專利名稱：金屬基自生梯度復(fù)合管材的電磁分離連續(xù)制備設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于金屬基自生梯度復(fù)合管材的制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是金屬基自生梯度復(fù)合管材的電磁分離連續(xù)制備設(shè)備。
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，近年來在工業(yè)和科研領(lǐng)域都受到廣泛的重視。在有些特殊場(chǎng)合，需要構(gòu)件的兩側(cè)具備不同的性能或功能，又希望兩側(cè)結(jié)合良好，滿足在惡劣、苛刻的工況條件下使用的要求。針對(duì)這種情況，日本科學(xué)家于1987年首次提出功能梯度復(fù)合材料的概念和設(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)的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)的變化而緩變的非均質(zhì)材料。
金屬基自生梯度復(fù)合材料通過控制自生增強(qiáng)相在基體中沿深度方向的分布而制得，常用制備方法有等離子噴涂法、自蔓延高溫合成法(SHS)、離心鑄造法和電磁分離等。
公開號(hào)為CN 1460568A的中國(guó)專利提出了電磁分離制備金屬基自生梯度復(fù)合棒材和管材的方法，該專利公開了將合金澆注在鑄型內(nèi)，然后采用電磁分離法將增強(qiáng)相偏聚在材料表面，并在底部的水冷銅模的冷卻作用下得到鋁基自生梯度復(fù)合棒材和管材的方法；公開號(hào)為CN 1460569A的中國(guó)專利公開了一種制備金屬基自生梯度復(fù)合棒材和管材的電磁分離裝置，該裝置由電磁發(fā)生系統(tǒng)和澆注系統(tǒng)兩部分組成，其中澆注系統(tǒng)包括耐火材料鑄型、設(shè)置于耐火材料鑄型頂部的澆口杯和設(shè)置于耐火材料鑄型底部的水冷銅模。上述兩項(xiàng)專利技術(shù)均采用底部銅模冷卻方式的模鑄方式制備構(gòu)件，因此在制備長(zhǎng)徑比大的構(gòu)件時(shí)要求感應(yīng)線圈長(zhǎng)徑比也比較大，這必然提高對(duì)電源設(shè)備的要求和增大功率的消耗，另外制備的管材在軸向組織均勻性較差。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種金屬基自生梯度復(fù)合管材的電磁分離連續(xù)制備設(shè)備。它通過將經(jīng)過預(yù)處理的合金液澆注在耐火材料分離器的環(huán)形分離模腔內(nèi)，并在外部施加高頻電磁場(chǎng)，由于合金液在導(dǎo)電性上的差異，自生相在電磁力的作用下向外壁運(yùn)動(dòng)；隨著連鑄過程牽引的進(jìn)行，自生相呈梯度分布的合金液進(jìn)入冷卻室后凝固，從而連續(xù)得到自生增強(qiáng)相聚集在管材表層，并形成有一定厚度的梯度增強(qiáng)層復(fù)合管材。
本實(shí)用新型金屬基自生梯度復(fù)合管材的電磁分離連續(xù)制備設(shè)備，包括電磁發(fā)生系統(tǒng)、成型系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)，所述電磁發(fā)生系統(tǒng)包括感應(yīng)線圈和驅(qū)動(dòng)感應(yīng)線圈的高頻電源，所述成型系統(tǒng)包括具有環(huán)形分離模腔的耐火材料分離器，在耐火材料分離器的中空部設(shè)置水冷銅質(zhì)模芯，耐火材料分離器的外壁下端設(shè)置銅質(zhì)冷卻器，該銅質(zhì)冷卻器與水冷銅質(zhì)模芯下段之間形成環(huán)形冷卻模腔，所述環(huán)形冷卻模腔和它上邊的環(huán)所述形分離模腔同軸貫通，底模置于所述環(huán)形冷卻模腔和所述環(huán)形分離模腔連接部，感應(yīng)線圈設(shè)置于耐火材料分離器的外周。
