專利名稱：一種組合電磁場下原位合成金屬基復(fù)合材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到一種組合電磁場下熔體反應(yīng)合成內(nèi)生顆粒增強相的金屬基 復(fù)合材料的新方法。
技術(shù)背景顆粒增強金屬基復(fù)合材料因具有復(fù)合的結(jié)構(gòu)特征和良好的理化及力學(xué)性能，已成為一種應(yīng)用越來越廣 泛的新型金屬功能材料。按增強相形貌劃分，金屬基復(fù)合材料主要分為顆粒增強金屬基復(fù)合材料和纖維增 強金屬基復(fù)合材料兩大類。顆粒增強金屬基復(fù)合材料的突出優(yōu)點是比強度高、增強體成本低、微觀結(jié)構(gòu)較 均勻、材料性能各向同性、可采用傳統(tǒng)加工工藝進行二次成型等。目前，顆粒增強金屬基復(fù)合材料的制備 方法較成熟的主要有兩種外加增強顆粒法和原位反應(yīng)生成法。外加增強顆粒法以金屬熔體外加增強顆粒 攪拌合成為主；原位反應(yīng)生成顆粒法制備顆粒增強金屬基復(fù)合材料的原理是在金屬基體熔液中加入或通入能生成第二相的合金元素或化合物，在一定溫度下與金屬基體熔液發(fā)生反應(yīng)，形成原位增強顆粒復(fù)合材料。 上述兩種制備顆粒增強金屬基復(fù)合材料的方法各有特點，但其制備過程中的最大難點卻是一個相同的 問題，即如何在保證金屬基體性能的前提下，控制顆粒增強相的尺寸、分布、形貌以及顆粒相與基體金屬 的界面潤濕性等特征，以保證復(fù)合材料具有組織均勻、致密，顆粒細小、彌散，材料綜合性能優(yōu)良等目標(biāo)。 解決該問題的最有效方法是采用熔體攪拌法，研究報道和工業(yè)上應(yīng)用的攪拌法包括機械攪拌法、氣體攪拌 法和電磁攪拌法。機械攪拌法是最簡單直接的方法，由于存在效率低，攪拌裝置污染金屬熔體并向熔體內(nèi) 部帶渣等缺點，不利于大規(guī)模連續(xù)化生產(chǎn)采用及提高產(chǎn)品質(zhì)量。氣體攪拌法的不足主要是攪拌強度有限、 攪拌不均勻以及噴吹氣體帶渣污染熔體等，也不利于提高產(chǎn)品質(zhì)量。電磁攪拌賣現(xiàn)無接觸攪拌，不破壞熔 池的氧化膜及頂渣保護層，不會給熔體帶來污染，而且攪拌強度易于實現(xiàn)精確調(diào)控，在冶金與材料制備過 程中應(yīng)用越來越廣泛。目前，單一電磁場攪拌作用下制備金屬基復(fù)合材料已經(jīng)有幾個專利技術(shù)，如中國專利CN1667147C,
公開日為2005.9.14，發(fā)明名稱為 一種工業(yè)規(guī)模制備內(nèi)生顆粒增強鋁基復(fù)合材料的制備方法，該專利提 出采用熔體反應(yīng)法+電磁攪拌處理+半連鑄成型集成技術(shù)。該方法是將含有增強顆粒形成元素的化合物在某 一溫度下加入到熔融的鋁或鋁合金中，同時施加電磁攪拌，使之充分反應(yīng)，并使內(nèi)生顆粒在熔體中分布較 均勻，獲得的復(fù)合材料熔體，經(jīng)半連鑄成棒材。中國專利CN 101199989，異頻復(fù)合電磁場下連續(xù)鑄造顆 粒增強金屬基復(fù)合材料的方法，提出在復(fù)合材料熔體制備過程中施加低頻交變磁場頻率為5 50Hz，功 率范圍為5 60kW，進行電磁攪拌。以上電磁場下制備顆粒增強復(fù)合材料所采用的磁場都為單一旋轉(zhuǎn)攪拌 磁場，電磁場也起到明顯的作用效果，但隨著技術(shù)的發(fā)展及對復(fù)合材料性能、質(zhì)量要求的提高，單一磁場 攪拌下合成金屬基復(fù)合材料存在的問題逐漸凸現(xiàn)，特別是單一磁場下攪拌，顆粒相容易出現(xiàn)偏聚，形成局部密集或團簇狀分布，導(dǎo)致材料的組織性能出現(xiàn)不均勻性。