一种组合电磁场下原位合成金属基复合材料的方法

摘要

本发明提供一种工业规模连续化生产颗粒增强金属基复合材料的方法，采用组合磁场下合成金属基复合材料。特征为：复合材料原位合成过程中采用旋转磁场与行波磁场组合下合成制备颗粒增强金属基复合材料熔体。复合材料熔池的外侧安置低频旋转磁场，磁场线圈中心与熔体中心在同一高度；在复合材料熔池的底部施加行波磁场，行波磁场线圈中心与复合材料熔池的中心在同一位置。该方法制备的复合材料颗粒增强相分布均匀、细化，内部组织致密无疏松、缩孔等组织缺陷，铸坯外表面光洁度高，无缺陷，复合材料的抗摩擦磨损性能明显提高。

说明书

技术领域

本发明涉及材料制备技术领域，特别涉及到一种组合电磁场下熔体反应合成内生颗粒增强相的金属基复合材料的新方法。

背景技术

颗粒增强金属基复合材料因具有复合的结构特征和良好的理化及力学性能，已成为一种应用越来越广泛的新型金属功能材料。按增强相形貌划分，金属基复合材料主要分为颗粒增强金属基复合材料和纤维增强金属基复合材料两大类。颗粒增强金属基复合材料的突出优点是比强度高、增强体成本低、微观结构较均匀、材料性能各向同性、可采用传统加工工艺进行二次成型等。目前，颗粒增强金属基复合材料的制备方法较成熟的主要有两种：外加增强颗粒法和原位反应生成法。外加增强颗粒法以金属熔体外加增强颗粒搅拌合成为主；原位反应生成颗粒法制备颗粒增强金属基复合材料的原理是在金属基体熔液中加入或通入能生成第二相的合金元素或化合物，在一定温度下与金属基体熔液发生反应，形成原位增强颗粒复合材料。

上述两种制备颗粒增强金属基复合材料的方法各有特点，但其制备过程中的最大难点却是一个相同的问题，即如何在保证金属基体性能的前提下，控制颗粒增强相的尺寸、分布、形貌以及颗粒相与基体金属的界面润湿性等特征，以保证复合材料具有组织均匀、致密，颗粒细小、弥散，材料综合性能优良等目标。解决该问题的最有效方法是采用熔体搅拌法，研究报道和工业上应用的搅拌法包括机械搅拌法、气体搅拌法和电磁搅拌法。机械搅拌法是最简单直接的方法，由于存在效率低，搅拌装置污染金属熔体并向熔体内部带渣等缺点，不利于大规模连续化生产采用及提高产品质量。气体搅拌法的不足主要是搅拌强度有限、搅拌不均匀以及喷吹气体带渣污染熔体等，也不利于提高产品质量。电磁搅拌实现无接触搅拌，不破坏熔池的氧化膜及顶渣保护层，不会给熔体带来污染，而且搅拌强度易于实现精确调控，在冶金与材料制备过程中应用越来越广泛。

目前，单一电磁场搅拌作用下制备金属基复合材料已经有几个专利技术，如中国专利：CN1667147C，公开日为：2005.9.14，发明名称为：一种工业规模制备内生颗粒增强铝基复合材料的制备方法，该专利提出采用熔体反应法+电磁搅拌处理+半连铸成型集成技术。该方法是将含有增强颗粒形成元素的化合物在某一温度下加入到熔融的铝或铝合金中，同时施加电磁搅拌，使之充分反应，并使内生颗粒在熔体中分布较均匀，获得的复合材料熔体，经半连铸成棒材。中国专利：CN 101199989，异频复合电磁场下连续铸造颗粒增强金属基复合材料的方法，提出在复合材料熔体制备过程中施加低频交变磁场：频率为5～50Hz，功率范围为5～60kW，进行电磁搅拌。以上电磁场下制备颗粒增强复合材料所采用的磁场都为单一旋转搅拌磁场，电磁场也起到明显的作用效果，但随着技术的发展及对复合材料性能、质量要求的提高，单一磁场搅拌下合成金属基复合材料存在的问题逐渐凸现，特别是单一磁场下搅拌，颗粒相容易出现偏聚，形成局部密集或团簇状分布，导致材料的组织性能出现不均匀性。分析该问题产生的原因如下：

