一种熔炼镁材料用复合型坩埚及其制备方法 所属领域
本发明属于熔炼特种材料的设备制造领域，特别适用于熔炼镁及镁合金材料的专用坩埚及坩埚制造方法。
由于镁材料的化学性质非常活泼，作为最轻的金属结构材料已越来越被广泛的应用。但是在镁材料的生产与加工过程中，尤其是熔融的镁及镁合金熔液会对其他金属材料有很强的腐蚀作用。对于在镁合金产品的制备方法中，采用压铸镁合金方法中，其热室压铸工艺需要镁液温度应在620～640℃范围内。而冷室压铸工艺中因热量消耗较多，所以镁熔液温度应有所提高。为了确保坩埚内镁合金熔液的使用性能，所以熔炼镁材料的坩埚在使用时必须要加热到800℃～850℃。但是在这个温度下，由于熔融的镁合金液会对坩埚材料产生很强的侵蚀效果，经常会造成坩埚材料和镁合金液之间的相互污染。在现有技术中，采用低碳钢作为镁合金液的熔炼坩埚是因为在Fe-Mg二元系中不容易形成金属间化合物。但所存在的问题是在一定的温度下使用，由于低碳钢本身的高温蠕变抗力很低，使用的坩埚在很短时间内就会产生变形，造成坩埚很快就不能再使用。另外还有在碳钢坩埚的外表面处很容易产生剧烈的氧化，并有大量地氧化铁皮剥落，使坩埚的壁厚迅速减薄和降低坩埚的使用寿命，对环境和产品容易造成一定的污染。
再有美国在专利(US 4353535)文献中介绍了一种采用444型不锈钢制造坩埚，这是一种铁素体型不锈钢，这对于低碳钢来说是一个改进，铁素体不锈钢具有较好的抗氧化性能，并有比低碳钢更高的高温强度和抗蠕变性能。但是铁素体不锈钢在该高温段也要产生类似的变形，因此造成坩埚的使用寿命缩短。还有美国专利US 5227120中介绍以奥氏体型不锈钢板制成坩埚，然后在不锈钢坩埚内堆焊低碳钢层，来获得这种不锈钢-低碳钢复合材料坩埚。但是该坩埚当不锈钢层较薄时，堆焊会引起坩埚的严重变形，焊接工序很难保持原来奥氏体型不锈钢层的性能。该产品所存在的缺陷有材质不均匀和高温力学性能、抗蠕变性能都有所降低，制备产品劳动强度大、外形不美观，生产工艺复杂而且难度很大等问题。因此该专利仅适用于制备较厚不锈钢板和较薄低碳钢层的坩埚，但过厚的不锈钢板又将大幅度提高坩埚的成本，同时也容易引起低碳钢层的开裂。
发明目的及内容
本发明的目的是提出一种制备工艺简单、成本低、产品结构合理、质量可靠、使用寿命长和外观整洁的熔炼镁材料用复合型坩埚及其制备方法。
根据本发明目的所提出的内容是熔炼镁材料用的复合型坩埚及其制备方法，我们所采用的解决方案，是将低碳钢板和奥氏体型不锈钢板预制成复合钢板，然后采用已制备好的复合型钢板再加工成熔炼镁材料的复合型坩埚。
根据本发明目的所提出的熔炼镁材料用复合型坩埚的组成是内层材料为碳钢，外层材料为不锈钢的复合型钢板制备而成，制备是将复合型钢板压制成凹筒形的复合型坩埚，其特征在于该坩埚的内层材料为低碳钢，在内层低碳钢成份中Ni和Cr元素含量要分别低于成份总量(重量％)的0.30％，其他合金的总含量要控制尽量少，该坩埚的外层材料为奥氏体不锈钢，内层的低碳钢与外层的奥氏体不锈钢之间为复合型牢固结合，低碳钢内壁层与奥氏体不锈钢外壁层的坩埚壁厚厚度之比为2-10∶1。在本发明的熔炼镁材料用复合型坩埚中，选用低碳钢做成坩埚的内壁，奥氏体不锈钢做成外壁，其原因是低碳钢与镁熔液基本不发生反应，所以采用低碳钢做坩埚的内衬不但能保证镁熔液成份的纯净，同时也可提高坩埚的使用寿命，但是由于低碳钢本身的强度较低，所以我们采用奥氏体不锈钢做坩埚的外壁以保证坩埚的使用强度，选用奥氏体型不锈钢是考虑到坩埚在加热和冷却过程中，该钢不会产生组织的转变，能保持较好的尺寸稳定性和高温力学性能。另外，强度较低的低碳钢内层能阻止镁熔液对强度较高的奥氏体不锈钢外壁进行浸蚀，而强度较高的奥氏体不锈钢外壁又能保证复合型坩埚整体的完整使用性和使用性。
