CN109382492A - 一种连续制备颗粒增强金属基复合材料的方法及装置 - Google Patents

一种连续制备颗粒增强金属基复合材料的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种连续制备颗粒增强金属基复合材料的方法及装置,利用上引连铸工艺,将金属液温度降至液相线以上30℃以内,通过加料装置向金属液中稳定加入陶瓷颗粒粉末,使陶瓷颗粒均匀分布在具有一定粘稠度的金属基体中,快速凝固成型后制备出陶瓷颗粒分布均匀、能连续生产的颗粒增强金属基复合材料。本发明通过在上引连铸过程中添加陶瓷颗粒,既能简化复合材料的制备过程,又能避免添加陶瓷颗粒进入金属液后所造成的缺陷,并且能通过添加添加陶瓷颗粒促进金属液的凝固成型,细化基材的晶粒尺寸。

Description

一种连续制备颗粒增强金属基复合材料的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种连续制备颗粒增强金属基复合材料的方法和装备,应用于复合材料的连续铸造技术领域。
背景技术
由于颗粒增强金属基复合材料兼具各组元材料的优点,能充分发挥各组成材料的协同作用,使得其具有高比强度和高比模量、尺寸稳定性好、耐磨性好等特点,被广泛应用于矿山、水泥、建材等工业领域。目前常见的颗粒增强金属基复合材料方法为粉末冶金法、挤压铸造法、喷射沉积法、搅拌混合技术、电渣重熔技术、机械合金化技术等。其中粉末冶金法是通过复合粉末成型、烧结的方法制备复合材料,一般制备小尺寸零件,且制备成本高,内部组织易出现组织不均匀现象,孔洞率较大,必须对复合材料进行二次塑性加工。挤压铸造法是在凝固过程中对液态金属施加压力,改善陶瓷颗粒与金属液间的润湿性,但预成型体对产品的质量影响很大,模具造价较高,且无法连续铸造。喷射沉积法采用流化床获得增强颗粒与惰性气体的混合二相流体,然后喷入雾化基体合金液滴的流束中,与合金液同时沉积获得铸锭。该方法工艺周期短,成型速度快,但是存在设备昂贵、孔隙率高、原材料损失大等缺点。搅拌混合技术通过对金属熔体进行强烈搅拌,同时投入陶瓷颗粒,使其均匀分布于金属熔体中,然后直接浇铸成型。该方法工艺简单、设备投资少,便于规模化生产,但是陶瓷颗粒体积分数一般不超过20%,颗粒的分布很难实现均匀化,且在搅拌过程中易卷入气孔造成缺陷。电渣重熔技术是在重熔过程中加入增强相颗粒,形成复合材料。电渣重熔制品表面光洁,组织致密,但是只能适用于表层复合材料。机械合金化技术通过高能球磨机长时间研磨,是硬质颗粒嵌入金属颗粒中,得到复合粉末,但后压紧、成型、烧结,此方法制备的复合粉末在烧结过程中会出现增强相的偏聚,影响复合材料的性能。
综合以上方法可以看出,上述方法没有一种可以制备陶瓷颗粒分布均匀,能连续生产,成本低廉,成型质量优异的颗粒增强金属基复合材料;所以设计一种设备简单,成型质量高,连续制备颗粒增强金属基复合材料的方法及设备迫在眉睫。
发明内容
为了解决现有的制备工艺及设备问题,本发明旨在实现颗粒增强金属基复合材料的连续制备方法,并且有效降低制备成本,减少成型缺陷,本发明通过以下技术方案实现。
一种连续制备颗粒增强金属基复合材料的方法,该方法利用金属液在快凝固时通过加料装置向铸件内稳定添加陶瓷颗粒,陶瓷颗粒在上升的金属液中保持相对静止,使陶瓷颗粒均匀分布在具有一定粘稠度的金属基体中;并且外加的陶瓷颗粒能促进金属凝固过程中的形核,能细化铸件晶粒,提高铸件的强度;具体包括以下步骤:
