專利名稱：電磁分離制備金屬基自生梯度復合棒材和管材的方法
技術領域：
本發明涉及的是一種制備金屬基自生梯度復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合棒材和管材的方法，屬于材料制備領域。
背景技術：
顆粒增強金屬基復合材料(PMMCs)具有高比強度、高比模量、低密度及良好的高溫性能等優良的綜合力學性能和使用性能，近年來在工業和學術領域都受到了廣泛的重視。在有些特殊情況下，需要同一構件的兩側具有不同的性質或功能，又希望不同性能的兩側結合良好，從而不至于在苛刻惡劣的使用條件下因性能不匹配而發生破壞。針對這種情況，日本科學家于1987年首次提出了梯度功能復合材料(Functionally Gradient Materials，簡稱FGMs)的概念和設計思想，即根據具體要求，采用先進的材料復合技術，連續地改變兩種具有不同性能的材料的組成和結構，使其內部界面消失，從而得到功能相應于組成和結構地變化而緩變的非均質材料。此后，引起世界范圍內對梯度功能材料的研究熱潮，開發出各種應用于不同領域的梯度功能材料。
針對鋁基自生復合材料，可采用激光熔覆、機械離心、電磁離心和電磁分離等工藝，控制自生增強相在基體中沿深度方向的分布，制備鋁基自生梯度功能復合材料。經文獻檢索發現，中國專利申請號02137749.9，專利名稱“多梯度/多層自生梯度復合材料的電磁分離制備方法”，該專利介紹了用直流一穩恒磁場相互作用的方式使自生富鐵相偏聚到塊狀材料的一側，制備了用自生富鐵相作為增強相的塊狀表面材料，制備裝置由電磁鐵、直流電源及回路和澆鑄系統構成，合金液注入澆鑄系統后導通直流回路，由此形成的直流電流和電磁鐵施加的穩恒磁場相互作用而產生電磁力。由于沒有對電磁力作用參數進行控制，自生增強相在表層高度聚集，未形成梯度分布。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術中的不足，提供一種電磁分離制備金屬基自生梯度復合棒材和管材的方法，使其通過控制合金液的溫度，原位生成一定體積分數增強相，通過施加交變磁場，利用合金液與自生相之間的導電性差異，使導電率較小的自生相偏聚到基體材料外表面，從而使自生增強相大小和體積分數均沿徑向呈連續的梯度分布，獲得高表面硬度和耐磨性、并能保持心部韌性的梯度增強復合管材和棒材。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明通過高頻電源在感應線圈內產生交變磁場，將具有多個兩端貫通的圓孔或圓形環空型腔的耐火材料鑄型沿軸向置于感應線圈內，底部連接水冷銅模；經過預處理的合金液通過澆口杯澆注到耐火材料鑄型中，由于與合金液存在導電性上的差異，自生相在電磁力作用下向耐火材料鑄型型腔壁面運動；待合金液凝固后，自生增強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層。
以下對本發明作進一步的說明，方法步驟如下(1)采用具有多個兩端貫通的圓孔或圓形環空的耐火材料鑄型，將耐火材料鑄型預熱后沿軸向置于圓柱狀感應線圈內，底部連接水冷銅模。
(2)高頻電源與感應線圈之間用水冷銅電纜連接，開通電源后，在感應線圈內部可產生頻率為10kHz-20kHz、、有效磁感應強度為0.02-0.2T的交變磁場。
(3)澆鑄前將合金液的溫度控制在高于液相線50-100℃，合金液通過澆口杯澆注到耐火材料鑄型中，隨著合金液溫度降低內部自生相不斷析出和長大，由于多數自生相與合金液存在導電性上的差異，會受到相反方向的電磁力作用，并向耐火材料鑄型內孔的外壁面運動。
(4)改變高頻電源的功率、頻率來調節電磁力大小，調整與合金液接觸的水冷銅模中的水流量(2-20L/min)來控制合金液的冷卻速度。
(5)經過電磁力作用10-20s后，關閉電源，合金液在耐火材料鑄型內凝固，獲得自生增強相粒徑大小和體積分數從外表面至內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層。
耐火材料鑄型需經過預熱處理。利用圓孔或圓形環空耐火材料鑄型可分別得到自生相增強的梯度復合棒材和管材。作用于不同粒徑自生增強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；少量自生相增強顆粒未來得及遷移到外表面而散布在靠近內部基體的區域，形成過渡層；在中心區域，由于絕大部分自生相的遷移離開，形成以基體材料為主、增強相含量極少的組織。
本發明具有實質性特點和顯著進步，本發明利用合金液中多數自生相與合金液電導率之間的差異，在高頻電源和感應線圈產生的電磁力作用下，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相粒徑大小和體積分數沿徑向呈連續梯度分布的復合棒材和管材。采用根據本發明制備得到的金屬基自生相增強梯度復合材料，形成具有一定厚度的硬度高的梯度增強層，表層耐磨性優于本體均質的復合材料，而中心基體為共晶組織，保證了整體韌性。