分析該問題產(chǎn)生的原因如下-由于顆粒增強相與基體金屬熔體在物理性能方面存在差異，所以含顆粒增強相的金屬熔體具有非均質(zhì) 非連續(xù)的特征，顆粒增強相與基體金屬在電磁特性方面的差異使兩者受到的電磁力不一致，而且由于顆粒 相與基體金屬液在密度、潤濕性方面存在差異，顆粒相在金屬熔體內(nèi)容易偏聚，例如，施加旋轉(zhuǎn)磁場攪拌 時，若顆粒相的密度大于熔體的密度較多，顆粒相在旋轉(zhuǎn)離心力的作用下，向熔體外圍偏聚。施加行波磁 場攪拌時，非磁性的顆粒相不受電磁力作用，在熔體上下攪拌過程中，由于顆粒相與熔體間的密度差異， 顆粒相易于上浮或沉淀，增強相的收得率下降。因此，對含顆粒增強相的金屬熔體施加單一磁場的電磁攪 拌也很難取得非常理想的效果。為解決單一磁場攪拌下存在的上述問題，申請者提出了組合磁場下合成金屬基復(fù)合材料的新方法，使顆粒相在基體金屬熔體內(nèi)得到更有效地細化效果并達到理想的均勻分布效果。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對目前合成顆粒增強金屬基復(fù)合材料存在的主要問題，提供一種工業(yè)規(guī)模連續(xù)化 合成顆粒增強金屬基復(fù)合材料的方法，即顆粒增強金屬基復(fù)合材料熔體在組合磁場電磁攪拌(EMS)作用下合成，經(jīng)半連鑄成型得到坯料或模鑄成型制成鑄件。本發(fā)明的基本思路是在顆粒增強復(fù)合材料的合成過程同時施加旋轉(zhuǎn)磁場(R-EMS)和行波磁場 (T-EMS)進行復(fù)合磁場下的電磁攪拌，旋轉(zhuǎn)磁場電磁攪拌實現(xiàn)金屬熔體的圓周運動，即旋轉(zhuǎn)運動，行波 磁場實現(xiàn)金屬熔體的垂直(上下)攪拌運動，因此，在旋轉(zhuǎn)磁場和行波磁場共同作用下，金屬熔體實現(xiàn)螺 線型運動。組合磁場下的螺線型攪拌可以克服單一磁場電磁攪拌的不足，使顆粒相在熔體內(nèi)的分布更加均 勻細化，其原理結(jié)合圖1，分析如下在保溫耐火材料做成的復(fù)合材料熔池3的外側(cè)施加旋轉(zhuǎn)磁場1對復(fù)合材料熔體2進行電磁攪拌，則復(fù) 合材料熔體以水平方向的圓周運動為主(圖1A)(強制攪拌下自然對流可忽略)，這就是中國專利CN 101199989提及的低頻旋轉(zhuǎn)磁場電磁攪拌(R-EMS),該攪拌磁場作用下，熔體的旋轉(zhuǎn)層流運動難以克服顆 粒沉降或上浮導(dǎo)致不同高度方向的顆粒相分布差異，而且，顆粒相在圓周運動離心力的作用下，容易偏向 熔池四周團聚成大顆粒而被耐火材料襯捕獲，這是單一施加R-EMS的不足之處。若不施加旋轉(zhuǎn)磁場l，而 是在復(fù)合材料熔池底部施加行波磁場4 (圖1B)，即實施行波磁場電磁攪拌(T-EMS),則復(fù)合材料熔體在 磁場作用下呈垂直(上下)運動，單一采用該攪拌方式的不足是熔池中存在局部死區(qū)和局部強烈受攪拌區(qū)， 即攪拌均勻性差，另外，單一的垂直攪拌會加速顆粒復(fù)合相的沉降或上浮，增強相的收得率不高，導(dǎo)致復(fù) 合效果不好。若同時施加旋轉(zhuǎn)磁場1和行波磁場4 (圖1C)，即采用本發(fā)明提出的組合磁場，則復(fù)合材料 熔體呈現(xiàn)螺旋攪拌的效果，攪拌強度有效提高，特別是能有效消除攪拌"死區(qū)"，該組合磁場攪拌集R-EMS 和T-EMS兩種攪拌的優(yōu)點，彌補了使用單一磁場攪拌的不足。 