專利名稱：電磁分離制備金屬基自生梯度復(fù)合棒材和管材的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種制備金屬基自生梯度復(fù)合棒材和管材的方法，特別是一種電磁分離制備金屬基自生梯度復(fù)合棒材和管材的方法，屬于材料制備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料(PMMCs)具有高比強(qiáng)度、高比模量、低密度及良好的高溫性能等優(yōu)良的綜合力學(xué)性能和使用性能，近年來(lái)在工業(yè)和學(xué)術(shù)領(lǐng)域都受到了廣泛的重視。在有些特殊情況下，需要同一構(gòu)件的兩側(cè)具有不同的性質(zhì)或功能，又希望不同性能的兩側(cè)結(jié)合良好，從而不至于在苛刻惡劣的使用條件下因性能不匹配而發(fā)生破壞。針對(duì)這種情況，日本科學(xué)家于1987年首次提出了梯度功能復(fù)合材料(Functionally Gradient Materials，簡(jiǎn)稱FGMs)的概念和設(shè)計(jì)思想，即根據(jù)具體要求，采用先進(jìn)的材料復(fù)合技術(shù)，連續(xù)地改變兩種具有不同性能的材料的組成和結(jié)構(gòu)，使其內(nèi)部界面消失，從而得到功能相應(yīng)于組成和結(jié)構(gòu)地變化而緩變的非均質(zhì)材料。此后，引起世界范圍內(nèi)對(duì)梯度功能材料的研究熱潮，開發(fā)出各種應(yīng)用于不同領(lǐng)域的梯度功能材料。
針對(duì)鋁基自生復(fù)合材料，可采用激光熔覆、機(jī)械離心、電磁離心和電磁分離等工藝，控制自生增強(qiáng)相在基體中沿深度方向的分布，制備鋁基自生梯度功能復(fù)合材料。經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?2137749.9，專利名稱“多梯度/多層自生梯度復(fù)合材料的電磁分離制備方法”，該專利介紹了用直流一穩(wěn)恒磁場(chǎng)相互作用的方式使自生富鐵相偏聚到塊狀材料的一側(cè)，制備了用自生富鐵相作為增強(qiáng)相的塊狀表面材料，制備裝置由電磁鐵、直流電源及回路和澆鑄系統(tǒng)構(gòu)成，合金液注入澆鑄系統(tǒng)后導(dǎo)通直流回路，由此形成的直流電流和電磁鐵施加的穩(wěn)恒磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生電磁力。由于沒(méi)有對(duì)電磁力作用參數(shù)進(jìn)行控制，自生增強(qiáng)相在表層高度聚集，未形成梯度分布。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種電磁分離制備金屬基自生梯度復(fù)合棒材和管材的方法，使其通過(guò)控制合金液的溫度，原位生成一定體積分?jǐn)?shù)增強(qiáng)相，通過(guò)施加交變磁場(chǎng)，利用合金液與自生相之間的導(dǎo)電性差異，使導(dǎo)電率較小的自生相偏聚到基體材料外表面，從而使自生增強(qiáng)相大小和體積分?jǐn)?shù)均沿徑向呈連續(xù)的梯度分布，獲得高表面硬度和耐磨性、并能保持心部韌性的梯度增強(qiáng)復(fù)合管材和棒材。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明通過(guò)高頻電源在感應(yīng)線圈內(nèi)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，將具有多個(gè)兩端貫通的圓孔或圓形環(huán)空型腔的耐火材料鑄型沿軸向置于感應(yīng)線圈內(nèi)，底部連接水冷銅模；經(jīng)過(guò)預(yù)處理的合金液通過(guò)澆口杯澆注到耐火材料鑄型中，由于與合金液存在導(dǎo)電性上的差異，自生相在電磁力作用下向耐火材料鑄型型腔壁面運(yùn)動(dòng)；待合金液凝固后，自生增強(qiáng)相主要聚集在圓棒或圓管材料表層，并形成有一定厚度的梯度增強(qiáng)層。
以下對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明，方法步驟如下(1)采用具有多個(gè)兩端貫通的圓孔或圓形環(huán)空的耐火材料鑄型，將耐火材料鑄型預(yù)熱后沿軸向置于圓柱狀感應(yīng)線圈內(nèi)，底部連接水冷銅模。
(2)高頻電源與感應(yīng)線圈之間用水冷銅電纜連接，開通電源后，在感應(yīng)線圈內(nèi)部可產(chǎn)生頻率為10kHz-20kHz、、有效磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.02-0.2T的交變磁場(chǎng)。
