CN101199989A - 异频复合电磁场下连续铸造颗粒增强金属基复合材料的方法 - Google Patents

Abstract

异频复合磁场下连续铸造颗粒增强金属基复合材料的方法，涉及材料加工技术领域，复合材料熔体制备过程中施加低频交变磁场：频率为5～50Hz，功率范围为5～60kW，进行电磁搅拌，使颗粒相细化并分布均匀；连续铸造过程中，结晶器区域施加低频交变磁场：频率5～50Hz，功率范围5～20kW，实施电磁搅拌改善铸坯内部质量，同时，在结晶器内金属初始凝固区域施加高频交变磁场：频率10～50kHz，功率范围20～100kW，实现软接触以提高铸坯表面质量。该方法制备的复合材料颗粒增强相分布均匀、细化，内部组织致密无疏松、缩孔等组织缺陷，铸坯外表面光洁度高，无缺陷。

Description

异频复合电磁场下连续铸造颗粒增强金属基复合材料的方法

技术领域

本发明涉及材料加工技术领域，特指原位反应合成颗粒增强金属基复合材料熔体在低频交变磁场电磁搅拌下制备并在异频复合电磁场下连续铸造成型的方法。

背景技术

含非金属增强相的金属基复合材料因具有复合的结构特征和良好的理化及机械性能，逐渐成为一种应用越来越广泛的新型金属功能材料。按增强相形貌划分，含增强相的复合材料主要分为颗粒增强金属基复合材料和纤维增强金属基复合材料两大类。颗粒增强金属基复合材料的突出优点是比强度高、增强体成本低、微观结构较均匀、材料性能各向同性、可采用传统加工工艺进行二次成型等，因此，颗粒增强复合材料已成为金属基复合材料的重要发展方向之一。

颗粒增强金属基复合材料的制备方法较成熟的主要有两种：外加增强颗粒法和原位反应生成法。

对于外加增强颗粒法，经对现有技术文献的检索发现，中国专利：CN1510153，公开日为：2004.07.07，发明名称为：高强高塑颗粒增强铝基复合材料及其制造方法，该专利的制备方法是将增强颗粒外加到铝合金粉末中混合均匀，然后进行热压和热加工成型。该方法由于颗粒相与金属相间界面复合情况难以控制，增强颗粒的粒度要求很高，特别是外加增强颗粒在金属基体内的分布容易出现团聚问题难以解决，且工艺过程非常烦琐，并不适合大规模生产。

原位反应生成颗粒法制备颗粒增强金属基复合材料的原理是在金属基体熔液中加入或通入能生成第二相的合金元素或化合物，在一定温度下与金属基体熔液发生原位反应，形成原位增强颗粒复合材料。该方法制备颗粒增强金属基复合材料的优点是颗粒相与金属基体界面不受污染、相界面润湿性好、相结合力强且工艺过程相对简单等，因此日益受到国内外研究的重视。

目前，原位反应合成法制备颗粒增强金属基复合材料存在的主要问题有：

(一)在复合材料熔体制备过程中要控制熔池内部反应的均匀性和反应程度，从而控制增强颗粒的分布和大小；

(二)高体积分数的细密颗粒相的存在使复合材料熔体的粘度成倍增加，流动性降低，导致浇铸性能非常差，铸件(坯)的内部质量和表面质量都难以控制，特别是对连续或半连续铸造，由于凝固速度快，内部凝固组织出现较严重的疏松和缩孔，外表面存在明显的粗糙和裂纹等问题使原位反应合成法制备颗粒增强金属基复合材料在工业规模连续化生产方面存在较大困难。

