專利名稱：一種制備顆粒增強金屬基復合材料的設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于復合材料制備領域，特別提供了一種制備金屬基復合材料的設備。
技術背景近年來，輕金屬結構材料(鎂、鋁等合金)的工程應用越來越受到重視，這主要得 益于該類材料的密度較小，所以在極為關注其產(chǎn)品自重的軍事工業(yè)、汽車工業(yè)、電子工 業(yè)及航天航空工業(yè)等領域有極大的應用潛力。然而，輕金屬結構材料較低的室溫尤其是 高溫力學性能及熱性能卻限制了其在上述領域中更廣泛的應用。復合材料設計與制備技 術為突破這種應用限制提供了科學支持，采用輕金屬基復合材料，既可以保持材料密度 小的優(yōu)勢，又能通過增強相的加入提高材料的力學性能。因此，同時具有低密度、高強 度、高模量和低熱膨脹系數(shù)的輕金屬基復合材料必將成為21世紀的高端應用結構材料， 有非常廣泛的應用背景。在各種制備技術中，熔鑄法被普遍認為是最適合工業(yè)化低成本制備金屬基復合材料 的技術。最早出現(xiàn)的攪拌方法是旋渦法(F.A.Badia， D.F.Macdonald and J.R.Pearson, AFS Trans., 1971,vol79，p265 268)，工藝簡單，但旋渦會使材料的吸氣量增加，而且該方法 只適合于直徑較大的顆粒(50 100^im);其后，Alcan公司于1988年發(fā)明了 Duralcon液 態(tài)金屬攪拌法(US Patent 4759995)，在真空條件下，用多級葉片組成的攪拌器進行攪拌 混合，攪拌時液面只產(chǎn)生很小的旋渦，從而避免了氣體的巻入，但是該方法也沒有完全 解決增強顆粒與金屬液之間的浸潤問題，仍然存在增強相顆粒成團和偏聚的問題，此外， 該方法設備極為復雜，且只適用于直徑大于10pm的顆粒。在國內(nèi)，北京交通大學韓建 民等人(中國專利200510011526.0)發(fā)明了真空機械雙攪拌鑄造法。縱觀熔鑄法制備復 合材料的研究結果，可以看出仍存在以下兩個關鍵問題1)增強相的均勻分散性問題 尚未完美解決。渦流攪拌及氣體送粉引起的吸氣、增強相與基體之間的不浸潤性、增強 相的團聚等問題仍然存在；2)以往的制備方法往往只注重于增強相的均勻分散性，而 對增強相與基體間的界面結合狀況考慮較少，事實上，金屬基體與增強相之間的界面擔 負著將載荷從基體傳遞至增強相的重任，是影響材料性能，進而制約材料應用一個重要 因素。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種制備顆粒增強金屬基復合材料的設備，采用本設備最終得到增強相 均勻分散、性能優(yōu)良和成本低廉的復合材料。
為達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術方案它包括保溫槽，在保溫槽內(nèi)設 有收集坩堝，坩堝內(nèi)裝有一副相配合的動盤和定盤，定盤固定在收集坩堝內(nèi)，盤的中部 穿有一連桿，該連桿的一端接攪拌器，連桿的中部連接動盤，定磨中設有一個熔化基材 的加料口和一個增強材料的加料口，該設備的底部設有出料口和導料管。
本發(fā)明中，基體材料熔體和增強相同時通過一對旋轉的磨盤，利用磨盤動盤和定盤
之間的相對運動，使材料受到剪切和碾磨，以改善復合材料的界面狀況和初步均勻分散，
然后再用攪拌器對制備的復合材料進行二次均勻化處理，最終得到增強相均勻分散、性
能優(yōu)良和成本低廉的復合材料。
動盤或定盤的截面形狀為圓形、方形、橢圓形、菱形或其他形狀，動盤和定盤的尺