基于上述思路，實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案是一種組合磁場下熔體反應(yīng)合成金屬基復(fù)合材料的方法是金屬熔體精煉后調(diào)整到反應(yīng)合成起始溫度，加入能與熔體原位反應(yīng)生成顆粒相的反應(yīng)物進行合成反應(yīng)，在反應(yīng)合成過程中同時施加旋轉(zhuǎn)磁場和行波磁場；待反應(yīng)結(jié)束，靜置到澆注溫度后進行澆注。本發(fā)明方法中所說的在反應(yīng)合成過程中同時施加旋轉(zhuǎn)磁場和行波磁場，具體的操作是在復(fù)合材料熔池外側(cè)安置低頻旋轉(zhuǎn)磁場，安裝位置根據(jù)熔池內(nèi)熔體高度確定，磁場線圏中心與熔體中心在同一高度，低頻磁場的電磁參數(shù)范圍為頻率0.5 100Hz，工作電流1 1000A，根據(jù)熔體的攪拌強度調(diào)節(jié)電磁參數(shù)；在復(fù)合材料熔池的底部施加行波磁場，行波磁場線圈中心與復(fù)合材料熔池的中心在同一位置，行波磁場的電磁參數(shù)范圍為頻率0.5 100Hz,工作電流1 1000A，根據(jù)熔體的攪拌強度調(diào)節(jié)電磁參數(shù)。該方法的特征在于金屬基復(fù)合材料的合成過程中從熔池側(cè)面施加旋轉(zhuǎn)磁場，從熔池底板施加行波磁 場，在旋轉(zhuǎn)磁場和行波磁場構(gòu)成的組合磁場下進行合成。該方法可用于向熔體外加顆粒增強相法和原位反 應(yīng)合成法制備復(fù)合材料。
應(yīng)用該發(fā)明的具體特征為復(fù)合材料熔池內(nèi)的基體金屬熔液的成分和反應(yīng)起始溫度達到后，通過噴槍5將能與金屬液反應(yīng)生成顆 粒增強相的反應(yīng)物噴入復(fù)合材料熔池2，開啟組合磁場，調(diào)節(jié)組合磁場的電磁參數(shù)，使復(fù)合材料熔體攪拌 一定時間，制得復(fù)合材料熔體。如果釆用真空條件下合成，在熔池上加帶密封的爐蓋6 (圖2)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明具有的優(yōu)點主要是熔池攪拌效率提高，攪拌時間縮短，攪拌效果提高，制得的 復(fù)合材料熔體顆粒相更加細密，分散更加均勻，熔體的溫差控制范圍更準確。


圖1電磁攪拌原理2設(shè)備示意3復(fù)合材料圓坯微觀組織的掃描電鏡中1-旋轉(zhuǎn)磁場，2-復(fù)合材料熔體，3-熔池，4-行波磁場，5-噴槍，6-密封爐蓋。
具體實施方式
實施實例制備(Al3Zr(s)+Al203(s))顆粒增強A356基復(fù)合材料原材料基體金屬A356合金；固體粉末工業(yè)碳酸鋯(Zr(C03)2)粉劑(純度為99.20%)，精煉脫氣 劑及扒渣劑；原位反應(yīng)方程式<formula>formula see original document page 5</formula> 顆粒增強相Al3Zr(s)和Ai203(s)
