专利名称：电磁分离制备金属基自生梯度复合棒材和管材的方法
技术领域：
本发明涉及的是一种制备金属基自生梯度复合棒材和管材的方法，特别是一种电磁分离制备金属基自生梯度复合棒材和管材的方法，属于材料制备领域。
背景技术：
颗粒增强金属基复合材料(PMMCs)具有高比强度、高比模量、低密度及良好的高温性能等优良的综合力学性能和使用性能，近年来在工业和学术领域都受到了广泛的重视。在有些特殊情况下，需要同一构件的两侧具有不同的性质或功能，又希望不同性能的两侧结合良好，从而不至于在苛刻恶劣的使用条件下因性能不匹配而发生破坏。针对这种情况，日本科学家于1987年首次提出了梯度功能复合材料(Functionally Gradient Materials，简称FGMs)的概念和设计思想，即根据具体要求，采用先进的材料复合技术，连续地改变两种具有不同性能的材料的组成和结构，使其内部界面消失，从而得到功能相应于组成和结构地变化而缓变的非均质材料。此后，引起世界范围内对梯度功能材料的研究热潮，开发出各种应用于不同领域的梯度功能材料。
针对铝基自生复合材料，可采用激光熔覆、机械离心、电磁离心和电磁分离等工艺，控制自生增强相在基体中沿深度方向的分布，制备铝基自生梯度功能复合材料。经文献检索发现，中国专利申请号02137749.9，专利名称“多梯度/多层自生梯度复合材料的电磁分离制备方法”，该专利介绍了用直流一稳恒磁场相互作用的方式使自生富铁相偏聚到块状材料的一侧，制备了用自生富铁相作为增强相的块状表面材料，制备装置由电磁铁、直流电源及回路和浇铸系统构成，合金液注入浇铸系统后导通直流回路，由此形成的直流电流和电磁铁施加的稳恒磁场相互作用而产生电磁力。由于没有对电磁力作用参数进行控制，自生增强相在表层高度聚集，未形成梯度分布。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种电磁分离制备金属基自生梯度复合棒材和管材的方法，使其通过控制合金液的温度，原位生成一定体积分数增强相，通过施加交变磁场，利用合金液与自生相之间的导电性差异，使导电率较小的自生相偏聚到基体材料外表面，从而使自生增强相大小和体积分数均沿径向呈连续的梯度分布，获得高表面硬度和耐磨性、并能保持心部韧性的梯度增强复合管材和棒材。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明通过高频电源在感应线圈内产生交变磁场，将具有多个两端贯通的圆孔或圆形环空型腔的耐火材料铸型沿轴向置于感应线圈内，底部连接水冷铜模；经过预处理的合金液通过浇口杯浇注到耐火材料铸型中，由于与合金液存在导电性上的差异，自生相在电磁力作用下向耐火材料铸型型腔壁面运动；待合金液凝固后，自生增强相主要聚集在圆棒或圆管材料表层，并形成有一定厚度的梯度增强层。
以下对本发明作进一步的说明，方法步骤如下(1)采用具有多个两端贯通的圆孔或圆形环空的耐火材料铸型，将耐火材料铸型预热后沿轴向置于圆柱状感应线圈内，底部连接水冷铜模。
(2)高频电源与感应线圈之间用水冷铜电缆连接，开通电源后，在感应线圈内部可产生频率为10kHz-20kHz、、有效磁感应强度为0.02-0.2T的交变磁场。
(3)浇铸前将合金液的温度控制在高于液相线50-100℃，合金液通过浇口杯浇注到耐火材料铸型中，随着合金液温度降低内部自生相不断析出和长大，由于多数自生相与合金液存在导电性上的差异，会受到相反方向的电磁力作用，并向耐火材料铸型内孔的外壁面运动。
(4)改变高频电源的功率、频率来调节电磁力大小，调整与合金液接触的水冷铜模中的水流量(2-20L/min)来控制合金液的冷却速度。
(5)经过电磁力作用10-20s后，关闭电源，合金液在耐火材料铸型内凝固，获得自生增强相粒径大小和体积分数从外表面至内部基体的不同径向分布，在圆棒或圆管材料表层形成有一定厚度的梯度增强层。
