CN1298457C

CN1298457C - 一种制备颗粒增强铝基复合材料的真空机械双搅拌铸造法

Info

Publication number: CN1298457C
Application number: CNB2005100115260A
Authority: CN
Inventors: 韩建民; 吴召玲; 李卫京; 陈怀君; 徐向阳; 崔世海; 李荣华; 刘元富; 沙镇嵩; 王金华
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2005-04-05
Filing date: 2005-04-05
Publication date: 2007-02-07
Anticipated expiration: 2025-04-05
Also published as: CN1676237A

Abstract

一种制备颗粒增强铝基复合材料的真空机械双搅拌铸造法，铝料化清，降温，除渣；在真空下反向慢速内搅拌完成除气过程，将经过预处理的增强颗粒加入到除渣后的铝液表面，通过内外正方向同时搅拌，将增强颗粒卷入熔体内，停止外搅拌，在保持液面平稳的情况下，高速内搅拌使增强颗粒均匀分布在液体内，升温，然后通过内外反向双搅拌慢速旋转完成除气过程；加入变质剂和细化剂，通过内搅拌慢速旋转使其熔入熔体并均匀分布；卸真空，出炉，浇铸成铸锭。本发明采用的设备简单，通过在真空下进行内外双搅拌，很好的克服了铝液和陶瓷颗粒之间的润湿性问题，界面结合良好，陶瓷颗粒在基体中分散均匀，无明显的团聚和偏聚现象，所制备的复合材料孔隙率低。

Description

一种制备颗粒增强铝基复合材料的真空机械双搅拌铸造法

技术领域

本发明涉及一种制备颗粒增强铝基复合材料的真空机械双搅拌铸造法，尤其是在真空条件下，通过内外双搅拌制备复合材料的方法。

背景技术

颗粒增强铝基复合材料由于具有高比强度、比刚度和比模量，良好的抗耐磨损性能以及低密度和良好的热传导性等优异的性能而倍受各国的广泛关注和研究。到目前为止比较成熟的陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备方法有粉末冶金法、压力浸渗法、喷射沉积法和搅拌铸造法，最具有竞争力和应用前景的是粉末冶金法和搅拌铸造法。相比于粉末冶金法，机械搅拌铸造法具有设备、工艺简单，成本低等优点，是颗粒增强铝基复合材料大规模生产的最有效的方法之一。

机械搅拌铸造法是将增强颗粒加入到铝熔体表面，利用机械搅拌手段将增强颗粒带入液体并使其分散在液体内，然后浇注成铸锭。机械搅拌法制备颗粒增强铝基复合材料存在的主要问题是：①增强颗粒和熔液之间的润湿性差，导致增强颗粒团聚，偏聚，以致增强颗粒在基体中分布不均匀，影响复合材料的性能；②铝基复合材料熔体的粘性大，表面张力高，增强颗粒难以进入并均匀分散在熔体内；③搅拌制备过程中，容易卷气，加之铝基复合材料表面张力大，卷入气体难以排除，制备的复合材料气孔率高。目前改善颗粒浸润性的方法主要是在增强颗粒表面涂覆镍、铜等金属，对增强颗粒进行有机溶剂清洗或者真空等离子轰击等，但这些处理工艺复杂，成本高，实现难度大；为使增强颗粒进入并均匀分散在熔体内，目前主要通过提高搅拌器的转速，对熔体进行强力搅拌，而过高的搅拌速度会使液面上的增强颗粒飞扬太大，增强颗粒易被真空系统抽走，另外增强颗粒在强搅拌力的作用下，有部分增强颗粒在离心力的作用下，逐渐堆积在坩埚壁上，导致复合材料中增强颗粒含量不准确，而且搅拌速度过高，熔体容易飞溅和裹气，影响复合材料的致密度，熔体表面的浮渣、氧化物容易被卷入熔体，形成夹渣、气孔等缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术是针对机械搅拌铸造制备颗粒增强铝基复合材料过程中，增强颗粒和基体熔液间润湿性差，增强颗粒难以进入并均匀分散在熔体中，复合材料气孔率高等问题，提供一种真空机械双搅拌制备高质量颗粒增强铝基复合材料的方法。

本发明的技术方案：

一、备料

1.按增强颗粒与铝料的重量比称取增强颗粒和铝料。

2.将变质剂和细化剂按铝料的重量比称取变质剂和细化剂的质量。

3.将增强颗粒过筛，除去团聚的颗粒团及其它杂质，在铝料置入坩埚的同时将增强颗粒置入烘箱中焙烧预处理，温度在400～500℃，以除去表面杂质和吸附水分，直到陶瓷颗粒加入时为止。

二、材料复合过程

1.将铝料置入坩埚中进行熔化，铝料化清后，关断加热电源，使温度控制在695～705℃时，扒渣后盖上配有搅拌器的真空罩，接着对坩埚抽真空，真空度为-0.08～-0.1MPa，启动内搅拌器进行慢速反向搅拌，搅拌速度为250～300转/分，目的是除去熔体中裹附的气体。

