[发明专利]金属基复合材料水平连铸方法与设备

说明书

本发明属冶金领域，具体讲是金属基复合材料水平连续铸造的方法与设备。

由于颗粒增强金属基复合材料具有高比强度、高比模量(刚度)高耐热低热膨胀，制备工艺相对简单，增强物原材料及复合材料基体材料价格低廉等优点，可广泛用于汽车工业、兵器和航空工业的零部件上，如活塞、连杆、汽车摇臂、刹车盘、履带板等。近十多年来对它的研究和开发在西方、前苏联和我国均倍受重视，西方国家大多采用粉末冶金技术和各种铸造技术来制备金属基复合材料。用粉末冶金技术可以制备增强物(晶须、短纤维、颗粒)体积分数较高，增强物分布均匀的增强金属基复合材料，但是这种方法工艺复杂、技术难度大、生产效率低、生产成本高。利用铸造技术制备金属基复合材料成本较低，但也存在缺点，如增强物与基体合金润湿性较差，影响增强物与基体的结合，另外，混合均匀的复合材料液在凝固时会发生沉降，造成增强物偏聚，影响复合材料组织均匀性与使用性能。有些技术不适合批量化生产。

CN1093628A公开的发明是《金属基复合材料的电磁搅拌铸造工艺》，这是在材料的铸造过程中增加了电磁搅拌工艺，但它是用连续纤维根据形状编成预制件，放入铸型中，然后将金属液倒入非磁性铸型，它不能实现连续铸造，也不能制备颗粒增强金属基复合材料型材，对于大型工件需配置大功率电磁设备且存在固液两相区搅拌工艺控制困难等问题。CN1104568A公开的《一种非连续增强铝基复合材料的制造方法》是采用两级加压挤压铸造方法。使用该方法所需挤压设备投资大，模具消耗量也大，况且这种方法只适宜制做尺寸较小，形状简单的具体产品，不适合批量生产复合材料的原材料如棒、锭、板、管、坯等。欧州曾有过关于利用电磁搅拌(EP0437153)金属基复合材料的报导。但该发明采用垂直连续铸造法，其设备由于垂直方向受地坑限制所制备的连铸复合材料长度有限，另外，其所需的牵引系统复杂，设备要求精度高。Vives Ch(Mater SciEng．A173(1-2：239))报导了利用电磁流变(触变)垂直连续铸造的技术，该技术的合金温度处于半凝固状态，属于半固态垂直连续铸造。

水平连续铸造设备较简单，可以实现连铸连轧或连铸加挤压加工。连续铸造对改善合金铸锭质量，细化和均匀显微组织作用十分明显，但是把连续铸造技术运用于制备不连续增强金属基复合材料，即颗粒增强金属基复合材料，尤其是对含有一定量的颗粒增强物的合金液进行水平连续铸造金属基复合材料尚未见报导。

本发明目的是提供一种可制备出组织致密综合性能优异的颗粒增强金属基复合材料棒、锭、管、板、坯等型材的水平连续铸造方法与设备。

本发明的构思是将连续铸造技术经改进后用于颗粒增强铝基复合材料的制备，从解决组织结构入手，从设备和方法两方面保证金属基复合材料的工业性和优良性能。

下面结合附图进行说明。

连续铸造颗粒增强金属基复合材料，因含有增强物颗粒的合金液其凝固特征与偏析倾向均与基体合金不同，因而要求连续铸造工艺与设备和普通合金连铸不同，本发明在水平连续铸造中附加了磁搅拌器，使增强颗粒均匀悬浮于合金液中，避免了颗粒的沉降，并合理地设置了中间保温包(9)和水平结晶器(4)。

本发明的实现在于本发明中的水平连续铸造设备如图1所示，具有带有机械搅拌机构的熔炼炉1，中间保温包(简称中间包)9，磁搅拌器3，水平结晶器4等，机械搅拌机构设置于熔炼炉1的上方，磁搅拌器3嵌套在中间保温包9之内，中间保温包9上大下小，其上口通过流槽与熔炼炉1连接，出流口与水平结晶器4平滑相接。水平结晶器4具有内孔、内套、腔体、布水板8，外套，内套由良导热材料制成，腔体位于内外套之间，内设布水板8，内孔形状可为圆形、环形、扁形、梯形、方形等以适应棒、管、板、坯的颗粒增强金属基复合材料的制备。水平结晶器4的长度因所连铸的金属基复合材料成份和种类不同而改变，如可在10～200mm之间变化。

本发明的实现还在于金属基复合材料水平连铸设备中的磁搅拌器3为稀土永磁搅拌器，见图2，若干磁极10沿径向均匀分布。由于磁搅拌器3的设置，当颗粒增强物在进入水平结晶器4时先经过一个旋转永磁场，调节磁场强度可使颗粒增强物在基体合金液中保持悬浮与运动状态，并且使固液界面5变得平直，从而提高了增强物分布均匀性，细化了金属基复合材料组织，大幅度提高了金属基复合材料的综合性能。