本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了金屬基自生梯度復(fù)合管材的電磁分離連續(xù)鑄造，得到自生增強(qiáng)相與基體界面無污染、沿徑向梯度分布的金屬基復(fù)合管材。由于采用電磁分離連續(xù)鑄造工藝，管材長(zhǎng)度不受分離模腔的長(zhǎng)度的限制，制備長(zhǎng)徑比較大的管材時(shí)，不需增加分離模腔的長(zhǎng)度，因而不需增加感應(yīng)線圈的長(zhǎng)度和高頻電源的功率。在軸向方向上，熔體單元從進(jìn)入分離室進(jìn)行電磁分離到在冷卻模腔內(nèi)凝固成形，所經(jīng)歷的過程都是相同的，從而使制備的管材的軸向組織均勻性較好。
采用本實(shí)用新型工藝制備的金屬基自生梯度復(fù)合管材，表層形成具有一定厚度的高硬度的梯度增強(qiáng)層，耐磨性高。
采用本實(shí)用新型制備復(fù)合管材具有生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低和管材尺寸限制少等優(yōu)點(diǎn)，可制備圓形、三角形、矩形、多邊形等異形空心管坯，在耐磨、耐蝕及石油化工等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。


圖1是本實(shí)用新型金屬基自生梯度復(fù)合管材的電磁分離連續(xù)制備設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1A-A剖視圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。
參照?qǐng)D1、2，本金屬基自生梯度復(fù)合管材的電磁分離連續(xù)制備設(shè)備包括電磁發(fā)生系統(tǒng)、成型系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)。電磁發(fā)生系統(tǒng)包括感應(yīng)線圈(11)和驅(qū)動(dòng)感應(yīng)線圈的高頻電源，感應(yīng)線圈(11)設(shè)置在耐火材料分離器(3)外周，感應(yīng)線圈連接到高頻電源的輸出端，高頻電源通過所述感應(yīng)線圈產(chǎn)生用于對(duì)合金液電磁分離的高頻電磁場(chǎng)，高頻電源輸出頻率為10-30KHz，功率為10-40KW。
成型系統(tǒng)包括耐火材料分離器(3)，耐火材料分離器的內(nèi)壁、外壁之間為環(huán)形分離模腔，在耐火材料分離器的中空部設(shè)置水冷銅質(zhì)模芯(4)，耐火材料分離器的外壁下端設(shè)置銅質(zhì)冷卻器(13)，該銅質(zhì)冷卻器(13)與水冷銅質(zhì)模芯(4)下段之間形成環(huán)形冷卻模腔，所述環(huán)形冷卻模腔和它上邊的所述環(huán)形分離模腔同軸貫通，底模(8)置于所述環(huán)形冷卻模腔和所述環(huán)形分離模腔連接部，感應(yīng)線圈(11)設(shè)置于耐火材料分離器的外周。圖中(9)表示冷卻水的流向，(6)為凝固坯殼，(10)為合金液。
上述耐火材料分離器(3)的外壁與銅質(zhì)冷卻器(13)的結(jié)合部可設(shè)置石墨過渡環(huán)(5)，耐火材料分離器(3)的內(nèi)壁與水冷銅質(zhì)模芯(4)下段的結(jié)合部也可設(shè)置石墨過渡環(huán)(12)，所述過渡環(huán)的材質(zhì)可為三高石墨等。
上述冷卻模腔外側(cè)的銅質(zhì)冷卻器(13)上均勻分布若干等寬縫隙(15)，縫隙(15)寬度為0.2-0.8mm，縫隙內(nèi)填塞耐火材料，每一個(gè)縫隙的平分面經(jīng)過銅質(zhì)冷卻器的軸線，該開縫結(jié)構(gòu)能減弱銅質(zhì)冷卻器對(duì)磁場(chǎng)的屏蔽作用。
水冷銅質(zhì)模芯(4)是中空結(jié)構(gòu)，中間縱向安裝進(jìn)水管(2)，進(jìn)水管接至冷水源，進(jìn)水管(2)與水冷銅質(zhì)模芯(4)的內(nèi)表面之間為循環(huán)冷卻水的出水通道(1)，該出水通道接出水管將循環(huán)冷卻水送出。