由于颗粒增强相与基体金属熔体在物理性能方面存在差异，所以含颗粒增强相的金属熔体具有非均质非连续的特征，颗粒增强相与基体金属在电磁特性方面的差异使两者受到的电磁力不一致，而且由于颗粒相与基体金属液在密度、润湿性方面存在差异，颗粒相在金属熔体内容易偏聚，例如，施加旋转磁场搅拌时，若颗粒相的密度大于熔体的密度较多，颗粒相在旋转离心力的作用下，向熔体外围偏聚。施加行波磁场搅拌时，非磁性的颗粒相不受电磁力作用，在熔体上下搅拌过程中，由于颗粒相与熔体间的密度差异，颗粒相易于上浮或沉淀，增强相的收得率下降。因此，对含颗粒增强相的金属熔体施加单一磁场的电磁搅拌也很难取得非常理想的效果。

为解决单一磁场搅拌下存在的上述问题，申请者提出了组合磁场下合成金属基复合材料的新方法，使颗粒相在基体金属熔体内得到更有效地细化效果并达到理想的均匀分布效果。

发明内容

本发明的目的是：针对目前合成颗粒增强金属基复合材料存在的主要问题，提供一种工业规模连续化合成颗粒增强金属基复合材料的方法，即颗粒增强金属基复合材料熔体在组合磁场电磁搅拌(EMS)作用下合成，经半连铸成型得到坯料或模铸成型制成铸件。

本发明的基本思路是：在颗粒增强复合材料的合成过程同时施加旋转磁场(R-EMS)和行波磁场(T-EMS)进行复合磁场下的电磁搅拌，旋转磁场电磁搅拌实现金属熔体的圆周运动，即旋转运动，行波磁场实现金属熔体的垂直(上下)搅拌运动，因此，在旋转磁场和行波磁场共同作用下，金属熔体实现螺线型运动。组合磁场下的螺线型搅拌可以克服单一磁场电磁搅拌的不足，使颗粒相在熔体内的分布更加均匀细化，其原理结合图1，分析如下：

在保温耐火材料做成的复合材料熔池3的外侧施加旋转磁场1对复合材料熔体2进行电磁搅拌，则复合材料熔体以水平方向的圆周运动为主(图1A)(强制搅拌下自然对流可忽略)，这就是中国专利：CN101199989提及的低频旋转磁场电磁搅拌(R-EMS)，该搅拌磁场作用下，熔体的旋转层流运动难以克服颗粒沉降或上浮导致不同高度方向的颗粒相分布差异，而且，颗粒相在圆周运动离心力的作用下，容易偏向熔池四周团聚成大颗粒而被耐火材料衬捕获，这是单一施加R-EMS的不足之处。若不施加旋转磁场1，而是在复合材料熔池底部施加行波磁场4(图1B)，即实施行波磁场电磁搅拌(T-EMS)，则复合材料熔体在磁场作用下呈垂直(上下)运动，单一采用该搅拌方式的不足是熔池中存在局部死区和局部强烈受搅拌区，即搅拌均匀性差，另外，单一的垂直搅拌会加速颗粒复合相的沉降或上浮，增强相的收得率不高，导致复合效果不好。若同时施加旋转磁场1和行波磁场4(图1C)，即采用本发明提出的组合磁场，则复合材料熔体呈现螺旋搅拌的效果，搅拌强度有效提高，特别是能有效消除搅拌“死区”，该组合磁场搅拌集R-EMS和T-EMS两种搅拌的优点，弥补了使用单一磁场搅拌的不足。