(1)金属液基体的制备:对金属液原料及合金进行熔炼,将熔炼到相应出炉温度的金属液倒入保温炉1中进行保温,并且控制成型温度。
(2)金属液基体的冷却:通过上引连铸工艺将金属液牵引到引流管10中,在设有结晶器Ⅰ3的位置将温度降至液相线温度以上10~30℃,使金属液能在接触陶瓷颗粒时部分形核,固定陶瓷颗粒的位置。
(3)陶瓷颗粒的注入:通过加料装置4持续稳定地注入陶瓷颗粒,使陶瓷颗粒均匀的分布于在金属液中。
(4)复合材料的成型:将混合金属液继续牵引到设有结晶器Ⅱ6的位置,通过结晶器Ⅱ6将均匀分布陶瓷颗粒的金属液进行快速冷却,从而制成连续的金属基复合材料。
本发明所述金属基体为钢基或铜基;陶瓷颗粒为碳化钨、碳化硅、碳化硼、碳化钛、硼化钛、氮化硅、氧化铝、氧化锆、锆刚玉的一种或任意比多种,陶瓷颗粒的粒径为0.1~5mm。
本发明步骤(1)中出炉温度为液相线温度以上50~150℃,成型温度为液相线温度以上30~100℃。
本发明所述所述上引连铸工艺的牵引速度为5-500mm/min。
本发明的另一目的在于提供所述方法所用装置,包括上引连铸装置,所述上引连铸装置为现有装置包括保温炉1、温度计2、速度控制装置7、位置控制装置8、液面控制装置9、引锭杆10,保温炉1上方设有引流管10, 引锭杆10位于引流管10内部,引流管10的末端设有速度控制装置7和位置控制装置8,保温炉1上设有温度计2和液面控制装置9,其特征在于:还包括结晶器Ⅰ3、加料装置4、结晶器Ⅱ6,结晶器Ⅰ3、结晶器Ⅱ6从下到上依次设置在引流管10的外面,结晶器Ⅰ3与结晶器Ⅱ6之间设有一个或多个加料装置4,加料装置4固定在引流管10上并与引流管10连通。
本发明所述加料装置4可以为常规装置,能够持续稳定地注入陶瓷颗粒即可,优选的,本发明所述加料装置4包括输料管道5和输料泵,输料管道5内设有多个相互平行的输料通道,随着长度增加输料通道内壁呈粗细交替状变化,输料通道最细位置的内径为0.01~1mm,输料通道最粗位置的内径为最细位置内径的1.5~2.5倍,输料泵的一端与输料管道5连通,使物料在输料泵的作用下在输料管道5中移动。通过输料管道5控制陶瓷颗粒的尺寸,防止金属液进入粉末推送装置中。
本发明所述输料管道5的工作原理为:加料装置的输料管道内壁面随着长度增加呈现起伏状变化,物料在输料泵的作用下在输料管道中移动,并且在粗细交替状变化的输料管道中,多次在最小横截面处受到挤压并且破碎,进而控制物料的颗粒尺寸。除此之外,加料装置具有相应的防止金属液回流的功能,即粗细交替状的最大横截面处及附近区域,因相较于其他区域体积更大,对回流金属液的容纳作用更大,故对回流金属液有缓冲作用,相应地,沿着金属液的回流方向,物料的颗粒尺寸越来越大,重量越来越大,并且在输料泵的外力作用下,回流金属液的回流趋势再次被显著降低,从而实现防止金属液回流的功能。
本发明所述方法中注入陶瓷颗粒的速度通过预成型复合材料的成分要求以及成型速度相互配合来确定;通过改变引流管10内径大小及形状,可将复合材料的形状制成圆柱、棱柱、方形或其他形状。
本发明的有益效果:
(1)本发明通过连续加入陶瓷颗粒,配合上引连铸技术实现复合材料的连续铸造成型,并且改变结晶器的内径大小及形状能够实现不同尺寸复合材料的连续成型。
