专利名称：自生表面复合材料的电磁制备方法
技术领域：
本发明涉及一种制备自生表面复合材料的新方法，尤其涉及一种采用电磁方法制备自生表面复合材料的新方法，属于复合材料制备技术领域。
在许多工况下，要求材料表面的性能不同于其内部性能，传统的解决途径有两个兼顾内部和表面的要求，选用综合性能达到要求的高档次材料或进行相应的表面处理。前者实际上造成材料的浪费，后者则要求复杂的工艺或设备，而且要消耗大量能源，两种途径都不可避免使材料的成本幅度上升。从节约能源和资源，合理利用材料观点出发，最经济的办法是在铸造条件下直接形成表面与内部不同的自生表面复合材料。
文献《离心铸造过共晶AL-Si合金自生表面复合材料》(王渠东等，《复合材料学报》98年第3期)介绍了采用离心铸造方法制备自生表面复合材料。这种方法解决了增强相表面易被污染、增强相与基体之间结合不良等问题，但是需要复杂的带有加热控温装置的垂直离心铸造机，其使用局限于初生相与熔体本身比重差比较大的合金，当初生相与熔体比重差不大时，这种方法难以应用。文献《电磁搅拌自生表面复合材料的组织与性能》(金俊泽等，《材料研究学报》98年第4期)介绍的电磁搅拌定向凝固分离共晶方法，能得到分离偏聚层与基体之间结合强度较高的复合材料，但这种方法需要在普通定向凝固装置上加一个电磁搅拌器，设备复杂，并受到铸件形状的限制。
本发明的目的在于针对现有技术的上述不足，提供一种新的自生表面复合材料的电磁制备方法，不仅工艺简单，不受合金初生相与熔体比重差小的局限，同时还适应不同形状的铸件，能实现铸件不同部位的内部和表面性能不同，来满足实际工况的要求。
为实现这样的目的，本发明的技术方案中采用在铸造条件下，施加电磁力控制具有初生相析出的合金的凝固过程，合金在溶化炉中熔化后，将铸型置于电磁场之中进行浇铸，使铸件在电磁场下凝固。根据初生相与熔体本身的导电性差异，在电磁力的作用下，初生相与金属熔体受力方向相反，使初生相从熔体分离，并定向运动聚集到铸件表面，从而制备出自生表面复合材料。
本发明采用电磁方法制备自生表面复合材料的原理是由于金属熔体的导电率大于初生相(一般不导电)，在电磁场作用下，金属熔体受到电磁力作用，熔体在电磁力方向上的运动受到限制，则在熔体内产生一压力梯度，由于在熔体内的初生相不受电磁力作用，使在初生相周围的力场不平衡而受到周围金属熔体的作用，在该力作用下初生相与熔体实现分离。
本发明选用的合金为在凝固过程中具有初生相析出的合金，并且初生相与熔体本身有导电性的差异，例如共晶Al-Si-1.2wt％Fe-1.6wt％Mn合金，过共晶Al-Si合金等。
本发明电磁力的施加方式可以有两种，稳恒磁场加直流电流或高频磁场(由高频磁场在熔体中产生的感应电流与电磁场相互作用产生电磁力)，在操作时可根据铸件的形状采用其中一种方式施加电磁力，也可以在铸件的不同部位施加磁场，进行局部复合，制备出铸件不同部位、内部和表面性能不同的材料，来满足实际工况的要求。
图1为本发明采用稳恒磁场加直流电流制备自生表面复合材料的示意图。
图中，铸型1安装在电磁铁5的两个磁极中间，间隙为10-20mm，在铸型两端插入电极2和4，通过导线与直流电源3相连。在浇铸时先开通直流电源和电磁铁，然后浇铸，使铸件在电磁场下凝固。铸件凝固后，关闭直流电源和电磁铁。
磁场强度和电流大小根据公式f=｜j×B｜确定，式中B-磁通密度，T；j-电流密度，A/m2；f-电磁力，N/m3。
图2为本发明采用高频磁场制备表面复合材料的示意图。
图中，铸型6安装在螺线管线圈7、8的中间，线圈的形状与铸件的形状一致，线圈与铸型间隙为5-10mm，线圈与高频电源相连。在浇铸时先开通高频电源，使螺线管线圈通电，然后浇铸，使铸件在电磁场下凝固。铸件凝固后，关闭高频电源。高频电源的功率和频率根据所需电磁力的大小由Maxwell方程确定。
本发明具体工艺过程如下1、在溶化炉中熔化所选的合金，过热100℃-200℃。
2、将铸型置于电磁场之中，可以采用稳恒磁场加直流电流或采用高频磁场。
3、施加的电磁力为1.0×104N/m3-2.0×106N/m3，根据初生相大小，所要制备表面复合材料表面层的厚度确定。
