[发明专利]一种连续制备颗粒增强金属基复合材料的方法及装置

说明书

本发明涉及一种连续制备颗粒增强金属基复合材料的方法及装置，利用上引连铸工艺，将金属液温度降至液相线以上30℃以内，通过加料装置向金属液中稳定加入陶瓷颗粒粉末，使陶瓷颗粒均匀分布在具有一定粘稠度的金属基体中，快速凝固成型后制备出陶瓷颗粒分布均匀、能连续生产的颗粒增强金属基复合材料。本发明通过在上引连铸过程中添加陶瓷颗粒，既能简化复合材料的制备过程，又能避免添加陶瓷颗粒进入金属液后所造成的缺陷，并且能通过添加添加陶瓷颗粒促进金属液的凝固成型，细化基材的晶粒尺寸。

技术领域

本发明涉及一种连续制备颗粒增强金属基复合材料的方法和装备，应用于复合材料的连续铸造技术领域。

背景技术

由于颗粒增强金属基复合材料兼具各组元材料的优点，能充分发挥各组成材料的协同作用，使得其具有高比强度和高比模量、尺寸稳定性好、耐磨性好等特点，被广泛应用于矿山、水泥、建材等工业领域。目前常见的颗粒增强金属基复合材料方法为粉末冶金法、挤压铸造法、喷射沉积法、搅拌混合技术、电渣重熔技术、机械合金化技术等。其中粉末冶金法是通过复合粉末成型、烧结的方法制备复合材料，一般制备小尺寸零件，且制备成本高，内部组织易出现组织不均匀现象，孔洞率较大，必须对复合材料进行二次塑性加工。挤压铸造法是在凝固过程中对液态金属施加压力，改善陶瓷颗粒与金属液间的润湿性，但预成型体对产品的质量影响很大，模具造价较高，且无法连续铸造。喷射沉积法采用流化床获得增强颗粒与惰性气体的混合二相流体，然后喷入雾化基体合金液滴的流束中，与合金液同时沉积获得铸锭。该方法工艺周期短，成型速度快，但是存在设备昂贵、孔隙率高、原材料损失大等缺点。搅拌混合技术通过对金属熔体进行强烈搅拌，同时投入陶瓷颗粒，使其均匀分布于金属熔体中，然后直接浇铸成型。该方法工艺简单、设备投资少，便于规模化生产，但是陶瓷颗粒体积分数一般不超过20％，颗粒的分布很难实现均匀化，且在搅拌过程中易卷入气孔造成缺陷。电渣重熔技术是在重熔过程中加入增强相颗粒，形成复合材料。电渣重熔制品表面光洁，组织致密，但是只能适用于表层复合材料。机械合金化技术通过高能球磨机长时间研磨，是硬质颗粒嵌入金属颗粒中，得到复合粉末，但后压紧、成型、烧结，此方法制备的复合粉末在烧结过程中会出现增强相的偏聚，影响复合材料的性能。

综合以上方法可以看出，上述方法没有一种可以制备陶瓷颗粒分布均匀，能连续生产，成本低廉，成型质量优异的颗粒增强金属基复合材料；所以设计一种设备简单，成型质量高，连续制备颗粒增强金属基复合材料的方法及设备迫在眉睫。

发明内容

为了解决现有的制备工艺及设备问题，本发明旨在实现颗粒增强金属基复合材料的连续制备方法，并且有效降低制备成本，减少成型缺陷，本发明通过以下技术方案实现。

一种连续制备颗粒增强金属基复合材料的方法，该方法利用金属液在快凝固时通过加料装置向铸件内稳定添加陶瓷颗粒，陶瓷颗粒在上升的金属液中保持相对静止，使陶瓷颗粒均匀分布在具有一定粘稠度的金属基体中；并且外加的陶瓷颗粒能促进金属凝固过程中的形核，能细化铸件晶粒，提高铸件的强度；具体包括以下步骤：

(1)金属液基体的制备：对金属液原料及合金进行熔炼，将熔炼到相应出炉温度的金属液倒入保温炉1中进行保温，并且控制成型温度。

(2)金属液基体的冷却：通过上引连铸工艺将金属液牵引到引流管11中，在设有结晶器Ⅰ3的位置将温度降至液相线温度以上10～30℃，使金属液能在接触陶瓷颗粒时部分形核，固定陶瓷颗粒的位置。

(3)陶瓷颗粒的注入：通过加料装置4持续稳定地注入陶瓷颗粒，使陶瓷颗粒均匀的分布于在金属液中。

(4)复合材料的成型：将混合金属液继续牵引到设有结晶器Ⅱ6的位置，通过结晶器Ⅱ6将均匀分布陶瓷颗粒的金属液进行快速冷却，从而制成连续的金属基复合材料。

本发明所述金属基体为钢基或铜基；陶瓷颗粒为碳化钨、碳化硅、碳化硼、碳化钛、硼化钛、氮化硅、氧化铝、氧化锆、锆刚玉的一种或任意比多种，陶瓷颗粒的粒径为0.1～5mm。