[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明涉及材料加工技术领域，特指原位反应合成颗粒增强金属基复合材料熔体在低频交变磁场电磁搅拌下制备并在异频复合电磁场下连续铸造成型的方法。

背景技术

含非金属增强相的金属基复合材料因具有复合的结构特征和良好的理化及机械性能，逐渐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，含增强相的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，因此，颗粒增强复合材料已成为金属基复合材料的重要发展方向之一。

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。

对于外加增强颗粒法，经对现有技术文献的检索发现，中国专利：CN1510153，公开日为：2004.07.07，发明名称为：高强高塑颗粒增强铝基复合材料及其制造方法，该专利的制备方法是将增强颗粒外加到铝合金粉末中混合均匀，然后进行热压和热加工成型。该方法由于颗粒相与金属相间界面复合情况难以控制，增强颗粒的粒度要求很高，特别是外加增强颗粒在金属基体内的分布容易出现团聚问题难以解决，且工艺过程非常烦琐，并不适合大规模生产。

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原位反应，形成原位增强颗粒复合材料。该方法制备颗粒增强金属基复合材料的优点是颗粒相与金属基体界面不受污染、相界面润湿性好、相结合力强且工艺过程相对简单等，因此日益受到国内外研究的重视。

目前，原位反应合成法制备颗粒增强金属基复合材料存在的主要问题有：

(一)在复合材料熔体制备过程中要控制熔池内部反应的均匀性和反应程度，从而控制增强颗粒的分布和大小；

(二)高体积分数的细密颗粒相的存在使复合材料熔体的粘度成倍增加，流动性降低，导致浇铸性能非常差，铸件(坯)的内部质量和表面质量都难以控制，特别是对连续或半连续铸造，由于凝固速度快，内部凝固组织出现较严重的疏松和缩孔，外表面存在明显的粗糙和裂纹等问题使原位反应合成法制备颗粒增强金属基复合材料在工业规模连续化生产方面存在较大困难。

针对上述问题(一)，中国专利：CN 1676641A，公开日为：2005.10.5，发明名称为：制备金属基纳米复合材料的磁化学反应原位合成方法，该专利提出在磁场(稳恒磁场、交变磁场和脉冲磁场)下进行原位磁化学反应合成，并通过快速凝固技术控制颗粒尺寸在纳米尺度，制备金属基纳米复合材料的方法。该专利介绍的方法在细化增强颗粒方面具有非常好的效果，但要注意到另一方面：增强颗粒相的粒度越小，颗粒相的体积分数越高，复合材料熔体的流动性就越差，凝固过程产生的缺陷就越多，使得问题(二)更加突出。申请者前期发表的文献【2】“电磁连铸颗粒增强铝基复合材料圆坯及其摩擦性能.材料工程，2005，(12)：53-56.”曾报道了采用低频电磁搅拌改善颗粒相分布并在初始凝固区域施加高频磁场改善铸坯表面质量的方法，并研究了复合材料的摩擦性能。但该文献介绍的方法只是一个初步的实验结果，实际应用时会存在诸多问题：1)没有对所采用的低频磁场及高频磁场的电磁参数进行分析和优化选定；2)没有涉及到实际的连铸工艺参数的确定，如结晶器内液面的位置和控制等；3)合成过程和浇注过程采用一个低频磁场搅拌，实际上，在浇注过程中，结晶器上方复合材料熔体应当静置，以免夹杂卷入，而在复合材料熔体的制备合成过程，只需对复合材料熔池进行电磁搅拌，结晶器区域不需要搅拌，所以文献【2】中复合材料合成过程和连铸过程采用一个磁场进行电磁搅拌，难以实现有效控制。申请者后期的系列研究表明：1)所用磁场包括低频搅拌磁场和高频软接触磁场的电磁参数特别是磁场的频率和功率对连铸坯质量的改善效果有非常重要的影响，必须优化选择；2)连铸工艺参数、高频磁场线圈位置及操作过程对铸坯的质量甚至连铸是否成功实现都有决定性的作用，必须以严格规范限定；3)复合材料熔体的合成制备过程和连铸过程应当采用两个相互独立的低频磁场，以实现单独控制，磁场参数及搅拌强度、搅拌时间控制准确，并可节约电能。为解决上述问题，申请者提出了异频复合磁场下连续铸造颗粒增强金属基复合材料的方法以实现工业规模的颗粒增强复合材料连续铸造具有良好质量的铸坯，为后加工提供不需清理和精整的母材。

发明内容