速冷却和半固态塑性加工变形作用不仅可以保证复合材准确的断面形状和尺寸精度，而且可以细化组织，优化性能。应用本发明的方法可以直接生产不同规格、不同断面形状铜包钢双金属复合线、扁带和异型材，包复比的可控范围达到20％-90％。
权利要求
1.一种铜包钢双金属复合材终形铸轧方法，其特征在于a.该方法的工艺步骤主要包括熔化金属复层材料，预处理钢线(或带)，复合，铸轧；b.工艺参数依双金属复合材组成金属种类不同、形状和尺寸规格不同，走线速度控制在15-450m/min，钢丝(带)的预热温度为150-650℃，液态金属的过热度为50-150℃，包复比的可控范围20-90％；c.工艺条件采用中频感应加热在熔化炉中熔化铜(铜合金)，铜液表面采用木碳或还原气体保护，铜液中氧含量控制在40ppm以下，钢线(带)可采用碳素钢、合金钢等任意材料，钢芯预热在氮气或其它还原性气体保护下采用高频感应加热，结晶器下方与熔化炉流入的熔融铜液相连，底部装设通模引入钢芯，上部装设铸轧辊。
2.如权利要求1所述的铜包钢双金属复合材终形铸轧方法，其特征在于所说的熔化复层材料是从上方进料口将铜(或铜合金)送进熔化炉熔化，并把熔化后的铜液由下方导入结晶器。
3.如权利要求1、2所述的铜包钢双金属复合材终形铸轧方法，其特征在于所说的预处理是将固态钢丝(或钢带)由开卷装置经表面净化预处理，在保护气氛中经矫直装置矫直，预热装置快速加热到一定温度。
4.如权利要求1所述的铜包钢双金属复合材终形铸轧方法，其特征在于所说的复合是将经过表面预处理并预热到一定温度的钢线(或带)由下而上连续穿过通模进入装有铜液的结晶器，使固态钢与液态金属在结晶器中有效接触。
5.如权利要求1所述的铜包钢双金属复合材终形铸轧方法，其特征在于所说的铸轧是使经过复合后，当钢线表面的复层金属铜还处于半凝固态时，经过铸轧辊轧出。
6.如权利要求3所述的铜包钢双金属复合材终形铸轧方法，其特征在于所说的对钢线表面预处理是指对钢线(或带)表面脱脂处理，机械清刷。
7.如权利要求1、5所述的铜包钢双金属复合材终形铸轧方法，其特征在于铸轧辊是通水冷却的螺旋状铜内套和带有孔型的钼合金外套构成，铜包钢复合材是从铸轧辊的孔型中轧出。
8.如权利要求7所述的铜包钢双金属复合材终形铸轧方法，其特征在于铸轧时钢线(或钢带)垂直于两铸轧辊的连心线，由开卷装置、铸轧辊和卷曲装置的速度调节建立张力，张力设定为钢材的0.2～0.66s。
9.如权利要求8所述的铜包钢双金属复合材终形铸轧方法，其特征在于铸轧时是通过控制铸轧辊铜套的冷却水量来调节辊温，从而控制复合材的出口温度。
全文摘要
一种铜包钢双金属复合材终形铸轧方法,该方法的工艺步骤主要包括熔化金属复层材料、预处理钢线、复合和铸轧;工艺参数依双金属复合材组成金属种类不同、形状和尺寸规格不同而不同;工艺条件采用中频感应加热熔化铜液,铜液表面采用木碳或还原气体保护,钢线为碳素钢、合金钢等任意材料,钢芯预热在氮气或其它还原性气体保护下采用高频感应加热,底部装设通模引入钢芯,上部装有铸轧辊。应用本发明方法可以直接生产不同规格、不同断面形状铜包钢双金属复合线、扁带和异型材,包覆比可控范围达到20%—90%。
文档编号B22D11/00GK1253052SQ9811443
公开日2000年5月17日 申请日期1998年11月3日 优先权日1998年11月3日
发明者于九明, 孝云桢, 王群骄, 王廷溥 申请人:东北大学