(2)在凝固过程前短时间内加入陶瓷颗粒能够更有效的减少陶瓷颗粒在液态金属的时间,从而减少陶瓷颗粒在基体中的分层聚集,使陶瓷颗粒的分布更加均匀、可控。
(3)本发明提供的加料方法不用在金属液中搅拌混合,能够消除混合过程中产生的气泡,减少由气体混入基材而造成的铸造缺陷。
(4)加入的陶瓷颗粒能增加基体的形核数目,细化晶粒,提高基体性能。
(5)加料装置中破碎机能控制陶瓷颗粒的尺寸,防止金属液进入粉末推送装置中。
附图说明
图1为本发明连铸设备结构示意图;
图2为本发明破碎机结构示意图;
图3为本发明开始上引状态结构示意图;
图4为本发明破碎机连接示意图。
1-保温炉;2-温度计;3-结晶器Ⅰ;4-粉末推送装置;5-破碎机;6-结晶器Ⅱ;7-速度控制装置;8-位置控制装置;9-液面控制装置;10-引锭杆。
具体实施方式
为了更好的理解本发明,下面通过实施例对本发明进一步说明,实施例只用于解释本发明,不会对本发明构成任何的限定。
本发明实施例所述方法所用装置是在现有上引连铸装置基础上改进得到的,所述上引连铸装置包括保温炉1、温度计2、速度控制装置7、位置控制装置8、液面控制装置9、引锭杆10,保温炉1上方设有引流管10, 引锭杆10位于引流管10内部,引流管10的末端设有速度控制装置7和位置控制装置8,保温炉1上设有温度计2和液面控制装置9,还包括结晶器Ⅰ3、加料装置4、结晶器Ⅱ6,结晶器Ⅰ3、结晶器Ⅱ6从下到上依次设置在引流管10的外面,结晶器Ⅰ3与结晶器Ⅱ6之间设有一个或多个加料装置4,加料装置4固定在引流管10上并与引流管10连通,如图1~4所示。
本发明实施例中所述加料装置4包括输料管道5和输料泵,输料管道5内设有多个相互平行的输料通道,随着长度增加输料通道内壁呈粗细交替状变化,输料通道最细位置的内径为0.05mm(根据对颗粒尺寸大小的实际需要也可以选择其他的内径尺寸),输料通道最粗位置的内径为最细位置内径的2倍,输料泵的一端与输料管道5连通,使物料在输料泵的作用下在输料管道5中移动;通过输料管道5控制陶瓷颗粒的尺寸,防止金属液进入粉末推送装置中,如图4所示。
实施例1
一种连续制备Al2O3颗粒增强钢基复合材料的方法,选用基材为45钢,陶瓷颗粒为20-50目Al2O3陶瓷颗粒,选用加料口左右对称放置,内径为5mm,破碎机内径最小处为0.28mm;其中45钢具有较高的强度和硬度,且有利于二次加工;Al2O3陶瓷颗粒具有高硬度和良好的经济适用性。
本实施例所述复合材料衬板的制备方法,具体包括以下步骤:
(1)对45钢进行熔炼,将熔炼到1550℃的钢液倒入保温炉中进行保温,并且控制其温度为1530-1550℃。
(2)通过上引连铸工艺(牵引速度为340mm/min)将45钢金属液牵引到引流管10中,在设有结晶器Ⅰ3的位置将温度降至1515℃,使钢液能在接触陶瓷颗粒时部分形核,固定陶瓷颗粒的位置。
(3)在加料装置持续稳定地注入Al2O3陶瓷颗粒,使Al2O3陶瓷颗粒均匀的分布于在钢液中。
(4)通过结晶器Ⅱ6将具有均匀分布陶瓷颗粒的45钢液进行快速冷却,使含有Al2O3陶瓷颗粒的45钢液快速凝固成型,从而制成连续的Al2O3增强45钢基复合材料。
实施例2
一种连续制备SiC颗粒增强铜基复合材料的方法,选用基材为紫铜,陶瓷颗粒为80-100目SiC陶瓷颗粒,选用加料口呈十字交叉对称放置,内径为4mm,破碎机内径最小处为0.14mm。紫铜在保温炉中保温时,在铜液液面加入木碳和鳞片石墨覆盖以隔绝氧气,对铜液脱氧。