具體實施例方式
結合本發明的內容提供以下實施例實施例1采用高頻電源在圓柱狀軸對稱感應線圈內產生頻率為20kHz、有效磁感應強度為0.02T的交變磁場；耐火材料鑄型預熱到250℃后沿軸向置于圓柱狀感應線圈內，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℃；開啟高頻電源并調節到預定的功率，通過澆口杯將合金液澆注到耐火材料鑄型中，電磁力作用時間30s；關閉高頻電源，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梯度復合材料，具有高硬度的梯度增強層，中心基體為共晶組織，具有整體韌性。
實施例2采用高頻電源在圓柱狀軸對稱感應線圈內產生頻率為10kHz、有效磁感應強度為0.2T的交變磁場；耐火材料鑄型預熱到250℃后沿軸向置于圓柱狀感應線圈內，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℃；開啟高頻電源并調節到預定的功率，通過澆口杯將合金液澆注到耐火材料鑄型中，電磁力作用時間10s；關閉高頻電源，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梯度復合材料，形成具有高硬度的梯度增強層，中心基體為共晶組織。
實施例3采用高頻電源在圓柱狀軸對稱感應線圈內產生頻率為15kHz、有效磁感應強度為0.1T的交變磁場；耐火材料鑄型預熱到250℃后沿軸向置于圓柱狀感應線圈內，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℃；開啟高頻電源并調節到預定的功率，通過澆口杯將合金液澆注到耐火材料鑄型中，電磁力作用時間20s；關閉高頻電源，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梯度復合材料，具有高表面硬度和耐磨性、并能保持心部韌性。
權利要求
1.一種電磁分離制備金屬基自生梯度復合棒材和管材的方法，其特征在于，通過高頻電源在感應線圈內產生交變磁場，將具有多個兩端貫通的圓孔或圓形環空型腔的耐火材料鑄型沿軸向置于感應線圈內，底部連接水冷銅模，經過預處理的合金液通過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動，待合金液在耐火材料鑄型內凝固后，自生增強相主要聚集在凝固形成的圓棒或圓管材料的表層，并形成梯度增強層。
2.根據權利要求1所述的電磁分離制備金屬基自生梯度復合棒材和管材的方法，其特征是，具體步驟如下(1)采用具有多個兩端貫通的圓孔或圓形環空的耐火材料鑄型，將耐火材料鑄型沿軸向置于圓柱狀感應線圈內，底部連接水冷銅模；(2)高頻電源與感應線圈之間用水冷銅電纜連接，開通電源后，在感應線圈內部產生頻率為10kHz-20kHz、有效磁感應強度為0.02-0.2T的交變磁場；(3)經過預處理的合金液通過澆口杯澆注到耐火材料鑄型中，隨著合金液溫度降低內部自生相持續析出和長大，多數自生相受到相反方向的電磁力作用，并向耐火材料鑄型內孔的外壁面運動；(4)改變高頻電源的功率、頻率來調節電磁力大小，調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)經過電磁力作用10-30s后，關閉電源，合金液在耐火材料鑄型內凝固，獲得自生增強相粒徑大小和體積分數沿徑向從外表面至內部基體分布，從而在圓棒或圓管材料表層形成具有厚度的梯度增強層。
3.根據權利要求1或2所述的電磁分離制備金屬基自生梯度復合棒材和管材的方法，其特征是，耐火材料鑄型先經過預熱處理。
4.根據權利要求1或2所述的電磁分離制備金屬基自生梯度復合棒材和管材的方法，其特征是，通過高頻電源在感應線圈內產生交變磁場，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合棒材和管材的方法屬于材料制備領域。本發明通過高頻電源在感應線圈內產生交變磁場，將具有多個兩端貫通的圓孔或圓形環空型腔的耐火材料鑄型沿軸向置于感應線圈內，底部連接水冷銅模，經過預處理的合金液通過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動，待合金液在耐火材料鑄型內凝固后，自生增強相主要聚集在凝固形成的圓棒或圓管材料的表層，并形成梯度增強層。本發明形成具有一定厚度的硬度高的梯度增強層，表層耐磨性優于本體均質的復合材料，而中心基體為共晶組織，保證了整體韌性。
文檔編號B22D27/02GK1460568SQ0312891
公開日2003年12月10日 申請日期2003年5月29日 優先權日2003年5月29日
發明者李克, 王俊, 孫寶德, 疏達, 丁文江, 周堯和 申請人:上海交通大學