寸為5 1000mm。動盤和定盤嚙合處形狀為鋸齒型、波浪型、螺旋型或其他形狀。動 盤和定盤嚙齒槽高為0.05~20mm，嚙齒槽寬為0.05 20mm，嚙齒槽的傾斜角為1~5度， 定盤和動盤的材質為耐熱合金、高溫合金、碳化硼或其他耐熱耐磨耐高溫合金或非金屬 材料，或定盤和動盤盤身材料為普通耐熱合金，高溫合金或其他合金或非金屬材料，而 嚙合面材料為優(yōu)質耐熱合金、高溫合金、碳化硼或其他金屬或非金屬耐熱耐磨耐高溫合 金，并經(jīng)過噴涂、固體層積、滲碳、滲氮、滲硼或碳氮共滲等表面加工處理。
定盤(15)和動盤(16)的材質為5Cr21Mn9Ni4N， 2Cr21Nil2N、 3Crl8Mnl2Si2N等
奧氏體耐熱鋼，鐵基、鈷基和鎳基等耐熱耐高溫合金或碳化硼等耐熱耐高溫材料。
定盤(15)和動盤(16)嚙合面材質為5Cr21Mn9Ni4N， 2Cr2皿12N、 3Crl8Mnl2Si2N
等奧氏體耐熱鋼，鐵基、鈷基和鎳基等耐熱耐高溫合金或碳化硼等耐熱耐高溫材料。
與現(xiàn)有復合材料的制備技術和設備相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于
(1) 磨盤對增強相顆粒進行碾磨處理，改善了其表面狀況，強化了復合材料的界 面結合；
(2) 增強相在材料中的分散更為均勻，所制備復合材料力學性能大幅度提高；；
(3) 調整合金液與增強相的輸入流量，可制備出不同體積分數(shù)的復合材料；
(4) 制備工藝簡單、加工速度快、加工成本大大降低，而且該設備能夠與現(xiàn)有的 多種材料成形設備銜接，易于商業(yè)化生產(chǎn)。


圖1是本發(fā)明的顆粒增強金屬基復合材料的設備示意圖。 圖2為磨盤定盤嚙合面截面結構示意圖。 圖3為磨盤動盤嚙合面截面結構示意圖。
圖1中，1為基體材料熔化坩堝爐、2為熔化的基體材料、還有升降機構3、基 體材料靜置坩堝4、閥門5、基體材料導流管6、保溫槽7、連桿8、收集坩堝9、加熱 件10、復合材料導流管11、閥門12、復合材料13、攪拌器14、磨盤動盤15、磨盤定 盤16、定位連接螺釘17、坩堝蓋18、增強材料19、增強材料輸送系統(tǒng)20和電機21。 圖2、 3中，16-1為基體材料入口、 16-2連桿連接孔、16-3為增強材料入口。
具體實施例方式
升降機構3用來自由調整基體材料熔化坩堝爐1的澆口與基體材料靜置坩堝4之間 的距離以方便澆注，基體材料靜置坩堝4的保溫性能良好，能保證合金熔體有較高的控 溫精度，控溫精度為士5'C，基體材料靜置坩堝4的底部開設閥門5與基體材料導流管6 相接，基體材料導流管6主要功能是從基體材料靜置坩堝4中向磨盤動盤15和磨盤定 盤16中輸送基體材料2，其下部通入磨盤動盤15和磨盤定盤16中心的嚙合面處。
增強材料輸送系統(tǒng)20的主要功能是向磨盤動盤15和磨盤定盤16中輸送增強材料， 其下部通入磨盤動盤15和磨盤定盤16中心的嚙合面處?；w材料導流管6和增強材料 輸送系統(tǒng)20可由保溫性能良好的耐火材料、保溫材料或非金屬材料組成，也可通過銅、 鋼等金屬或非金屬材料制作，并在外纏繞加熱器，加熱器可由電阻加熱絲或電磁感應加 熱器組成。
收集坩堝9和坩堝蓋18形成一個隔熱的近乎密閉的保溫系統(tǒng)置于保溫材料7中，收 集坩堝9的外壁纏繞加熱件10，該加熱件為電阻加熱絲或電磁感應方式。在收集柑堝9 的底部開口且設置一閥門12,閥門12用來控制制備完畢的復合材料向導流管的流動， 閥門12可通過手動或自動控制，復合材料導流管U連接于收集坩堝9的底部，復合材 料導流管ll的外部纏繞加熱件，加熱件可為電阻加熱絲或電磁感應方式。
磨盤由磨盤動盤15和磨盤定盤16組成，定盤和動盤的盤面截面如圖2和圖3所示， 動盤15和定盤16安裝在連桿8的中心，在連桿8的頂端設置電機21，連桿8通過 電機21帶動旋轉，在連桿的底端為攪拌器14，攪拌器14與連桿8—起旋轉，攪拌器為 葉片式旋轉攪拌器、渦輪式旋轉或其他形式的攪拌器。在電機21啟動帶動連桿8旋轉 的時候，定盤16保持不動，動盤15和攪拌器14隨連桿8—起旋轉。旋轉速度通過調 整電機21的轉速來完成。在定盤16上設置定位連接螺釘17用來固定和連接定盤。實施例1
