CN1038695C - 以曳引方式混以强化材的复合材制法及其设备 - Google Patents

Abstract

一种以曳引方式混以强化材的复合材制法及其设备，包括在一加热炉中置入金属基熔液，在加热炉上旋接一含有料斗、搅拌器等加料搅拌装置，于料斗中央旋接向上曳引式螺旋器，料斗下方旋接一漩涡搅拌器，料斗上方套接一下吹式螺旋器，启动螺旋器，使料斗中的微细强化材向上曳引并遭下吹式螺旋器的下吹气流，将强化材导入金属熔液中，再经搅拌，混匀，以制成分散强化的复合材料，此制造方法可节省大量氮气，制成的复合材料材质均匀机械性能好。

Description

以曳引方式混以强化材的复合材制法及其设备

本发明涉及复合材料的制作方法及其设备，尤指一种金属基借曳引方式混以强化材料的复合材料制法及其设备。

巳知技术中制造分散强化复合材的方法中，有利用惰性气体喷射法(Inert-Gas Injection Methods)将强化材喷入金属熔液中制成强化复合材料，因惰性气体持续射入，会增加成本。故本案发明人先前向美国申请发明专利，案号08/103，049(1993年7月28日申请)，即指示一方法：令强化材料悬浮于一含有分散剂的蒸馏水中配成一悬浮液，将它导入熔融的金属合金母材熔液中，以混合该强化材与母材，使其成为强化复合材料，但此法中，强化材悬浮液必须借助氮气预先搅拌，用氮气喷雾或喷射方法注入母材熔液中，使整个系统处在氮气惰性气体罩的保护下进行，而氮气等惰性气体约占整个制作成本的1/5左右，能否将氮气的应用减至最低程度，大大降低制造成本，提高复合材料的经济性，实用性，则势在必行。

本发明的目的在于：在金属基体内部用曳引方式将微细的强化材料向上曳引，再向下吹入母材熔液中，以有效地混匀，制造出分散强化的复合材料，使整个密闭系统所用的氮气极少，仅作吹驱系统中的空气用，使金属熔液表面不产生氧化现象，大大降低制造成本，提高复合材料的质量，更具有经济性、实用性。

本发明的目的还在于：提供一种制造分散强化金属基复合材料的方法及其设备，所添加的强化相颗粒，其粒径平均大小可小至0.05μm或更小，进入金属合金的基材(matrix)里，并均匀地分散该等强化材料于基材里，使金属合金内的润湿元素与强化相产生良好的介面，以增加介面的强度；且在熔解加热炉中精炼过程中，去除金属基复合材料熔液中的气体，而使制成的金属基复合材料具有良好机械性能和良好的品质。

本发明的目的是这样实现的：以曳引方式混以强化材的复合材制法，其特征在于：

a、将金属或金属合金基材2加入一密闭式加热炉1中，加热重熔使成金属熔液，并使惰性气体供应装置4吹驱炉1内的空气，形成惰性气体罩，罩覆于加热炉中的金属基熔液；

b、在加热炉1中旋接一加料搅拌装置3，将强化材5经一强化加料装置6导入该加料搅拌装置3的料斗31中，该料斗31悬固在该金属基熔液上方为熔液的高热所预热；

c、驱动加料搅拌装置3，搅拌金属基熔液形成一漩涡，并曳引，上扬盛装在料斗31中的强化材5，并导入炉下方的金属基熔液中，予以搅拌，混匀以形成分散的强化复合材料。

本发明的优点在于：请参见图4，图4为本发明方法制得的金属基复合材料2014AL/0.3μmALO(P)的扫瞄式电子显微镜放大照相图(放大倍数：2×10倍)，图5为本发明方法制得的金属复合材料6061AL/15μmALO(P)的光学显微镜放大照相图，(放大倍数：100倍)，从中可知本发明巳成功将平均粒经0.3μm及15μm的强化材分别添加于2014AL和6061AL合金基材内，而且强化材在基材内分布非常的均匀。

图6为本发明方法制得的金属基复合材料2014AL/0.3μmALO(P)与2014AL母材的机械性能比较图，(其中纵轴Y.S为Yieldstrength，即屈服强度)，图7为本发明方法制得的金属基复合材料6061AL/15μmALO(P)10％重量与6061AL母材的机械性能比较图，从中可知经本发明所制得的金属基复合材料比未经强化的基材有较佳机械性能，故利用本发明不仅可以使强化相颗粒分散均匀，而且可使加料时间缩短，节省氮气用量，降低制作成本，而目前采用任何液态铸造方法制得的金属基复合材料均无法达到此种功效。