基于上述思路，实现本发明的技术方案是：

一种组合磁场下熔体反应合成金属基复合材料的方法：是金属熔体精炼后调整到反应合成起始温度，加入能与熔体原位反应生成颗粒相的反应物进行合成反应，在反应合成过程中同时施加旋转磁场和行波磁场；待反应结束，静置到浇注温度后进行浇注。

本发明方法中所说的在反应合成过程中同时施加旋转磁场和行波磁场，具体的操作是：在复合材料熔池外侧安置低频旋转磁场，安装位置根据熔池内熔体高度确定，磁场线圈中心与熔体中心在同一高度，低频磁场的电磁参数范围为频率：0.5～100Hz，工作电流：1～1000A，根据熔体的搅拌强度调节电磁参数；在复合材料熔池的底部施加行波磁场，行波磁场线圈中心与复合材料熔池的中心在同一位置，行波磁场的电磁参数范围为频率：0.5～100Hz，工作电流：1～1000A，根据熔体的搅拌强度调节电磁参数。

该方法的特征在于金属基复合材料的合成过程中从熔池侧面施加旋转磁场，从熔池底板施加行波磁场，在旋转磁场和行波磁场构成的组合磁场下进行合成。该方法可用于向熔体外加颗粒增强相法和原位反应合成法制备复合材料。

应用该发明的具体特征为：

复合材料熔池内的基体金属熔液的成分和反应起始温度达到后，通过喷枪5将能与金属液反应生成颗粒增强相的反应物喷入复合材料熔池2，开启组合磁场，调节组合磁场的电磁参数，使复合材料熔体搅拌一定时间，制得复合材料熔体。如果采用真空条件下合成，在熔池上加带密封的炉盖6(图2)。

与现有技术相比本发明具有的优点主要是熔池搅拌效率提高，搅拌时间缩短，搅拌效果提高，制得的复合材料熔体颗粒相更加细密，分散更加均匀，熔体的温差控制范围更准确。

附图说明：

图1电磁搅拌原理图

图2设备示意图

图3复合材料圆坯微观组织的扫描电镜图

图中：1-旋转磁场，2-复合材料熔体，3-熔池，4-行波磁场，5-喷枪，6-密封炉盖。

具体实施方式

实施实例：制备(Al₃Zr_(s)+Al₂O_3(s))颗粒增强A356基复合材料

原材料：基体金属：A356合金；固体粉末：工业碳酸锆(Zr(CO₃)₂)粉剂(纯度为99.20％)，精炼脱气剂及扒渣剂；

原位反应方程式：7Al_(l)+Zr(CO₃)_2(s)＝Al₃Zr_(s)+2Al₂O_3(s)

颗粒增强相：Al₃Zr_(s)和Al₂O_3(s)

制备过程分两步：

(一)：金属熔炼及粉体制备：

A356合金在60kW工频熔铝炉中熔化升温到900℃，脱气、扒渣。所用试剂均在250℃～300℃下充分烘干，其中Zr(CO₃)₂研磨成细粉(粒度小于100μm)，称量后装入喷吹罐，Zr(CO₃)₂加入的重量为金属重量的10％(注：颗粒相的理论体积分数约为13.68vol％)。

(二)：复合电磁场下原位反应合成制备复合材料熔体：

如图1C，精炼好且符合反应起始温度要求(870℃)的金属液2从金属精炼保温炉倾入保温的复合材料熔池3，向熔池3内用用Ar气喷枪吹入Zr(CO₃)₂粉末，开启R-EMS1和T-EMS 4，进行组合磁场下电磁搅拌，R-EMS搅拌磁场1的频率为15Hz，电流300A，T-EMS搅拌磁场4的频率为15Hz，电流300A，空载时线圈中心的水平磁感应强度和垂直磁感应强度均为0.1T，反应进行20分钟后，Ar气精炼5分钟，静置5分钟，制得复合材料熔体，经半连铸制得复合材料圆坯，其组织的扫描电镜图如图3。

连铸坯的直径φ为200mm，复合材料铸坯外表面光洁，内部组织致密，无疏松、缩孔等凝固组织缺陷，颗粒尺寸1～2μm。