CN111974962A - 一种表面增强梯度复合材料铸造设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种表面增强梯度复合材料铸造设备和方法，属于金属基梯度复合材料制备领域。该铸造设备由熔炼坩埚、电磁感应线圈、电磁分离流道、辅助电磁分离芯棒、冷却装置和牵引机构组成。本发明设备结构简单、操作维修方便、生产效率高、适用范围广，能够批量工业化连续生产表面增强梯度复合材料，增强相在铸坯表层均匀分布、在过渡层逐渐减少、在内部基材区无增强相，该材料表面硬度高、耐腐蚀和耐高温，内部具有优良的导电、导热和强度高、韧性好等特性，增强相与基体匹配度高，本发明的制备方法工艺流程短、生产效率高、材料结构/性能可控制性强。

Description

一种表面增强梯度复合材料铸造设备和方法

技术领域

本发明属于金属基梯度复合材料制备领域，具体涉及一种表面增强梯度复合材料铸造设备和方法。

技术背景

在先进耐磨材料领域，陶瓷/金属基表面增强梯度复合材料通过对金属材料表面进行复合化，获得表层具有耐磨功能的陶瓷/金属复合层，且陶瓷增强相体积分数从表面复合层向金属基体内部缓慢过渡，以连续变化的组分梯度来代替突变界面。因此，相较于“均质复合材料”或“非连续复合材料”，制备陶瓷/金属基表面增强梯度复合材料将充分发挥陶瓷良好的耐磨、耐高温和金属导电、导热和韧性好的特点，解决金属和陶瓷之间热膨胀系数不匹配的问题。

陶瓷/金属基表面增强梯度复合材料的制备方法主要分为两种：第一种是在材料制备初期精确地形成组元逐层梯度分布；第二种类型是利用原子的扩散、流体的流动或热传导等自然传输现象在材料局部的显微结构中形成梯度分布。上述制备方法普遍存在制备工艺复杂、效率低、成本高、材料性能不稳定等问题。电磁分离法是一种新型金属基功能梯度复合材料制备方法，具有制备工艺简单、成本低等优点。其基本原理是基于金属熔体与增强相导电性的差异，利用高频磁场产生的电磁力控制增强相在熔体中的迁移和分布来实现金属基功能梯度复合材料的制备。现有制备工艺主要为模壳法，由于增强相的形成、迁移及复合材料的凝固过程均在同一个模壳内同时进行，增强相的梯度分布较难控制且制备过程不连续、效率较低，只适合单件生产；此外，由于交变磁场在金属熔体中的集肤效应，在利用交变磁场进行大尺寸表面增强梯度复合材料制备时，只有熔体集肤层深度内的增强相受到电磁力作用而向表面迁移，集肤层外增强相因不受电磁力作用而均匀分布于熔体中，最终无法获得表面增强梯度复合材料。

因此，开发一种增强相分离效率高、在表层一定厚度内均匀分布且向内部缓慢过渡，工艺连续流程短、高效的表面增强梯度复合材料铸造设备及制备新方法，具有十分重要的意义。

发明内容

本发明将电磁分离原理与连铸成形原理相结合，结合辅助电磁分离结构构成一种电磁分离表面增强梯度复合材料连铸技术。通过在传统连铸设备控制凝固的装置前端设计电磁分离流道，将增强相形成及迁移过程与梯度复合材料凝固过程分离，为了克服交变磁场的集肤效应并提高电磁分离效率，在电磁分离流道内设置辅助电磁分离芯棒结构，调节辅助电磁分离芯棒与电磁分离流道间缝隙消除集肤效应。金属熔体从电磁分离流道与辅助电磁分离芯棒间缝隙通过时，利用高频磁场对金属熔体的加热作用对金属熔体温度进行控制，实现增强相尺寸、形貌控制；利用交变磁场作用下增强相所受电磁力对增强相在熔体中分布进行调控，最终在电磁分离流道出口得到增强相只在熔体表层一定厚度集中分布的不均匀分布熔体，随后在电磁分离流道下部铸型及冷却装置的冷却作用下凝固成形，得到表面增强梯度复合材料。

本发明的目的在于提供一种表面增强梯度复合材料铸造设备及方法，解决传统电磁分离法存在的增强相分离效率低、增强相在表层分布难控制，制备流程长、过程不连续以及效率较低等缺点。

根据本发明的第一方面，提供一种表面增强梯度复合材料铸造设备，其特征在于，所述铸造设备由熔炼坩埚、电磁感应线圈、电磁分离流道、辅助电磁分离芯棒、铸型、冷却装置和牵引机构组成，

