铸造法制备金属层状复合材料的发展及应用

刘朋柱

摘 要：铸造复合技术以其生产成本低、界面易于实现冶金结合、生产过程连续化和短流程化等优势成为目前制备金属层状复合材料的主要发展方向之一。金属层状复合材料是利用复合技术将两种具有不同性能的金属以层状的方式在界面处实现牢固结合的新型功能材料，其既能保持原金属的性能优势，又能通过“相补效应”弥补二者的缺点，从而获得比单一金属更加优越的综合性能。为做好铸造复合技术的发展和应用应当在总结分析铸造复合技术工艺和机理的基础上持续做好对于铸造复合技术的研究。

关键词：铸造技术；层状复合材料；结合机理

中图分类号：TG146 文献标志码：A

0 前言

金属复层材料的成形技术按照工艺属性可分为轧制复合法、焊接复合法、铸造复合法和沉积复合法等。相对其他方法而言，铸造法生产成本低、制备工艺简单、生产效率高、流程短，且复合界面易实现冶金结合。因此，铸造法目前已成为制备金属层状复合材料的主要发展方向之一，并得到日益广泛的研究和应用。

1 铸造复合方法

铸造复合法按成型工艺可分为：传统复合铸造工艺、离心铸造法、喷射铸造法及连续铸造复合工艺等。其中传统复合铸造工艺是最简单的方法，包括模铸法、双液双金属法、镶铸法等，但直接浇注使得复合界面处温度难以控制，工艺可靠性较差，因此限制了该方法的生产应用。

1.1 连续铸造复合技术

连续铸造复合技术是制备金属层状复合材料的新型工艺方法，可实现生产过程的连续化和自动化，且界面结合质量稳定。连铸复合法可分为两类：一类为包覆铸造成型法（固液法），包括：连续浇注包覆（CPC）法、电渣液态浇注复合法（ESSLM）、反向凝固工艺、复合线材的铸拉工艺；另一类为双流铸造法（液液法），包括：电磁制动法、Novelis复合铸造法、直接水冷半连铸、双流浇注复合、双结晶器连铸、充芯连铸法等。

（1）连续浇注包覆CPC法生产工艺简单成品质量高。不足之处是需要进行复杂的预处理。

（2）电磁制动连铸复合技术通过在结晶器内直接实现两种材料的液液复合，从而有效地避免了界面出现氧化、夹渣等的问题。

（3）Novelis复合连铸法

Novelis复合连铸技术的工艺原理是在结晶器中间放置隔板，先浇注芯部合金锭，后浇注外层合金，使较薄的外层合金与先凝固的芯层合金在半固态下结合，先凝固的合金作为外层合金熔体凝固的基础，从而实现两种合金的复合， 如图1所示。

该方法由2006年美国Novelis公司提出，并已进入商业化生产。该公司的奥斯威戈轧制厂已铸造50多种不同规格的铝合金锭，产品性能良好（见图2）。Novelis法工艺灵活，能铸造多种铝合金复合板锭，且可生产在固态下难以结合的复合材料。

1.2 离心铸造复合法

离心铸造法是制备金属复层材料的传统方法，主要生产双金属辊、套、筒类铸件以及复合管材。其工艺原理是向旋转的铸模中依次浇鑄各层金属，或将熔化的覆层金属浇铸到预处理后的基层金属上，两层金属通过组分扩散或外层金属的重熔以实现冶金结合。

1.3 喷射铸造复合法

喷射铸造又称喷射成形复合，是利用快速凝固方法来获得金属复层材料的一种先进特种铸造技术。工艺原理为分别熔炼两种不同的金属，并雾化成熔体射流，在喷射沉积成一层金属坯体后，随着拉坯的进行喷射另一种金属液，两种金属相互复合扩散，通过调整工件的类型和位置可实现复层板、棒、管等坯件的制备。改变两种金属雾化锥的距离则可形成不同梯度层厚度的复层材料。

2 铸造复合技术的应用

铸造复合技术因其优异的特性广泛应用于金属层状复合板材、线材以及管型材料的制备，目前应用较为成熟的则是制备复层板材以及复合轧辊。

金属复层板材的铸造复合技术主要包括电磁制动连铸复合工艺、Novelis复合连铸法、直接水冷半连续铸造、喷射铸造法、反向凝固法。金属复层线材主要应用在电力线、电缆导体以及航空航天等领域，其铸造复合制备方法包括：铸拉复合工艺和反向凝固法，分别用于铝包钢以及铜包钢线材的制备；用于制备铝合金复层棒材的双流连续浇注法；双结晶器连续铸造和充芯连铸工艺（铜包铝线）。

铸造法制备金属复层管材的应用包括传统的离心铸造法、喷射铸造法、以及水平电磁连铸法。

结语

铸造复合技术以其生产成本低、制备工艺简单、对铸件形状和尺寸适应性强、易实现冶金结合等优点在金属层状复合材料制备领域显示出广阔的应用前景。近些年我国也对其进行了大量探索，为使我国的复合材料取得进一步发展，必须通过加强对铸造复合技术的研究，深入探索界面结合机理，寻求适合中国企业生产状况的新型方法和工艺路线，尽快把科研成果推广到实际生产中去。

参考文献

[1]符寒光，刘金海，殷作虎.国外高速钢复合轧辊研究的进展[J].铸造，1999（2）： 44-47.

[2]符寒光，吴建中.离心复合铸造双金属轧辊的研究[J].特种铸造及有色合金，1993（4）：36-38.