本實(shí)用新型耐火材料分離器(3)的環(huán)形分離模腔和它下邊的環(huán)形冷卻模腔同軸貫通，兩者的結(jié)合部設(shè)置石墨過渡環(huán)(5、12)。該環(huán)形分離模腔和環(huán)形冷卻模腔的徑向截面均呈圓形環(huán)、或橢圓形環(huán)、或三角形環(huán)、或多邊形環(huán)等等，可適合連續(xù)鑄造圓形、橢圓形、三角形、多邊形等各種金屬基自生梯度復(fù)合管材。
牽引系統(tǒng)采用現(xiàn)有的各種牽引系統(tǒng)，如以下的牽引系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括電機(jī)、變頻器、主動(dòng)輪(7)和從動(dòng)輪(14)，主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的軸線平行且所在平面與管材軸線垂直。牽引過程中調(diào)整主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的軸間距，使主動(dòng)輪和從動(dòng)輪與底模(8)、管材之間的壓力為2-4kg，電機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，在摩擦力的作用下帶動(dòng)底模(8)和管材向上或向下線性運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速通過變頻器調(diào)節(jié)。
本實(shí)用新型將經(jīng)過預(yù)處理的合金液注入耐火材料分離器的環(huán)行分離模腔中，通過電磁發(fā)生系統(tǒng)對(duì)該分離模腔內(nèi)的合金液施加高頻電磁場(chǎng)，由于合金液在導(dǎo)電性上的差異，自生相在電磁力的作用下向環(huán)行分離模腔外壁面運(yùn)動(dòng)；通過牽引系統(tǒng)使自生相呈梯度分布的合金液進(jìn)入環(huán)行冷卻模腔后凝固，從而連續(xù)得到自生增強(qiáng)相聚集在管材表層，并形成有一定厚度的梯度增強(qiáng)層復(fù)合管材。
具體制備過程如下a、在具有環(huán)形分離模腔的耐火材料分離器(3)外周設(shè)置感應(yīng)線圈(11)，高頻電源通過所述感應(yīng)線圈產(chǎn)生用于對(duì)合金液電磁分離的高頻電磁場(chǎng)，高頻電源輸出頻率為10-30KHz，功率為10-40KW；將底模(8)設(shè)置在上述環(huán)形分離模腔與環(huán)形冷卻模腔的連接處，打開冷卻水循環(huán)系統(tǒng)使冷卻水通過耐火材料分離器中空部的水冷銅質(zhì)模芯(4)循環(huán)；b、將經(jīng)過預(yù)處理的合金液(10)連續(xù)澆注到所述耐火材料分離器的環(huán)形分離模腔內(nèi)，由于合金液在導(dǎo)電性上的差異，自生相在高頻電磁場(chǎng)電磁力的作用下向環(huán)形分離模腔外壁運(yùn)動(dòng)；牽引系統(tǒng)帶動(dòng)底模(8)下移，使自生相呈梯度分布的合金液連續(xù)流經(jīng)所述環(huán)形分離模腔下部的環(huán)形冷卻模腔冷卻、凝固，含增強(qiáng)相較少的金屬基體凝固得到強(qiáng)韌的金屬基管材(6)，富含自生增強(qiáng)相主要聚集在凝固形成的金屬管材表層，并形成梯度增強(qiáng)層。
其中，牽引系統(tǒng)移動(dòng)速度為0.1-0.5m/min，冷卻水的流量為20-200L/min。
可以通過改變高頻電磁場(chǎng)的頻率、功率來調(diào)節(jié)電磁力大??；調(diào)整冷卻水流量和牽引系統(tǒng)的牽引速度控制合金液的冷卻速度，獲得自生增強(qiáng)相沿徑向梯度分布的復(fù)合管材。
實(shí)施例1在環(huán)形分離模腔外側(cè)施加頻率為25KHz、功率為20kW的高頻電磁場(chǎng)；將引錠的底模置于環(huán)形分離模腔與環(huán)形冷卻模腔的連接處，打開冷卻水循環(huán)系統(tǒng)使冷卻水通過水冷銅質(zhì)模芯循環(huán)，冷卻水的流量為40L/min。