所述熔炼坩埚用于熔化被铸金属形成金属熔体，并对金属熔体的温度进行控制；

所述电磁分离流道与所述熔炼坩埚连通，电磁分离流道外部设置有连通高频电源的所述电磁感应线圈，电磁分离流道由不会屏蔽磁场且不与熔体反应的材料加工而成，通过调节所述电磁感应线圈的功率和频率，可以控制电磁分离流道内部熔体温度和增强相的运动；

所述辅助电磁分离芯棒与电磁分离流道同轴放置，由不与金属熔体反应的材料加工而成，沿金属熔体流动方向根据横截面形状不同分为两段，辅助电磁分离芯棒前段的横截面形状与电磁分离流道相同，但外轮廓尺寸小于电磁分离流道内腔尺寸，形成供金属熔体通过的缝隙，辅助电磁分离芯棒后段为圆锥体，通过调节辅助电磁分离芯棒与电磁分离流道间的缝隙，改变增强相在金属熔体表面的分布；

所述铸型设置在电磁分离流道下部，用于控制表面增强梯度复合材料的凝固和成形；

所述冷却装置设置在铸型下部，用于对金属熔体进行强制冷却，使热量沿着金属熔体轴向和径向散失，铸坯沿着逆热流方向凝固生长，增强相随金属熔体凝固形成表面增强梯度复合材料；

所述牵引机构沿着铸坯拉制方向安装在冷却装置后部，用于对表面增强梯度复合材料进行连续拉制。

进一步的，所述铸型采用冷却铸型、加热铸型、两相区铸型、低热铸型、梯温铸型或热-冷组合铸型的任何一种。

进一步的，所述熔炼坩埚可由中间包取代，以便于进行连续生产。

进一步的，所述电磁分离流道设置于所述熔炼坩埚上部、下部或侧部，当电磁分离流道设置于所述熔炼坩埚上部或侧部时，金属熔体在液体静压力作用下流入电磁分离流道中；当电磁分离流道设置于所述熔炼坩埚下部时，金属熔体在重力作用下流入电磁分离流道中。

进一步的，所述电磁分离流道的数量为一个或多个。

进一步的，所述冷却装置包括：一次冷却装置和/或二次冷却装置，所述一次冷却装置设置在铸型出口附近，所述二次冷却装置设置在一次冷却装置和牵引机构之间。

进一步的，整个铸造成形过程可以采用人工控制或计算机控制，铸造方法可以是下拉式、上引式、水平式、弧形式或倾斜式中的任意一种。

根据本发明的第二方面，提供一种表面增强梯度复合材料铸造方法，所述铸造方法基于以上任一项所述的铸造设备，所述铸造方法包括如下步骤：

步骤1：被铸金属在熔炼坩埚中加热熔化形成金属熔体，并从熔炼坩埚流入电磁分离流道；

步骤2：通过电磁感应线圈实现对电磁分离流道内金属熔体温度的控制，进而对增强相的形成过程进行调控，在电磁力和电磁分离流道与辅助电磁电磁分离芯棒之间缝隙的共同作用下，使增强相分布于金属熔体表面，在所述电磁分离流道出口处形成中心无增强相、表层一定厚度内增强相均匀分布且向内部缓慢过渡的非均匀金属熔体混合体；

步骤3：通过冷却装置对非均匀金属熔体混合体进行强制冷却，热量沿着金属熔体轴向和径向散失，铸坯沿着逆热流方向凝固生长，增强相随金属熔体凝固形成表面增强梯度复合材料；

步骤4：在牵引机构的作用下，凝固的表面增强梯度复合材料被连续移出铸型，实现连续制备表面增强梯度复合材料铸坯。

进一步的，步骤1中形成金属熔体后，向所述金属熔体添加增强相形成金属熔体混合体，并从熔炼坩埚流入电磁分离流道。

进一步的，步骤1中，所述熔炼坩埚放置于真空或充入惰性气体保护的环境中。

进一步的，步骤2中，所述电磁分离流道内金属熔体混合体的温度、所述增强相的形成及运动、分布通过所述电磁感应线圈功率和频率进行调控以及电磁分离流道与辅助电磁分离芯棒间缝隙宽度控制，功率为：1～100kW，频率为：10～100kHz。

进一步的，所述表面增强梯度复合材料的冷却速度由铸型温度、冷却装置的冷却强度以及牵引机构的拉坯速度控制。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明的表面增强梯度复合材料铸造设备简单、操作维修方便、生产效率高、适用范围广，能够连续批量工业化生产结构/性能可调的表面增强梯度复合材料，且增强相与基体匹配度高，材料表面硬度高、耐腐蚀和耐高温，内部具有优良的导电、导热和强度高、韧性好等特性。

