專利名稱：一種制備金屬基復合材料的電流直加熱動態(tài)燒結熱壓爐的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及金屬基復合材料的制造設備技術領域，具體涉及制備金屬基復合材料的電流直加熱動態(tài)燒結熱壓爐。
背景技術：
金屬基復合材料(Metal-matrix composites，簡稱MMC)是復合材料的一類，它因具有高比強度、高比模量、高耐磨性等優(yōu)異性能而引起人們的關注。MMC的制造工藝方法通常分為三類，即擴散法、沉積法和鑄造法如表1所示。
表1金屬基復合材料的制法比較

對上述制備工藝的選擇一般遵循以下原則(1)所選工藝方法對材料組元的損傷最?。?2)能使任何形式的增強材料均勻分布或按與設計要求規(guī)則排列；(3)使最終形成的復合材料在性能上達到充分發(fā)揮各組元的作用，即達到揚長避短，而且各單元組元仍保留著固有的特性。
在制備方法的選擇上還要考慮性能/價格比，在能達到復合材料使用要求的情況下，盡可能選擇簡便易行的工藝以降低制備成本。
目前，對顆粒增強金屬基復合材料來說，其常用制備方法為1鑄造法鑄造法具有工藝簡單、成本低、易于制備大型復雜零件等優(yōu)點。但是，由于一些金屬材料，如鋼鐵材料的熔點較高、鐵和一些增強體在液相中反應活性大、潤濕性差、以及鋼鐵的密度與增強體的密度相差較大的原因，要獲得增強體分布均勻結合強度高的鋼鐵基復合材料并非易事。通常采用對熱穩(wěn)定性高的增強體進行預處理，再通過各種手段將其引入到金屬熔體中。
(1)攪拌鑄造法該工藝是向金屬熔體噴射顆粒或在攪拌熔體的同時加入顆粒的方法，為使增強相質點在鋼中均勻、細小彌散分布，則必須盡可能減小兩者之間的界面張力。增強體表面包覆一層易潤濕的過度層，或在基體中加入一些活性元素的方法，可以改善他們之間的結合。這種工藝簡單，但不易控制增強體的含量，顆粒偏聚的問題也未能徹底解決。
(2)熔體浸滲法該工藝是將增強體制成預制坯，再利用壓力使合金熔體進入坯料中，隨后可采用稀釋的方法降低增強體的體積分數(shù)，隨后凝固即形成復合材料。熔體浸滲工藝是制造大體積分數(shù)復合材料的較好方法，但界面反應使增強體容易受損，另外制造設備也較為復雜。
2XDTM法XDTM(Exothermic dispersion)是原位合成法的一種。是將生成增強體的兩種粉末(如TiC中Ti和C)和基體粉末均勻混合，再加熱到高于基體熔點的高溫下處理，生成增強體的兩種粉末在高溫下發(fā)生反應，從而在基體溶體中形成細小彌散的增強體，然后再經(jīng)鑄造、擠壓、熱軋等成型工藝制成產(chǎn)品。由于增強體也是原位合成的，基體與增強體的界面干凈、潤濕性好、結合牢固、增強體細小彌散，從而有助于提高復合材料的性能。如在Fe-Cr-Ni耐熱鋼的溶體中，按比例加入Ti粉和石墨粉，保溫一段時間后，澆入石墨模中，可以制得在基體上均勻分布TiC顆粒的復合材料。
3粉末冶金法粉末冶金法是最早開發(fā)用于制備金屬基顆粒復合材料的工藝，與熔鑄法相比，由于在金屬基體的熔點的溫度下進行燒結，界面反應大大減弱，增強體的粒度和體積比可以大范圍調整，增強體的選擇余地較大，燒結后可經(jīng)過進一步的擠鍛或熱等靜壓處理提高致密度和復合材料性能。該方法是發(fā)展前景較好的方法。
在粉末冶金工藝中，先將增強體和基體粉末混合均勻，經(jīng)壓制、燒結及后續(xù)處理等工序制成產(chǎn)品。為提高混合粉末的壓制性和燒結收縮率，提高燒結坯的致密性，可以在合金中添加較多的液相燒結組元，如Cu3P等，其它工序和普通工序一樣。常用的增強體有SiC、TiC、TiB、TiB2等。結果表明，這種復合材料的室溫和高溫強度及硬度和耐磨性均有明顯的提高。
4機械合金化法此法是一種特殊的粉末冶金法。它采用高能球磨技術制造特殊的混合粉末，經(jīng)高能球磨后，混合粉末可以細化到納米級粒度，其表面活性極大。然后再經(jīng)普通壓制和燒結等工藝制成產(chǎn)品。由于增強體是在球磨過程中或在隨后的燒結工序中原位合成的，故它與基體的界面結合強度顯著提高。該工藝可明顯改善復合效果，有較大的應用前景。當然還有許多工藝和理論問題尚待研究。

發(fā)明內容
針對現(xiàn)有制備金屬基復合材料的燒結設備的不足之處，本實用新型提供一種制備金屬基復合材料的電流直加熱動態(tài)燒結熱壓爐。
