CN101020973A - 多元相增强金属复合材料制造工艺及设备 - Google Patents
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Abstract
一种制造多元相增强金属基复合材料的设备。该设备由原位反应合成增强体设备和外加增强体熔铸设备组成。其中原位反应合成增强体设备由感应炉、压力机、球蘑机组成。外加增强体熔铸设备由一工作台、立拄、电极把持器、水冷结晶器、组合式水冷结晶器、电磁搅拌器、超声波振动器、送料器、金属液体中间包、底水箱、抽锭设备。使用该设备生产多元相增强金属基复合材料时，生产工艺简单，生产效率高，生产成本低，产品性能和质量好，工艺易于控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种颗粒增强金属复合材料制造工艺及设备，特别是一种含有多元硬质相颗粒增强的大体积金属基复合材料制造工艺及设备。
背景技术
文献《现代复合材料》一书(中国物质出版社1998年8月)中的第五章《金属基复合材料》部分，文献《粉末冶金工业》杂志(2001年10月，第11卷第5期第25-29页)中报导了《颗粒强化钢铁基复合材料的研究现状与展望》和文献《热加工工艺》杂志(2005年第3期第58-60页)中报导了《颗粒增强金属基复合材料铸造法制备技术》，书集和文献报导中均论述和公开了目前国内外颗粒增强金属基复合材料的制造工艺分为物理外加增强体法和原位内生反应合成增强体法两种工艺。其中物理外加颗粒法虽然具有工艺简单，增强颗粒可选择范围广，适合于制备具有一定尺寸、形状的构件，但是由于外加工艺中的增强颗粒与基体相熔性不良，且存在杂质污染及严重的界面反应，增强颗粒分布不均，存在偏折现象等缺陷，使其产品质量不够理想，且制造工艺复杂，无法制造大体积的产品。
原位内生反应合成增强体工艺虽然具有增强体表面无污染，界面结合较好，并且增强体颗粒的大小与分布的均匀性较易控制，避免了单独生产增强相颗粒工艺，可直接获得近终形及结构复杂的产品，制造工艺简便和成本低的优点。但是存在增强体可选择范围小，仅能制造增强颗粒含量较低的增强金属基复合材料，当增强颗粒含量大时(＞15％后)，熔体的流动性差，铸造性能变差，成型困难。
中国发明专利专利号ZL96116892.7《硬质合金和金属复合材料生产工艺》，专利号ZL01134145.9《硬质相增强金属基复合材料生产工艺及设备》，该二项发明专利虽然解决了外加颗粒工艺的上述缺陷，但由于受工艺的限制，无法制造低比重合金颗粒的增强金属复合材料，使其增强体的选择范围小，无法制造含有多元增强颗粒的金属复合材料，同时，当生产大含量的颗粒增强金属复合材料时，由于颗粒所带入的大量气体，降低了材料的性能，且外加增强颗粒的价格高，致使生产成本高，且无法制造含有多元硬质相增强的双金属复合材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种：综合外加增强颗粒和反应合成增强颗粒二种工艺之优点，生产工艺简单、，产品性能好、成本低，材料中含有外加颗粒和原位反应合成颗粒的多元硬质相增强的金属复合材料及其双金属复合材料生产工艺及设备。
