CN1099073A

CN1099073A - 一种制造复合材料的方法与设备

Info

Publication number: CN1099073A
Application number: CN 93109585
Authority: CN
Inventors: 林清彬
Original assignee: Jiang Changliang
Current assignee: Jiang Changliang
Priority date: 1993-08-14
Filing date: 1993-08-14
Publication date: 1995-02-22
Anticipated expiration: 2013-08-14
Also published as: CN1033920C

Abstract

一种制造复合材料的方法与设备，该法是将粒径小至0.05微米或更小的强化材制成悬浮液，加热后添加于熔融的金属基材中，通过混合、搅拌、除气，然后铸成铸锭。整个工序在惰性气体覆盖下进行；所用设备有熔解基材用的加热炉、散布强化材悬浮液的加料容器，搅抖装置和除气装置等。利用本发明的设备及方法，可使强化材均匀分布于金属基材中，达到制得的金属基复合材具有良好机械特性的目的。

Description

本发明涉及一种制造复合材料的方法与设备。

习知的金属基复合材料可用加入强化材于金属基材中制得金属基复合材料，以强化其机械性能。

根据OROWAN理论，可以导出金属基复合材料强度增加量与散布强化材颗粒半径的关系为：τ.τo＝3fGb/4（1-f）r

式中τ，τo分别为金属基复合材料与原米金属基材的屈服强度，G为金属基材的剪力系数，b为差排之卜格向量（Burgers Vector），f为强化材颗粒在基材内的体积比，r为强化材颗粒半径。

根据上式可知，当散布强化材颗粒体积比f固定时，金属基复合材料强度之增加量（τ-τo）随散布强化材颗粒半径r之降低而提高，这一结论提供了金属基复合材料开发的一个基本原则，即在金属基复合材料内所添加的强化材，如能分布均匀并且强化材尺寸尽量微细，则可获得最佳的机械性质。

然而，当微细的强化材直接饲入金属基材后，受Van der waals吸引力关系，强化材颗粒间易发生聚集现象，无法均匀地分散于金属基材里，遂劣化复合材成品的品质。此外，将微细的强化材如以干燥的颗粒状直接加入金属基材的熔汤中后，干燥的强化材粉粒受高温溶汤上方热对流的影响，容易飞扬散失，操持不易，加料速率难以控制。生产困难。

另外，在使用漩涡搅拌方法将强化材与金属基材均匀混合时，因将气体引入金属熔汤内，于浇铸前，未将空气除去，使铸件产生许多气孔，降低材料强度，缩短铸件寿命;即使在高度真空条件下，虽可从熔汤中除去部分气体，但因金属熔汤的粘滞性极高，在粘稠的熔汤中排除其间的气体和气泡，更是困难。

本发明的目的是要提供一种制造复合材料的方法与设备，使用该方法和设备，可将粒径小至0.05微米或更细小的强化材，均匀分布在金属基材中，并除去因搅拌混入其中的气体，从而获得有优越机械性能的复合材料。

本发明的目的是这样实现的：该法是将粒径小至0.05微米或更小的强化材制成悬浮液，加热后添加于熔融的金属基材中，通过混合、搅拌、除气，然后铸成铸锭。整个工序在惰性气体覆盖下进行;所用设备有熔解基材用的加热炉、散布强化材悬浮液的加料容器，搅拌装置和除气装置等。

本发明的优点：

1、保证制得复合材料的质量，确实改进金属合金基材的性能：因将强化材用悬浮液与基材混合，并用除气装置将混合时带入的空气除掉，可保证混合均匀，并不使制得复合材料中存有空气，气泡。

2、使用设备，大部为通用设备组装而成，结构简单，容易实施。

3、制造过程简单，成本低，适用范围广：对于一般金属基复合材料均可采用本发明方法散布超微细的强化材，故可广泛应用于汽车、航天各种工业零件及工程材料上。

本发明的具体内容，由以下实施例及其附图给出：

图1是本发明的加热炉及其附属设备示意图。

图2是本发明的除气装置示意图。

图3是本发明实施例1所得产品内部结构图。

图4是本发明实施例2所得产品内部结构图。

图5是本发明实施例3所得产品内部结构图。

图6是按本发明实施例1方法生产但未经除气的产品内部结构图。

图7是按本发明实施例1方法生产但已经除气的产品内部结构图。

以下结合附图，详细说明：

该制造复合材料的方法，实施步骤如下：

1）配制悬浮液：在密闭状态下，将强化材悬浮于一含有分散剂的蒸馏水中;

