一种金属‑金属陶瓷层状复合材料的制备装置与制备方法

摘要

本发明公开了一种金属‑金属陶瓷层状复合材料的制备装置，包括：充气送料装置、液压推送装置、盛料装置、腔体、高频感应加热装置、浇注系统、内结晶器、结晶器、冷却装置、轧辊、牵引装置；本发明还公开了一种金属‑金属陶瓷层状复合材料的制备方法，首先，金属熔体通过浇注系统进入内结晶器与结晶器之间进行凝壳；然后，凝壳后与通过高频感应加热装置变成熔融状态的金属陶瓷复合材料接触，重熔凝壳内层，实现金属陶瓷复合材料与金属材料的冶金结合，生成金属‑金属陶瓷层状复合材料铸坯；最后，进行轧制处理；本发明提供制备装置与制备方法，设备简单，制备成本低，可以根据需要生产不同尺寸，不同陶瓷含量的金属‑金属陶瓷层状复合材料。

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料制备领域，特别是涉及一种金属-金属陶瓷层状复合材料的制备装置与制备方法。

背景技术

金属-陶瓷层状复合材料是利用复合技术使两种或两种以上的物理、化学、力学性能不同的金属与非金属材料在界面上实现牢固结合而制备的一种新型复合材料，在保持母材特性的同时具有“互补效应”，显著弥补母材在各项性能方面的不足。广泛地应用于汽车、舰船、航空航天、国防军工、石油化工以及核工业等领域。

现有的金属-陶瓷层状复合材料的制备方法有多种。目前用以生产层状复合材料的主要方法有：扩散连接、钎焊、自蔓延高温合成连接等等。

1、扩散连接

在高温下将气态、固态或熔融状态的陶瓷材料，通过扩散作用从金属表面渗入内部以形成连接的方法，是目前研究较多的陶瓷/金属连接方法；其优点是可制备较大规格、结合牢固的复层材料，但由于工艺过程复杂，对表面加工和设备要求高。

2、钎焊

陶瓷与金属的钎焊方法，分为首先对陶瓷表面进行金属化处理的直接钎焊，和使用活性焊料的活性钎焊两种；该方法制备的复层材料局部存在固-固界面，生产效率低、无法生产大型的板材。

3、自蔓延高温合成

预先在陶瓷与金属连接处放置燃烧后能大量放热的固体粉末，将粉末局部点燃之后，粉末燃烧产生的大量热量使陶瓷与金属连接在一起，并同时将反应自发地进行下去。这种方法高效、节能、产品质量高。但是该方法难以获得密度非常高的产品。

综上所述，现有的对金属-陶瓷层状复合材料的制备存在生产设备要求高、制备成本高、生产尺寸受限、陶瓷颗粒含量低的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种金属-金属陶瓷层状复合材料的制备装置与制备方法，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

包括充气送料装置、液压推送装置、盛料装置、腔体、高频感应加热装置、绝热挡板、浇注系统、结晶器、冷却装置、轧辊和牵引装置；其中，所述盛料装置内部设置有所述腔体，所述腔体顶端设置有所述液压推送装置，所述充气送料装置一端穿过所述液压推送装置与所述腔体连通；所述高频感应加热装置设置在靠近所述盛料装置中部的外侧，所述绝热挡板设置在所述高频感应加热装置底端，所述结晶器设置在所述绝热挡板外侧，并且所述绝热挡板与所述结晶器之间设置有空隙，所述结晶器内部空腔内设置有冷却水，所述结晶器底端设置有所述冷却装置，所述浇注系统设置在所述结晶器顶端；所述牵引装置设置在所述盛料装置底端；所述轧辊设置于所述牵引装置与所述结晶器之间，所述轧辊设置有两个，两个所述轧辊相对设置，所述轧辊之间设置有间隙。

可选的，所述高频感应加热装置与所述绝热挡板位置可调。

可选的，所述冷却装置为水冷装置。

一种金属-金属陶瓷层状复合材料的制备方法，

使用金属-金属陶瓷层状复合材料的制备装置进行生产制造，所述金属-金属陶瓷层状复合材料的制备装置包括充气送料装置、液压推送装置、盛料装置、腔体、高频感应加热装置、绝热挡板、浇注系统、内结晶器、结晶器、冷却装置、轧辊、牵引装置，其具体操作步骤包括：

步骤一、金属熔体通过所述浇注系统进入所述结晶器与所述绝热挡板之间，在所述结晶器与所述冷却装置的冷却作用下，靠近所述结晶器外壁的部位首先凝壳，靠近所述绝热挡板的部位因所述绝热挡板的绝热作用依然保持熔融状态；

