CN1117165C - 硬质相增强金属基复合材料生产工艺及其设备 - Google Patents

Abstract

一种硬质相增强金属基复合材料生产工艺，属于金属基复合材料生产工艺。使用该发明生产含有增强硬质相的金属基复合材料时，生产工艺简单、生产效率高；电耗低，并且产品的质量易于控制。该方法中是将基体金属熔化后或者金属固体颗粒在结晶内熔化后，与增强硬质相材料在水冷结晶器内经电磁场搅拌混合及超声波振动处理后，快速结晶而形成的产品，故其产品中的二相材料混合更加均匀，并使材料的等轴晶区域扩大，使结晶组织细化，从而可以得到均匀微细的结晶组织和内部十分纯净的组织，产品性能一致性好，二相结合力强，可以达到冶金结合而完全致密化，从而改善和提高了金属基复合材料的性能。

Description

硬质相增强金属基复合材料生产工艺及其设备

                              技术领域

本发明涉及一种复合材料生产工艺及其设备，特别是一种硬质相增强金属基复合材料生产工艺及其设备。

                              背景技术

文献《硬质合金》杂志(1993年8月第10卷第3期第169-173页)中报导了《硬质颗粒钢基复合材料》，报导中公开了MMC_s金属基复合材料(Metal MatrixComposites)的生产工艺，所述的常用生产工艺为粉末冶金烧结法，即将韧性的金属基粉末和短纤维、晶须及硬质难溶化合物颗粒按预定比例配制混合后进行压制、烧结。该工艺所生产的产品性能一致性差，二相结合力弱，易在二相界面上生成裂纹扩展，孔隙度大，致密性差，降低了材料的各项力学性能和耐磨性，且生产工艺复杂，产品受烧结设备的限制，无法生产大型工件。

中国发明专利 专利号96116892.7《硬质合金和金属复合材料生产工艺及其设备》，该发明专利虽然解决了上述缺陷，但由于需要预先制做自耗电极，因而仍然具有工艺周期长，生产成本高，且无法生产薄壁型双金属硬质相增强金属材料。

                               发明内容

本发明的目的是要提供一种：生产工艺简单、产品性能好、成本低、材料中含有增强硬质相的硬质相增强金属基复合材料生产工艺及其设备。

解决其技术问题的设备方案是：该设备有一工作台，工作台上有一孔洞，孔洞内有引铸板和引铸板升降器，在工作台上连接有水冷结晶器，水冷结晶器外安装有电磁搅拌器，在水冷结晶器的上部连接有送料器和中间包。

中间包包括包体、控制阀、流槽、加热器，包体内连接有控制阀，在包体的底部连接有流槽，流槽与控制阀相通，包体外连接有加热器。

水冷结晶器包括有水箱、金属液位检测器、缓冷套、浇口杯，水箱的中心位置有一直筒状通孔，水箱的底部连接有冷却水入口，顶部连接有冷却水出口，水箱内顶部装有金属液位检测器，在水箱通孔的上部连接有缓冷套，在缓冷套的上部连接有浇口杯，浇口杯外连接有加热器，浇口杯采用耐火材料制作；水冷结晶器或为组合水冷结晶器，组合水冷结晶器由导电水冷结晶器、非导电水冷结晶器、高温绝缘垫、耐高温导电陶瓷、非金属缓冷套组成，导电水冷结晶器位于非导电水冷结晶器上部，在导电水冷结晶器和非导电水冷结晶器之间连接有耐高温绝缘垫，导电水冷结晶器的上部装有电源(K)，内壁上涂有一层耐高温导电陶瓷，非导电水冷结晶器的上部连接有非金属缓冷套，在组合式结晶器内腔的中心位置安装有芯轴，并与引铸板相连接，芯轴的上部安装感应加热器，引铸板的底部接有电源(K)，通过混合液和液态溶渣，组成(ABCDE)电回路，电源(K)为低电压大电流，其电压和电流均可在大范围内调整。