2）借超音波振荡悬浮液，使其混合均匀;

3）预热悬浮液至100～660℃;

4）熔融一金属合金基材，达660-700℃，在搅拌下将预热的悬浮液散布或喷洒或采取喷雾方式散布于金属基材的熔汤表面，这时蒸溜水迅速蒸发，强化材分布于熔汤表面，并进行混合;

5）在混合后的熔汤中进行除气操作;

6）将除气后的金属基复合材料之熔汤铸成铸锭，并使其在400-450℃间恒温40-60小时，使该铸锭均质化，然后冷却至室温，得出金属基复合材料产品。

该除气操作，是令一含有除气孔的除气管，作为除气装置，将该除气管插入该金属合金基材与强化材混合的熔汤中，并移动该除气管以增加其与气泡接触机会，抽除熔汤中所含的气体。该金属合金基材系选自铝合金，而该基材的熔融、强化材悬浮液的散布、基材与强化材的混合以及除气操作等工艺过程，均在惰性气体覆盖下进行。所用的强化材，选自氧化铝、氮化矽、碳化矽、碳化钛、氧化锆、碳化硼及碳化钽，并以颗粒、须晶及短纤维方式添加入该金属基材中。

本发明制造复合材料的设备，包括带有搅拌装置的加热炉和除气装置，以下结合附图详细说明：

参照图1、2。

该加热炉2为一装入铝合金基材1并加热熔解的装置，炉口以陶瓷盖3覆盖;一惰性气体供应装置设于加热炉2的一侧，该装置有一导管4连至加热炉2以引导惰性气体进入炉2内，覆盖炉中的合金熔汤免于氧化;加热炉2上端安装有密闭的加料容器7，加料容器7的顶端设有悬浮液注入阀6，用来灌注强化材的悬浮液5，一惰性气体管10布设于加料容器7内，气体管10上开有小孔9，以喷出惰性气体于该容器7内，惰性气体由一惰性气体源11供应，经气体阀12控制其流量及压力;悬浮液散布阀14设于悬浮液散布管141上，散布管141下端设有喷嘴13，以便将悬浮液5散布、喷洒，或以喷雾方式由加料容器7进入加热炉2中，加热介质8，为加热线圈或加热包，缠绕或包围在加料容器7的器壁上以加热容器中的悬浮液7;搅拌装置18设于加热炉2内，用来充分混合铝合金基材1与来自加料容器7的悬浮液5;加热炉2内设有除气装置，用来除去由铝合金基材1与来自加料容器7的悬浮液5混合熔汤中的气体、气泡，以防烧铸成品带有气孔。加料容器7中的惰性气体管10为一蛇形管，因其工作时不断喷射惰性气体，从而可以代替一个机械搅拌器，再加上悬浮液受热产生的对流作用，使强化材在蒸溜水中分布均匀;搅拌装置18，其中包括表面涂有氧化铝作为保护层，并穿过加料容器7进入加热炉2内的搅拌轴181，安装在加料容器7顶端，带动搅拌轴181旋转的驱动马达15，安装在搅拌轴181上浸入炉内熔汤中以均匀混合基材1和悬浮液5的叶片。安装在搅拌轴181上的叶片，包括有垂直走向的上叶片16，与炉内垂直壁壁面正交，上叶片16上穿有叶片孔161，以便于旋转时，增加其对混合熔汤的剪力，并产生漩涡，将喷有悬浮液的上层熔汤翻滚到熔汤的中、下层;水平走向的下叶片17，平行于炉底，使旋转时混合熔汤产生对流，两种叶片共同作用，达到充分混合基材1与强化材的目的。除气装置20，其中包括一在吸气端有扩大管段201的除气管200，在扩大管段201中充填有耐热陶瓷棉21，管壁并钻有除气小孔23，扩大管段201下方开口以耐水泥22密封，部分除气管及整个扩大管段201均浸泡于熔汤19中，其浸泡于熔汤19中部分可以诸如氧化铝等保护层保护，熔汤19上仍以惰性气体覆盖，除气管200连接一可挠曲软管24，如金属管，再与一置于热交换器25中的盘管241相连接，该热交换器25有冷水26进入，经与盘管241换热后，温水27自交换器25排出，在盘管241的尾管242上，连有真空泵或抽气机28，以抽除扩大管段201所吸入的气体，该处并设有抽气控制阀29，以控制除气系统所需的负压。在除气管200上可套设一陶瓷把手30以便隔热，及安全操作，该除气管200移动时，可用手或机械手操作。通向加料容器的惰性气体管10，在容器7外加装有一支管111，引导高压气体进入喷嘴13，以引导、雾化由散布管141下流的悬浮液，进入炉2中。，以下为本发明的实施例：