參照圖l，這是按照上述技術特點提供的工藝流程及裝置。本發(fā)明整體結構呈垂直
布置，基體材料熔化坩堝、基體材料靜置坩堝和增強材料輸送系統(tǒng)位于頂部，產(chǎn)生的熔
融基體合金材料和增強材料通過導流管進入磨盤的嚙合面進行均勻分散化處理，動盤和
攪拌器固定于連桿上，通過電機帶動連桿進行旋轉，混合的基體材料和增強相經(jīng)磨盤嚙
齒進行碾磨壓碎處理后就成為分散比較均勻的復合材料，這些復合材料落入下部的攪拌
器上，然后高速旋轉的攪拌器對這部分復合材料進行強烈的攪拌，再次進行均勻分散化
處理，經(jīng)二次分散均勻化處理后，復合材料中的增強相在基體材料中的分散更為均勻，
避免了增強相的偏聚和團聚等問題，然后這部分增強相均勻分布的復合材料可通過導流
管流出移送到壓鑄機、擠壓機、鍛造機、鑄軋機、連鑄機或其他成形設備中進行流變成
形?；蚶鋮s下來制成坯料供成形用。
該工藝裝置設置升降機構3，該升降機構3利用液壓系統(tǒng)驅動，AZ61鎂合金熔體
通過基體材料熔化坩堝爐1熔化，該熔化坩堝爐保溫性能很好，能夠保證AZ61鎂合金
有較高的控溫精度，控溫精度為土1(TC，基體材料靜置坩堝4的保溫性能良好，同樣也
能保證AZ61鎂合金有較高的控溫精度，控溫精度為士1(TC,基體材料導流管6的上端
與靜置坩堝的底部開口處連接，下端通入磨盤動盤15和磨盤定盤的嚙合面處，增強材
料輸送系統(tǒng)20的下端也通入磨盤動盤15和磨盤定盤的嚙合面處，基體材料導流管6和
增強材料輸送系統(tǒng)20的外部纏繞電阻加熱絲進行加熱，基體材料導流管6和增強材料
輸送系統(tǒng)20的材質為不銹鋼，內(nèi)徑為20mm，磨盤定盤16通過定位連接螺釘固定17，
磨盤動盤15和攪拌器14固定在連桿8上與連桿8 —起旋轉，連桿8通過電機帶動，連
桿旋轉速度1000rpm，攪拌器14為葉片旋轉攪拌器，直徑為120mm。磨盤動盤和磨盤定
盤半徑為100mm，材質為奧氏體耐熱鋼，動盤15和定盤16嚙合處形狀為鋸齒型，嚙齒
槽高為3mm，嚙齒槽寬為3mm，嚙齒槽的傾斜角為3度，收集坩堝9為圓柱形石墨柑
堝，內(nèi)部尺寸為018OX400，外壁纏繞電阻加熱絲進行加熱。收集坩堝9底部開口設置
閥門12與復合材料導流管11上端相連，復合材料導流管11外部的加熱器為電阻加熱絲。
調整升降機構3將AZ61鎂合金在基體材料熔化坩堝爐1中加熱熔化到615°C，同 時將平均直徑5pm的增強材料SiC顆粒19置于烘烤箱中在15(TC的溫度下重烘烤10小 時，使增強材料SiC顆粒19的溫度分布均勻，然后再預熱到在620'C。啟動升降機構3 并調整其與基體材料靜置坩堝4之間的距離，使熔融的AZ61鎂合金傾倒入基體材料靜置坩堝4中，待基體材料靜置坩堝4中的AZ61鎂合金靜置約5分鐘，啟動加熱器10 將收集坩堝9及其內(nèi)部磨盤15、 16等部件預熱至615'C后，通入0.5wP/。SF6+CO2保護 氣；5分鐘后啟動電機20，將電機的轉速調整到1000ipm，啟動閥門5和增強材料輸入 系統(tǒng)20，將AZ61鎂合金熔體2和增強材料SiC顆粒19輸送至磨盤嚙合面進行碾磨， 粉碎、均勻化處理。稍等片刻后基體材料AZ61鎂合金熔體2與增強材料SiC顆粒19 經(jīng)磨盤動盤15和磨盤定盤16側壁流出后就得到了 AZ61/25vol%SiC復合材料13。這些 復合材料13下落到攪拌器14上，高速旋轉的攪拌器14對下落的復合材料13進行第二 次均勻化處理，待得到一定量的復合材料13后，打開收集坩堝9的閥門12使復合材料 13從導流管11流到壓鑄機、擠壓機、鍛造機、鑄軋機、連鑄機或其他成形設備中進行
流變成形，或冷卻下來制成坯料供成形用。