本发明的具体结构将结合以下实施例及其附图作进一步的说明：

图1：为本发明的系统设备及操作示意图。

图2：为本发明省去机架的系统及操作示意图。

图3：为本发明的结构图。

图4：为本发明制得的金属基复合材料2014AL/0.3μmALO(P)的扫描式电子显微镜放大照相图。(放大倍数：2×10倍)

图5：为本发明制得金属基复合材料6061AL/15μmALO(P)的光学显微镜放大照相图。(放大倍数：100倍)

图6：为本发明制得金属基复合材料2014AL/0.3μmALO(P)与2014AL母材的机械性能比较图。

图7：为本发明制得的金属基复合材料6061AL/0.3μmALO(P)10％重量与6061AL母材的机械性能比较图。

参见图1-3，本发明所使用的设备包括：一加热炉1内装入金属基材如铝合金基材熔液2，一加料搅拌装置3，惰性气体(氮气)供应装置4，一强化材进料装置6，一机架7组成，强化材5可为氧化铝颗粒等。

加热炉1可以电阻式电热线圈或其它热媒12加热该炉，其特征在于加热炉1中有一盛放金属基材2的熔炼室11，在熔炼室11内上方有一约呈圆筒型钟罩耐热陶瓷(或绝缘)盖13约呈圆筒型钟罩，自圆筒壁131下突缘131a处设有束紧器131b及耐热密封材131c，可拆卸地密封，复盖在加热炉1的上方；该陶瓷盖13上安装有氮气供应装置4的进气管43，氮气经可挠性输气管41，开关42导入熔炼室11中，所引入的氮气(或其它惰性气体)可吹驱(purge)除去熔炼室11内的空气，以免金属熔液被氧化，空气经管口141循排放管14排出，然后关闭开关142。

加料搅拌装置3包括：一料斗31，固设在加热炉熔炼室11的中央处，用以盛装由强化材进料装置6所加入的强化材5；一漩涡搅拌器32，由陶瓷盖1 3向下伸入趋近加热炉1中熔炼室11的炉底用以搅拌内装的金属基材2，使熔液形成漩涡者；一向上曳引式螺旋器33(propeller)旋接在料斗31的中央处以起向上曳引斗内的强化材颗粒(或其它种形式，如短纤，须晶等)离开料斗31向上，向外昂扬的作用；以及一向下吹的螺旋器34，该螺旋器34旋设在料斗31的顶方靠近陶瓷盖13，以向下吹驱由螺旋器33向上曳引的强化材5，使之吹入到金属基材2的熔液中，然后借漩涡搅拌器32的搅拌，使强化材5均匀地混合在复合材料中，使之成为具有强化材的复合材料。

该漩涡搅拌器32轴接在一驱动马达322的搅拌器轴321的一端，该轴321由滑设在陶瓷盖13圆筒壁131上的一对束套323所夹合，铰接并穿过陶瓷盖13的侧孔134后伸入加热炉1中趋近炉底者，而搅拌器32适位于料斗31的底下，搅拌器轴321底端，且径向连设螺旋叶片，使之旋转后能驱转金属基熔液2，使由虚线的平面21形成漩涡22并产生对流者。

该料斗31约呈碗型，钵型或短截圆筒型，以盛装强化材5，料斗的上部形成一同心环肩部311并开设有多数导气孔312，肩部311中央向上伸设一中央导槽313，约呈圆筒状，其内旋设向上曳引式螺旋器33，以及一吊架30，吊架下连料斗的肩部311，向上向中央连接一轴筒301，以旋套下吹式螺旋器34的中空套轴341在中孔轴342上，该轴筒301自该下吹式螺旋器34的套轴341顶缘之外下连一支架302，以撑连在陶瓷盖13上，但支架302可采用开叉状，以错开螺旋器34的传动带344。

该向上曳引式螺旋器33包含多数向上偏斜的螺旋浆式叶片，它的径向连设在一中空传动轴331的底部并置于料斗的中央导槽313的中心处，当转动螺旋器33后，能循图2的D方向将氮气流经导气孔312进入曳引(drafing)料斗内的强化材5如颗粒型者向上昂扬，使下吹式螺旋器34沿F向下吹，将强化材5导入熔炼室11内的金属基熔液2中，以进行搅拌混合。该中空转动轴331的中央通孔332与强化材进料装置6相连通，并导入强化材进入料斗31中，中空转动轴331上端借传动轮333，传动带334连接一中心驱动马达335，以驱转螺旋器33，中空传动轴331铰接在料斗31的上方的轴筒301的中央通孔中。