本實用新型的設計原理是在現(xiàn)有粉末冶金工藝的基礎上，改進燒結工藝，即改變其電阻加熱或模具通電加熱的模式。在產(chǎn)品制備過程中，通過模具的設計，使電流完全通過產(chǎn)品，而不是同時通過模具和產(chǎn)品，從而實現(xiàn)材料在外加低電壓時，即可獲得大電流，通過大電流引起的材料電致塑性和材料自身電阻發(fā)熱，在較短時間內實現(xiàn)材料燒結。由于金屬基復合材料在初始粉末狀態(tài)下電阻較大，隨產(chǎn)品燒結致密電阻急劇減小，這樣在外加電壓一定的條件下，整個燒結工藝過程中電流密度值是不斷變化的，因此可視其為一個動態(tài)燒結熱壓過程。同時此過程也避免了以往粉末冶金熱壓燒結工藝中通過紅外測溫引起溫度測量不準確的問題。利用燒結過程中電流形狀特征與被燒結材料加熱溫度的關系，通過控制電流的形狀特征完成燒結過程。利用電流直加熱動態(tài)燒結熱壓工藝可實現(xiàn)利用低電壓、大電流在短時間內對產(chǎn)品高溫燒結的效果，大大縮短粉末燒結時間，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約能源。
本實用新型為電流直加熱動態(tài)燒結熱壓爐，如圖1所示，電流直加熱動態(tài)燒結熱壓爐由五部分構成電路控制系統(tǒng)、感應調壓器、干式變壓器、動態(tài)燒結熱壓爐和計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由電路控制系統(tǒng)、感應調壓器和干式變壓器提供給動態(tài)燒結熱壓爐需要的電流，計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集動態(tài)燒結熱壓爐的工作數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對燒結工藝的監(jiān)控。
電路控制系統(tǒng)的功能是使工作電流成周期性變化。工作周期包括延時間歇期和延時加熱期兩部分，延時間歇期由中間繼電器KT1控制，延時加熱期由中間繼電器KT2控制。其控制電路圖如圖2所示。其工作過程為1.開始通電時，常開銨鈕SB2合上，中間繼電器KA1輸出信號使中間繼電器KA1開關閉合。
2.時間繼電器KT1工作，輸出信號使時間繼電器KT1斷電延時常開觸頭閉合，時間繼電器KT2和交流接觸器KM開始工作；交流接觸器KM工作則形成回路，電壓施加到感應調壓器上，動態(tài)燒結熱壓爐中有電流通過，交流接觸器KM也可用來改變電源相序。
3.時間繼電器KT2開始工作，時間繼電器KT2斷電延時常開觸頭閉合，中間繼電器KA2開始工作，中間繼電器KA2常閉觸頭斷開，時間繼電器KT1斷開，時間繼電器KT1斷電延時常開觸頭經(jīng)設定時間斷開，交流接觸器KM停止工作，動態(tài)燒結熱壓爐中無電流通過。同時，時間繼電器KT2斷開，驅動時間繼電器KT2斷電延時常開觸頭在設定時間后恢復常開狀態(tài)，中間繼電器KA2斷開，中間繼電器KA2常閉觸頭閉合。
4.中間繼電器KA2常閉觸頭恢復常閉狀態(tài)，時間繼電器KT1開始工作，重復步驟2、3。
這樣，通過時間繼電器KT1和KT2的控制可實現(xiàn)電流以脈沖形式施加。如果時間繼電器KT2設定時間為0秒，則熱壓爐始終在通電狀態(tài)下工作。常閉按鈕SB1在正常狀態(tài)下閉合。
電路控制系統(tǒng)輸出的周期性變化的電流輸入給感應調壓器，感應調壓器的功能是完成第一次調壓，通過對感應調壓器的控制可改變輸入電壓。它可將電壓從220V調整到100～500V。
干式變壓器的功能是完成第二次變壓，從而保證施加在被燒結樣品上的電壓(即動態(tài)燒結熱壓爐的輸入電壓)為低電壓，該輸入電壓為5～20V。由于金屬基復合材料燒結后電阻較小，外加低電阻，即可使動態(tài)燒結熱壓爐獲得極大工作電流，例如對鐵基SiC顆粒增強復合材料，電流值可達到200A。采用本實用新型的電流直加熱動態(tài)燒結熱壓爐，可針對不同金屬基復合材料的金屬和增強體陶瓷的電阻特征，調整外加電壓值，確定燒結效果較好的電流曲線，最終采用此電流曲線作為調整電壓及燒結時間等工藝參數(shù)的依據(jù)。
動態(tài)燒結熱壓爐部分由熱壓燒結模具和液壓機組成，如圖3所示，液壓機輸出壓強范圍可調。一般熱壓時采用20～80MPa的壓力，隨著模具的改進，熱壓燒結時的壓力有可能進一步提高。