(2)本发明的表面增强梯度复合材料铸造方法，通过在电磁分离流道内设置辅助电磁分离芯棒，调节电磁分离流道与辅助电磁分离芯棒间缝隙宽度，消除交变磁场集肤效应。该方法易实现增强相形成及分布调控，制备表面增强梯度复合材料中增强相在表层均匀分布且与内部金属件缓慢过度，结构/性能可控制性强，能够满足不同使用条件下对表面增强梯度复合材料的需求。

(3)本发明的表面增强梯度复合材料铸造方法应用范围广泛，凡金属熔体与增强相的导电率、相对磁导率存在差异均可实现表面增强梯度复合材料铸造成形。金属基体材料可以是大多数纯金属或钢铁、铝合金、铜合金、钛合金、镁合金等合金，增强相可以外加或自生陶瓷材料，如SiO₂、Al₂O₃、TiC、B₄C、SiC、WC、VC、AlN、TiN、TiB₂、Ti₂AlC等，而且可近终成形表面增强梯度复合线材、管材、板材、带材、棒材及型材等产品。

附图说明

图1为本发明的一种表面增强梯度复合材料铸造设备示意图。

其中，1为被铸金属熔体；2为熔炼坩埚；3为增强相；4为辅助电磁分离芯棒；5为电磁感应线圈；6为电磁分离流道；7为铸型；8为冷却装置；9为表面增强梯度复合材料铸坯；10为牵引机构。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的熟练技术人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整。

结合附图1对本发明的表面增强梯度复合材料铸造设备具体说明如下：

铸造设备构成为：由熔炼坩埚2、辅助电磁分流芯棒4、电磁感应线圈5、电磁分离流道6、铸型7、冷却装置8和牵引机构10组成。

在熔炼坩埚2下(或上、或旁)设置一个或多个电磁分离流道6，流道外为连通高频电源的电磁感应线圈5，可对辅助电磁分离流道与电磁分离流道缝隙内熔体进行控温并实现增强相3形成和分离；熔炼坩埚2也可以用中间包取代，以便于进行连续生产；熔炼坩埚2中金属熔体在重力(或液体静压力)作用下流入电磁分离流道6中，电磁分离流道6中设置辅助电磁分离芯棒4，辅助电磁分离芯棒4由不与金属熔体反应的材料组成，电磁分离流道6由不与被铸金属熔体反应且不会屏蔽电磁场的材料制成，电磁分离流道6外部电磁感应线圈5接通高频电源后在熔体内感生出电磁场，电磁场与金属熔体相互作用产生焦耳热可实现对熔体温度调控，控制增强相3的形貌和尺寸；在电磁力和电磁分离流道6与辅助电磁电磁分离芯棒4之间缝隙的共同作用下，在电磁分离流道6出口处形成中心无增强相3、表层一定厚度内增强相3均匀分布且向内部缓慢过渡的非均匀金属熔体混合体；在电磁分离流道下设置铸型7，在铸型下设置冷却装置8，对被铸金属进行强制冷却，使铸坯内热量沿着轴向和径向散失，铸型内熔体沿着逆热流方向凝固生长，增强相随金属熔体凝固形成表面增强梯度复合材料铸坯9；沿着铸坯拉制方向在冷却装置8后面安装牵引机构10，对表面增强梯度复合材料铸坯9进行连续拉制。

本发明的表面增强梯度复合材料铸造方法，包括：

温度高于被铸金属液相温度以上的被铸金属熔体1从熔炼坩埚2中流入辅助电磁分离流道4与电磁分离流道6构成的缝隙中；通过电磁感应线圈5实现对电磁分离流道内金属熔体混合体温度控制，进而对增强相3的形成过程进行调控，在电磁力和电磁分离流道6与辅助电磁电磁分离芯棒4之间缝隙的共同作用下，在电磁分离流道6出口处形成中心无增强相3、表层一定厚度内增强相3均匀分布且向内部缓慢过渡的非均匀金属熔体混合体；通过铸型7出口附近设置的冷却装置8对被铸表面增强梯度复合材料铸坯9进行强制冷却；在牵引机构10的作用下，连续拉制表面增强梯度复合材料铸坯9。