(3)澆鑄前將合金液的溫度控制在高于液相線50-100℃，合金液通過(guò)澆口杯澆注到耐火材料鑄型中，隨著合金液溫度降低內(nèi)部自生相不斷析出和長(zhǎng)大，由于多數(shù)自生相與合金液存在導(dǎo)電性上的差異，會(huì)受到相反方向的電磁力作用，并向耐火材料鑄型內(nèi)孔的外壁面運(yùn)動(dòng)。
(4)改變高頻電源的功率、頻率來(lái)調(diào)節(jié)電磁力大小，調(diào)整與合金液接觸的水冷銅模中的水流量(2-20L/min)來(lái)控制合金液的冷卻速度。
(5)經(jīng)過(guò)電磁力作用10-20s后，關(guān)閉電源，合金液在耐火材料鑄型內(nèi)凝固，獲得自生增強(qiáng)相粒徑大小和體積分?jǐn)?shù)從外表面至內(nèi)部基體的不同徑向分布，在圓棒或圓管材料表層形成有一定厚度的梯度增強(qiáng)層。
耐火材料鑄型需經(jīng)過(guò)預(yù)熱處理。利用圓孔或圓形環(huán)空耐火材料鑄型可分別得到自生相增強(qiáng)的梯度復(fù)合棒材和管材。作用于不同粒徑自生增強(qiáng)相的電磁力與粒徑的平方成正比，自生相的粒徑越大遷移速度越快，因此，控制電磁力作用時(shí)間，自生相將按粒徑大小沿遷移方向亦即徑向呈梯度排列。較大粒徑的自生相顆粒將集中于圓棒、圓管材料的近外表面，形成自生相顆粒密集的偏聚層；少量自生相增強(qiáng)顆粒未來(lái)得及遷移到外表面而散布在靠近內(nèi)部基體的區(qū)域，形成過(guò)渡層；在中心區(qū)域，由于絕大部分自生相的遷移離開，形成以基體材料為主、增強(qiáng)相含量極少的組織。
本發(fā)明具有實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，本發(fā)明利用合金液中多數(shù)自生相與合金液電導(dǎo)率之間的差異，在高頻電源和感應(yīng)線圈產(chǎn)生的電磁力作用下，自生相沿徑向向合金液外表面遷移，合金液凝固后形成自生增強(qiáng)相粒徑大小和體積分?jǐn)?shù)沿徑向呈連續(xù)梯度分布的復(fù)合棒材和管材。采用根據(jù)本發(fā)明制備得到的金屬基自生相增強(qiáng)梯度復(fù)合材料，形成具有一定厚度的硬度高的梯度增強(qiáng)層，表層耐磨性優(yōu)于本體均質(zhì)的復(fù)合材料，而中心基體為共晶組織，保證了整體韌性。
具體實(shí)施例方式
結(jié)合本發(fā)明的內(nèi)容提供以下實(shí)施例實(shí)施例1采用高頻電源在圓柱狀軸對(duì)稱感應(yīng)線圈內(nèi)產(chǎn)生頻率為20kHz、有效磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.02T的交變磁場(chǎng)；耐火材料鑄型預(yù)熱到250℃后沿軸向置于圓柱狀感應(yīng)線圈內(nèi)，底部連接水冷銅模；在坩堝爐中熔化Al-15wt.％Mg2Si合金，澆鑄前將合金液的溫度控制在高于液相線50℃；開啟高頻電源并調(diào)節(jié)到預(yù)定的功率，通過(guò)澆口杯將合金液澆注到耐火材料鑄型中，電磁力作用時(shí)間30s；關(guān)閉高頻電源，接通冷卻水(最大流量20L/min)，使合金液在耐火材料鑄型中快速凝固。制備得到的金屬基自生相增強(qiáng)梯度復(fù)合材料，具有高硬度的梯度增強(qiáng)層，中心基體為共晶組織，具有整體韌性。
實(shí)施例2采用高頻電源在圓柱狀軸對(duì)稱感應(yīng)線圈內(nèi)產(chǎn)生頻率為10kHz、有效磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.2T的交變磁場(chǎng)；耐火材料鑄型預(yù)熱到250℃后沿軸向置于圓柱狀感應(yīng)線圈內(nèi)，底部連接水冷銅模；在坩堝爐中熔化Al-24wt.％Si合金，澆鑄前將合金液的溫度控制在高于液相線100℃；開啟高頻電源并調(diào)節(jié)到預(yù)定的功率，通過(guò)澆口杯將合金液澆注到耐火材料鑄型中，電磁力作用時(shí)間10s；關(guān)閉高頻電源，接通冷卻水(最小流量2L/min)，使合金液在耐火材料鑄型中快速凝固。制備得到的金屬基自生相增強(qiáng)梯度復(fù)合材料，形成具有高硬度的梯度增強(qiáng)層，中心基體為共晶組織。
實(shí)施例3采用高頻電源在圓柱狀軸對(duì)稱感應(yīng)線圈內(nèi)產(chǎn)生頻率為15kHz、有效磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.1T的交變磁場(chǎng)；耐火材料鑄型預(yù)熱到250℃后沿軸向置于圓柱狀感應(yīng)線圈內(nèi)，底部連接水冷銅模；在坩堝爐中熔化Al-12wt.％Si合金，澆鑄前將合金液的溫度控制在高于液相線50℃；開啟高頻電源并調(diào)節(jié)到預(yù)定的功率，通過(guò)澆口杯將合金液澆注到耐火材料鑄型中，電磁力作用時(shí)間20s；關(guān)閉高頻電源，接通冷卻水(流量5L/min)，使合金液在耐火材料鑄型中快速凝固。制備得到的金屬基自生相增強(qiáng)梯度復(fù)合材料，具有高表面硬度和耐磨性、并能保持心部韌性。