解决其技术问题的设备方案是：该设备由原位反应合成增强体设备和外加增强体熔铸成型设备二个系统组成，其中原位反应合成增强体设备由感应熔炼炉或真空感应炉、压力机、球磨机等标准设备组成，外加增强体熔铸设备由一工作台，工作台上有一立柱，立柱上安装有带有升降装置的电极把持器，电极把持器上安装有自耗电极或非自耗电极，并连接有电源(D)，与底水箱的电源组成电回路，在电极把持器下面与自耗或非自耗电极垂直处安装有水冷结晶器或组合式水冷结晶器，水冷结晶器外安装有电磁搅拌器，在水冷结晶器的上部或下部装有超声波振动器，在水冷结晶器的上部两侧分别连接有送料器和金属液体中间包，在水冷结晶器的下部连接有底水箱和底水箱升降装置，在底水箱上连接有电源E，并与电源D组成D、K、E电回路。在上述设备的外部安装有密封箱，在密封箱的外部连接有惰性气体罐和真空泵及控制阀。
金属液体中间包包括耐火材料包体，金属液体流量控制器，电磁感应加热器，金属液流槽。
水冷结晶器包括水箱和在水箱的底部连接有冷却水入口，顶部连接有冷却水出口，水箱的中心为一直通孔。
组合式结晶器由水冷结晶器、导电结晶器、水冷环、耐高温绝缘垫、金属液位检测器、耐高温导电陶瓷、连接电源组成，导电水冷结晶器位于水冷结晶器和水冷环的中间，在导电结晶器和水冷结晶器与水冷环的之间连接有耐高温绝缘垫，导电水冷结晶器上连接有电源(W)，内壁上涂有一层耐高温导电陶瓷。在水冷结晶器或组合式水冷结晶器内腔的中心位置安装有芯棒，并与底水箱相连接，芯棒的上部安装有感应加热器，底水箱的底部连接有电源(E)，通过液态熔渣18，组成(EKWH)电回路。电源(K)为低电压大电流，其电压和电流均可在大范围内调整。
解决其技术问题所采用的工艺技术方案是：首先将一种或数种强碳化物形成元素粉末(Ti、V、Nb、B等)与一定含量的C粉、AL粉和一定量的CuO2粉、B2O3粉等一齐混合后放在球磨机内进行球磨，将球磨好的混合粉末在压力机上进行压制成块，烘干，启动金属熔炼炉，按所需基体金属成份配制相应数量的各种合金元素，经熔炼炉熔炼成液体后，将所压制烘干后的混合粉块，按所需增强颗粒含量的重量，依次加入高温金属液体中，使反应体在高温金属液体中原位反应合成所需成份和数量的增强体颗粒，将所熔炼好的含有增强体颗粒的金属液倒入工作台上的金属液体中间包内，或将其直接浇铸成自耗电极，并将其安装在电极把持器上，同时将一种或者数种增强硬质相按所需比例配制后经混料机混合倒进工作台上的送料器内，将所需成份的液体熔渣倒入水冷结晶器或导电结晶器内，启动自耗电极或非自耗电极、或导电结晶器电源，使其对熔渣加热熔化，打开金属液中间包内的钢水流量控制器，或将自耗电极穿入液态渣内，启动真空泵，将保护罩抽成真空或打开惰性气体泵，向保护罩内充入惰性保护气体，同时启动颗粒送料器，使含有原位内生增强体颗粒的金属液体和外加增强硬质相颗粒同时按所需预定流量流入水冷结晶器内，或将含有增强体颗粒的自耗电极按所需熔化速度熔化，启动电磁搅拌器和超声波振动器，使二相材料在水冷结晶器内混合均匀，并快速凝固和结晶，底水箱上即得到与水冷结晶器内腔形状相同的含有多元硬质相增强的金属基复合材料，启动底水箱升降装置，使其向下移动，即可使生产连续进行，并制造出所需长度的多元相增强的金属复合材料。
当需制造双金属复合材料时，可以在水冷结晶器的中心安装芯棒，并在芯棒上安装感应加热器，启动加热器，对芯棒进行预热，然后重复上述工艺即可制造出双金属多元相增强金属复合材料。