制備過程分兩步(一) 金屬熔煉及粉體制備 A356合金在60kW工頻熔鋁爐中熔化升溫到卯0'C，脫氣、扒渣。所用試劑均在250'C 300。C下充分烘干，其中Zr(C03)2研磨成細粉(粒度小于100wm)，稱量后裝入噴吹罐，Zr(C03)2加入的重量為金屬 重量的10% (注顆粒相的理論體積分數(shù)約為13.68 vol%)。(二) 復(fù)合電磁場下原位反應(yīng)合成制備復(fù)合材料熔體如圖1C，精煉好且符合反應(yīng)起始溫度要求(870'C)的金屬液2從金屬精煉保溫爐傾入保溫的復(fù)合材 料熔池3，向熔池3內(nèi)用用Ar氣噴槍吹入Zr(C03)2粉末，開啟R-EMS 1和T-EMS 4，進行組合磁場下電 磁攪拌，R-EMS攪拌磁場1的頻率為15Hz，電流300A， T-EMS攪拌磁場4的頻率為15Hz,電流300A， 空載時線圈中心的水平磁感應(yīng)強度和垂直磁感應(yīng)強度均為O.IT，反應(yīng)進行20分鐘后，Ar氣精煉5分鐘， 靜置5分鐘，制得復(fù)合材料熔體，經(jīng)半連鑄制得復(fù)合材料圓坯，其組織的掃描電鏡圖如圖3。連鑄坯的直徑》為200mm,復(fù)合材料鑄坯外表面光潔，內(nèi)部組織致密，無疏松、縮孔等凝固組織缺陷， 顆粒尺寸l~2wm。
權(quán)利要求
1、一種組合磁場下合成金屬基復(fù)合材料的方法，包括將金屬熔體精煉后調(diào)整到合成反應(yīng)起始溫度，加入能與金屬熔體原位反應(yīng)生成顆粒相的反應(yīng)物進行合成反應(yīng)，待反應(yīng)結(jié)束，靜置到澆注溫度后進行澆注；其特征在于，復(fù)合材料合成制備過程中，采用旋轉(zhuǎn)磁場與行波磁場組合成的復(fù)合磁場下進行外場作用。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所說的組合磁場下合成金屬基復(fù)合材料的方法，其特征在于，所說的復(fù)合磁場是 由從熔池側(cè)面施加的旋轉(zhuǎn)磁場和從熔池底板施加的行波磁場組合而形成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所說的組合磁場下合成金屬基復(fù)合材料的方法，其特征在于，復(fù)合材料熔池外側(cè) 安置低頻旋轉(zhuǎn)磁場，安裝位置根據(jù)熔池內(nèi)熔體高度確定，磁場線圈中心與熔體中心在同一高度，低頻磁場 的電磁參數(shù)范圍為頻率0.5 100HZ，工作電流1 1000A;在復(fù)合材料熔池的底部施加行波磁場，行波 磁場線圈中心與復(fù)合材料熔池的中心在同一位置，行波磁場的電磁參數(shù)范圍為頻率0.5 100Hz，工作電 流1 1000A。
全文摘要
本發(fā)明提供一種工業(yè)規(guī)模連續(xù)化生產(chǎn)顆粒增強金屬基復(fù)合材料的方法，采用組合磁場下合成金屬基復(fù)合材料。特征為復(fù)合材料原位合成過程中采用旋轉(zhuǎn)磁場與行波磁場組合下合成制備顆粒增強金屬基復(fù)合材料熔體。復(fù)合材料熔池的外側(cè)安置低頻旋轉(zhuǎn)磁場，磁場線圈中心與熔體中心在同一高度；在復(fù)合材料熔池的底部施加行波磁場，行波磁場線圈中心與復(fù)合材料熔池的中心在同一位置。該方法制備的復(fù)合材料顆粒增強相分布均勻、細化，內(nèi)部組織致密無疏松、縮孔等組織缺陷，鑄坯外表面光潔度高，無缺陷，復(fù)合材料的抗摩擦磨損性能明顯提高。
文檔編號B22D11/11GK101391291SQ200810234979
公開日2009年3月25日 申請日期2008年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月5日
發(fā)明者李桂榮, 王宏明, 程曉農(nóng), 趙玉濤, 剛 陳 申請人:江蘇大學(xué)