本发明熔炼镁材料用复合型坩埚的制备方法，是将强度较低的低碳钢与强度较高的奥氏体不锈钢进行复合成型，成型方法可采用现有技术中的轧制或爆炸等复合工艺，应当使制备成型后的预制复合板要达到JB4733-1996标准的B1级要求，本发明复合型坩埚的制备所用材料，为100％复合的低碳钢与奥氏体不锈钢，其特征在于复合的低碳钢板与奥氏体不锈钢板复合面为波纹形或锯齿形结合面。由于在复合钢板之间的结合面为波纹形或锯齿形结构，使复合钢板具有较高的抗剪切强度，不但对不锈钢层组织的结构影响较小，而且还保持了奥氏体不锈钢板细小的冷轧组织和较高的高温力学性能。
本发明熔炼镁材料用复合型坩埚的制备方法，可根据附图进行详细描述，由附图可看出，本发明熔炼镁材料用复合型坩埚的制备，是将凹筒形的复合型坩埚采用三部份分别加工并组合而成，其特征在于将复合型坩埚的法兰盘1端口处加工成与筒体2上端口形状相同，筒体2的下端口加工成与坩埚底部3的上端口形状相同，筒体2加工成筒柱形，坩埚底部3是采用模具压制成型，压制方法是将复合型钢板加热900～1000℃温度后，再采用上压杆4、下压模5的模具对压并在控温条件下将复合型钢板热压成型为复合型坩埚底部3，然后将法兰盘1、筒体2、底部3部件按序组装后焊接成熔炼镁材料用复合型坩埚。在本发明的复合型坩埚制备方法中，其他特征还有复合型坩埚底部3的成型温度控制在900℃以上。复合型坩埚底部3是采用整体钢板热压成型的，复合型坩埚内和底部3的底部过渡圆角半径R为60-120mm。成型后应对复合型坩埚中的变形部位要进行超声探伤，保证冲压成型后复合钢板仍保持100％复合。该复合型坩埚的组装焊接应先焊接复合钢板的低碳钢层，然后再焊接奥氏体不锈钢层。焊后也应对焊缝进行超声探伤，保证无焊接缺陷。
采用本发明复合型坩埚的制备方法和该复合型坩埚产品与现有技术相比较，具有该复合型坩埚的制备工艺简单和成本低，而且复合型坩埚的结构合理，制备后的坩埚产品质量可靠、使用寿命长和外观整洁等特点。
【附图说明】
在本发明说明书中所给出的附图，其附图说明分别如下：
附图1为本发明复合型坩埚的结构示意图；
附图2为本发明复合型坩埚底部加工成型的工作结构示意图；
附图3为本发明复合型坩埚用复合钢板内的复合面为波纹形结构；
附图4为本发明复合型坩埚用复合钢板的不锈钢覆层组织结构。
在附图中，序号1为法兰盘；2为筒体；3为坩埚底部；4为上压杆；5为下压模；
在附图中R为复合形坩埚内和底部3的过渡圆角半径。
具体实施方案
采用本发明复合型坩埚的制备方法和制备该复合型坩埚产品，我们一共制备了以下4组实施方案，为了方便比较，我们同时也列举了3组现有技术中的对比例，其比较结果均列入以下对比表中。在对比表中，表1为复合型坩埚板的选材成分比较表；表2为本发明实施例复合型坩埚的制备方法及效果比较表；在各表中序号1、2、3、4为本发明实施例，序号5、6、7为对比技术。根据本发明复合型坩埚产品与现有技术产品的比较可以看出(附图3、4)，采用本发明的制备方法所制备的复合型坩埚比现有技术制备坩埚具有明显的效果。
