制备金属基纳米复合材料的超声搅拌连续铸造方法及装置

摘要

本发明是一种制备金属基纳米复合材料的超声搅拌连续铸造方法，实现本发明方法的装置为垂直或水平连续铸造装置，由储液浇包、搅拌器、液面控制器、超声波发生器、浇注浇包、控制阀、结晶器、引锭杆所组成。该方法采用搅拌及超声波处理，使金属溶液中的纳米陶瓷颗粒处于微观(微米级)均匀分布状态；传感器采集信号并控制浇注浇包液面高度；通过引锭杆向下或向水平方向连续引锭，得到金属基纳米复合材料。本发明有效地防止了陶瓷颗粒的团聚现象发生。本发明特别适合一次性制备大尺寸的材料和用于二次加工制备零件、板材、线材、型材等不同的产品，其工业应用范围广泛，市场前景广阔。

说明书

技术领域

本发明涉及铸造技术，具体是指一种制备金属基纳米复合材料的超声搅拌连续铸造方法及装置。

背景技术

金属基纳米复合材料具有优异的物理、力学和摩擦学性能。金属基纳米复合材料及其零件的制备技术一直备受关注。传统的金属基纳米复合材料制备技术主要有高能球磨、粉末冶金、真空热压和塑性加工。但是这些方法工艺复杂、生产效率低、生产成本高、不能形成复杂零件、只能制备小尺寸产品。而利用铸造法制备金属基纳米复合材料的技术，具有工艺过程简单、生产效率高、成本较低、可成形复杂零件的优点。但是在铸造法制备金属基纳米复合材料过程中，纳米陶瓷颗粒与金属基体之间的润湿性差，纳米陶瓷颗粒易发生团聚现象，纳米陶瓷颗粒很难分散均匀。最近的研究发现，采用功率超声搅拌技术可以有效地将纳米陶瓷颗粒在金属熔体中分散均匀。代表性的工作是Yong Yang等人在“Study on bulk aluminum matrix nano-compositefabricated by ultrasonic dispersion of nano-sized SiC particles in moltenaluminum alloy”(对利用超声波分散铝液中的纳米SiC颗粒制得的铝基纳米复合材料的研究，Mater.Sci.Eng.A 380，2004，378-383)中的报道。该论文采用超声搅拌技术使得纳米SiC陶瓷颗粒弥散分布于A356合金熔体中，获得了纳米SiC陶瓷颗粒均匀分布的金属基纳米复合材料。周衡志等人发表了题为“纳米CeO₂p/Zn-4.5％Al复合材料的高能超声制备及其力学性能”的论文(中国有色金属学报，2007，757-761)该论文也采用高能超声搅拌技术，制备了CeO₂质量分数分别为1％、2％、3％、4％、5％、6％的纳米CeO₂p/Zn-4.5％Al复合材料。但是以上这些方法受超声波功率的影响，处理的熔体量非常有限，其最大量不能超过坩埚的容积，往往只有数公斤。对于采用铸造技术同时满足熔体处理量大且纳米陶瓷颗粒分布均匀，目前仍然没有很好的方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种采用铸造技术制备大尺寸金属基纳米复合材料的超声搅拌连续铸造方法。

本发明的另一个目的在于为实现制备金属基纳米复合材料的超声搅拌连续铸造方法设计一个专用装置。

为了实现上述目的，制备金属基纳米复合材料的超声搅拌连续铸造方法采用如下措施：

(1)搅拌储液浇包内的已添加有纳米陶瓷颗粒的金属溶液，至纳米陶瓷颗粒宏观(毫米级)均匀分布在金属溶液中；

(2)将已宏观均匀分布有纳米陶瓷颗粒的金属溶液从储液浇包导入到与其相连通的浇注浇包中，采用传感器采集信号并传到液面控制器，控制并维持浇注浇包液面高度；

(3)采用超声波处理浇注浇包内的金属溶液，至金属溶液中的纳米陶瓷颗粒处于微观(微米级)均匀分布状态；

(4)通过引锭杆连续引锭，浇注浇包内的金属溶液连续流入结晶器中并凝固，得到金属基纳米复合材料。

所述连续引锭为连续向下引锭或连续向水平方向引锭。

所述搅拌为机械搅拌。

所述超声波为高能超声。

为实现上述制备金属基纳米复合材料的超声搅拌连续铸造方法的装置为垂直连续铸造装置，由储液浇包、搅拌器、液面控制器、超声波发生器、浇注浇包、控制阀、结晶器、引锭杆所组成；它们之间的联接关系如下：储液浇包下方开孔与浇注浇包相连通；液面控制器中的传感器置于浇注浇包内；机械搅拌器插入储液浇包内；超声波发生器置于浇注浇包内；浇注浇包下方开孔与垂直安装的结晶器相连通，能够连续引锭的引锭杆垂直安装于结晶器下端，控制阀位于浇注浇包与结晶器的连通处。

为实现上述制备金属基纳米复合材料用超声搅拌连续铸造方法的装置为水平连续铸造装置，由储液浇包、搅拌器、液面控制器、超声波发生器、浇注浇包、控制阀、结晶器、引锭杆所组成；它们之间的联接关系如下：储液浇包下方开孔与浇注浇包相连通；液面控制器中的传感器置于浇注浇包内；机械搅拌器插入储液浇包内；超声波发生器置于浇注浇包内；浇注浇包侧面开孔与水平安装的结晶器一端相连，能够连续引锭的引锭杆水平安装于结晶器另一端，控制阀位于浇注浇包与结晶器的连通处。

