CN101602093B - 一种制备颗粒增强金属基复合材料的设备 - Google Patents

Abstract

一种制备颗粒增强金属基复合材料的设备，它包括：保温槽(7)，在保温槽(7)内设有收集坩埚(9)，坩埚内装有一副由相配合的动盘(1 5)和定盘(15)组成的磨盘，定盘固定在收集坩埚内，盘的中部设有一连杆(8)，该连杆的一端接搅拌器(14)，连杆的中部连接动盘，定盘中设有一个熔化基材的加料口(16-1)和一个增强材料的加料口(16-3)，该设备的底部设有出料口和导料管(11)。本发明的优点在于磨盘对增强相颗粒进行碾磨处理，改善了其表面状况，强化了复合材料的界面结合，增强相在材料中的分散更为均匀，所制备的复合材料力学性能大幅度提高；可随意调整合金液与增强相的输入流量，制备出不同体积分数的复合材料；设备简单，制备速度快、制备成本低廉，而且该设备能够与现有的多种材料成形设备衔接，易于商业化生产。

Description

一种制备颗粒增强金属基复合材料的设备

技术领域

本发明属于复合材料制备领域，特别提供了一种制备金属基复合材料的设备。

背景技术

近年来，轻金属结构材料(镁、铝等合金)的工程应用越来越受到重视，这主要得益于该类材料的密度较小，所以在极为关注其产品自重的军事工业、汽车工业、电子工业及航天航空工业等领域有极大的应用潜力。然而，轻金属结构材料较低的室温尤其是高温力学性能及热性能却限制了其在上述领域中更广泛的应用。复合材料设计与制备技术为突破这种应用限制提供了科学支持，采用轻金属基复合材料，既可以保持材料密度小的优势，又能通过增强相的加入提高材料的力学性能。因此，同时具有低密度、高强度、高模量和低热膨胀系数的轻金属基复合材料必将成为21世纪的高端应用结构材料，有非常广泛的应用背景。

在各种制备技术中，熔铸法被普遍认为是最适合工业化低成本制备金属基复合材料的技术。最早出现的搅拌方法是旋涡法(F.A.Badia，D.F.Macdonald and J.R.Pearson，AFSTrans.，1971，vol79，p265～268)，工艺简单，但旋涡会使材料的吸气量增加，而且该方法只适合于直径较大的颗粒(50～100μm)；其后，Alcan公司于1988年发明了Duralcon液态金属搅拌法(US Patent 4759995)，在真空条件下，用多级叶片组成的搅拌器进行搅拌混合，搅拌时液面只产生很小的旋涡，从而避免了气体的卷入，但是该方法也没有完全解决增强颗粒与金属液之间的浸润问题，仍然存在增强相颗粒成团和偏聚的问题，此外，该方法设备极为复杂，且只适用于直径大于10μm的颗粒。在国内，北京交通大学韩建民等人(中国专利200510011526.0)发明了真空机械双搅拌铸造法。纵观熔铸法制备复合材料的研究结果，可以看出仍存在以下两个关键问题：1)增强相的均匀分散性问题尚未完美解决。涡流搅拌及气体送粉引起的吸气、增强相与基体之间的不浸润性、增强相的团聚等问题仍然存在；2)以往的制备方法往往只注重于增强相的均匀分散性，而对增强相与基体间的界面结合状况考虑较少，事实上，金属基体与增强相之间的界面担负着将载荷从基体传递至增强相的重任，是影响材料性能，进而制约材料应用一个重要因素。

发明内容

本发明提供一种制备颗粒增强金属基复合材料的设备，采用本设备最终得到增强相均匀分散、性能优良和成本低廉的复合材料。

为达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：它包括：保温槽，在保温槽内设有收集坩埚，坩埚内装有一副相配合的动盘和定盘，定盘固定在收集坩埚内，盘的中部穿有一连杆，该连杆的一端接搅拌器，连杆的中部连接动盘，定磨中设有一个熔化基材的加料口和一个增强材料的加料口，该设备的底部设有出料口和导料管。