本实施例所述复合材料衬板的制备方法,具体包括以下步骤:
(1)对紫铜进行熔炼,将熔炼到1150℃的铜液倒入保温炉中进行保温,并且控制其温度为1130-1150℃。
(2)通过上引连铸工艺(牵引速度为300mm/min)将将铜液通结晶器Ⅰ3先降温至1100℃,使铜液能在接触陶瓷颗粒时部分形核,固定陶瓷颗粒的位置。
(3)在加料装置持续稳定地注入SiC陶瓷颗粒,使SiC陶瓷颗粒均匀的分布于在金属液中。
(4)通过结晶器Ⅱ6将具有均匀分布陶瓷颗粒的金属液进行快速冷却,使含有SiC陶瓷颗粒的铜液快速凝固成型,从而制成连续的SiC增强铜基复合材料。

Claims (6)

1.一种连续制备颗粒增强金属基复合材料的方法,其特征在于,具体包括以下步骤:
(1)金属液基体的制备:对金属液原料及合金进行熔炼,将熔炼到相应出炉温度的金属液倒入保温炉(1)中进行保温,并且控制成型温度;
(2)金属液基体的冷却:通过上引连铸工艺将金属液牵引到引流管(10)中,在设有结晶器Ⅰ(3)的位置将温度降至液相线温度以上10~30℃,使金属液能在接触陶瓷颗粒时部分形核,固定陶瓷颗粒的位置;
(3)陶瓷颗粒的注入:通过加料装置(4)持续稳定地注入陶瓷颗粒,使陶瓷颗粒均匀的分布于在金属液中;
(4)复合材料的成型:将混合金属液继续牵引到设有结晶器Ⅱ(6)的位置,通过结晶器Ⅱ(6)将均匀分布陶瓷颗粒的金属液进行快速冷却,从而制成连续的金属基复合材料。
2.根据权利要求1连续制备颗粒增强金属基复合材料的方法,其特征在于:金属基体为钢基或铜基;陶瓷颗粒为碳化钨、碳化硅、碳化硼、碳化钛、硼化钛、氮化硅、氧化铝、氧化锆、锆刚玉的一种或任意比多种,陶瓷颗粒的粒径为0.1~5mm。
3.根据权利要求1所述连续制备颗粒增强金属基复合材料的方法,其特征在于:步骤(1)中出炉温度为液相线温度以上50~150℃,成型温度为液相线温度以上30~100℃。
4.根据权利要求1所述连续制备颗粒增强金属基复合材料的方法,其特征在于:上引连铸工艺的牵引速度为5-500mm/min。
5.权利要求1所述方法所用装置,包括上引连铸装置,所述上引连铸装置包括保温炉(1)、温度计(2)、速度控制装置(7)、位置控制装置(8)、液面控制装置(9)、引锭杆(10),保温炉(1)上方设有引流管(10), 引锭杆(10)位于引流管(10)内部,引流管(10)的末端设有速度控制装置(7)和位置控制装置(8),保温炉(1)上设有温度计(2)和液面控制装置(9),其特征在于:还包括结晶器Ⅰ(3)、加料装置(4)、结晶器Ⅱ(6),结晶器Ⅰ(3)、结晶器Ⅱ(6)从下到上依次设置在引流管(10)的外面,结晶器Ⅰ(3)与结晶器Ⅱ(6)之间设有一个或多个加料装置(4),加料装置(4)固定在引流管(10)上并与引流管(10)连通。
6.根据权利要求5所述装置,其特征在于:加料装置包括输料管道(5)和输料泵,输料管道(5)内设有多个相互平行的输料通道,随着长度增加输料通道内壁呈粗细交替状变化,输料通道最细位置的内径为0.01~1mm,输料通道最粗位置的内径为最细位置内径的1.5~2.5倍,输料泵的一端与输料管道(5)连通,使物料在输料泵的作用下在输料管道(5)中移动。
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