针对上述问题(一)，中国专利：CN 1676641A，公开日为：2005.10.5，发明名称为：制备金属基纳米复合材料的磁化学反应原位合成方法，该专利提出在磁场(稳恒磁场、交变磁场和脉冲磁场)下进行原位磁化学反应合成，并通过快速凝固技术控制颗粒尺寸在纳米尺度，制备金属基纳米复合材料的方法。该专利介绍的方法在细化增强颗粒方面具有非常好的效果，但要注意到另一方面：增强颗粒相的粒度越小，颗粒相的体积分数越高，复合材料熔体的流动性就越差，凝固过程产生的缺陷就越多，使得问题(二)更加突出。申请者前期发表的文献【2】“电磁连铸颗粒增强铝基复合材料圆坯及其摩擦性能.材料工程，2005，(12)：53-56.”曾报道了采用低频电磁搅拌改善颗粒相分布并在初始凝固区域施加高频磁场改善铸坯表面质量的方法，并研究了复合材料的摩擦性能。但该文献介绍的方法只是一个初步的实验结果，实际应用时会存在诸多问题：1)没有对所采用的低频磁场及高频磁场的电磁参数进行分析和优化选定；2)没有涉及到实际的连铸工艺参数的确定，如结晶器内液面的位置和控制等；3)合成过程和浇注过程采用一个低频磁场搅拌，实际上，在浇注过程中，结晶器上方复合材料熔体应当静置，以免夹杂卷入，而在复合材料熔体的制备合成过程，只需对复合材料熔池进行电磁搅拌，结晶器区域不需要搅拌，所以文献【2】中复合材料合成过程和连铸过程采用一个磁场进行电磁搅拌，难以实现有效控制。申请者后期的系列研究表明：1)所用磁场包括低频搅拌磁场和高频软接触磁场的电磁参数特别是磁场的频率和功率对连铸坯质量的改善效果有非常重要的影响，必须优化选择；2)连铸工艺参数、高频磁场线圈位置及操作过程对铸坯的质量甚至连铸是否成功实现都有决定性的作用，必须以严格规范限定；3)复合材料熔体的合成制备过程和连铸过程应当采用两个相互独立的低频磁场，以实现单独控制，磁场参数及搅拌强度、搅拌时间控制准确，并可节约电能。为解决上述问题，申请者提出了异频复合磁场下连续铸造颗粒增强金属基复合材料的方法以实现工业规模的颗粒增强复合材料连续铸造具有良好质量的铸坯，为后加工提供不需清理和精整的母材。

发明内容

本发明的目的是：针对目前原位反应合成法制备颗粒增强金属基复合材料存在的主要问题，提供一种工业规模连续化生产颗粒增强金属基复合材料无缺陷连铸坯的方法，即颗粒增强金属基复合材料熔体在低频交变磁场电磁搅拌(EMS)作用下通过原位化学反应合成，在连续铸造过程中施加异频复合磁场，即采用低频交变磁场进行电磁搅拌以改善铸坯的内部质量，同时，在结晶器内金属的初始凝固区域施加高频交变磁场实现金属液与结晶器壁间的“软接触”以提高铸坯的表面质量，该技术是电磁搅拌下原位反应合成+异频复合磁场(低频交变磁场电磁搅拌和高频交变磁场软接触)下连续铸造成型的集成技术。

本发明的基本构想是：在颗粒增强复合材料的原位反应合成过程及连铸过程中分别施加低频交变磁场B_l，低频交变磁场和金属熔体内产生的感生电流J发生交互作用，在垂直磁感应强度的平面上，金属熔体受到电磁力F，根据力的分解原理，F可分解为指向结晶器中心的径向力F_r和沿圆周方向的周向力F_z，根据电磁学知识，对低频交变磁场(频率＜100Hz)，F_z＞＞F_r，即低频交变磁场在金属熔体内产生的电磁力主要是使熔体旋转的周向作用力即电磁搅拌力F_z(原理示意图见图2)，利用电磁搅拌加快固-液相原位合成反应的动力学条件，使颗粒相的瞬时形核速率提高，保证颗粒增强相的数量并使之在金属基体熔液中细化和均匀分布；复合材料连续铸造过程中在结晶器区域施加低频交变磁场对熔体进行电磁搅拌可以保证颗粒增强复合材料熔体的良好流动性和补缩性，消除组织疏松和缩孔，同时，熔体搅拌可以消除颗粒增强相的团簇现象，使其均匀分布并有效细化，此外，由于电磁搅拌使金属熔体作圆周运动的离心力作用，使铸坯的内部凝固组织更加致密。但单纯施加低频交变磁场对结晶器内熔体进行电磁搅拌也有不利之处，因为在结晶器内金属的初始凝固区域，由于上述低频交变磁场电磁搅拌使金属熔体作圆周运动产生的离心力会使熔体(铸坯)与结晶器间的接触压力增加，拉坯阻力变大，会导致铸坯的表面质量进一步恶化，出现较严重的表面粗糙、冷隔、凹坑和表面裂纹等缺陷。本发明为解决这一问题，提出在结晶器内金属的初始凝固区域施加高频交变磁场B_h，该磁场和金属熔体内产生的感生电流J发生交互作用，在垂直磁感应强度的平面上，金属熔体受到电磁力F，F同样可分解为指向结晶器中心的径向力F_r和沿圆周方向的周向力F_z，根据电磁学知识，对高频交变磁场(频率＞20kHz)：F_r＞＞F_z，即高频交变磁场在金属熔体内产生的电磁力主要是一个指向结晶器中心的电磁压力F_r(原理见图2)，电磁压力用以抵消部分或全部金属液和结晶器之间的接触压力，使金属与结晶器间呈软接触状态，从而改善铸坯与结晶器间的润滑，减少摩擦，并减弱结晶器内金属液面波动对初始凝固的影响，最终提高铸坯的表面质量。