该下吹式螺旋器34包含多数向下的螺旋浆式叶片，径向轴接在一中空套轴341的下端，套轴341的底端340则接在料斗31的吊架30与轴筒301的交界处，以绕着同一轴心300与螺旋器33同心回转，套轴341的中心穿设一中央通孔342上并滑动套在料斗的轴筒301上，该套轴341铰接在陶瓷盖13的中孔132上，且上方借传动轮343，传动带344穿通支架302并连接一下吹驱动马达345以驱动螺旋器34转动。

上述陶瓷盖13内缘为弧型曲壁133，有助于圆顺地导引氮气流G进入熔炼室11中，为使陶瓷盖13中孔132与轴承间不会漏出微细的强化材5，可在套轴341上，邻近陶瓷盖13的下方，加装一挡盘15，挡盘为浅圆筒型向上折弯的突缘151，位于挡盘15与陶瓷盖13之间形成一惰性气室152，利用惰性气的气压密封住轴承间隙。

该料斗31的中心、螺旋器33、34的中心处在同一轴心300上，以共同的轴心300为轴转动，使整个熔炼混合操作处在圆滑平稳，匀速的旋转中心。

该中心驱动马达335与下吹驱动马达345分别安装在陶瓷盖13上，整个陶瓷盖13借连设的固定板71安装在机架7上，升降机构73(可为手动作升降运动)，可在每批熔炼操作前、后起拉起陶瓷盖13与加料搅拌装置3的作用，当然其它吊举，升降、搬运设备也可适当应用。

该强化材进料装置6，借连杆60安装在机架7的导杆72上，图1所示的进料装置6包括一强化材储槽61，它有预热装置62，有一输送导管63，加料嘴64导入中空传动轴的中央通孔332中，以加入料斗31中，加料嘴64向下渐尖与中央通孔332管壁保持少许间距，以避免强化材颗粒堵塞，该进料装置6可借一加压装置(未示出)或其它输送，泵压方式将强化材5导入料斗31中，加料嘴64与传动轴331接合处以密封联结器641等密封(但仍容许中空传动轴331回转)以防大气进入熔炼室11。

上述的设备处在高温金属液之中，对有接触的高温表面应用氧化铝等涂层预以保护；上述漩涡搅拌器32由图1所示为斜置在炉中，也可设计为与共同心轴300为同一轴心者。

采用以上设备制造本发明分散强化复合材料的方法具体如下：

1、将金属或金属合金基材2如铝，铝合金基材置入加热炉1中，开启氮气(或惰性气体)供应装置4以氮气吹驱加热炉1中的空气，由管14排出，然后关闭阀142，加入助熔剂，重熔该金属基材2。

2、将强化材5经进料装置6导入料斗31中，该强化材5可为颗粒强化相或其他如短纤，须晶等形式，平均粒径可小至0.05μm或更小，可选用：氧化铝、氮化矽、碳化矽、碳化钛、氧化锆、氧化硼及碳化钽等，该强化材5所盛装的料斗31在高温的金属液2上可作预热并蒸除其中的水分(注：料斗31的高度以使静止及运转产生的漩涡不致于流入料斗中为原则)；

3、启动漩涡驱动马达322，转速为400-600转数/每分钟，以驱转漩涡搅拌器32，造成漩涡22，并加强对流作用，如图1所示。

4、启动下吹式或套轴式驱动马达345，以驱动下吹式螺旋器34，使其转速为2000-6000转数/每分钟，以产生向下的风压；再启动中心传动马达335，转速为3000-8000转数/每分钟，使该向上曳引式螺旋器33高速转动，产生曳引的气流D，将料斗31内的微细强化材5逐层地或逐渐地抽吸，上扬(注：热气对流作用有助于微细强化材的上升)逸入炉上方的空间，此时微细强化材除自身重力下降外，还受下吹式螺旋器34的风压所压下，故可将其导入漩涡状的金属基熔液2中，再借搅拌器32的搅拌，混匀，使强化材5分散，混合在金属基材2中，以制造出分散强化的复合材料。