加热器为电极加热器或者感应加热器，感应加热器为整体环状线圈或者由多个小型分体线圈构成，其小型分体线圈的分布为偶数对称分布。

解决其技术问题采用的工艺技术方案是：首先将一种或者数种增强硬质相按比例配制，经混料机混合后倒进放在工作台上的送料器内，将基体金属按所需化学成份进行配制并熔化成液体或制成颗粒状，倒入工作台上带有控制流量的中间包内或颗粒下料器内，将液体熔渣或者覆盖保护剂倒入水冷结晶器上部的浇口杯，启动感应加热器或启动自耗电极、非自耗电极电源，使其对熔渣或者覆盖保护剂加热，将金属液体中间包或者固体颗粒下料器的流量控制阀打开，同时启动增强硬质相送料器，使金属液体或金属颗粒和硬质相增强材料同时按照预定流量流入水冷结晶器内，启动电磁搅拌器和超声波振动装置，使二相材料混合均匀，并快速在水冷结晶器内冷却和结晶，引铸板上即得到与水冷结晶器内腔形状相同的含有增强硬质相的硬质相增强金属基复合材料，启动引铸板升降装置，将其向下牵引，即可使生产连续进行，并生产出所需长度的硬质相增强金属基复合材料。

所述的水冷结晶器中的熔渣为一元物质或者多元物质所组成的渣系，其渣系的物质为CaF₂、Al₂O₃、CaO、MgO、MnO、TiO₂、RE、RexOy、Na₂B₄O₇及其碱金属氧化物、氯化物、融盐；金属基材料为任何成份的黑色金属、有色金属、金属间化合物和包含稀土或稀土氧化物的黑色金属、有色金属、金属间化合物；增强硬质相材料为各种碳化物、氮化物、硼化物、氧化物等难熔化合物，其形状为颗粒、纤维、晶须、其含量为1％-70％。

在水冷结晶器内腔的中心位置安装芯轴，芯轴的上部安装有超声波振动装置，启动超声波电源，重复上述工艺，即可生产出薄壁双金属硬质增强金属基复合材料。

有益效果：上述方案中，使用该发明生产含有增强硬质相的金属基复合材料时，生产工艺简单、生产效率高；电耗低，并且产品的质量易于控制。由于该方法中是将基体金属熔化或者金属固体颗粒在结晶内熔化后，与增强硬质相材料在水冷结晶器内经电磁场搅拌混合及超声波振动处理后，快速结晶而形成的产品，故其产品中的二相材料混合更加均匀，并使材料的等轴晶区域扩大，使结晶组织细化，从而可以得到均匀微细的结晶组织和内部十分纯净的组织，产品性能一致性好，二相结合力强，可以达到冶金结合而完全致密化，从而改善和提高了复合材料的性能。其产品的外形尺寸不受工艺的限制，避免了传统工艺生产中的缺陷，并可生产薄壁双金属硬质相增强金属基复合材料。

                              附图说明

图1为本发明第一实施例的结构图。

图2为本发明第二实施例的结构图。

图3为本发明第三实施例的结构图。

图4为本发明第四实施例的结构图。

图5为本发明第五实施例的结构图。

图6为本发明第六实施例的结构图。

                           具体实施方式

实施例1：在图1中，该设备有一工作台21，工作台21上有一孔洞，孔洞内有引铸板23和引铸板升降器24，在工作台21上连接有水冷结晶器3，水冷结晶器3外安装有电磁搅拌器20，在水冷结晶器3的上部连接有送料器17和中间包。中间包包括有包体9、控制阀11、流槽8和加热器30，在包体9外有加热器30，包体9内连接有控制阀11，在包体9的底部连接有流槽8，流槽8与控制阀11相通。水冷结晶器3有一水箱，水箱的中心位置有一直筒状通孔，水箱的底部连接有冷却水入口2，顶部连接有冷却水出口19，水箱内顶部装有金属液位检测器28，在水箱通孔的上部连接有缓冷套4，在缓冷套4的上部连接有浇口杯5，浇口杯5外安装有感应加热器6，浇口杯5采用耐火材料制作。

工作开始时，将一种或者数种增强硬质相18按所需比例配制，增强硬质相18采用碳化物，经混料机混合后，倒进送料器17内，将金属基材料按所需化学成份配制后，熔化成液体或制成固体颗粒25后，倒入中间包9或者固体颗粒下料器内，金属基材料选用黑色金属，并在金属基材料上覆盖溶渣10，溶渣10为Na₂B₄O₇及碱金属氧化物、融盐，将溶渣10倒入浇口杯5和水冷结晶器3内，启动感应加热装置6和电磁搅拌器20，打开中间包9或固体颗粒下料器内的流量控制阀11，启动增强硬质相送料器17，使金属液体25或固体颗粒和增强硬质相18同时按照预定流量流入水冷结晶器3内，经电磁搅拌后使二相材料混合均匀，并快速冷却和结晶成水冷结晶器3内腔形状的硬质相增强金属基复合材料1，启动引铸板升降装置24，将其向下牵引即可得到所需长度的硬质相增强金属基复合材料1。

