鑄造法制備金屬層狀復合材料的發展及應用

劉朋柱

摘 要：鑄造復合技術以其生產成本低、界面易于實現冶金結合、生產過程連續化和短流程化等優勢成為目前制備金屬層狀復合材料的主要發展方向之一。金屬層狀復合材料是利用復合技術將兩種具有不同性能的金屬以層狀的方式在界面處實現牢固結合的新型功能材料，其既能保持原金屬的性能優勢，又能通過“相補效應”彌補二者的缺點，從而獲得比單一金屬更加優越的綜合性能。為做好鑄造復合技術的發展和應用應當在總結分析鑄造復合技術工藝和機理的基礎上持續做好對于鑄造復合技術的研究。

關鍵詞：鑄造技術；層狀復合材料；結合機理

中圖分類號：TG146 文獻標志碼：A

0 前言

金屬復層材料的成形技術按照工藝屬性可分為軋制復合法、焊接復合法、鑄造復合法和沉積復合法等。相對其他方法而言，鑄造法生產成本低、制備工藝簡單、生產效率高、流程短，且復合界面易實現冶金結合。因此，鑄造法目前已成為制備金屬層狀復合材料的主要發展方向之一，并得到日益廣泛的研究和應用。

1 鑄造復合方法

鑄造復合法按成型工藝可分為：傳統復合鑄造工藝、離心鑄造法、噴射鑄造法及連續鑄造復合工藝等。其中傳統復合鑄造工藝是最簡單的方法，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應用。

1.1 連續鑄造復合技術

連續鑄造復合技術是制備金屬層狀復合材料的新型工藝方法，可實現生產過程的連續化和自動化，且界面結合質量穩定。連鑄復合法可分為兩類：一類為包覆鑄造成型法（固液法），包括：連續澆注包覆（CPC）法、電渣液態澆注復合法（ESSLM）、反向凝固工藝、復合線材的鑄拉工藝；另一類為雙流鑄造法（液液法），包括：電磁制動法、Novelis復合鑄造法、直接水冷半連鑄、雙流澆注復合、雙結晶器連鑄、充芯連鑄法等。

（1）連續澆注包覆CPC法生產工藝簡單成品質量高。不足之處是需要進行復雜的預處理。

（2）電磁制動連鑄復合技術通過在結晶器內直接實現兩種材料的液液復合，從而有效地避免了界面出現氧化、夾渣等的問題。

（3）Novelis復合連鑄法

Novelis復合連鑄技術的工藝原理是在結晶器中間放置隔板，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下結合，先凝固的合金作為外層合金熔體凝固的基礎，從而實現兩種合金的復合， 如圖1所示。

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

1.2 離心鑄造復合法

離心鑄造法是制備金屬復層材料的傳統方法，主要生產雙金屬輥、套、筒類鑄件以及復合管材。其工藝原理是向旋轉的鑄模中依次澆鑄各層金屬，或將熔化的覆層金屬澆鑄到預處理后的基層金屬上，兩層金屬通過組分擴散或外層金屬的重熔以實現冶金結合。

1.3 噴射鑄造復合法

噴射鑄造又稱噴射成形復合，是利用快速凝固方法來獲得金屬復層材料的一種先進特種鑄造技術。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，隨著拉坯的進行噴射另一種金屬液，兩種金屬相互復合擴散，通過調整工件的類型和位置可實現復層板、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層材料。

2 鑄造復合技術的應用

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

金屬復層板材的鑄造復合技術主要包括電磁制動連鑄復合工藝、Novelis復合連鑄法、直接水冷半連續鑄造、噴射鑄造法、反向凝固法。金屬復層線材主要應用在電力線、電纜導體以及航空航天等領域，其鑄造復合制備方法包括：鑄拉復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；用于制備鋁合金復層棒材的雙流連續澆注法；雙結晶器連續鑄造和充芯連鑄工藝（銅包鋁線）。

鑄造法制備金屬復層管材的應用包括傳統的離心鑄造法、噴射鑄造法、以及水平電磁連鑄法。

結語

鑄造復合技術以其生產成本低、制備工藝簡單、對鑄件形狀和尺寸適應性強、易實現冶金結合等優點在金屬層狀復合材料制備領域顯示出廣闊的應用前景。近些年我國也對其進行了大量探索，為使我國的復合材料取得進一步發展，必須通過加強對鑄造復合技術的研究，深入探索界面結合機理，尋求適合中國企業生產狀況的新型方法和工藝路線，盡快把科研成果推廣到實際生產中去。

參考文獻

[1]符寒光，劉金海，殷作虎.國外高速鋼復合軋輥研究的進展[J].鑄造，1999（2）： 44-47.

[2]符寒光，吳建中.離心復合鑄造雙金屬軋輥的研究[J].特種鑄造及有色合金，1993（4）：36-38.