熔炼坩埚2可放置于真空或充入氩气等惰性气体保护的环境中；增强相3为外加或原位自生；电磁分离流道内金属熔体混合体5的温度，增强相的形成及运动可通过电磁感应线圈4功率和频率进行调控，电磁感应线圈4及辅助电磁分离芯棒5共同决定增强相分布；被铸表面增强梯度复合材料的冷却速度由铸型7的温度、冷却装置8的冷却强度以及牵引机构10的拉坯速度控制。

整个铸造成形过程可以采用人工控制或计算机控制；铸造方法可以是下拉式、上引式、水平式、弧形式或倾斜式中的任意一种。

实施例1：

直径为200mm的Al₂O₃/Al基表面增强梯度复合棒材制备。外加Al₂O₃陶瓷颗粒体积分数为20％的Al金属熔体1从充有氩气保护的熔炼坩埚2中流入电磁分离流道6中；辅助电磁分离芯棒4前段直径为190mm，电磁感应线圈5频率为2kHz，调节功率控制辅助电磁分离芯棒4与电磁分离流道6缝隙内金属熔体的温度，使得电磁分离流道6出口处金属熔体温度为700℃；铸型7内冷却水温度为18℃、流量为1000L/h，冷却装置8内冷却水温度为18℃、流量为500L/h，对Al₂O₃表面增强Al基梯度复合材料进行强制冷却；牵引机构10以30mm/min的拉坯速度进行连续拉制，获得Al₂O₃/Al基表面增强梯度复合棒材9。所制备的Al₂O₃/Al基表面增强梯度复合棒材表面质量好，Al₂O₃颗粒在棒材表层2mm内均匀分布并向缓慢减少过渡，棒材内部组织细小致密，具有较高的表面硬度和耐磨性、并保持中心优异的韧性。

实施例2：

宽度为200mm、厚度为20mm的TiC/Cu基表面增强梯度复合带材制备。加入TiO₂、C的Cu熔体1从充有氩气保护的熔炼坩埚2中流入电磁分离流道6中；辅助电磁分离芯棒4前段宽度为190mm、厚度为10mm，电磁感应线圈5频率为1.5kHz，调节功率控制辅助电磁分离芯棒4与电磁分离流道6缝隙内金属熔体的温度，使得电磁分离流道6出口处金属熔体温度为1100℃；铸型7内冷却水温度为18℃、流量为1000L/h，冷却装置8内冷却水温度为18℃、流量为500L/h，对TiC/Cu基梯度复合带材进行强制冷却；牵引机构10以30mm/min的拉坯速度进行连续拉制，获得TiC/Cu基梯度复合带材9。所制备的TiC/Cu基梯度复合带材表面质量好，TiC增强相在带材表层1.5mm内均匀分布并向内部缓慢减少过渡，带材内部组织细小致密，具有较高的表面硬度和耐磨性、并保持中心优异的韧性和导电性。

实施例3：

TiC/Cu基表面增强梯度复合T型带材制备。加入TiO₂、C的Cu熔体1从充有氩气保护的熔炼坩埚2中流入电磁分离流道6中；电磁感应线圈5频率为3kHz，辅助电磁分离芯棒4前段与电磁分离流道形成宽度为5mm的缝隙，调节功率控制辅助电磁分离芯棒4与电磁分离流道6缝隙内金属熔体的温度，使得电磁分离流道6出口处金属熔体温度为1100℃；铸型7内冷却水温度为18℃、流量为1000L/h，冷却装置8内冷却水温度为18℃、流量为600L/h，对TiC/Cu基梯度复合T型带材进行强制冷却；牵引机构10以30mm/min的拉坯速度进行连续拉制，获得TiC/Cu基梯度复合T型带材9。所制备的TiC/Cu基梯度复合T型带材表面质量好，TiC增强相在T型带材表层1.5mm内均匀分布并向内部缓慢减少过渡，T型带材内部组织细小致密，具有较高的表面硬度和耐磨性、并保持中心优异的韧性和导电性。

Claims (10)

1.一种表面增强梯度复合材料铸造设备，其特征在于，所述铸造设备由熔炼坩埚、电磁感应线圈、电磁分离流道、辅助电磁分离芯棒、铸型、冷却装置和牵引机构组成；

所述熔炼坩埚用于熔化被铸金属形成金属熔体，并对金属熔体的温度进行控制；

所述电磁分离流道与所述熔炼坩埚连通，电磁分离流道外部设置有连通高频电源的所述电磁感应线圈，电磁分离流道由不会屏蔽磁场且不与熔体反应的材料加工而成，通过调节所述电磁感应线圈的功率和频率，可以控制电磁分离流道内部熔体温度和增强相的运动；