水冷结晶器内的熔渣为一元物质或者多元物质所组成的渣系，其物质为CaFe2、AL2O3、CaO、MgO、MnO、TiO2、RE、RexOy、Na2B4O7等，金属复合材料中的基体材料为任何成份的并可包含有稀土合金的黑色金属、有色金、金属间化合物，外加工艺中硬质相增强材料为各种碳化物、氮化物、碳氮化物、硼化物、氧化物等难熔化合物，其形状为颗粒、晶须，其含量为15％～60％，内生原位反应合成工艺中的硬质相增强体材料为Ti、V、B、Nb、W、Mo等的碳化物或氮化物或碳氮化物，其含量为1％～30％。
有益效果：上述方案中，使用该发明生产的多元硬质相增强金属复合材料时，生产工艺简单、生产效率高、生产成本低、产品性能和质量好，工艺易于控制。由于该方法中是将外加增强体工艺和内生原位反应合成增强体工艺两种工艺进行相互结合，综合二种工艺之优点，从而可以制造含有多元硬质相增强的金属复合材料。由于将二种工艺进行相互结合，从而可以制造出高硬质相增强的高性能、低成本的产品，同时由于该方法中是将一部分低比重的增强硬质相材料在基体金属材料熔化的过程中进行内生原位反应合成，从而避免了二相材料的污染和分布不均匀现象，且所合成的增强颗粒体积尺寸小，与基体金属间二相材料的结合力强，外加的增强体与含有增强相的基体金属混合液在高温渣液中经二次高温精炼，使外加的增强体材料表面产生熔融，使二相材料达到了完全冶金结合，由于电磁场的搅拌作用，使其产品中的二相材料的混合更加均匀，混合液体在水冷结晶器中快速凝固和结晶成所需的产品，经超声波震动处理后，进一步改善和提高了复合材料的各项性能。产品的外形尺寸不受工艺限制，可以制造大体积的产品和双金属复合材料产品。
附图说明
图1为本发明第一实施例的工艺流程结构图.。
图2为本发明第二实施例的结构图。
图3为本发明第三实施例的结构图。
图4为本发明第四实施例的结构图。
图5为本发明第五实施例的结构图。
具体实施方式
实施例1：在图1中，该设备由熔炼反应合成设备和熔铸成型设备组合而成，熔炼反应合成设备有感应熔炼炉1、感应加热电源2、保护渣3、金属液体5、反应合成增强颗粒预制块4组成。熔铸成型设备有电极把持器12，在电极把持器12上连接有非自耗电极13，在非自耗电极13的下面安装有水冷结晶器8，在水冷结晶器8的外面安装有电磁搅拌器30，在水冷结晶器8的下部和上部分别连接有进水管21和出水管7，在水冷结晶器8的下部安装有底水箱10，在底水箱10上分别连接有进水管2和出水管9，底水箱10的下面连接有抽锭装置11，在底水箱10和电极把持器12上分别连接有低电压大电流电源(Z、D)在水冷结晶器8的上部安装有颗粒下料器6和金属混合液中间包34。中间包有包体34、感应加热器16、金属流量控制器14、金属液流槽23组成。
工作开始时，将所需重量和比例的Ti、Nb、V、B等强碳氮化物形成元素和反应促进剂CuO2、Fe2O3、Cr2O3等合金和发热剂C和AL等元素粉末按照化学计量配制后，进行混合、球磨，然后将其压制成反应体预制块4，启动熔炼炉，按所需基体材料成份配制金属材料并熔炼成液体5，然后造渣，由液渣18进行保护，将所压制好的预制块4经烘干后将其压入金属液体5中，使其在金属液5的高温下进行原位合成反应，生成所需成份和比例含量的含有增强硬质颗粒的混合金属液17，将反应完成后的混合金属液17倒入金属液体中间包34内，启动感应加热器16，对混合液17进行加热保温，加入保护渣15，以防氧化，并减少温度的损失。将一种或数种增强颗粒按所需比例配制，经混料机混合后，倒进颗粒下料器6。将石墨或钨非自耗电极13安装在电极把持器12上。