实施例1

首先将5083Al合金在700℃重熔于如图1所示之装置中，加入助熔剂，在半密闭系统下，通入氮气或氩气作保护气氛，铝合金熔融后，将搅拌及加料两系统移入图1所示之适当位置，启动搅拌器，以可变直流马达带动搅动叶片，缓慢加速到400rpm，其中搅拌系统用熔浆喷布一层氧化铝作保护。将含氧化铝陶瓷颗粒悬浮液倒入密闭加料容器内，并加热悬浮液至200℃，调整氧化铝陶瓷颗粒悬浮液之氮气流量调节控制阀12后，打开悬浮液阀14，使悬浮液以定量速度经由喷嘴13喷到熔融铝汤中，俟加入定量氧化铝陶瓷颗粒悬浮液后，降低搅拌速率为80rpm，继续搅拌10分钟后，关掉马达，移出搅拌系统和加料系统。在此实施例中氧化铝陶瓷颗粒悬浮液是由0.05μm尺寸之

相氧化铝陶瓷颗粒加入蒸馏水及0.05wt%分散剂，配制成含强化材20Vol%悬浮液，该悬浮液并以超音波振荡30分钟。（注：分散剂为R.T.Vanderbuilt公司之Darven C分散剂，其主要成分为聚甲基丙烯酸之氨盐）

除气过程是将8Vf%（体积分率）0.05μmAl₂O₃之复合材熔汤保持在750℃之加热炉，将除气管200埋入熔汤中，并保证除气管含孔洞区域完全埋入熔汤中静置2分钟。将冷水通入热交换器25内，启动真空泵28，使其压力达到10^-2乇（torrs），然后手持陶瓷把手30，徐徐移动除气管（不可搅动）以增加和熔汤内部气体接触，进行除气操作约30分钟。除气完后关掉真空泵，再从炉中取出除气管，进行浇注工作。所得之铸锭放置于430℃空气炉中进行48小时均质化处理，最后使其冷却至常温，以得强化之复合材产品。其结构如图3所示，该氧化铝强化材已均匀混入复合材成品中。

实施例2

使用5083Al，另外熔炼、加料及除气过程及条件如实施例1所述，所不同的是添加的强化材是0.3-0.6μm直径，长5-15μm，展弦比（Aspect Ratio）10-40之Si₃N₄须晶。所使用的分散剂是0.3%六磷酸钠水溶液。其产品结构如图4所示。

实施例3

使用5083 Al，另外熔炼、加料及除气过程及条件如实施例1所述，所不同的是添加的强化材是2.5-3.5μmSic颗粒。所使用的分散剂是0.01Mol之焦磷酸钠水溶液。产品结构如图5所示。

由图3、4、5所示，本发明已成功地将0.05μmAl₂O₃、0.3-0.6μSi₃N₄及2.5-3.5μmSic超微细强化材添加于5083铝合金基材内，而且强化材在基材内分布非常均匀;而未经本发明进行除气处理所得之材料，如图6所示，有许多气孔，而经过本发明进行除气处理所得材料，如图7所示，没有气孔，可以明显看出本发明的除气效果。

Claims

1、一种制造复合材料的方法，其实施步骤如下：

1)配制悬浮液：在密闭状态下，将强化材悬浮于一含有分散剂的蒸馏水中；

2)借超音波振荡悬浮液，使其混合均匀；

3)预热悬浮液至100～660℃；

4)熔融一金属合金基材，达660-700℃，在搅拌下将预热的悬浮液散布或喷洒或采取喷雾方式散布于金属基材的熔汤表面，这时蒸馏水迅速蒸发，强化材分布于熔汤表面，并进行混合；

5)在混合后的熔汤中进行除气操作；

6)将除气后的金属基复合材料之熔汤铸成铸锭，并使其在400-450℃间恒温40-60小时，使该铸锭均质化，然后冷却至室温，得出金属基复合材料产品。

2、按权利要求1所述制造复合材料的方法，其特征在于所述的除气操作，是令一含有除气孔的除气管，作为除气装置，将该除气管插入该金属合金基材与强化材混合的熔汤中，并移动该除气管以增加其与气泡接触机会，抽除熔汤中所含的气体。