2.铝液温度降至605℃～615℃时，停止搅拌，卸真空，将预处理过的增强颗粒通过真空罩的观察孔加入到铝熔液表面，抽真空，真空度为-0.08～-0.1MPa，同时启动内外搅拌器，内搅拌器正方向慢速搅拌，其转速渐升到250～300转/分，外搅拌器正向旋转，其转速渐升到100～120转/分；速度提升时要保持较平稳的熔体表面，增强颗粒由内搅拌产生的旋涡作用力带入熔体，并通过外搅拌不断将堆积在坩埚壁上的增强颗粒推入涡流中心，使增强颗粒很快卷入熔体，完成增强颗粒向熔体的加入过程；增强颗粒卷入熔体的过程需要10～15分钟。

3.待增强颗粒完全加入后停止外搅拌，继续内搅拌并提升速度，提升过程要保持液面平稳。温度在570～580℃时，对熔体进行高速强力内搅拌，搅拌速度为1000～1200转/分，高速搅拌20～30分钟，高效率地将团聚的增强颗粒团破碎，均匀地分散于熔体中，完成增强颗粒与熔体的混匀过程。

4.增强颗粒与熔体混匀后，升温。在升温的过程中继续内搅拌，并逐渐降速，速度的降低过程要保持液面平稳。升温10分钟时，改变内搅拌器的转向，进行反向内搅拌，并根据液面平稳情况继续降低速度，不断将底部的熔体输送到熔体表面，同时启动外搅拌器正向慢速搅拌，将熔体表面结壳层破碎，使熔体中的气泡在真空作用下逸出，外搅拌速度为100～120转/分。

5.温度升至695～705℃，停止脱气过程，将变质剂和细化剂通过观察孔加入到熔液表面，启动内搅拌器以250～300转/分慢速正向内搅拌10～15分钟，使变质剂和细化剂进入并均匀分散在液体内，卸真空，出炉，浇铸成铸锭。

6.本发明所指的增强颗粒是碳化硅，铝料所指的是ZL101。

本方法使用的搅拌器为申请号：200510011105.8，发明名称：“制备碳化硅颗粒增强铝基复合材料的真空双搅拌装置”的双搅拌装置。

本发明相比现有技术可获得以下有益效果：

1.增强颗粒的预处理过程简单，通过过筛，高温焙烧，除去了大颗粒团聚团和细小的杂质及表面吸附水分，改善了增强颗粒与基体间的浸润性，提高了增强颗粒在基体中的分散性。

2.在扒渣后加增强颗粒前，进行抽真空并开启内搅拌器慢速反向搅拌，除去了坩埚中的气体。

3.在双相区的高速正方向搅拌中，避免了强烈搅拌造成的熔体飞溅和气体卷入，具有强烈的破碎增强颗粒团和使增强颗粒与熔体混合均匀的作用。

4.反向慢速内搅拌可将底部熔体输送到熔体表面，减少熔体对气泡逸出的静压力。正方向慢速外搅拌还可破碎浮在熔体表面的气泡和结壳层，在慢速反方向内搅拌和真空条件的配合下，使熔体中的气泡逸出熔体，减少复合材料中的气体。

5.该搅拌工艺使内外搅拌同时进行，且可实现同向、反向变速搅拌，大大增强了增强颗粒的卷入和均匀分散效率，以及熔体脱气效果，此外由于高温下是低速搅拌，减少了高温熔体对搅拌器的冲涮和腐蚀，降低了杂质含量。

附图说明

图1真空双搅拌设备示意图。

图2机械双搅拌法制备的碳化硅颗粒增强铝基复合材料金相照片，光学显微组织×400。

图中：1坩埚，2内搅拌器，3外搅拌器，4观察孔，5电阻炉。

具体实施方式

以碳化硅作为陶瓷增强颗粒，铝锶作为变质剂，铝钛硼作为细化剂的具体实施方式。

一、备料

1.按碳化硅与铝料的重量比为1∶4分别称取2.78kg铝料和750g碳化硅，铝料为ZL101，碳化硅粒度为20微米。

2.按铝锶、铝钛硼各与铝料的重量比为0.1∶25、0.03∶50、0.04∶25分别称取20g铝锶、25g铝钛硼。

3.将750g碳化硅颗粒过筛，除去团聚的颗粒团及其它杂质，在铝料置入坩埚的同时将碳化硅颗粒置入烘箱中焙烧预处理，温度在450℃，以除去表面杂质和吸附水分，直到碳化硅陶瓷颗粒加入时为止。

二、材料复合过程

1.将铝料置入坩埚1中进行熔化，铝料化清后，关断加热电源，使温度控制在700℃时，扒渣后盖上配有搅拌器的真空罩，接着对坩埚1抽真空，真空度为-0.09MPa，启动内搅拌器2进行慢速反向搅拌，搅拌速度为280转/分，目的是除去熔体中裹附的气体。