将所配好的二元-多元电渣料倒入水冷结晶器8内，打开电源K，将非自耗电极13插入渣料内，使其在电阻热的作用下将固态渣料引燃、熔化成液态电渣18。打开金属液流量控制器14和颗粒送料器6，使含有增强颗粒的混合金属液17经中间包金属液流槽23与增强颗粒35同时按照预定流量流入水冷结晶器8内，两相材料穿过液态电渣18的渣层时，在高温渣液中进行电渣精炼，使外加的增强体材料表面产生熔融，经电磁搅拌器30搅拌后二相材料在水冷结晶器8内混合均匀，并快速凝固和结晶成增强体均匀分布的多元硬质相增强金属复合材料20，启动抽锭装置11，将其向下牵引即可得到与结晶器形状相同的所需长度的多元硬质相增强的高性能金属复合材料20。
实施例2：在图2中，水冷结晶器为组合式导电结晶器，组合式导电结晶器由水冷结晶器8、导电结晶器26、水冷环24、耐高温绝缘垫25和27、耐高温导电陶瓷36组成，导电结晶器26位于水冷结晶器8和水冷环24的中间，在导电结晶器26与水冷结晶器8和水冷环24之间的连接处安装有耐高温绝缘垫27，在导电结晶器的内壁上涂有一层耐高温导电陶瓷36，并在其则面连接有电源W，在水冷结晶器8的外面安装有电磁搅拌器，在水冷结晶器8的冷却水套的内部顶端，安装有金属液位检测器39，在水冷结晶器8的下部安装有底水箱10，底水箱10的下面与抽锭装置11连接，底水箱10上连接有电源(E)，与电源W组成EKWH电回路，工作开始时，先在导电结晶器26内倒入按所需成份配制好的CaF2、AL2O3、CaO等二元-多元或含有稀土及稀土氧化物等材料熔化的液态熔渣18，启动电源K，使电源K以电阻直热式将导电结晶器26内的熔渣18加热，同时在保持熔渣18加热的过程中不消耗电极，打开金属液体中间包34内的金属流量控制器14，启动颗粒送料器6，使含有原位合成增强颗粒的混合金属液17和增强颗粒35同时按预定的流量流入含有液态熔渣的导电结晶器26内，二相材料穿过导电结晶器内的液态熔渣18渣层时，在高温渣液中进行电渣精炼，使外加的增强体材料表面产生熔融，经电磁搅拌器30搅拌后，二相材料在水冷结晶器8内混合均匀，并快速凝固和结晶成型。通过金属液位检测器检测金属液的高度，并控制抽锭装置的抽锭速度，使金属液在所预定的高度范围内保持恒定，以确保生产的连续进行。抽锭装置按照所定速度向牵引，即可得到与结晶器形状相同的所需长度的多元硬质相增强的高性能金属复合材料。电源E、N为低电压大电流，其电压和电流均可在大范围内调整。其它工艺过程及设备与实施例1同，略。
实施例3：在图3中，在电极把持器12上连接有用反应合成的混合金属液17浇铸成的自耗电极28。在自耗电极28的上面安装有超声波振动装置37。打开电源K，将自耗电极28插入水冷结晶器8内的固态渣料中，使其在电阻热的作用下，将固态渣料引燃、熔化成液态电渣18，自耗电极28在电阻热的作用下，在液态渣18中熔化成含有增强颗粒的金属熔滴，调节电压和电流的大小，使其按预定的速度熔化，同时打开颗粒送料器6。使增强颗粒35按预定的流量流入水冷结晶器8内，使二相材料在液态电渣18中，经电磁搅拌器30搅拌后，混合均匀，同时进行电渣的合成渣洗和精炼，并在水冷结晶器8中快速凝固和结晶成型。超声波振动装置37对多元硬质颗料增强金属复合材料20进行超声振动处理，进一步细化晶粒，改善结晶组织，提高复合材料质量。其它工艺过程及设备与实施例1、2同，略。