基于上述构想，实现本发明的技术方案是：

该方法的特征在于金属熔池内原位反应过程施加低频交变磁场进行电磁搅拌，连续铸造过程中结晶器内金属的凝固区域施加异频复合磁场实现电磁搅拌下的电磁软接触连续铸造。

具体特征为：1)将基体金属精练，原位反应用粉体试剂烘干、研磨；2)将称量好的粉体试剂加入上述精炼好的基体金属熔液，开启安装在熔池外壁上的合成过程EMS低频磁场进行电磁搅拌，其频率为15～70Hz，功率范围为15～60kW，空载时线圈中心的磁感应强度为0.05～0.75T，反应20～40min后，复合材料熔体制备好，准备浇铸；3)连铸开浇前，开启连铸过程EMS低频磁场，并启动高频交变磁场，连铸过程EMS低频磁场安装在整个结晶器区域，其频率为15～50Hz，功率范围为15～30kW，高频交变磁场安装在结晶器上方金属的初始凝固区域，高频交变磁场线圈的上沿低于结晶器上沿8～10cm，高频交变磁场的频率25～100kHz，功率范围50～100kW，调整电磁参数到上述范围后开启保温热顶的塞棒控流装置，待结晶器内金属液达到距结晶器上沿15cm时，开始启动拉坯，操作过程中，控制浇铸速度和拉坯速度，使结晶器内金属液面始终与高频交变磁场线圈上沿平齐，其误差控制在±5mm。

根据金属基复合材料的种类和流动性、结晶器结构和材质、铸坯的尺寸等条件，通过调节复合材料熔体制备合成过程EMS低频磁场的电磁参数控制生成颗粒相的粒度并使之均匀分布，通过调节连铸过程的异频复合磁场(连铸过程EMS低频磁场+高频交变磁场)的电磁参数和结构参数，就能够获得内外质量优质的连铸坯。

调节电磁参数时，根据复合材料熔池和结晶器的尺寸及熔体的流动性，调整EMS用低频交变磁场的输入功率，使熔体有合适的流动速度；根据复合材料熔体金属的种类，调节低频交变磁场的频率：对铁基合金，最佳频率范围为15～20Hz，对铝基合金，频率在20～40Hz，铜基合金，频率在40～70Hz；根据结晶器的材质、结构，调节高频交变磁场的功率和频率，功率要求以实现金属熔体与结晶器壁间的软接触为目标，频率调节时，对磁导率高的材质制作的结晶器，可以选择较高的磁场频率，对由磁导率低的材质制作的结晶器，高频交变磁场的频率要低些，以减少磁损耗，对铜质电磁结晶器，高频交变磁场频率以25～30kHz为最佳。

与现有技术相比本发明具有以下优点和效果：

(1)在金属熔池内原位反应过程和连续铸造过程施加低频交变磁场进行电磁搅拌，实现了无接触搅拌，比机械搅拌更均匀，从凝固组织来看，施加该电磁搅拌后，颗粒增强相的体积分数比采用机械搅拌时增加30～50％左右，粒度细化到约原来的50％，颗粒相在基体金属中分布均匀，团簇现象消失，凝固组织比普通铸造的更致密，缺陷明显减少或消失，这些都是施加低频交变磁场进行电磁搅拌的效果，特别指出的是，实施该电磁搅拌后，与文献【2】的结果相比，颗粒相体积分数增加5～10％，颗粒相粒度进一步细化到原来的50～60％左右，且粒度变化范围小，分布更加均匀，凝固组织更加致密，无任何疏松、气孔等缺陷。铸坯的凝固组织对比效果可参见图3。