步骤二、金属陶瓷复合粉料经过所述充气送料装置进入所述腔体内，并在所述液压推送装置的作用下压实，实现粉料的致密化，并在压力的作用下不断向下移动，粉料经过所述高频感应加热装置，变成熔融状态；

步骤三、熔融状态的金属陶瓷复合材料与所金属熔体在挡板下部接触，二者在所述液压推送装置压力作用下进行复合，实现内层金属陶瓷复合材料与外层金属材料在界面处的冶金结合，生成金属-金属陶瓷层状复合材料铸坯；

步骤四、金属-金属陶瓷层状复合材料铸坯在所述牵引装置的作用下继续向下移动，温度逐渐冷却，得到需要尺寸的铸坯之后，停止在400-500℃的温度下通过轧辊进行轧制处理。

可选的，所述金属陶瓷复合材料为铝合金粉末与碳化硼陶瓷颗粒的混合体。

可选的，所述金属材料为铝合金。

本发明相对于现有技术取得了以下技术有益效果：

本发明中的金属熔体通过浇注系统进入结晶器进行凝壳，靠近绝热挡板一侧保持熔融状态，并在绝热挡板下端与通过高频感应加热装置变成熔融状态的金属陶瓷复合材料接触，在上方液压推送装置的作用下二者进行结合，实现金属陶瓷复合材料与金属材料的冶金结合，生成金属-金属陶瓷层状复合材料铸坯，得到需要尺寸的铸坯后冷却到所需温度，进行轧制处理；

本发明的整个制备过程中金属陶瓷复合材料在液压推送装置作用下向下移动，芯部材料致密紧实且没有氧化，且本发明提供的装置与方法在进行金属-金属陶瓷层状复合材料的冶金结合过程中可以连续不间断的进行生产，直到得到需要尺寸的铸坯，铸坯在下拉过程中自然冷却，在牵引装置上端设置轧辊进行轧制；

理论上本发明中间层陶瓷颗粒体积分数百分比可达100％，即完全填充陶瓷颗粒。但一般为达到更好的结合强度和整体的力学性能，陶瓷颗粒百分比不宜超过60％。

铸坯进行冷却再加热的处理，而是自然冷却或水冷使铸坯达到所需温度后直接进行轧制，实现了冶金结合与轧制处理同步进行，降低了生产成本，并且还可以满足产品的多种尺寸要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中一种金属-金属陶瓷层状复合材料的制备装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中结晶器界面处温度分布的一维模型简化图；

图3为本发明实施例中复层铸坯空冷条件下的一维模型简化图；

图中：1-充气送料装置、2-液压推送装置、3-盛料装置、4-腔体、5-高频感应加热装置、6-绝热挡板、7-浇注系统、8-结晶器、9-冷却水、10-金属凝固前沿、11-冷却装置、12-铸坯、13-轧辊、14-牵引装置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种金属-金属陶瓷层状复合材料的制备装置与制备方法。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本实施例提供一种金属-金属陶瓷层状复合材料的制备装置，如图1所示，包括充气送料装置1、液压推送装置2、盛料装置3、腔体4、高频感应加热装置5、绝热挡板6、浇注系统7、结晶器8、冷却装置11、轧辊13和牵引装置14；其中，盛料装置3内部设置有腔体4，腔体4顶端设置有液压推送装置2，充气送料装置1一端穿过液压推送装置2与腔体4连通；高频感应加热装置5设置在靠近盛料装置3中部的外侧，绝热挡板6设置在高频感应加热装置5底端，结晶器8设置在绝热挡板6外侧，并且绝热挡板6与结晶器8之间设置有空隙，结晶器8内部空腔内设置有冷却水9，结晶器8底端设置有冷却装置11，浇注系统7设置在结晶器8顶端；牵引装置14设置在盛料装置3底端；轧辊13设置于牵引装置14与结晶器8之间，轧辊13设置有两个，两个轧辊13相对设置，轧辊13之间设置有间隙。

请参考图1，一种金属-金属陶瓷层状复合材料的制备装置的结构示意图；

如图1所示，在上述结构设计的基础上，本实施例中的高频感应加热装置5与绝热挡板6位置可调，可根据内外层厚度、金属材料的成分不同改变工艺参数；冷却装置11为水冷装置，水冷强度根据所需要求可调。