本发明中，基体材料熔体和增强相同时通过一对旋转的磨盘，利用磨盘动盘和定盘之间的相对运动，使材料受到剪切和碾磨，以改善复合材料的界面状况和初步均匀分散，然后再用搅拌器对制备的复合材料进行二次均匀化处理，最终得到增强相均匀分散、性能优良和成本低廉的复合材料。

动盘或定盘的截面形状为圆形、方形、椭圆形、菱形或其他形状，动盘和定盘的尺寸为5～1000mm。动盘和定盘啮合处形状为锯齿型、波浪型、螺旋型或其他形状。动盘和定盘啮齿槽高为0.05～20mm，啮齿槽宽为0.05～20mm，啮齿槽的倾斜角为1～5度，定盘和动盘的材质为耐热合金、高温合金、碳化硼或其他耐热耐磨耐高温合金或非金属材料，或定盘和动盘盘身材料为普通耐热合金，高温合金或其他合金或非金属材料，而啮合面材料为优质耐热合金、高温合金、碳化硼或其他金属或非金属耐热耐磨耐高温合金，并经过喷涂、固体层积、渗碳、渗氮、渗硼或碳氮共渗等表面加工处理。

定盘(15)和动盘(16)的材质为5Cr21Mn9Ni4N，2Cr21Ni12N、3Cr18Mn12Si2N等奥氏体耐热钢，铁基、钴基和镍基等耐热耐高温合金或碳化硼等耐热耐高温材料。

定盘(15)和动盘(16)啮合面材质为5Cr21Mn9Ni4N，2Cr21Ni12N、3Cr18Mn12Si2N等奥氏体耐热钢，铁基、钴基和镍基等耐热耐高温合金或碳化硼等耐热耐高温材料。

与现有复合材料的制备技术和设备相比，本发明的优点在于：

(1)磨盘对增强相颗粒进行碾磨处理，改善了其表面状况，强化了复合材料的界面结合；

(2)增强相在材料中的分散更为均匀，所制备复合材料力学性能大幅度提高；；

(3)调整合金液与增强相的输入流量，可制备出不同体积分数的复合材料；

(4)制备工艺简单、加工速度快、加工成本大大降低，而且该设备能够与现有的多种材料成形设备衔接，易于商业化生产。

附图说明

图1是本发明的颗粒增强金属基复合材料的设备示意图。

图2为磨盘定盘啮合面截面结构示意图。

图3为磨盘动盘啮合面截面结构示意图。

图1中，1为基体材料熔化坩埚炉、2为熔化的基体材料、还有升降机构3、基体材料静置坩埚4、阀门5、基体材料导流管6、保温槽7、连杆8、收集坩埚9、加热件10、复合材料导流管11、阀门12、复合材料13、搅拌器14、磨盘动盘15、磨盘定盘16、定位连接螺钉17、坩埚盖18、增强材料19、增强材料输送系统20和电机21。图2、3中，16-1为基体材料入口、  16-2连杆连接孔、16-3为增强材料入口。

具体实施方式

升降机构3用来自由调整基体材料熔化坩埚炉1的浇口与基体材料静置坩埚4之间的距离以方便浇注，基体材料静置坩埚4的保温性能良好，能保证合金熔体有较高的控温精度，控温精度为±5℃，基体材料静置坩埚4的底部开设阀门5与基体材料导流管6相接，基体材料导流管6主要功能是从基体材料静置坩埚4中向磨盘动盘15和磨盘定盘16中输送基体材料2，其下部通入磨盘动盘15和磨盘定盘16中心的啮合面处。

增强材料输送系统20的主要功能是向磨盘动盘15和磨盘定盘16中输送增强材料，其下部通入磨盘动盘15和磨盘定盘16中心的啮合面处。基体材料导流管6和增强材料输送系统20可由保温性能良好的耐火材料、保温材料或非金属材料组成，也可通过铜、钢等金属或非金属材料制作，并在外缠绕加热器，加热器可由电阻加热丝或电磁感应加热器组成。