所述液面控制器中的传感器置于浇注浇包高度的2/3～3/4之间。

本发明相对于现有技术具有如下优点和有益效果：

(1)由于本发明方法采用了高能超声搅拌技术，制备的金属基纳米复合材料过程中，在金属基体中的纳米陶瓷颗粒能够达到微米级均匀分布，有效地防止或减少陶瓷颗粒的团聚现象发生，显微组织具有重复性，因而材料性能良好。

(2)由于本发明采用了连续铸造方法，因此本发明方法特别适合一次性制备大尺寸的材料。

(3)本发明方法制备的金属基纳米复合材料具有良好的成型性能，可用于二次加工制备零件、板材、线材、型材等不同的产品，因此其工业应用范围广泛，市场前景广阔。

附图说明

图1为制备金属基纳米复合材料的超声搅拌垂直连续铸造装置的结构示意图；其中：1-储液浇包、2-搅拌器、3-液面控制器、4-超声发生器、5-浇注浇包、6-控制阀、7-结晶器、8-引锭杆。

图2为制备金属基纳米复合材料的超声搅拌水平连续铸造装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例采用超声搅拌垂直连续铸造装置，其结构如图1所示，该装置是由储液浇包1、搅拌器2、液面控制器3、超声波发生器4、浇注浇包5、控制阀6、结晶器7、引锭杆8所组成；它们之间的联接关系如下：储液浇包1下方开孔与浇注浇包5相连通，储液浇包1的容积是浇注浇包5的5倍；液面控制器3中的传感器置于浇注浇包5高度的2/3～3/4之间；机械搅拌器2插入储液浇包1内；超声波发生器4置于浇注浇包5内；浇注浇包5下方开孔与垂直安装的结晶器7相连通，能够连续引锭的引锭杆8垂直安装于结晶器7下端，控制阀6位于浇注浇包5与结晶器7的连通处。

采用上述装置实现制备金属基纳米复合材料的超声搅拌连续铸造方法，其步骤及其工艺条件如下：

(1)将熔融的A356熔体倒入储液浇包1，在750℃处保温10分钟，将机械搅拌器2插入储液浇包1中熔体的2/3深处，以700r/min的转速搅拌A356熔体，搅拌20～30秒至熔体产生一定的漩涡，在漩涡中心处添加平均直径为100nm的Al₂O₃陶瓷颗粒，Al₂O₃陶瓷颗粒质量百分数为总物料的10％，继续以700r/min的转速搅拌10分钟，使纳米陶瓷颗粒达到毫米级均匀分布状态；

(2)储液浇包1通过底部开设的小孔与浇注浇包5相连通，使储液浇包1中的溶液流入浇注浇包5中，通过液面控制器3的传感器采集信号，控制并维持浇注浇包5中的溶液液面高度在浇注浇包5高度的2/3～3/4范围内；

(3)开启插入深度为浇注浇包5中溶液的1/3处的超声发生器4，在溶液中产生高能超声振动，频率为20kHz，功率为2.2kW，使纳米陶瓷颗粒达到微米级均匀分布状态；

(4)浇注浇包内的金属溶液由于重力作用连续流入结晶器7内，并在结晶器7中凝固；由引锭杆8向下连续引锭，得到纳米Al₂O₃陶瓷颗粒增强的金属基纳米复合材料。其拉伸力学性能如下：抗拉强度σ_b＝300MPa，σ_0.2＝170MPa，δ＝0.5％。

实施例2

本实施例采用水平连续铸造装置，其结构如图2所示，该装置是由储液浇包1、搅拌器2、液面控制器3、超声波发生器4、浇注浇包5、控制阀6、结晶器7、引锭杆8所组成；它们之间的联接关系如下：储液浇包1下方开孔与浇注浇包5相连通；液面控制器3中的传感器置于浇注浇包5内；机械搅拌器2插入储液浇包1内；超声波发生器4置于浇注浇包5内；浇注浇包5侧面开孔与水平安装的结晶器7一端相连，浇注浇包5与结晶器7相通，能够连续引锭的引锭杆8水平安装于结晶器7另一端，控制阀6位于浇注浇包5与结晶器7的连通处。

采用上述装置实现制备金属基纳米复合材料的超声搅拌连续铸造方法，其步骤及其工艺条件如下：

(1)将熔融的A356熔体倒入储液浇包1，在750℃处保温10分钟，将机械搅拌器2插入储液浇包1中熔体的2/3深处，以1000r/min的转速搅拌A356熔体，搅拌20～30秒至熔体产生一定的漩涡，在漩涡中心处添加平均直径为10nm的SiC陶瓷颗粒，SiC陶瓷颗粒质量百分数为总物料的1％，继续以1000r/min的转速搅拌10分钟，使纳米陶瓷颗粒达到毫米级均匀分布状态；

(2)储液浇包1通过底部开设的小孔与浇注浇包5相连通，使储液浇包1中的溶液流入浇注浇包5中，通过液面控制器3的传感器采集信号，控制并维持浇注浇包5中的溶液液面高度在浇注浇包5高度的2/3～3/4范围内；

(3)开启插入深度为浇注浇包5中溶液的1/3处的超声发生器4，在溶液中产生功率超声振动，频率为15kHz，功率为1kW，使纳米陶瓷颗粒达到微米级均匀分布状态；

(4)溶液由于重力作用流入结晶器7内，并在结晶器7中凝固；由引锭杆8向水平方向连续引锭，得到纳米SiC陶瓷颗粒增强的金属基纳米复合材料。其拉伸力学性能如下：抗拉强度σ_b＝270MPa，σ_0.2＝140MPa，δ＝3.0％。