5、混合操作完成后，关去马达322、335、345，移去(上升)加料搅拌装置3，进行除气工作，将复合材料中的气体以真空方式抽除。

6、浇铸该复合材料制成铸锭，并进行退火处理，以得到本发明的强化复合材料。

本发明的具体实施例如下：

实施例1：首先将2014AL合金在700℃重熔在图1所示的装置中，加入助熔剂，铝合金熔融后，通入氮气作保护，并将表面浮渣清除掉，所有加料搅拌系统定位于图1所示的适当位置，继续用氮气作保护气罩在熔液上方，因系统采用密闭式，故一旦氮气层形成后，即可关闭氮气源，而节约成本，将适当巳预热至100-700℃的强化相颗粒加入料斗31内，启动搅拌器32，缓慢加速至400转数/每分钟，其搅拌器的轴321可用熔浆喷布一层氧化铝作保护，然后启动马达345、335及螺旋器34、33，缓慢加速使螺旋器34、33分别达到2000-4000转数/每分钟及3000-5000转数/每分钟，加入定量氧化铝陶瓷颗粒后，关掉马达335，并降低搅拌器32的速率为80转数/每分钟，继续搅拌10分钟后，关掉马达345，移出加料搅拌系统，在此实施例中氧化铝陶瓷颗粒用0.3μm，平均料径d相氧化铝陶瓷颗粒，强化相含量为2重量％。

经后段除气，浇铸等过程，将所得的铸锭放置在340℃空气炉中进行2小时退火处理，最后该炉冷却至常温，以得到强化的复合材料产品，其晶相可由图4检知，该氧化铝陶瓷颗粒巳均匀地混入在复合材料的成品中。

实施例2：重复实施例1的步骤：使用6061AL当母材，所添加强化材平均粒径为15μm10重量％的氧化铝颗粒，螺旋器33的转速加速到6000-8000转速/每分钟，而螺旋器34的转速则调为4000-6000转速/每分钟，这样制成的强化复合材料如图5中所示。从图5检知，该氧化铝强化材巳均匀地混入在复合材料的成品中。

总之，本发明的方法不仅限铝基复合材料的制作，对于一般金属基复合材料的液态铸造均可适用，如金属基内均匀分散陶瓷颗粒等强化材。

Claims (13)

1、以曳引方式混以强化材的复合材制法，其特征在于：

a)将金属或金属合金基材(2)加入一密闭式加热炉(1)中加热重熔使成金属熔液，由惰性气体供应装置(4)供入的惰性气体吹驱加热炉(1)内的空气形成惰性气体罩并罩覆于加热炉中的金属基熔液上；b)将强化材(5)经一强化加料装置(6)导入该加料搅拌装置(3)的悬固在该金属熔液上方为熔液的高热所预热的料斗(31)中；c)驱动加料搅拌装置(3)搅拌金属基熔液形成一漩涡，并曳引、上扬盛装在料斗(31)中的强化材(5)，逸入在加热炉(1)的上方并在炉上方形成一向下的风压以下压上扬的强化材(5)，使其导入炉下方的金属基熔液中，予以搅拌、混匀以形成分散的强化复合材料。

2、根据权利要求1所述的以曳引方式混以强化材的复合材制法，其特征在于：强化材(5)可为颗粒强化相或其他如短纤，须晶形式，平均粒径可小至0.05μm或更小，可选用：氧化铝、氮化矽、碳化矽、碳化钛、氧化锆、碳化硼及碳化钽，其中该金属基材为铝合金基。

3、根据权利要求1所述的以曳引方式混以强化材的复合材制法，其特征在于：氮气流经导气孔(312)进入曳引料斗内的强化材(5)如颗粒型者内上昂扬，使下吹式螺旋器(34)沿F向下吹，将强化材(5)导入熔炼室(11)内的金属基熔液(2)中，混合完成后，移去加料搅拌装置(3)，将复合材料中的气体以真空方式抽除。

4、依据权利要求1所述的以曳引方式混以强化材的复合材制法的设备，其特征在于：加热炉(1)上装有一加料搅拌装置(3)、惰性气体供应装置(4)、一强化材进料装置(6)，另外有一机架(7)，加热炉(1)中有一盛放金属基材(2)的熔炼室，在熔炼室(11)内上方有一呈圆筒型钟罩的耐热陶瓷盖(13)，自圆筒壁(131)的下突缘(131a)处设有束紧器(131b)及复盖在加热炉(1)上方的耐热密封材(131c)，该陶瓷盖(13)上安装有氮气供应装置(4)进气管(43)，经可挠性输气管(41)，开关(42)导入熔炼室(11)中，另有空气经管口(141)排出的循排放管(14)。

5、根据权利要求4所述的以曳引方式混以强化材的复合材制法的设备，其特征在于：加料搅拌装置(3)包括：一用以盛装由强化材进料装置(6)所加入的强化材(5)的料斗(31)，料斗(31)固设在加热炉熔炼室(11)的中央处，一用以搅拌内装的金属基材(2)的漩涡搅拌器(32)由陶瓷盖(13)向下伸入趋近加热炉(1)中熔炼室(11)的炉底，一以向上曳引料斗内的强化材颗粒离开料斗(31)向上，向外昂扬的向上曳引式螺旋器(33)旋接在料斗(31)的中央处，以及一向下吹驱由螺旋器(33)向上曳引的强化材(5)并使之吹入到金属基材(2)的熔液中的下吹式螺旋器(34)。