收集坩埚9和坩埚盖18形成一个隔热的近乎密闭的保温系统置于保温材料7中，收集坩埚9的外壁缠绕加热件10，该加热件为电阻加热丝或电磁感应方式。在收集坩埚9的底部开口且设置一阀门12，阀门12用来控制制备完毕的复合材料向导流管的流动，阀门12可通过手动或自动控制，复合材料导流管11连接于收集坩埚9的底部，复合材料导流管11的外部缠绕加热件，加热件可为电阻加热丝或电磁感应方式。

磨盘由磨盘动盘15和磨盘定盘16组成，定盘和动盘的盘面截面如图2和图3所示，

动盘15和定盘16安装在连杆8的中心，在连杆8的顶端设置电机21，连杆8通过电机21带动旋转，在连杆的底端为搅拌器14，搅拌器14与连杆8一起旋转，搅拌器为叶片式旋转搅拌器、涡轮式旋转或其他形式的搅拌器。在电机21启动带动连杆8旋转的时候，定盘16保持不动，动盘15和搅拌器14随连杆8一起旋转。旋转速度通过调整电机21的转速来完成。在定盘16上设置定位连接螺钉17用来固定和连接定盘。

实施例1

参照图1，这是按照上述技术特点提供的工艺流程及装置。本发明整体结构呈垂直布置，基体材料熔化坩埚、基体材料静置坩埚和增强材料输送系统位于顶部，产生的熔融基体合金材料和增强材料通过导流管进入磨盘的啮合面进行均匀分散化处理，动盘和搅拌器固定于连杆上，通过电机带动连杆进行旋转，混合的基体材料和增强相经磨盘啮齿进行碾磨压碎处理后就成为分散比较均匀的复合材料，这些复合材料落入下部的搅拌器上，然后高速旋转的搅拌器对这部分复合材料进行强烈的搅拌，再次进行均匀分散化处理，经二次分散均匀化处理后，复合材料中的增强相在基体材料中的分散更为均匀，避免了增强相的偏聚和团聚等问题，然后这部分增强相均匀分布的复合材料可通过导流管流出移送到压铸机、挤压机、锻造机、铸轧机、连铸机或其他成形设备中进行流变成形。或冷却下来制成坯料供成形用。

该工艺装置设置升降机构3，该升降机构3利用液压系统驱动，AZ61镁合金熔体通过基体材料熔化坩埚炉1熔化，该熔化坩埚炉保温性能很好，能够保证AZ61镁合金有较高的控温精度，控温精度为±10℃，基体材料静置坩埚4的保温性能良好，同样也能保证AZ61镁合金有较高的控温精度，控温精度为±10℃，基体材料导流管6的上端与静置坩埚的底部开口处连接，下端通入磨盘动盘15和磨盘定盘的啮合面处，增强材料输送系统20的下端也通入磨盘动盘15和磨盘定盘的啮合面处，基体材料导流管6和增强材料输送系统20的外部缠绕电阻加热丝进行加热，基体材料导流管6和增强材料输送系统20的材质为不锈钢，内径为20mm，磨盘定盘16通过定位连接螺钉固定17，磨盘动盘15和搅拌器14固定在连杆8上与连杆8一起旋转，连杆8通过电机带动，连杆旋转速度1000rpm，搅拌器14为叶片旋转搅拌器，直径为120mm。磨盘动盘和磨盘定盘半径为100mm，材质为奥氏体耐热钢，动盘15和定盘16啮合处形状为锯齿型，啮齿槽高为3mm，啮齿槽宽为3mm，啮齿槽的倾斜角为3度，收集坩埚9为圆柱形石墨坩埚，内部尺寸为￠180×400，外壁缠绕电阻加热丝进行加热。收集坩埚9底部开口设置阀门12与复合材料导流管11上端相连，复合材料导流管11外部的加热器为电阻加热丝。

