CN2278696Y - 制造碳化硅颗粒增强铝合金复合材料的功率超声熔炼炉 - Google Patents

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本实用新型涉及一种用于制造碳化硅颗粒增强铝合金复合材料的功率超声熔炼炉、它由炉体和功率超声室构成,功率超声辐射器通过升降器可插入熔融的铝液中进行超声波搅拌,特别适用于微米级的SiCp与Al液之间的充分润湿和均匀混合,从而可制得性能优良的SiCp/Al复合材料。增强颗粒除SiCp外,也可以用Al2O3、TiO2、B4C、AlN、Si3N4、SiO2、C等,均可用此装置制得性能优良的金属基复合材料。

Description

制造碳化硅颗粒增强铝合金复合 材料的功率超声熔炼炉
本实用新型涉及一种用于制造碳化硅颗粒增强铝合金复合材料的功率超声熔炼炉，它属于铸造法制造金属基复合材料的一种新装置。
目前国内外制造碳化硅颗粒增强铝合金(SiCp/Al)复合材料的方法有许多种：粉末冶金法、预制件浸渍法、喷射共沉积法和铸造法等，其中铸造法又有旋涡搅拌铸造法、复合铸造法、真空搅拌法等。由于铸造法对设备要求低、工艺较简单、原料成本低廉，成为国内外研究的热点，也是最有希望用于工业化大生产的方法。1988年美国Duranl公司的D·Skibo等人发明了真空搅拌法，并申请了美国专利(美国专利号4759995号)，该公司于1990年用这种方法投入工业化生产，目前年产量已达11340吨。该专利的主要特点是：在真空条件下，用多级叶片组成的搅拌器，搅拌铝合金液和SiCp，使两者相互润湿和均匀混合。搅拌时铝液表面只产生很小的旋涡，从而避免了气体和氧化膜的卷入。但是真空搅拌也没有完全解决SiCp与Al液相互润湿的问题，还存在SiCp成团和偏聚等缺陷。而且SiCp粒径越小，这些问题就越严重，所以通常只能用大于10μm的颗粒。可是颗粒越细，对于金属基复合材料的增强效果就越好，因此为了获得增强效果更好的金属基复合材料，很有必要寻求使微米级的颗粒在金属液中润湿且均匀分散的新装置。
本实用新型的目的在于提供一种制造碳化硅颗粒增强铝合金复合材料的功率超声熔炼炉，该熔炼炉采用功率超声波搅拌代替机械搅拌，特别适用于铝合金液与微米级的(10μm～1μm)SiCp之间的充分润湿和均匀混合，从而可制造力学性能优良的SiCp/Al复合材料。
为了达到上述目的，本实用新型是通过下述装置加以实现的：一个密封的炉体，它的外壳用钢制成，内衬有耐火保温层，炉膛内壁用碳化硅块砌成，并采用刚玉绝缘环隔离成加热区及炉膛底区。该熔炼炉的特征在于：在炉体顶盖上设有一个密封的功率超声室，室内设置功率超声波换能器和幅射器，换能器的外罩是一个夹层式的水冷罩，水冷罩上端连接一根同心套管，内套管穿引换能器的电源线并接冷却水的进口，外套管是出水管和超声波装置的升降轴，并与安装在炉体顶盖上的液压升降器相配合。
附图为本实用新型的结构示意图，其中(1)外壳、(2)耐火保温层、(3)炉膛底、(4)和(6)刚玉环、(5)电热环、(7)铝合金液、(8)炉壁、(9)观察孔、(10)进料口盖、(11)保温层、(12)炉盖、(13)活动盖板、(14)功率超声室外壳、(15)超声波幅射器、(16)水冷夹层(17)超声波换能器固定架、(18)超声波换能器、(19)水冷罩、(20)密封轴套、(21)冷却水出水管、(22)冷却水进水管、(23)抽气管、(24)充Ar气管、(25)出料口、(26)液压升降器、(27)进水口、(28)出水口、(29)接超声波发生器(30)热电偶、(31)炉底垫块。
结合附图对本实用新型作进一步的说明：
铝合金块和预处理过的SiCp1按规定的重量比，从进料口装进炉膛内，先抽真空至5×10-5乇，然后炉内充入Ar气或N2气。升温至750℃保温半小时，至全部Al块熔化。用液压升降器把功率超声波换能器下降到炉膛内，将超声波幅射器插入铝合金液中1cm左右，用功率为4KW、频率为20KHz、振幅为15μm的超声波搅拌铝合金液10～15分钟，温度应控制在800℃左右。搅拌完毕将超声波装置上升至原来的位置，将活动盖板盖好。超声波换能器的工作温度不能超过100℃，因此用水冷却罩进行冷却，并安置在温度较低的功率超声室内。熔炼好的SiCp/Al复合材料从出料口倒出，浇铸成锭。
下面结合实施例说明功率超声熔炼炉的操作过程：
实施例：
金属基为2024Al合金，增强体为粒径3.5μm的α-SiCp，加入量为15Vol％。先用超声波清洗SiCp，离心机分离后进行真空烘烤封罐。然后按规定的重量比将铝合金和封装有SiCp的铝罐装进功率超声熔炼炉内，先抽真空至5×10-5乇，然后炉内充入Ar气或N2气，升温至750℃，保温半小时，至全部Al块熔化。再用功率超声波处理10～15分钟，温度应控制在800℃左右。最后用钢模浇铸成锭材。这种复合材料记作SiCp/2024Al，经电子显微镜对SiCp/2024Al样品的观察，SiCp在Al合金中分散均匀，颗粒间相互分开，没有发现团聚的现象。SiCp与Al合金基体之间润湿良好。没有明显的气孔存在。
取SiCp/2024Al的样品进行力学性能测试，其结果如表一所示：表一  SiCp/2024Al与基体合金性能比较
品    种 SiCp含量3.5μm 抗拉强度(MPa) 屈服强度(MPa) 弹性模量(GPa)   延伸率(％)   热膨胀系数×10-6
    2024Al     O   446.8     303.8     67.3     32     20.2
 SiCp/2024Al  15Vol％   556     410     103.5     4.42     15.4
    增加％   24.4％     35％     53.8％     -86％     -23.8％
从表一中我们可知，与基体合金相比，SiCp/2024Al复合材料的抗拉强度提高了24.4％，屈服强度提高了35％，弹性模量增加了53.8％。塑性则有所下降。热膨胀系数下降了23.8％。表明这种复合材料具有良好的热稳定性和力学性能。
本实用新型制造金属基复合材料的适用性较广泛：金属基除铝合金外，还可以是锌合金、镁合金、铜合金、钛合金、镍合金等；增强颗粒除SiC外，也可以用Al2O3、Si3N4、C(石墨)、TiO2、B4C、AlN、SiO2等，均可以用本实用新型装置制造出性能优良的金属基复合材料来。

Claims (1)

1、一种制造碳化硅颗粒增强铝合金复合材料的功率超声熔炼炉，它由一个炉体构成，炉体有钢制的外壳，内衬有耐火保温层，炉膛由碳化硅块砌成，并采用二个刚玉绝缘环隔成加热区和炉膛底区，该熔炼炉的特征在于：在炉体顶盖上设有一个密封的功率超声室，室内设置功率超声波换能器和幅射器，换能器的外罩是一个夹层式的水冷罩，水冷罩上端连接一根同心套管，内套管穿引换能器的电源线并接冷却水的进口，外套管是出水管和超声波装置的升降轴，并与安装在炉体顶盖上的液压升降器相配合。
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