实施例4：在图4中，在水冷结晶器8的中心安装有金属芯棒19，在芯棒的上端有电极把持器12，在电极把持器12上安装有非自耗电极13，在芯棒19的上端安装有超声波振动装置37，在芯棒19的表面涂有防止氧化的玻璃保护膜38，当非自耗电极13将固态渣料引燃、熔化成液态熔渣18后，液态电渣料18对芯棒材料29进行加热的同时，将涂在芯棒29表面的玻璃保护膜38熔化，并经电磁搅拌器30搅拌后上浮，露出芯棒29的清洁表面，与多元硬质颗粒增强金属复合材料20达到良好的冶金结合，生成多元硬质相增强金属复合材料与金属材料复合成一体的双金属复合材料。其它过程及设备与实施例1、2、3同，略。
实施例5：在图5中，在组合水冷结晶器中心安装有芯棒29，在设备处连接有密封箱40，在密封箱40上通过管道与惰性气体罐32连接，在惰性气体罐32与密封箱40的中间连接有充气控制阀31，通过控制阀31控制其向密封箱40内充入惰性气体的流量，密封箱40通过管道与真空泵33连接，从而对密封箱40进行抽真空。
工作时，首先启动真空泵33对设备进行抽真空，这时设备处在真空状态下工作；或者在设备抽真空后打开阀门31，向设备内充入惰性气体，使其在低压惰性气体保护状态下或真空状态下进行生产，以减少有害气体进入增强金属复合材料内，同时防止金属液体和易氧化合金材料的氧化，提高产品质量。其它工艺过程和设备与实施例2、4同，略。
Claims (7)
1、一种多元相增强金属复合材料制造工艺，其特征是：首先将一种或数种强碳、氮化物形成元素粉末与一定含量的C粉、AL粉和一定数量的CuO2、B2O3、FeO3及含氮合金或含氮物质材料的粉末，其摩而配比按化学剂量比配制，经混合后放入球磨机内进行球磨，将球磨好的混合粉末在压力机上进行压制成快，或将其装入铁管中共同压制，烘干，启动金属熔炼炉，按所需金属基体成份配制相应数量的各种合金元素，经熔炼成金属液体后，将所压制烘干后的混合粉块或含有铁管包裹的混合粉体，按所需增强颗粒含量的重量，依次加入熔化的高温金属液体中，使其在高温金属液体中原位反应合成所需成份和数量的C、N化增强体颗料，将反应完毕的含有增强体颗粒的金属液倒入工作台上的金属液体中间包内，或将其直接浇铸成自耗电极，并将其安装在电极把持器上，同时将一种或者数种增强硬质相按所需比例配制，经混料机混合后倒进工作台上的送料器内，将所需成份的液体电渣倒入水冷结晶器或导电结晶器内，启动自耗电极、非自耗电极或导电结晶器电源，使其对熔渣加热，打开金属液中间包内的钢水流量控制器，同时启动颗粒送料器，使含有原位反应合成增强体颗粒的金属液体和外加增强硬质相颗粒同时按照所预定的流量流入水冷结晶器内或组合式导电结晶器内；或将含有增强体颗粒的自耗电极按所需熔化速度熔化，将外加增强硬质相颗粒同时按照所预定的流量流入水冷结晶器内或组合式导电结晶器内；启动电磁搅拌器和超声波振动器，使二相材料在水冷结晶器内混合均匀，并快速凝固和结晶，底水箱上即得到与水冷结晶器内腔形状相同的含有多元硬质相增强的金属复合材料，将芯棒安装在水冷结晶器或组合式导电结晶器内腔，并在芯棒上安装超声波振动设备，启动抽锭装置，使其向下移动，即可进行连续生产，制造出所需长度的多元硬质相增强金属复合材料或双金属复合多元硬质相增强金属复合材料。