(2)在结晶器内金属的初始凝固区域(金属弯月面附近)施加高频交变磁场，高频交变磁场在金属内产生的电磁压力减轻了因电磁搅拌带来的金属液与结晶器内壁的接触压力以实现软接触连续铸造，减小了拉坯阻力及铸坯与结晶器间的摩擦，同时减弱了结晶器内金属液面波动对铸坯初始凝固的影响(初始凝固决定表面质量)，因此明显改善了铸坯的表面质量，表面缺陷得以有效控制，得到表面非常光洁的铸坯。需要特别指出的是，施加本发明的异频复合磁场后，与文献【2】的结果相比，铸坯表面质量进一步提高，需要说明的是，连铸过程施加低频电磁搅拌磁场的功率和频率提高后，文献【2】中采用的20kHz的磁场不再满足铸坯与结晶器之间实现完全软接触，因此高频磁场的频率和功率也需相应调整。铸坯表面质量对比可参见图4。

(3)复合材料铸坯颗粒和基体在异频复合磁场下都得到细化，颗粒相体积分数提高，增强相在基体中分布均匀，使得复合材料的抗摩擦磨损性能大幅度提高。

(4)施加异频复合磁场后可以成功实现颗粒增强金属基复合材料的连续铸造成型，得到内部质量好，外表面光洁无缺陷的铸坯，克服了颗粒增强金属基复合材料铸造性能差，难以实现连续铸造的缺点。

附图说明：

图1颗粒增强复合材料异频复合磁场电磁连铸示意图

图注：1金属精炼保温炉  2长水口  3复合材料熔体  4保温热顶  5合成过程EMS低频磁场6连铸过程EMS低频磁场  7高频交变磁场(软接触)  8电磁结晶器  9二冷喷水装置  10复合材料铸坯

图2电磁场作用力示意图

(附说明：关于低频交变磁场对金属的作用力主要体现为电磁搅拌力，而高频交变磁场对金属的

作用力主要体现电磁压力的原理如下：

电磁力的计算公式为： $F=J\×B=-\frac{{\▿B}^2}{2\mathrm{\μ}}+\frac{(B\·\▿)B}{\mathrm{\μ}}=F_r+F_Z)$

对于低频交变磁场：F_z＞＞F_r，电磁力主要沿圆周方向，表现为使熔体旋转的电磁搅拌力；

对于高频交变磁场：F_r＞＞F_z，电磁力主要沿径向方向，表现为电磁压力；)

图3金属基复合材料的微观组织图

图注：(a)无磁场；(b)文献【2】的结果；(c)施加本发明的异频复合磁场

图4复合材料铸坯的表面质量

图注：(d).无磁场；(e)文献【2】的结果；(f).施加本发明的异频复合磁场

具体实施方式

结合附图对本发明的原理和最佳实施例作更详细的描述：

实施实例1：制备(Al₃Zr_(s)+Al₂O_3(s))颗粒增强A359基复合材料

原材料：基体金属：A359合金；固体粉末：工业碳酸锆(Zr(CO₃)₂)粉剂(纯度为99.20％)，精炼脱气剂及扒渣剂；

原位反应方程式：7Al_(l)+Zr(CO₃)_2(s)＝Al₃Zr_(s)+2Al₂O_3(s)

颗粒增强相：Al₃Zr_(s)和Al₂O_3(s)

操作(制备)过程分三步：

(一)：金属熔炼及粉体制备：

A359合金在60kW工频熔铝炉中熔化升温到900℃，在金属精炼保温炉1中加入脱气试剂并扒渣处理。所用试剂均在250℃～300℃下充分烘干，其中Zr(CO₃)₂研磨成细粉(粒度小于100μm)，称量后用铝箔包装待用，Zr(CO₃)₂加入的重量为金属重量的10％(注：颗粒相的理论体积分数约为13.68vol％)。

(二)：电磁搅拌下原位反应合成制备复合材料熔体：

精炼好且符合温度要求(870℃)的金属液从金属精炼保温炉1经水口2进入保温的复合材料熔池3，在熔池内用钟罩压入Zr(CO₃)₂粉末，开启合成过程EMS低频磁场5，进行电磁搅拌，低频搅拌磁场的频率为30Hz，功率为30kW，空载时线圈中心的磁感应强度为0.1T，反应进行30分钟后，清除副产物，准备开浇。