在坩堝爐內(nèi)熔化Al-15wt％Mg2Si合金，澆注溫度高于液相線溫度50-70℃；將合金液連續(xù)澆注到耐火材料分離器的分離模腔內(nèi)，合金液面距離分離模腔上端面40mm，允許誤差±10％，在電高頻電磁場(chǎng)磁力的作用下自生相向分離模腔外壁面運(yùn)動(dòng)；以0.1m/min的速度啟動(dòng)牽引系統(tǒng)，通過牽引系統(tǒng)使自生相呈梯度分布的合金液連續(xù)進(jìn)入冷卻模腔冷卻、凝固，連續(xù)制得金屬基自生梯度復(fù)合管材。在連鑄過程中液面始終控制在誤差范圍之內(nèi)，當(dāng)鑄造管坯達(dá)到要求長(zhǎng)度時(shí)，停止?jié)沧⒑辖鹨?，切斷電源，關(guān)閉冷卻系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)。制備出的金屬基自生梯度復(fù)合管材，具有高硬度的梯度增強(qiáng)層，中心共晶基體具有整體強(qiáng)韌性。
實(shí)施例二在環(huán)形分離模腔外側(cè)施加頻率為10KHz、功率為30kW的高頻電磁場(chǎng)，將引錠底模置于環(huán)形分離模腔與環(huán)形冷卻模腔的連接處，打開冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，冷卻水的流量為60L/min。
在坩堝爐內(nèi)熔化Al-20wt.％Si合金，澆注溫度高于液相線溫度90-120℃；將合金連續(xù)澆注到環(huán)形分離模腔內(nèi)，合金液面距離分離模腔上端面40mm，允許誤差±10％，可同時(shí)啟動(dòng)工頻旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)和高頻電磁場(chǎng)，在電磁力的作用下自生相向分離模腔外壁面運(yùn)動(dòng)；以0.2m/min的速度啟動(dòng)牽引系統(tǒng)，通過牽引系統(tǒng)使自生相呈梯度分布的合金液連續(xù)進(jìn)入冷卻模腔后凝固，連續(xù)制得金屬基自生梯度復(fù)合管材。在連鑄過程中液面始終控制在誤差范圍之內(nèi)，當(dāng)鑄造管坯達(dá)到要求長(zhǎng)度時(shí)，停止?jié)沧⒑辖鹨海袛嚯娫?，關(guān)閉冷卻系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)等。制備出的金屬基自生梯度復(fù)合管材，具有高硬度的梯度增強(qiáng)層，中心共晶基體具有整體強(qiáng)韌性。
實(shí)施三在環(huán)形分離模腔外側(cè)施加頻率為15KHz、功率為25KW的高頻電磁場(chǎng)，將引錠底模置于環(huán)形分離模腔與環(huán)形冷卻模腔的連接處，打開冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，冷卻水的流量為120L/min。
在坩堝爐內(nèi)熔化Al-12wt.％Si合金，澆注溫度高于液相線溫度50-70℃；將合金液連續(xù)澆注到環(huán)形分離模腔內(nèi)，合金液面距離分離模腔上端面40mm，允許誤差±10％，在電磁力的作用下自生相向環(huán)形分離模腔外壁面運(yùn)動(dòng)；以0.45m/min的速度啟動(dòng)牽引系統(tǒng)，通過牽引系統(tǒng)使自生相呈梯度分布的合金液連續(xù)進(jìn)入冷卻模腔后凝固，連續(xù)制得金屬基自生梯度復(fù)合管材。在連鑄過程中液面始終控制在誤差范圍之內(nèi)，當(dāng)鑄造管坯達(dá)到要求長(zhǎng)度時(shí)，停止?jié)沧⒑辖鹨?，切斷電源，關(guān)閉冷卻系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)。制備出的金屬基自生梯度復(fù)合管材，具有高硬度的梯度增強(qiáng)層，中心共晶基體具有整體強(qiáng)韌性。