本实施例提供了一种金属-金属陶瓷层状复合材料的制备方法，该方法是在上述的金属-金属陶瓷层状复合材料的制备装置的基础上做出的，其中外层金属材料为工业纯铝，内层金属陶瓷层状复合材料为铝-碳化硼混合粉料，如图1所示，其具体操作步骤包括：

第一步、铝熔体通过浇注系统7进入结晶器8与绝热挡板6之间，在结晶器8与冷却装置11的冷却作用下，靠近结晶器8外壁的部位首先凝壳，靠近绝热挡板6的部位因绝热挡板6的绝热作用依然保持熔融状态；

第二步、对铝-碳化硼复合粉料进行配比，使陶瓷颗粒的比例小于62.5％，将处理后的铝-碳化硼复合粉料经过充气送料装置1进入腔体4内，并在液压推送装置2的作用下不断向下移动，液压推送装置2在下压送料的过程中，使复合粉料保持紧致，具有较高的致密度；向下移动的金属陶瓷复合材料经过高频感应加热装置5，变成熔融状态；

感应加热装置一般为通电铜导管，为使金属陶瓷复合材料熔化，需计算融化所需时间和功率，以配合连铸装置的下拉过程。

通电线管产生的磁感应强度：

其中，n为单位长度的砸数，β₂和β₁为螺线管左端和右端连线与Z轴的夹角。磁通量Ф为磁通量与加热部分的截面积的乘积。

ФB_z·S>

因此被加热的金属陶瓷复合材料中产生的感应电流:

其中f通电电流频率，R为加热部分电阻，可由金属陶瓷复合材料部分的高度l，截面积s和电阻率ρ求得。

因此此部分金属陶瓷复合材料内部产生的热效应为：

Q＝I²Rt(4)

由此可计算处通电线圈在芯料中产生的热量，当此热量大于芯料部分的熔化潜热，芯料部分开始熔化，芯料部分的温度变化可由公式计算：

本实施例中，金属陶瓷复合材料中碳化硼陶瓷颗粒的质量比为20-40％，可按比例大致估算金属陶瓷复合材料的密度为2.55-2.65g/cm³，芯层部分的尺寸可根据实际需求进行调整，长度20-30mm，宽度8-12cm，此部分需要从室温加热至500℃(T＝0.7-0.8Tm)。

通电线圈的频率为30-80kHz，线圈匝数为8-10，电压380V，在此种条件下，金属陶瓷复合材料在通过线圈过程中温度从室温提升至500℃，所需电流为550-1000A。

第三步、熔融状态的铝-碳化硼复合熔融粉料在绝热挡板6下端与外层铝熔体接触，在顶端液压推送装置2的作用下复合，实现内层铝-碳化硼复合材料与外层铝材料的冶金结合，生成金属-金属陶瓷层状复合材料铸坯；

第四步、铝-碳化硼层状复合材料铸坯在牵引装置14的作用下继续向下移动，温度逐渐冷却，得到需要尺寸的铸坯之后，在500℃(温度为外层材料的0.7-0.8Tm)的温度下通过轧辊13进行轧制处理；在铝-碳化硼复合材料铸坯拉出结晶器8范围内后，可以不使用水冷装置，利用结晶器8的冷却作用和拉坯速度等工艺参数控制铸锭温度，利用其自身的高温直接进行轧制处理；实现短流程、工艺简单、节约能源的连续制备生产。

本实施例中的金属陶瓷复合材料为铝合金粉末与碳化硼陶瓷颗粒的混合体，金属陶瓷复合材料可以根据不同的应用要求，选取不同的颗粒度、纯度的金属及陶瓷粉末颗粒按照一定的成分比例进行干燥脱水、混合、经过球磨处理后将粉末放入备料装置中；金属材料的选取以以铝合金为主；牵引装置14对铸坯下拉的过程中，并无直接水冷装置，利用结晶器的冷却作用和拉坯速度等工艺参数控制铸坯温度，利用其自身的高温直接进行轧制处理。

连铸参数的设定：

连铸参数的设定可借助计算机模拟手段实现，而实现参数计算的首要前提是建立数学模型，计算不同介质之间的传热。首先将本专利中的连铸过程简化为两个独立的模型：结晶器界面处温度分布的一维模型，及复层铸坯空冷的一维模型。

1、结晶器界面处

如图2所示结晶器界面处温度分布的一维模型，共分为4个部分3个界面热交换，分别是金属液与金属凝壳的热交换，金属凝壳与结晶器壁的热交换，结晶器壁与冷却水的热交换。通过热流交换是金属液芯部过热的热量不断向外传递，至凝固。