4、在浇铸时先开通电源，然后浇铸，使铸件在电磁场下凝固。
5、铸件凝固后，关闭电源。
以下通过具体的实施例来进一步描述本发明的技术方案。实施例1稳恒磁场制备Al-15wt％Si表面复合材料在电阻炉中熔炼，采用稳恒磁场加直流电流制备自生表面复合材料，电磁力为1.2×104N/m3，浇注φ5mm铸件，在铸型两端插入石墨电极，通过导线与直流电源相连。当合金熔化后，除杂去气，720℃浇铸，此时马上施加电磁力(磁场强度为1T；电流密度为1.2×104A/m2)，施加电磁力的时间为4分钟。铸件凝固后大量的初生硅(10μm-150μm)偏移到铸件表面，成为铸件表面硬度高达1320HV，厚度为500μm，中心为70HV的自生表面复合材料。实施例2稳恒磁场制备共晶Al-Si-1.2wt％Fe-1.6wt％Mn合金在电阻炉熔炼，温度为750℃，采用稳恒磁场加直流电流制备自生表面复合材料，电磁力为1.2×104N/m3(磁场强度为1T；电流密度为1.2×104A/m2)，在铸型两端插入石墨电极，通过导线与直流电源相连。当合金熔化后，出杂去气，750℃浇铸10mm×20mm方形铸件。此时马上施加电磁力，施加电磁力的时间为6分钟。铸件凝固后在铸件表面形成大量的AlSiFeMn复杂金属间化合物，其成份为(wt％)Al-54.26,Si-10.72,Mn-17.97,Fe-17.04，成为表面硬度为824.87HV，而基体硬度为92.6HV的自生表面复合材料。实施例3高频磁场制备Al-15wt％Si表面复合材料在电阻炉中熔炼，采用高频磁场制备自生表面复合材料，电磁力为1.0×104N/m3，浇注φ5mm铸件。当合金熔化后，除杂去气，720℃浇铸，此时马上在高频线圈中通高频电流，施加电磁力(感应磁场强度为0.08T；感生电流密度为1.25×105A/m2)，施加电磁力的时间为4分钟。铸件凝固后大量的初生硅(10μm-100μm)偏移到铸件表面，成为铸件表面硬度高达1320HV，厚度为200μm，中心为80HV的自生表面复合材料。
本发明与目前采用铸造方法制备自生表面复合材料的原理有显著区别，克服了因初生相与熔体比重差小而不能制备自生表面复合材料的缺点，工艺简单灵活，不需复杂的辅助设备。本发明利用电磁场的作用，在铸造条件下直接形成表面与内部性能不同的自生表面复合材料，并且可以不受铸件形状的限制，实现铸件备个不同部位的内表性能不同，能满足不同工矿的实际需要。
权利要求
1.一种自生表面复合材料的电磁制备方法，其特征在于选用在凝固过程中具有初生相析出，并且初生相与熔体本身有导电性差异的合金，在溶化炉中熔化后，将铸型置于电磁场之中进行浇铸，施加1.0×104N/m3-2.0×106N/m3的电磁力4-6分钟，使铸件在电磁场下凝固。
2.如权利要求1所说的自生表面复合材料的电磁制备方法，其特征在于所说的电磁场是稳恒磁场加直流电流，铸型(1)安装在电磁铁(5)的两个磁极中间，间隙为10-20mm，在铸型两端插入电极(2、4)，电极通过导线与直流电源(3)相连。
3.如权利要求1所说的自生表面复合材料的电磁制备方法，其特征在于所说的电磁场是高频磁场，铸型(6)安装在螺线管线圈(7、8)的中间，线圈的形状与铸件的形状一致，线圈与铸型间隙为5-10mm，线圈与高频电源相连。
4．如权利要求1所说的自生表面复合材料的电磁制备方法，其特征在于可以在铸件的不同部位施加磁场，进行局部复合。
全文摘要
一种自生表面复合材料的电磁制备方法,采用在铸造条件下,施加电磁力控制凝固时具有初生相析出合金的凝固过程,根据初生相与熔体本身的导电性差异,在电磁力作用下使初生相从熔体分离,并定向运动到铸件表面,从而制备出自生表面复合材料。本发明工艺简单、灵活,可以通过改变电磁力的施加方式与大小,在铸件的不同部位施加磁场,进行局部复合,能满足不同工矿的实际需要。
文档编号B22D27/02GK1311069SQ0110533
公开日2001年9月5日 申请日期2001年2月15日 优先权日2001年2月15日
发明者许振明, 李天晓, 周尧和 申请人:上海交通大学