调整升降机构3将AZ61镁合金在基体材料熔化坩埚炉1中加热熔化到615℃，同时将平均直径5μm的增强材料SiC颗粒19置于烘烤箱中在150℃的温度下重烘烤10小时，使增强材料SiC颗粒19的温度分布均匀，然后再预热到在620℃。启动升降机构3并调整其与基体材料静置坩埚4之间的距离，使熔融的AZ61镁合金倾倒入基体材料静置坩埚4中，待基体材料静置坩埚4中的AZ61镁合金静置约5分钟，启动加热器10将收集坩埚9及其内部磨盘15、16等部件预热至615℃后，通入0.5vol％SF₆+CO₂保护气；5分钟后启动电机20，将电机的转速调整到1000rpm，启动阀门5和增强材料输入系统20，将AZ61镁合金熔体2和增强材料SiC颗粒19输送至磨盘啮合面进行碾磨，粉碎、均匀化处理。稍等片刻后基体材料AZ61镁合金熔体2与增强材料SiC颗粒19经磨盘动盘15和磨盘定盘16侧壁流出后就得到了AZ61/25vol％SiC复合材料13。这些复合材料13下落到搅拌器14上，高速旋转的搅拌器14对下落的复合材料13进行第二次均匀化处理，待得到一定量的复合材料13后，打开收集坩埚9的阀门12使复合材料13从导流管11流到压铸机、挤压机、锻造机、铸轧机、连铸机或其他成形设备中进行流变成形，或冷却下来制成坯料供成形用。

本发明的设备既适合于镁基合金的复合材料的制备，也适合于铝基合金、锌基合金、铜基合金、镍基合金、钴基合金和铁基合金和其他合金的复合材料的制备。

Claims (7)

1.一种制备颗粒增强金属基复合材料的设备，其特征在于：它包括：保温槽(7)，在保温槽(7)内设有收集坩埚(9)，坩埚内装有一副由相配合的动盘(15)和定盘(16)组成的磨盘，定盘固定在收集坩埚内，定盘的中部设有一连杆(8)，该连杆的一端接搅拌器(14)，连杆的中部连接动盘，动盘(15)和搅拌器(14)安装固定在连杆(8)上并与连杆一起旋转，连杆(8)通过可调速电机(21)带动旋转，定盘中设有一个熔化基材的加料口(16-1)和一个增强材料的加料口(16-3)，基体材料导流管(6)和增强材料输送系统(20)的末端通入磨盘动盘(15)和磨盘定盘(16)中心的啮合面处，基体材料导流管(6)和增强材料输送系统(20)外设置加热器，加热器由电阻加热丝或电磁感应加热器组成，该设备的底部设有出料口和导料管(11)。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于：动盘(15)和定盘(16)的啮合面形状为锯齿型、波浪型或螺旋型。

3.如权利要求2所述的设备，其特征在于：所述的动盘(15)和定盘(16)的啮合面形状为锯齿型，其啮齿槽高为0.05～20mm，啮齿槽宽为0.05～20mm，啮齿槽的倾斜角为1～5度。

4.如权利要求1所述的设备，其特征在于：定盘(15)和动盘(16)的材质为5Cr21Mn9Ni4N奥氏体耐热钢、2Cr21Ni12N奥氏体耐热钢、3Cr18Mn12Si2N奥氏体耐热钢、铁基耐热耐高温合金、钴基耐热耐高温合金、镍基耐热耐高温合金或碳化硼耐热耐高温材料。

5.如权利要求1所述的设备，其特征在于：定盘(15)和动盘(16)啮合面材质为5Cr21Mn9Ni4N奥氏体耐热钢、2Cr21Ni12N奥氏体耐热钢、3Cr18Mn12Si2N奥氏体耐热钢、铁基耐热耐高温合金、钴基耐热耐高温合金、镍基耐热耐高温合金或碳化硼耐热耐高温材料。

6.如权利要求5所述的设备，其特征在于：所述的啮合面经过喷涂、固相沉积、渗碳、渗氮、渗硼或碳氮共渗表面加工处理。

7.如权利要求1所述的设备，其特征在于：搅拌器(14)为叶片式旋转搅拌器或涡轮式旋转搅拌器。

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