实施例2：在图2中，在水冷结晶器3的内腔装有金属或非金属材料的芯轴14，在芯轴14的上端连接有芯轴把持器13；芯轴把持器13下方装有超声波振动装置12；在芯轴14表面涂有防止氧化的玻璃保护膜15；在中间位置装有预热感应加热器16对芯轴14进行预热，当混合液7浇入后，将涂在芯轴14表面的玻璃保护膜15熔化，并经电磁搅拌器20搅拌后上浮，露出芯轴14的清洁表面，与增强硬质相金属基复合材料1达到良好的冶金结合，生成双金属硬质相增强金属基复合材料1。超声波振动装置12对混合液7和结晶体硬质相增强金属基复合材料1进行超声波振动处理，进一步细化晶粒，提高产品质量，当使用非金属材料做芯轴14时，所生产的产品为中空管状产品，其它过程及设备与实施例1同，略。

实施例3：在图3中，水冷结晶器或为组合水冷结晶器，组合水冷结晶器由导电水冷结晶器3a、非导电水冷结晶器35、高温绝缘垫27、耐高温导电陶瓷、非金属缓冷套组成，导电水冷结晶器3a位于非导电水冷结晶器35上部，在导电水冷结晶器3a和非导电水冷结晶器35之间连接有耐高温绝缘垫27，导电水冷结晶器3a的内壁上涂有一层耐高温导电陶瓷，非导电水冷结晶器35的上部装有非金属缓冷套。在组合水冷结晶器内腔中安装有芯轴14，芯轴14底部与引铸板23连接，引铸板23的底部经电源接头26与电源K连接，芯轴14中部装有预热感应加热装置26和超声波振动装置12，导电水冷结晶器3a内壁涂有一层具有导电性良好的金属陶瓷，其上部接有电源K的另一端。

工作开始时，先将引铸板23推入到水冷结晶器3的上部，往导电水冷结晶器3a内倒入溶渣10，溶渣为CaF₂、Al₂O₃、CaO组成的二元或三元渣系，启动电源K，打开中间包或固体颗粒下料器9内的流量控制阀11，启动增强硬质相送料器17，使金属液体或固体颗粒25和增强硬质相18同时按照预定的流量流入含有溶渣10的导电水冷结晶器3a内，通过芯轴14或引铸板23和导电水冷结晶器3a、溶渣10、混合液7、结晶体硬质相增强金属基复合材料1，组成ABCDE电回路，以电阻直热式将导电水冷结晶器3a内的溶渣10加热，对含有增强硬质相的混合液7进行电渣精炼后，在非导电水冷结晶器35内腔中结晶成硬质相增强金属基复合材料1，并保持电渣过程中不消耗电极。启动引铸板升降装置24将其向下牵引，即可得所需长度的硬质相增强金属基复合材料1。电源K为低电压大电流，其电压和电流均可在大范围内调整，复合结晶器内的芯轴14材料为金属材料，其形状即可以是实心也可以是空心的。组合水冷结晶器中的非导电水冷结晶器35装有非金属缓冷套4。其它工艺过程及设备与实施例1、2同，略。

实施例4：在图4中，水冷结晶器3内的溶渣10或固渣由自耗电极或非自耗电极29、引铸板23、电源K，经ABCDE组成电回路，对其进行电阻加热和熔化，以对增强复合材料的混合体进行电渣精炼，当使用非自耗电极时，硬质相增强金属基复合材料中的金属材料即可以是液态25亦可以是粉状或颗粒状，自耗电极或非自耗电极29的形状即可以是实芯，亦可以是空心，水冷结晶器3内亦可以根据产品要求加入金属或非金属芯轴14，在水冷结晶器3和工作台21之间连接有耐高温绝缘垫27。其它工艺过程及设备与实施例1、2、3同，略。

实施例5：在图5中，在浇口杯5的外侧安装有多个小型感应加热器31，并呈星形布置在浇口杯的四周，其数量为4个呈偶数对称布置，以保证中频磁力线加热强度只能将进入浇口杯5内的金属固体颗粒25熔化，而金属芯轴14仅表层熔解，从而使用金属固体颗粒生产双金硬质相增强金属基复合材料，使硬质相增强复合材料与芯轴14达到冶金结合。其余生产工艺过程和设备与实施例1、2同，略。