權(quán)利要求
1.一種電磁分離制備金屬基自生梯度復(fù)合棒材和管材的方法，其特征在于，通過(guò)高頻電源在感應(yīng)線圈內(nèi)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，將具有多個(gè)兩端貫通的圓孔或圓形環(huán)空型腔的耐火材料鑄型沿軸向置于感應(yīng)線圈內(nèi)，底部連接水冷銅模，經(jīng)過(guò)預(yù)處理的合金液通過(guò)澆口杯澆注到耐火材料鑄型中，自生相在電磁力作用下向耐火材料鑄型型腔壁面運(yùn)動(dòng)，待合金液在耐火材料鑄型內(nèi)凝固后，自生增強(qiáng)相主要聚集在凝固形成的圓棒或圓管材料的表層，并形成梯度增強(qiáng)層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁分離制備金屬基自生梯度復(fù)合棒材和管材的方法，其特征是，具體步驟如下(1)采用具有多個(gè)兩端貫通的圓孔或圓形環(huán)空的耐火材料鑄型，將耐火材料鑄型沿軸向置于圓柱狀感應(yīng)線圈內(nèi)，底部連接水冷銅模；(2)高頻電源與感應(yīng)線圈之間用水冷銅電纜連接，開通電源后，在感應(yīng)線圈內(nèi)部產(chǎn)生頻率為10kHz-20kHz、有效磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.02-0.2T的交變磁場(chǎng)；(3)經(jīng)過(guò)預(yù)處理的合金液通過(guò)澆口杯澆注到耐火材料鑄型中，隨著合金液溫度降低內(nèi)部自生相持續(xù)析出和長(zhǎng)大，多數(shù)自生相受到相反方向的電磁力作用，并向耐火材料鑄型內(nèi)孔的外壁面運(yùn)動(dòng)；(4)改變高頻電源的功率、頻率來(lái)調(diào)節(jié)電磁力大小，調(diào)整與合金液接觸的水冷銅模中的水流量控制合金液的冷卻速度；(5)經(jīng)過(guò)電磁力作用10-30s后，關(guān)閉電源，合金液在耐火材料鑄型內(nèi)凝固，獲得自生增強(qiáng)相粒徑大小和體積分?jǐn)?shù)沿徑向從外表面至內(nèi)部基體分布，從而在圓棒或圓管材料表層形成具有厚度的梯度增強(qiáng)層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電磁分離制備金屬基自生梯度復(fù)合棒材和管材的方法，其特征是，耐火材料鑄型先經(jīng)過(guò)預(yù)熱處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電磁分離制備金屬基自生梯度復(fù)合棒材和管材的方法，其特征是，通過(guò)高頻電源在感應(yīng)線圈內(nèi)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，澆注合金液之前先開通高頻電源。
全文摘要
一種電磁分離制備金屬基自生梯度復(fù)合棒材和管材的方法屬于材料制備領(lǐng)域。本發(fā)明通過(guò)高頻電源在感應(yīng)線圈內(nèi)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，將具有多個(gè)兩端貫通的圓孔或圓形環(huán)空型腔的耐火材料鑄型沿軸向置于感應(yīng)線圈內(nèi)，底部連接水冷銅模，經(jīng)過(guò)預(yù)處理的合金液通過(guò)澆口杯澆注到耐火材料鑄型中，自生相在電磁力作用下向耐火材料鑄型型腔壁面運(yùn)動(dòng)，待合金液在耐火材料鑄型內(nèi)凝固后，自生增強(qiáng)相主要聚集在凝固形成的圓棒或圓管材料的表層，并形成梯度增強(qiáng)層。本發(fā)明形成具有一定厚度的硬度高的梯度增強(qiáng)層，表層耐磨性優(yōu)于本體均質(zhì)的復(fù)合材料，而中心基體為共晶組織，保證了整體韌性。
文檔編號(hào)B22D27/02GK1460568SQ0312891
公開日2003年12月10日 申請(qǐng)日期2003年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月29日
發(fā)明者李克, 王俊, 孫寶德, 疏達(dá), 丁文江, 周堯和 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)