本發(fā)明的設備既適合于鎂基合金的復合材料的制備，也適合于鋁基合金、鋅基合金、 銅基合金、鎳基合金、鈷基合金和鐵基合金和其他合金的復合材料的制備。
權利要求
1、一種制備顆粒增強金屬基復合材料的設備，其特征在于它包括保溫槽(7)，在保溫槽(7)內(nèi)設有收集坩堝(9)，坩堝內(nèi)裝有一副由相配合的動盤(15)和定盤(15)組成的磨盤，定盤固定在收集坩堝內(nèi)，盤的中部設有一連桿(8)，該連桿的一端接攪拌器(14)，連桿的中部連接動盤，定盤中設有一個熔化基材的加料口(16-1)和一個增強材料的加料口(16-3)，該設備的底部設有出料口和導料管(11)。
2、 如權利要求l所述的設備，其特征在于所述的動盤(15)和定盤(16)的截面形狀為圓形、方形、橢圓形或菱形，動盤和定盤的尺寸為5 1000mm。
3、 如權利要求l所述的設備，其特征在于動盤(15)和定盤(16)的嚙合面形 狀為鋸齒型、波浪型或螺旋型。
4、 如權利要求3所述的設備，其特征在于所述的動盤(15)和定盤(16)的嚙 合面形狀為鋸齒型，其嚙齒槽高為0.05~20mm，嚙齒槽寬為0.05 20mm，嚙齒槽的傾 斜角為1 5度。
5、 如權利要求l所述的設備，其特征在于定盤(15)和動盤(16)的材質為 5Cr21Mn9Ni4N， 2Cr21Nil2N、 3Crl8Mnl2Si2N奧氏體耐熱鋼，鐵基、鈷基和鎳基耐熱耐 高溫合金或碳化硼耐熱耐高溫材料。
6、 如權利要求1所述的設備，其特征在于定盤(15)和動盤(16)嚙合面材質 為5Cr21Mn9Ni4N， 2Cr21Nil2N、 3Crl8Mnl2Si2N奧氏體耐熱鋼，鐵基、鈷基和鎳基耐熱 耐高溫合金或碳化硼耐熱耐高溫材料。
7、 如權利要求6所述的裝置，其特征在于所述的嚙合面經(jīng)過噴涂、固相沉積、 滲碳、滲氮、滲硼或碳氮共滲表面加工處理。
8、 如權利要求l所述的設備，其特征在于動盤(15)和攪拌器(14)安裝固定 在連桿(8)上，并與連桿一起旋轉，連桿(8)通過可調速電機(20)帶動旋轉。
9、 權利要求1所述的設備，其特征在于攪拌器(14)為葉片式旋轉攪拌器或渦 輪式旋轉攪拌器。
10、 如權利要求1所述的設備，其特征在于基體材料導流管(6)和增強材料輸 送系統(tǒng)(20)的末端通入磨盤動盤(15)和磨盤定盤(16)中心的嚙合面處。
11、 如權利要求l所述的設備，其特征在于基體材料導流管(6)和增強材料輸 送系統(tǒng)(20)外設置加熱器，加熱器由電阻加熱絲或電磁感應加熱器組成。
全文摘要
一種制備顆粒增強金屬基復合材料的設備，它包括保溫槽(7)，在保溫槽(7)內(nèi)設有收集坩堝(9)，坩堝內(nèi)裝有一副由相配合的動盤(15)和定盤(15)組成的磨盤，定盤固定在收集坩堝內(nèi)，盤的中部設有一連桿(8)，該連桿的一端接攪拌器(14)，連桿的中部連接動盤，定盤中設有一個熔化基材的加料口(16-1)和一個增強材料的加料口(16-3)，該設備的底部設有出料口和導料管(11)。本發(fā)明的優(yōu)點在于磨盤對增強相顆粒進行碾磨處理，改善了其表面狀況，強化了復合材料的界面結合，增強相在材料中的分散更為均勻，所制備的復合材料力學性能大幅度提高；可隨意調整合金液與增強相的輸入流量，制備出不同體積分數(shù)的復合材料；設備簡單，制備速度快、制備成本低廉，而且該設備能夠與現(xiàn)有的多種材料成形設備銜接，易于商業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號B22D1/00GK101602093SQ20081011461
公開日2009年12月16日 申請日期2008年6月10日 優(yōu)先權日2008年6月10日
發(fā)明者張志峰, 駿 徐, 石力開 申請人:北京有色金屬研究總院