3、如权利要求1所述的制造复合材料的方法，其特征在于所述的金属合金基材系选自铝合金。

4、如权利要求1所述的制造复合材料的方法，其特征在于该基材的熔融，强化材悬浮液的散布，基材与强化材的混合以及除气操作等工艺过程，均在惰性气体覆盖下进行。

5、如权利要求1所述的制造复合材料的方法其特征在于所述的强化材，选自氧化铝、氮化矽、碳化矽、碳化钛、氧化锆、碳化硼及碳化钽，并以颗粒须晶及短纤维方式添加入该金属基材中。

6、一种制造复合材料的设备，包括有带有搅拌装置的加热炉和除气装置，其特征在于：

1）加热炉（2）为一装入铝合金基材1并加热熔解的装置，炉口以陶瓷盖（3）覆盖;

2）一惰性气体供应装置设于加热炉（2）的一侧，该装置有一导管（4）连至加热炉（2）以引导惰性气体进入炉（2）内，覆盖炉中的合金熔汤免于氧化;

3）加热炉（2）上端安装有密闭的加料容器（7），加料容器（7）的顶端设有悬浮液注入阀（6），用来灌注强化材的悬浮液（5），一惰性气体管（10）布设于加料容器（7）内，气体管（10）上开有小孔（9），以喷出惰性气体于该容器（7）内，惰性气体由一惰性气体源（11）供应，经气体阀（12）控制其流量及压力;悬浮液散布阀（14）设于悬浮液散布管（141）上，散布管（141）下端设有喷嘴（13），以便将悬浮液（5）散布、喷洒，或以喷雾方式由加料容器（7）进入加热炉（2）中，加热介质（8），为加热线圈或加热包，缠绕或包围在加料容器（7）的器壁上以加热容器中的悬浮液（7）;

4）搅拌装置（18）设于加热炉（2）内，用来充分混合铝合金基材（1）与来自加料容器（7）的悬浮液（5）;

5）加热炉（2）内设有除气装置，用来除去由铝合金基材（1）与来自加料容器（7）的悬浮液（5）混合熔汤中的气体、气泡，以防烧铸成品带有气孔。

7、如权利要求6所述的制造复合材料的设备，其特征在于加料容器（7）中的惰性气体管（10）为一蛇形管，因其工作时不断喷射惰性气体，从而可以代替一个机械搅拌器，再加上悬浮液受热产生的对流作用，使强化材在蒸溜水中分布均匀;

8、如权利要求6所述的制造复合材料的设备，其特征在于所述的搅拌装置（18），其中包括表面涂有氧化铝作为保护层，并穿过加料容器（7）进入加热炉（2）内的搅拌轴（181），安装在加料容器（7）顶端，带动搅拌轴（181）旋转的驱动马达（15），安装在搅拌轴（181）上浸入炉内熔汤中以均匀混合基材（1）和悬浮液（5）的叶片。

9、如权利要求6所述的制造复合材料的设备，其特征在于所述的叶片，其中包括有垂直走向的上叶片（16），与炉内垂直壁壁面正交，上叶片（16）上穿有叶片孔（161），以便于旋转时，增加其对混合熔汤的剪力，并产生漩涡，将喷有悬浮液的上层熔汤翻滚到熔汤的中、下层;水平走向的下叶片（17），平行于炉底，使旋转时混合熔汤产生对流，两种叶片共同作用，达到充分混合基材（1）与强化材的目的。

10、如权利要求6所述的制造复合材料的设备，其特征在于所述的除气装置（20），其中包括一在吸气端有扩大管段（201）的除气管（200），在扩大管段（201）充填有耐热陶瓷棉（21），管壁并钻有除气小孔（23），扩大管段（201）下方开口以耐水泥（22）密封，部分除气管及整个扩大管段（201）均浸泡于熔汤（19）中，其浸泡于熔汤19中部分可以诸如氧化铝等保护层保护，熔汤（19）上仍以惰性气体覆盖，除气管（200）连接一可挠曲软管（24），如金属管，再与一置于热交换器（25）中的盘管（241）相连接，该热交换器（25）有冷水（26）进入，经与盘管（241）换热后，温水（27）自交换器（25）排出，在盘管（241）的尾管（242）上，连有真空泵或抽气机（28），以抽除扩大管段（201）所吸入的气体，该处并设有抽气控制阀（29），以控制除气系统所需的负压。

11、如权利要求6所述的制造复合材料的设备，其特征在于通向加料容器（7）的惰性气体管10，在容器（7）外加装有一支管（111），引导高压气体进入喷嘴（13），以引导、雾化由散布管（141）下流的悬浮液，进入炉（2）中。