所述的多元相增强金属复合材料中的增强硬质相颗粒即可由原位反应合成颗粒与物理外加颗粒二相工艺相结合制造，同时亦可以单独由原位反应合成工艺制造的高含量多元增强颗粒或由单独制造的外加增强颗粒分别进行单独制造。增强硬质相材料为各种原位反应合成的和以物理外加的碳化物、氮化物、碳氮化物、硼化物、氧化物等难熔化合物颗粒或晶须，其中外加增强颗粒含量为15％-60％，内生原位反应合成增强颗粒含量为1％-40％。金属基体材料为任何成份的黑色金属、有色金属和金属间化合物。水冷结晶器或组合式导电结晶器内腔中的电渣成份由CaF2、AL2O3、MgO、MnO、CaO、TiO2、RE、RexOy等物质所组成的二元或多元渣系。
2、一种多元相增强金属复合材料制造工艺，其特征是：在设备的外面连接有密封箱，在密封箱上连接有惰性气体罐，在惰性气体罐与密封箱的中间连接有充气控制阀，密封箱通过管道与真空泵连接，在密封箱与真空泵中间连接有充气控制阀。启动真空泵对设备进行抽真空，这时设备处在真空状态下工作；或者在设备抽真空后打开阀门，向设备内充入惰性气体，使其在低压惰性气体保护状态下或真空状态下进行生产，重复上述工艺，即可制造出所需长度的多元硬质相增强金属复合材料或双金属复合多元硬质相增强金属复合材料。
3、一种实现多元相增强金属基复合材料生产工艺的设备，其特征是：该设备由内生原位反应合成增强体设备和物理外加增强体熔铸成型设备二套设备系统组成。
4、根据权利要求3所述的多元相增强金属基复合材料生产工艺的设备，其特征是：内生原位反应合成增强体设备包括感应熔炼炉或真空感应熔炼炉、混料机、球磨机、压力机。
5、根据权利要求3所述的多元相增强金属复合材料生产工艺的设备，其特征是：物理外加增强体熔铸成型设备，该设备有一工作台，工作台上安装有带有升降装置的电极把持器，电极把持器上安装有自耗电极或非自耗电极，在电极把持器下面与自耗电极或非自耗电极垂直处安装有水冷结晶器或组合式导电水冷结晶器，在水冷结晶器或组合式导电结晶器的外面安装有电磁搅拌器，在水冷结晶器的上部或下部安装有超声波振动设备，在水冷结晶器的上部两侧分别连接有送料器和金属液体中间包，在金属液体中间包上安装有金属液体流量控制器，在水冷结晶器的下部连接有底水箱，在底水箱上和电极把持器上分别连接有电源E、D，并组成EKD电回路，在自耗电极或非自耗电极把持器上和导电结晶器上和底水箱上分别连接有电源，并组成DKWHEK电回路系统，在底水箱的下面连接有抽锭设备。
6、根据权利要求5所述的多元相增强金属复合材料生产工艺的设备，其特征是：水冷结晶器包括内层由铜、铝金属材料和外层为钢的金属材料焊接而成的空心冷却水套，在其下部边接有进水管、上部连接有出水管、在冷却水套的内部顶端安装有金属液位检测器，组合式导电结晶器由水冷环、导电结晶器、水冷结晶器、耐高温绝缘垫、耐高温导电陶瓷组成，导电结晶器位于水冷结晶器的上部，在导电结晶器的上部安装有水冷环，在导电结晶器与水冷结晶器和水冷环之间的连接处安装有耐高温绝缘垫，在导电结晶器的内壁上涂有一层耐高温导电陶瓷。在导电结晶器的侧面连接有电源W，与底水箱上所连接的电源E和液态熔渣组成EKWH电回路。
7、根据权利要求3所述的多元相增强金属复合材料生产工艺的设备，其特征是：物理外加增强体熔铸成型设备安装在一个密封箱内，在密封箱体的外面连接有真空泵、真空泵控制阀、惰性气体罐和控制阀。
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