計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由計算機和模數(shù)轉換模塊(I-7018 IDAM)組成。通過動態(tài)燒結熱壓爐中產(chǎn)品的電流值經(jīng)模數(shù)轉換模塊輸入電腦。工作人員可根據(jù)電腦屏幕顯示了解當前工作電流，并調整使之符合工藝設定的標準電流曲線。
對動態(tài)燒結熱壓爐工作電流可采用電流互感器(LYM-0.5 100005)測量，通過在磁電式電流表的表頭采取電壓信號，根據(jù)實驗測量確定得到磁電式電流表的表頭電壓值與工作電流關系。
本實用新型用于制備金屬基復合材料的燒結工藝，具體如下(1)將金屬或合金粉末和陶瓷粉末按按一定體積比混合均勻，并加入少量潤滑劑(如化學純硬脂酸鋅)，一般陶瓷粉末顆粒應在5μm～50μm之間，金屬粉末顆粒小于10μm；(2)冷壓制坯，采用與熱壓燒結模具規(guī)格相同的模具，一般壓力選在150～800MPa之間；(3)將制成的坯料放入熱壓燒結模具中，通電并施加50～60MPa的壓力進行燒結，對具體金屬粉末和陶瓷粉末可通過外加電壓的調整，使燒結過程遵循經(jīng)實驗確定的合適的電流曲線的變化，一般10～20分鐘即可燒結出產(chǎn)品。如果控制得當，有望在5～10分鐘內甚至更短時間內完成產(chǎn)品燒結。
采用本實用新型的電流直加熱動態(tài)燒結熱壓爐制備金屬基復合材料，可實現(xiàn)利用低電壓、大電流在短時間內對產(chǎn)品高溫燒結的效果，大大縮短粉末燒結時間，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約能源。所制備的金屬基復合材料具有優(yōu)良的性能，例如所制備的以體積百分比計含10％SiC的鐵基復合材料，抗拉強度可達838MPa，硬度可達416HB，顯著優(yōu)于現(xiàn)有技術制備的產(chǎn)品。


圖1為本實用新型電流直加熱動態(tài)燒結熱壓爐系統(tǒng)工作程序流程圖。
圖2為本實用新型電流直加熱動態(tài)燒結熱壓爐控制電路示意圖。
圖3為本實用新型電流直加熱動態(tài)燒結熱壓爐結構示意圖。
圖4為本實用新型熱壓燒結模具示意圖，其中(a)為其主視圖，(b)為其俯視圖。
圖中1感應調壓器，2常閉按鈕SB1，3常開按鈕SB2，4中間繼電器KA1開關，5中間繼電器KA2常閉觸頭，6中間繼電器KA1，7時間繼電器KT1，8時間繼電器KT2，9交流接觸器KM，10中間繼電器KA2，11時間繼電器KT1斷電延時常開觸頭，12時間繼電器KT2斷電延時常開觸頭，13計算機，14數(shù)據(jù)采集模塊，15動態(tài)燒結熱壓爐，16干式變壓器，17液壓機，18熱壓燒結模具，19壓制產(chǎn)品，20普碳鋼外框，21模具，22陶瓷絕緣層，23產(chǎn)品燒結區(qū)。
具體實施方式
實施例1本實用新型為電流直加熱動態(tài)燒結熱壓爐，如圖1所示，電流直加熱動態(tài)燒結熱壓爐由五部分構成，其連接次序依次為電路控制系統(tǒng)、感應調壓器、干式變壓器、熱壓爐和計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
如圖2所示，電路控制系統(tǒng)的輸出端與感應調壓器1的輸入端連接，電路控制系統(tǒng)提供周期性變化的工作電流，輸入給感應調壓器1。感應調壓器1的功能是完成第一次調壓，通過對感應調壓器1的控制可改變輸入電壓。它可將電壓從220V調整到100～500V。干式變壓器16的輸入端與感應調壓器1的輸出端連接，輸出端與動態(tài)燒結熱壓爐15的電流輸入端連接，干式變壓器16功能是完成第二次變壓，從而保證施加在被燒結樣品上的電壓(即動態(tài)燒結熱軋爐15的輸入電壓)為低電壓，該輸入電壓為5～20V。計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由計算機13和模數(shù)轉換模塊14(I-7018 IDAM)組成，計算機13通過數(shù)據(jù)轉換模塊14與動態(tài)燒結熱壓爐15的數(shù)據(jù)采集端口連接，采集動態(tài)燒結熱壓爐15的工作數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對燒結工藝的監(jiān)控。