所述辅助电磁分离芯棒与电磁分离流道同轴放置，由不与金属熔体反应的材料加工而成，沿金属熔体流动方向根据横截面形状不同分为两段，辅助电磁分离芯棒前段的横截面形状与电磁分离流道相同，但外轮廓尺寸小于电磁分离流道内腔尺寸，形成供金属熔体通过的缝隙，辅助电磁分离芯棒后段为圆锥体，通过调节辅助电磁分离芯棒与电磁分离流道间的缝隙，改变增强相在金属熔体表面的分布；

所述铸型设置在电磁分离流道下部，用于控制表面增强梯度复合材料的凝固和成形；

所述冷却装置设置在铸型下部，用于对金属铸坯进行强制冷却，使所述铸型中热量沿着金属熔体轴向和径向散失，铸坯沿着逆热流方向凝固生长，增强相随金属熔体凝固形成表面增强梯度复合材料；

所述牵引机构沿着铸坯拉制方向安装在冷却装置后部，用于对表面增强梯度复合材料进行连续拉制。

2.根据权利要求1所述的表面增强梯度复合材料铸造设备，其特征在于，所述熔炼坩埚能够由中间包取代，以便于进行连续生产。

3.根据权利要求1所述的表面增强梯度复合材料铸造设备，其特征在于，所述电磁分离流道设置于所述熔炼坩埚上部、下部或侧部，当电磁分离流道设置于所述熔炼坩埚上部或侧部时，金属熔体在液体静压力作用下流入电磁分离流道中；当电磁分离流道设置于所述熔炼坩埚下部时，金属熔体在重力作用下流入电磁分离流道中，所述电磁分离流道的数量为一个或多个。

4.根据权利要求1所述的表面增强梯度复合材料铸造设备，其特征在于，所述铸型采用冷却铸型、加热铸型、两相区铸型、低热铸型、梯温铸型或热-冷组合铸型中的任何一种。

5.根据权利要求1所述的表面增强梯度复合材料铸造设备，其特征在于，所述冷却装置包括：一次冷却装置和/或二次冷却装置，所述一次冷却装置设置在铸型出口附近，所述二次冷却装置设置在一次冷却装置和牵引机构之间。

6.一种表面增强梯度复合材料铸造方法，所述铸造方法基于根据权利要求1至5中任一项所述的表面增强梯度复合材料铸造设备，所述铸造方法包括如下步骤：

步骤1：被铸金属在熔炼坩埚中加热熔化形成金属熔体，并从熔炼坩埚流入电磁分离流道；

步骤2：通过电磁感应线圈实现对电磁分离流道内金属熔体温度的控制，进而对增强相的形成过程进行调控，在电磁力和电磁分离流道与辅助电磁分离芯棒之间缝隙的共同作用下，使增强相分布于金属熔体表面，在所述电磁分离流道出口处形成外表面增强相集中分布且向内部缓慢减少、内部无增强相的金属熔体混合体；

步骤3：所述铸型和冷却装置实现表面增强梯度复合材料凝固成形，冷却装置对金属熔体混合体进行强制冷却，热量沿着金属熔体轴向和径向散失，金属熔体混合体沿着逆热流方向凝固生长，增强相随金属熔体凝固形成表面增强梯度复合材料；

步骤4：在牵引机构的作用下，已凝固的表面增强梯度复合材料被连续移出铸型，实现连续制备表面增强梯度复合材料铸坯。

7.根据权利要求6所述的表面增强梯度复合材料铸造方法，其特征在于，步骤1中形成金属熔体后，向所述金属熔体添加增强相形成金属熔体混合体，并从熔炼坩埚流入电磁分离流道。

8.根据权利要求6所述的表面增强梯度复合材料铸造方法，其特征在于，步骤1中，所述熔炼坩埚放置于真空或充入惰性气体保护的环境中。

9.根据权利要求6所述的表面增强梯度复合材料铸造方法，其特征在于，步骤2中，所述电磁分离流道内金属熔体混合体的温度、所述增强相的形成、运动及分布通过所述电磁感应线圈功率和频率协同辅助电磁分离芯棒进行调控，功率为：1～100kW，频率为：10～100kHz。

10.根据权利要求6所述的表面增强梯度复合材料铸造方法，其特征在于，所述表面增强梯度复合材料的冷却速度由铸型温度、冷却装置的冷却强度以及牵引机构的拉坯速度控制，铸造成形过程采用人工控制或计算机控制，铸造方法为下拉式、上引式、水平式、弧形式或倾斜式中的任意一种。

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