(三)：异频复合磁场下电磁连铸：

连铸过程施加异频复合磁场，其中连铸过程EMS低频磁场6安装在整个结晶器区域，高频交变磁场7安装在结晶器上部金属的初始凝固区域，高频交变磁场7的线圈上沿低于结晶器上沿10cm。操作过程为：将结晶器引锭杆升至结晶器中部，开启结晶器冷却水，启动连铸过程EMS低频磁场6和高频交变磁场7，低频磁场6的频率30Hz，功率为20kW，高频交变磁场7的频率30kHz，功率为50kW，复合材料熔体内金属测温为720℃，开启保温热顶4的控流装置，待结晶器内金属液达到距结晶器上沿15cm时，开始拉坯，同时打开二次冷却装置喷水冷却。连铸过程中，控制浇铸速度和拉坯速度，使结晶器内金属液面始终与高频交变磁场线圈上沿平齐，其误差控制在±5mm。

连铸坯的直径φ为200mm，复合材料铸坯外表面光洁，内部组织致密，无疏松、缩孔等凝固组织缺陷，颗粒尺寸1～2μm。

采用该技术得到的复合材料铸坯与现有技术相比较，异频复合磁场下连续铸造得到的铸坯表面质量和内部凝固组织都明显得到改善，具体对比见表1；本发明制备的复合材料的抗摩擦磨损性能明显提高，具体对比见表2。

表1为采用该技术制备的铸坯与现有技术得到的铸坯质量比较

表1

项目	普通连续铸造	文献【2】中的结果	本发明	效果
					表面光洁度	差	有改善	高	光洁度大幅度提高
表面裂纹	严重	减少，基本消失	无	表面缺陷基本完全消除
					冷隔、凹坑	有	无冷隔、有凹坑	无
内部组织	有明显的疏松和缩孔	无明显疏松、缩孔	致密，无疏松、无缩孔						内部缺陷消除，组织致密
				颗粒尺寸	3～6μm	3～5μm	1～2μm	颗粒相细化
颗粒分布	不均匀，有团簇	不均匀，团簇减少	均匀，无团簇						颗粒分布均匀性提高
				颗粒相实际的体积分数(理论体积分数相同条件下)	6.12％	8.86％	9.94％	颗粒相的实际体积分数提高

表2为干滑动摩擦磨损试验结果(MM200销盘磨损试验机，摩擦副HRC40，称重精度0.1mg)

表2

项目	普通连续铸造	文献【2】中的结果	本发明	效果
					磨损量(载荷88.2N，摩擦90min)	57.9mg	31.7mg	10.8mg	磨损量减少
磨损机制	磨粒磨损+粘着磨损	磨粒磨损为主，少量粘着磨损	完全磨粒磨损	磨损机制转变
					从轻微磨损到急剧磨损的临界载荷	59N	79N	＞90N	高载荷下的磨损减少

Claims (3)

1.异频复合电磁场下连续铸造颗粒增强金属基复合材料的方法，其特征在于：

1)将基体金属精练，原位反应用粉体试剂烘干、研磨；

2)将称量好的粉体试剂加入上述精炼好的基体金属熔液，开启安装在熔池外壁上的合成过程EMS低频磁场进行电磁搅拌，其频率为15～70Hz，功率范围为15～60kW，空载时线圈中心的磁感应强度为0.05～0.75T，反应20～40min后，复合材料熔体制备好，准备浇铸；

3)连铸开浇前，开启连铸过程EMS低频磁场，并启动高频交变磁场，连铸过程EMS低频磁场安装在整个结晶器区域，其频率为15～50Hz，功率范围为15～30kW，高频交变磁场安装在结晶器上方金属的初始凝固区域，高频交变磁场线圈的上沿低于结晶器上沿8～10cm，高频交变磁场的频率25～100kHz，功率范围50～100kW，调整电磁参数到上述范围后开启保温热顶的塞棒控流装置，待结晶器内金属液达到距结晶器上沿15cm时，开始启动拉坯，操作过程中，控制浇铸速度和拉坯速度，使结晶器内金属液面始终与高频交变磁场线圈上沿平齐，其误差控制在±5mm。

2.权利要求1所述的异频复合电磁场下连续铸造颗粒增强金属基复合材料的方法，其特征在于：低频交变磁场的频率：对铁基合金，频率范围为15～20Hz对铝基合金，频率在20～40Hz，铜基合金，频率在40～70Hz。

3.权利要求1所述的异频复合电磁场下连续铸造颗粒增强金属基复合材料的方法，其特征在于：对铜质电磁结晶器，高频交变磁场频率为25～30kHz。