如圖3所示，動態(tài)燒結熱壓爐由熱壓燒結模具18和液壓機17組成，壓制產(chǎn)品19置于模具中。
如圖4所示，本實用新型熱壓燒結模具包括20普碳鋼外框，21模具，22陶瓷絕緣層。在普碳鋼外框20內設置模具21，模具21采用鐵或高純石墨制成。在模具21內壁嵌有陶瓷絕緣層22，陶瓷絕緣層22內部是產(chǎn)品燒結區(qū)23。陶瓷絕緣層22是陶瓷片或陶瓷鍍層，采用純度為95～99％的Al2O3制成。
以下是本實用新型應用于電流直加熱動態(tài)燒結熱壓工藝的實施例。
實施例2
按體積百分比含10％SiC顆粒增強的鐵基復合材料(另加質量分數(shù)為0.5-1％的硬脂酸鋅)的制備，采用一般的粉末冶金燒結法經(jīng)壓制成型，在分解氨保護氣氛中燒結，燒結溫度為1110～1150℃，保溫1～1.5小時，其性能如表2表2普通粉末冶金燒結材料力學性能

采用本實用新型的電流直加熱動態(tài)燒結熱壓爐，在感應變壓器輸出電壓360V下直加熱燒結不同時間(間隔100s)制備的按體積百分比含10％SiC的鐵基復合材料力學性能如表3表3電流直加熱燒結材料力學性能

由表2、表3可見，采用電流直加熱動態(tài)燒結熱壓爐制備的鐵基復合材料力學性能(抗拉強度和硬度)都遠遠高于粉末冶金法燒結的同類材料的力學性能。
實施例3針對電流直加熱燒結工藝，如果不對模具進行處理，電流就會同時通過模具和被燒結材料，此種工藝可定義為普通電流動態(tài)熱壓燒結工藝；而本實用新型通過對模具的處理，電流完全通過被燒結材料。采用本實用新型的電流直加熱動態(tài)燒結熱壓工藝與普通電流動態(tài)熱壓燒結工藝燒結的體積百分比10％SiC鐵基復合材料力學性能如表4表4不同工藝制備10％SiCp/Fe復合材料的致密度和力學性能

可見，電流直加熱動態(tài)燒結熱壓工藝制備的樣品，在致密度和力學性能都要高于普通電流加熱熱壓燒結工藝。因此，本實用新型對模具的改進是完全必要的。
權利要求1.一種制備金屬基復合材料的電流直加熱動態(tài)燒結熱壓爐，包括電路控制系統(tǒng)、感應調壓器、干式變壓器、動態(tài)燒結熱壓爐和計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于電路控制系統(tǒng)的輸出端與感應調壓器的輸入端連接，干式變壓器的輸入端與感應調壓器的輸出端連接，輸出端與動態(tài)燒結熱壓爐的電流輸入端連接，計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由計算機和模數(shù)轉換模塊組成，計算機通過數(shù)據(jù)轉換模塊與動態(tài)燒結熱壓爐的數(shù)據(jù)采集端口連接，動態(tài)燒結熱壓爐由液壓機和熱壓燒結模具構成，熱壓燒結模具由普碳鋼外框、模具、陶瓷絕緣層構成，在普碳鋼外框內設置模具，模具采用鐵或高純石墨制成，在模具內壁嵌有陶瓷絕緣層。
2.按照權利要求1所述的電流直加熱動態(tài)燒結熱壓爐，其特征在于陶瓷絕緣層是陶瓷片或陶瓷鍍層，采用純度為95～99％的Al2O3制成。
專利摘要制備金屬基復合材料的電流直加熱動態(tài)燒結熱壓爐，由電路控制系統(tǒng)、感應調壓器、干式變壓器、動態(tài)燒結熱壓爐和計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構成。熱壓燒結模具由普碳鋼外框、模具、陶瓷絕緣層構成，模具采用鐵或高純石墨制成，在模具內壁嵌有陶瓷絕緣層。采用電流直加熱動態(tài)燒結熱壓爐制備金屬基復合材料的燒結工藝中，壓力50～60MPa，輸入電壓為5～20V，燒結時間為5～20分鐘。采用本實用新型的裝置制備金屬基復合材料可實現(xiàn)利用低電壓、大電流在短時間內對產(chǎn)品高溫燒結的效果，所制備的金屬基復合材料具有優(yōu)良的性能，抗拉強度、硬度顯著優(yōu)于現(xiàn)有技術制備的產(chǎn)品。
文檔編號B22F3/12GK2858131SQ200520092120
公開日2007年1月17日 申請日期2005年8月10日 優(yōu)先權日2005年8月10日
發(fā)明者王剛, 宗亞平, 楊玉芳 申請人:東北大學