2.铝液温度降至610℃时，停止搅拌，卸真空，将预处理过的碳化硅增强颗粒通过真空罩的观察孔4加入到铝熔液表面，抽真空，真空度为-0.09MPa，同时启动内外搅拌器，内搅拌器2正方向慢速搅拌，其转速渐升到280转/分，外搅拌器3正向旋转，其转速渐升到110转/分；速度提升时要保持较平稳的熔体表面，碳化硅增强颗粒由内搅拌产生的旋涡作用力带入熔体，并通过外搅拌不断将堆积在坩埚壁上的碳化硅增强颗粒推入涡流中心，使碳化硅增强颗粒很快卷入熔体，完成碳化硅增强颗粒向熔体的加入过程；碳化硅增强颗粒卷入熔体的过程需要12分钟。

3.待碳化硅增强颗粒完全加入后停止外搅拌，继续内搅拌并提升速度，提升过程要保持液面平稳。温度在575℃时对熔体进行高速强力内搅拌，搅拌速度为1100转/分，高速搅拌25分钟，高效率地将团聚的碳化硅增强颗粒团破碎并均匀地分散于熔体中，完成碳化硅增强颗粒与熔体的混匀过程。

4.碳化硅增强颗粒与熔体混匀后，升温。在升温的过程中继续内搅拌，并逐渐降速，速度的降低过程要保持液面平稳。升温10分钟时，改变内搅拌器2的转向，进行反向内搅拌，并根据液面平稳情况继续降低速度，不断将底部的熔体输送到熔体表面，同时启动外搅拌器3正向慢速搅拌，将熔体表面结壳层破碎，使熔体中的气泡在真空下逸出熔体，外搅拌速度为110转/分。

5.温度升至700℃，停止脱气过程，将变质剂和细化剂通过观察孔4加入到熔液表面，启动内搅拌器2以280转/分慢速正向内搅拌12分钟，使变质剂铝锶和细化剂铝钛硼进入并均匀分散在液体内，卸真空，出炉，浇铸成铸锭。

按以上步骤采用机械双搅拌法制备的碳化硅颗粒增强ZL101铝基复合材料的金相照片，如说明书附图2所示，光学显微组织×400。

图中碳化硅颗粒分散均匀，无明显团聚和偏聚现象，界面结合质量好，气孔夹杂少。

Claims

1.一种制备颗粒增强铝基复合材料的真空机械双搅拌铸造方法，铝料置于坩埚中熔化，将增强颗粒加入到熔液表面，搅拌，使增强颗粒进入并分散在基体熔液内，升温，加入变质剂铝锶和细化剂铝钛硼，出炉浇注；其特征在于：

a.温度控制在695～705℃时，扒渣后，盖上配有搅拌器的真空罩，接着对坩埚(1)抽真空，真空度为-0.08～-0.1MPa，启动内搅拌器(2)进行慢速反向搅拌，搅拌速度为250～300转/分，目的是除去熔体中裹附的气体；

b.铝液温度降至605℃～615℃时，停止搅拌，卸真空，将预处理过的增强颗粒通过真空罩的观察孔(4)加入到铝熔液表面，抽真空，真空度为-0.08～-0.1MPa，同时启动内外搅拌器，内搅拌器(2)正方向慢速搅拌，其转速渐升到250～300转/分，外搅拌器(3)正向旋转，其转速渐升到100～120转/分；速度提升时要保持较平稳的熔体表面，增强颗粒由内搅拌产生的旋涡作用力带入熔体，并通过外搅拌不断将堆积在坩埚壁上的增强颗粒推入涡流中心，使增强颗粒很快卷入熔体，完成增强颗粒向熔体的加入过程；增强颗粒卷入熔体的过程需要10～15分钟；

c.待增强颗粒完全加入后停止外搅拌，继续内搅拌并提升速度，提升过程要保持液面平稳，温度在570～580℃时，对熔体进行高速强力内搅拌，搅拌速度为1000～1200转/分，高速搅拌20～30分钟，高效率地将团聚的增强颗粒团破碎，并均匀地分散于熔体中，完成增强颗粒与熔体的混匀过程；

d.增强颗粒与熔体混匀后，升温，在升温的过程中继续内搅拌，并逐渐降速，速度的降低过程要保持液面平稳，升温10分钟时，改变内搅拌器的转向，进行反向内搅拌，并根据液面平稳情况继续降低速度，不断将底部的熔体输送到熔体表面，同时启动外搅拌器正向慢速搅拌，将熔体表面结壳层破碎，使熔体中的气泡在真空作用下逸出，外搅拌速度为100～120转/分；

e.温度升至695～705℃，停止脱气过程，将变质剂和细化剂通过观察孔加入到熔液表面，启动内搅拌器以250～300转/分慢速正向内搅拌10～15分钟，使变质剂和细化剂进入并均匀分散在液体内，卸真空，出炉，浇铸成铸锭。

2.根据权利要求1所述的一种制备颗粒增强铝基复合材料的真空机械双搅拌铸造方法，其特征在于：所述的增强颗粒为碳化硅，将其过筛，除去团聚的颗粒团及其它杂质，在铝料ZL101置入坩埚的同时，将陶瓷增强颗粒置入烘箱中焙烧预处理，温度400～500℃，以除去表面杂质和吸附水分，直到陶瓷颗粒加入时为止。