表1为复合型坩埚板的选材成分比较表； 要求 序号 低碳钢 奥氏体不锈钢 低碳钢中CrNi 量分别：重量％ 低碳钢/奥氏体不 锈钢(质量) 1 高纯度08F 1Cr18Ni9Ti Cr0.05 Ni0.1 9/1 优 2 Q235 0Cr18Ni9Ti Cr0.01 Ni0.05 8/1 优 3 Q215 0Cr18Ni Cr / Ni0.02 4/1 优 4 Q195 1Cr18Ni9 Cr / Ni0.05 3/1 优 5 Q235 1Cr18Ni9Ti Cr0.01 Ni0.05 5/1 优 6 Q235 / Cr0.01 Ni0.05 低碳钢/ 良 7 Q235 1Cr18Ni9Ti Cr0.05 Ni0.05 9/1外堆焊 差 8 Q235 1Cr18Ni9Ti Cr0.05 Ni0.05 4/1内堆焊 差
表2为本发明实施例复合型坩埚的制备方法及效果比较表方法序号坩埚材料工艺流程及工时(不包括堆焊工时)原材料成本(元)复合结构的加工方法及成本内外层厚度比控制加工难度及生产条件坩埚底部的成型温度(℃)本发明坩埚与现有技术经使用后的对比结果108F-1Cr18Ni9Ti双金属坩埚冲压成型→整形→组装→焊接→焊缝磨光→成品；7工作日4761爆炸复合，加工成本为7249元。9∶1，准确控制难度小，容易实现量产。940内外表面质量高，使用效果好，外观整齐美观，使用寿命可达1.5年以上。2Q235-1Cr18Ni9Ti双金属坩埚冲压成型→整形→组装→焊接→焊缝磨光→成品；7工作日4910爆炸复合，加工成本为7249元。8∶1，准确控制难度小，容易实现量产。950内外表面质量高，使用效果好，外观整齐美观，使用寿命可达1.5年以上。3，Q215-1Cr18Ni9Ti双金属坩埚冲压成型→整形→组装→焊接→焊缝磨光→成品；7工作日6102爆炸复合，加工成本为7249元。4∶1，准确控制难度小，容易实现量产。960内外表面质量高，使用效果好，外观整齐美观，使用寿命可达1.5年以上。4Q195-1Cr18Ni9Ti双金属坩埚冲压成型→整形→组装→焊接→焊缝磨光→成品；7工作日6773爆炸复合，加工成本为7249元。3∶1，准确控制难度小，容易实现量产。960内外表面质量高，使用效果好，外观整齐美观，使用寿命可达1.5年以上。5Q235-0Cr18Ni9双金属坩冲压成型→整形→组装→焊接→焊缝磨光5655轧制复合，加工成本5∶1，准确控制难度小，容易实现920内外表面质量高，使用效果好，外观整齐美观，埚→成品；7工作日为8500元。量产。使用寿命可达1.5年以上。6Q235低碳钢坩埚冲压成型→整形→组装→焊接→焊缝磨光→成品；7工作日3420准确控制难度小，容易实现量产。约810表面质量较好，但使用寿命短，仅为1～2个月。7Q235-外层堆焊0Cr18Ni9复合坩埚冲压成型→整形→组装→焊接→焊缝磨光→堆焊→整形→磨光→成品；30工作日6498手工堆焊需80台时，加工成本为8000元。9∶1，不能准确控制难度大，需二次整形和磨光；难以实现量产。820外观质量不好，使用寿命少于1年。81Cr18Ni9Ti-内层堆焊Q235复合坩埚冲压成型→整形→组装→焊接→焊缝磨光→堆焊→整形→磨光→成品；30工作日10870手工堆焊需480台时，加工成本为28800元4∶5，不能准确控制难度大，需二次整形和磨光；难以实现量产。1250内表面质量不好，使用不方便，有影响产品质量的现象发生，坩埚使用寿命约1年左右。
*注：表中数据均以制作900kg重的坩埚为例，其中堆焊加工成本按每人每个工作日可堆焊10kg计算，加工费为堆焊低碳钢60元/台时，堆焊不锈钢100元/台时。在本实施例中复合型坩埚内和坩埚底部(3)的过渡圆角半径R为70mm。