(1)金属液与凝壳的传热

金属液与坯壳的热流可表示为：

q_e＝h_e(T_C-T_L)(1)

式中，q_e为金属液传递给坯壳的热流；h_e为金属液与坯壳的对流换热系数；T_C为金属液浇注温度；T_L为金属液液相线温度。

对流换热系数h_e可借助于流体受迫垂直平板的对流传热公式计算得到：

式中，h_e为金属液与坯壳的对流换热系数；ρ为合金密度；C为合金热容；v为凝固前沿金属液液运动速度；η为合金液粘度；λ为金属液导热系数；L为水冷挡板有效冷却高度。

(2)金属凝壳内部的传热

凝壳内的传热为由内向外的单方向传导，假定一维稳态下，热流可表示为：

式中，q_s为通过凝固坯壳的热流密度；L_T为金属液液相温度；T_i为合金先凝固壳靠近挡板壁侧温度；e_k为凝固坯壳厚度；λ为合金固相导热系数；

(3)凝固坯壳与结晶器壁的传热

凝固坯壳与水冷挡板的传热过程比较复杂，需考虑金属因凝固收缩与结晶器壁之间产生的气隙，此处的热交换以热辐射和对流进行。

q_2i＝εσ₀(T_i⁴-T₂⁴)+h_i(T_i-T₂)＝h_2i(T_i-T₂)(4)

式中，q_2i为坯壳表面向不锈钢板表面的热流；ε为辐射系数；σ₀为波尔兹曼常数；T_i为合金先凝固壳靠近挡板壁侧温度；T₂为不锈钢板外表面温度；h_i为气隙对流换热系数；h_2i为凝固坯壳与水冷挡板之间的换热系数。

(4)结晶器壁传导传热

与金属凝壳相似，假定在一维稳定状态下，其热流密度可以表示为：

(5)结晶器壁与冷却水之间传热

由冷却水对流运动带走的热流计算：

q_W＝h_W(T₁-T_W)(6)

式中，q_w为冷却水对流运动带走的热流；h_w为冷却水与不锈钢挡板的对流换热系数；T₁为不锈钢板内表面温度；T_w为冷却水平均温度。

在以上所有公式中，界面换热系数h并不是物性值，而是与界面接触状况、物理化学条件以及界面温度压力等因素密切相关的宏观平均参数，可通过测量温度计算。而热流密度Q与铸锭温度，拉坯速度，冷却水强度等系数相关，因此可通过计算机模拟最优实验参数。一般情况下，为简化计算，也可将Q视为常数。

2、复层铸坯空冷

如图3所示为复层铸坯下拉后空冷状态下的温度分布一维模型简化图。此过程可简化为陶瓷材料层与金属层的换热，金属层与空气的换热。

(1)陶瓷层与金属层的传热：

q_2i＝h_2i(T_i-T₂)>

(2)金属层内部的传热：

(3)金属层对空气的传热：

一维稳态传热过程传递的热量和热流密度都是常数，三个过程的热阻属于串联连接，热阻上通过的热流密度完全相等。因此：

可以求换热系数h的数值。在计算时发现，在很多空冷条件下，热交换系数h值过大，即表明此处使用空冷不足以使铸锭冷却到所设温度，因此需要较强冷却效果，使用水冷冷却。

根据计算结果，为保证复层铸坯自结晶器下拉后，经50-100cm后进入轧辊，冷却水强度应为2-4m³·h^-1，拉坯速度应为50-120mm/min。

本发明的工作原理为：本发明结合金属-金属陶瓷层状复合材料的制备装置与制备方法，粉末状的金属陶瓷复合材料通过液压推送装置2向下移动，经过高频感应加热装置5变成熔融状态(T＝Tm)，经过腔体4的绝热挡板6所在的范围后，与通过结晶器8的金属熔体接触，在液压推送装置2的作用下与外层金属熔体复合，并在继续下拉的过程中逐渐凝固实现金属陶瓷复合材料与金属材料的冶金结合，生成金属-金属陶瓷层状复合材料铸坯；在牵引装置14的作用继续向下移动，温度逐渐冷却，得到需要尺寸的铸坯之后，在合适温度(T＝0.7-0.8Tm)进行轧制处理，下拉过程中可利用结晶器的冷却作用、水冷装置和拉坯速度等工艺参数控制铸锭温度，利用其自身的高温直接进行轧制处理；实现短流程、工艺简单、节约能源的连续制备生产。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。