權(quán)利要求1.金屬基自生梯度復(fù)合管材的電磁分離連續(xù)制備設(shè)備，包括電磁發(fā)生系統(tǒng)、成型系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)，所述電磁發(fā)生系統(tǒng)包括感應(yīng)線圈和驅(qū)動(dòng)感應(yīng)線圈的高頻電源，其特征在于所述成型系統(tǒng)包括具有環(huán)形分離模腔的耐火材料分離器，在耐火材料分離器的中空部設(shè)置水冷銅質(zhì)模芯，耐火材料分離器的外壁下端設(shè)置銅質(zhì)冷卻器，該銅質(zhì)冷卻器與水冷銅質(zhì)模芯下段之間形成環(huán)形冷卻模腔，所述環(huán)形冷卻模腔和它上邊的所述環(huán)形分離模腔同軸貫通，底模置于所述環(huán)形冷卻模腔和所述環(huán)形分離模腔連接部，感應(yīng)線圈設(shè)置于耐火材料分離器的外周。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬基自生梯度復(fù)合管材的電磁分離連續(xù)制備設(shè)備，其特征在于所述耐火材料分離器的外壁與銅質(zhì)冷卻器的結(jié)合部設(shè)置石墨過渡環(huán)，耐火材料分離器的內(nèi)壁與水冷銅質(zhì)模芯下段的結(jié)合部設(shè)置石墨過渡環(huán)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的金屬基自生梯度復(fù)合管材的電磁分離連續(xù)制備設(shè)備，其特征在于所述銅質(zhì)冷卻器上均勻分布若干等寬縫隙，縫隙寬度為0.2-0.8mm，縫隙內(nèi)填塞耐火材料，每一個(gè)縫隙的平分面經(jīng)過銅質(zhì)冷卻器的軸線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬基自生梯度復(fù)合管材的電磁分離連續(xù)制備設(shè)備，其特征在于所述水冷銅質(zhì)模芯是中空結(jié)構(gòu)，中間縱向安裝進(jìn)水管，該進(jìn)水管與水冷銅質(zhì)模芯的內(nèi)表面之間為循環(huán)冷卻水的出水通道。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬基自生梯度復(fù)合管材的電磁分離連續(xù)制備設(shè)備，其特征在于所述環(huán)形分離模腔和環(huán)形冷卻模腔的徑向截面均呈圓形環(huán)、或橢圓形環(huán)、或三角形環(huán)、或多邊形環(huán)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬基自生梯度復(fù)合管材的電磁分離連續(xù)制備設(shè)備，其特征在于所述高頻電源輸出頻率為10-30KHz，功率為10-40KW。
專利摘要一種金屬基自生梯度復(fù)合管材的電磁分離連續(xù)制備設(shè)備，包括電磁發(fā)生系統(tǒng)、成型系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)，電磁發(fā)生系統(tǒng)包括感應(yīng)線圈和驅(qū)動(dòng)感應(yīng)線圈的高頻電源，成型系統(tǒng)包括具有環(huán)形分離模腔的耐火材料分離器、水冷銅質(zhì)模芯、銅質(zhì)冷卻器，銅質(zhì)冷卻器與水冷銅質(zhì)模芯下段之間形成環(huán)形冷卻模腔，該環(huán)形冷卻模腔和環(huán)形分離模腔同軸貫通，底模置于環(huán)形冷卻模腔和環(huán)形分離模腔連接部，感應(yīng)線圈設(shè)于耐火材料分離器的外周。本設(shè)備具有生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低和管材尺寸限制少等優(yōu)點(diǎn)，可制備圓形、三角形、多邊形等異形管坯，制得的金屬基自生梯度復(fù)合管材具有高硬度的梯度增強(qiáng)層，中心共晶基體具有整體強(qiáng)韌性。在耐磨、耐蝕及石油化工等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)B22D27/02GK2860681SQ200520059518
公開日2007年1月24日 申請(qǐng)日期2005年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月13日
發(fā)明者李丘林, 劉偉, 劉超, 張志清, 唐國(guó)翌, 劉慶, 張曉丹, 李曉玲, 齊峰 申請(qǐng)人:清華大學(xué)深圳研究生院