6、根据权利要求5所述的以曳引方式混以强化材的复合材制法的设备，其特征在于：漩涡搅拌器(32)轴接在一驱动马达(322)的搅拌器轴(321)的下端，该轴(321)由滑设在陶瓷盖(13)圆筒壁(131)上的一对束套(323)所夹合，铰接并穿过陶瓷盖(13)的侧孔(134)后伸入加热炉(1)中趋近炉底者，而搅拌器(32)适位于料斗(31)的底下，搅拌器轴(321)底端沿径向连设有螺旋叶片。

7、根据权利要求5所述的以曳引方式混以强化材的复合材制法的设备，其特征在于：料斗(31)呈碗型或钵型或短截圆筒型，盛装强化材的料斗的上部形成一开设有多数导气孔(312)、同心环肩部(311)，肩部(311)中央向上伸设一呈圆筒状中央导槽(313)，其内旋设向上曳引式螺旋器(33)，以及一吊架(30)，吊架(30)下连料斗的肩部(311)，向上向中央连接一轴筒(301)，以旋套下吹式螺接器(34)的中空套轴(341)于中孔轴(342)上，该轴筒(301)自该下吹式螺旋器(34)的套轴(341)顶缘之外下连一以撑连在陶瓷盖(13)上支架(302)。

8、根据权利要求5所述的以曳引方式混以强化材的复合材制法的设备，其特征在于：向上曳引式螺旋器(33)包含多数向上偏斜的螺旋浆式叶片，向上曳引式螺旋器(33)径向连设在一中空传动轴(331)的底端并置于料斗的中央导槽(313)的中心处，该中空转动轴(331)的中央通孔(332)与强化材进料装置(6)相连通，并导入强化材进入料斗(31)中，中空传动轴(331)上端借传动轮(333)，传动带(334)连接一以驱转螺旋器(33)的中心驱动马达(335)，中空传动轴(331)铰接在料斗(31)的上方的轴筒(301)的中央通孔中，料斗(3)上开设有将氮气导入曳引料斗内的强化材(5)中的导气孔(312)。

9、根据权利要求5所述的以曳引方式混以强化材的复合材制法的设备，其特征在于：下吹式螺旋器(34)包含多数向下偏斜的螺旋浆式叶片，其径向轴接在一中空套轴(341)的下端，套轴(341)的底端(340)则接在料斗(31)的吊架(30)与轴筒(301)的交界处并以同一轴心(300)与螺旋器(33)同心回转，套轴(341)穿设在滑动在料斗的轴筒(301)上的中央通孔(342)内，该套轴(341)铰接在陶瓷盖(13)的中孔(132)上，且上方借传动轮(343)、穿通支架(302)的传动带(344)及连接一驱动螺旋器(34)转动的下吹驱动马达(345)。

10、根据权利要求4或5所述的以曳引方式混以强化材的复合材制法的设备，其特征在于：陶瓷盖(13)内缘为弧型曲壁(133)，在套轴(341)上邻近陶瓷盖(13)的下方加装一挡盘(15)，挡盘(15)为浅圆筒型向上折弯的突缘(151)，位于挡盘(15)与盖(13)之间形成一惰性气室(152)。

11、根据权利要求5所述的以曳引方式混以强化材的复合材制法的设备，其特征在于：料斗(31)的中心、螺旋器(33)、(34)的中心处在同一轴心(300)上。

12、根据权利要求8或9所述的以曳引方式混以强化材的复合材制法的设备，其特征在于：中心驱动马达(335)与下吹驱动马达(345)分别安装在陶瓷盖(13)上，整个陶瓷盖(13)再借连设的固定板(71)安装在机架(7)上，升降机构(73)使固定板(71)沿导杆(72)作每批熔炼操作前、后拉起陶瓷盖(13)和加料搅拌装置(3)的升降运动。

13、根据权利要求4或5所述的以曳引方式混以强化材的复合材制法的设备，其特征在于：强化材进料装置(6)由连杆(60)安装在机架(7)的导杆(72)上，进料装置(6)包括一强化材储槽(61)，预热装置(62)有一输送导管(63)，加料嘴(64)导入中空传动轴的中央通孔(332)中，加料嘴(64)向下渐尖并与中央通孔(332)管壁保持间距。

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