实施例6：在图6中，在设备外连接密闭箱34，密闭箱34通过管道与真空泵33连接，密闭箱34上连接有充气阀嘴32，通过充气阀嘴32可以向密闭箱内充入隋性气体。

工作时，首先对设备抽真空，这时的设备在真空状下工作；或者设备抽真空后通过充气阀嘴32，向设备内充入惰性气体，这时的生产是在惰性气体保护下工作。无论是真空状态还是充入惰性气体保护状态，均减少有害气体和夹杂物进入增强复合材料内，同时防止溶化的金属基材料溶液氧化，进一步提高了产品质量。其它生产工艺过程和设备与实施例1同，略。

Claims (6)

1、一种硬质相增强金属基复合材料生产工艺，其特征是：首先将一种或者数种增强硬质相按比例配制，经混料机混合后倒进放在工作台上的送料器内，将基体金属按所需化学成份进行配制并熔化成液体或制成颗粒状，倒入工作台上带有控制流量的中间包内或颗粒下料器内，将液体熔渣或者覆盖保护剂倒入水冷结晶器上部的浇口杯或水冷结晶器内，启动感应加热器或者启动自耗电极、非自耗电极电源，使其对熔渣或者复盖保护剂加热，将金属液体中间包或者固体颗粒下料器的流量控制阀打开，同时启动增强硬质相送料器，使金属液体或金属颗粒和硬质相增强材料同时按照预定流量流入水冷结晶器内，启动电磁搅拌器和超声波振动装置，使二相材料混合均匀，并在水冷结晶器内快速冷却和结晶，引铸板上即得到与水冷结晶器内腔形状相同的含有增强硬质相的硬质相增强金属基复合材料，启动引铸板升降装置，将其向下牵引，即可使生产连续进行，并生产出所需长度的硬质相增强金属基复合材料；

所述的水冷结晶器中的熔渣为一元物质或者多元物质所组成的渣系，其渣系的物质为CaF₂、Al₂O₃、CaO、MgO、MnO、TiO₂、RE、RexOy、Na₂B₄O₇及其碱金属氧化物、氯化物、融盐；金属基材料为任何成份的黑色金属、有色金属、金属间化合物和包含稀土或稀土氧化物的黑色金属、有色金属、金属间化合物；增强硬质相材料为各种碳化物、氮化物、硼化物、氧化物等难熔化合物，其形状为颗粒、纤维、晶须、其含量为1％-70％。

2、根据权利要求1所述的硬质相增强金属基复合材料生产工艺，其特征是：水冷结晶器内腔的中心位置安装芯棒，芯棒的上部安装有超声波振动装置，重复上述工艺，即可生产出薄壁双金属硬质相增强金属基复合材料。

3、一种实现权利要求1的设备，即实现硬质相增强金属基复合材料生产工艺的设备，其特征是：该设备有一工作台，工作台上有一孔洞，孔洞内有引铸板和引铸板升降器，在工作台上连接有水冷结晶器，水冷结晶器外安装有电磁搅拌器，在水冷结晶器的上部连接有送料器和中间包。

4、根据权利要求3所述的硬质相增强金属基复合材料生产工艺的设备，其特征是：中间包包括包体、控制阀、流槽、加热器，包体内连接有控制阀，在包体的底部连接有流槽，流槽与控制阀相通，包体外连接有加热器。

5、根据权利要求3所述的硬质相增强金属基复合材料生产工艺的设备，其特征是：水冷结晶器包括水箱、金属液位检测器、缓冷套、浇口杯，水箱的中心位置有一直筒状通孔，水箱的底部连接有冷却水入口，顶部连接有冷却水出口，水箱内顶部装有金属液位检测器，在水箱通孔的上部连接有缓冷套，在缓冷套的上部连接有浇口杯，浇口杯外连接有加热器，浇口杯采用耐火材料制作；水冷结晶器或为组合水冷结晶器，组合水冷结晶器由导电水冷结晶器、非导电水冷结晶器、高温绝缘垫、耐高温导电陶瓷组成，导电水冷结晶器位于非导电水冷结晶器上部，在导电水冷结晶器和非导电水冷结晶器之间连接有耐高温绝缘垫，导电水冷结晶器的内壁上涂有一层耐高温导电陶瓷，非导电水冷结晶器的上部连接非金属缓冷套。

6、根据权利要求3所述的硬质相增强金属基复合材料生产工艺的设备，其特征是：加热器为电极加热器或者感应加热器，加热器为整体环状或者由多个小型分体线圈构成，其中小型分体线圈的分布为偶数对称分布在浇口杯的外侧四周。

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