耐火材料铸型需经过预热处理。利用圆孔或圆形环空耐火材料铸型可分别得到自生相增强的梯度复合棒材和管材。作用于不同粒径自生增强相的电磁力与粒径的平方成正比，自生相的粒径越大迁移速度越快，因此，控制电磁力作用时间，自生相将按粒径大小沿迁移方向亦即径向呈梯度排列。较大粒径的自生相颗粒将集中于圆棒、圆管材料的近外表面，形成自生相颗粒密集的偏聚层；少量自生相增强颗粒未来得及迁移到外表面而散布在靠近内部基体的区域，形成过渡层；在中心区域，由于绝大部分自生相的迁移离开，形成以基体材料为主、增强相含量极少的组织。
本发明具有实质性特点和显著进步，本发明利用合金液中多数自生相与合金液电导率之间的差异，在高频电源和感应线圈产生的电磁力作用下，自生相沿径向向合金液外表面迁移，合金液凝固后形成自生增强相粒径大小和体积分数沿径向呈连续梯度分布的复合棒材和管材。采用根据本发明制备得到的金属基自生相增强梯度复合材料，形成具有一定厚度的硬度高的梯度增强层，表层耐磨性优于本体均质的复合材料，而中心基体为共晶组织，保证了整体韧性。
具体实施例方式
结合本发明的内容提供以下实施例实施例1采用高频电源在圆柱状轴对称感应线圈内产生频率为20kHz、有效磁感应强度为0.02T的交变磁场；耐火材料铸型预热到250℃后沿轴向置于圆柱状感应线圈内，底部连接水冷铜模；在坩埚炉中熔化Al-15wt.％Mg2Si合金，浇铸前将合金液的温度控制在高于液相线50℃；开启高频电源并调节到预定的功率，通过浇口杯将合金液浇注到耐火材料铸型中，电磁力作用时间30s；关闭高频电源，接通冷却水(最大流量20L/min)，使合金液在耐火材料铸型中快速凝固。制备得到的金属基自生相增强梯度复合材料，具有高硬度的梯度增强层，中心基体为共晶组织，具有整体韧性。
实施例2采用高频电源在圆柱状轴对称感应线圈内产生频率为10kHz、有效磁感应强度为0.2T的交变磁场；耐火材料铸型预热到250℃后沿轴向置于圆柱状感应线圈内，底部连接水冷铜模；在坩埚炉中熔化Al-24wt.％Si合金，浇铸前将合金液的温度控制在高于液相线100℃；开启高频电源并调节到预定的功率，通过浇口杯将合金液浇注到耐火材料铸型中，电磁力作用时间10s；关闭高频电源，接通冷却水(最小流量2L/min)，使合金液在耐火材料铸型中快速凝固。制备得到的金属基自生相增强梯度复合材料，形成具有高硬度的梯度增强层，中心基体为共晶组织。
实施例3采用高频电源在圆柱状轴对称感应线圈内产生频率为15kHz、有效磁感应强度为0.1T的交变磁场；耐火材料铸型预热到250℃后沿轴向置于圆柱状感应线圈内，底部连接水冷铜模；在坩埚炉中熔化Al-12wt.％Si合金，浇铸前将合金液的温度控制在高于液相线50℃；开启高频电源并调节到预定的功率，通过浇口杯将合金液浇注到耐火材料铸型中，电磁力作用时间20s；关闭高频电源，接通冷却水(流量5L/min)，使合金液在耐火材料铸型中快速凝固。制备得到的金属基自生相增强梯度复合材料，具有高表面硬度和耐磨性、并能保持心部韧性。
权利要求
1.一种电磁分离制备金属基自生梯度复合棒材和管材的方法，其特征在于，通过高频电源在感应线圈内产生交变磁场，将具有多个两端贯通的圆孔或圆形环空型腔的耐火材料铸型沿轴向置于感应线圈内，底部连接水冷铜模，经过预处理的合金液通过浇口杯浇注到耐火材料铸型中，自生相在电磁力作用下向耐火材料铸型型腔壁面运动，待合金液在耐火材料铸型内凝固后，自生增强相主要聚集在凝固形成的圆棒或圆管材料的表层，并形成梯度增强层。
2.根据权利要求1所述的电磁分离制备金属基自生梯度复合棒材和管材的方法，其特征是，具体步骤如下(1)采用具有多个两端贯通的圆孔或圆形环空的耐火材料铸型，将耐火材料铸型沿轴向置于圆柱状感应线圈内，底部连接水冷铜模；(2)高频电源与感应线圈之间用水冷铜电缆连接，开通电源后，在感应线圈内部产生频率为10kHz-20kHz、有效磁感应强度为0.02-0.2T的交变磁场；(3)经过预处理的合金液通过浇口杯浇注到耐火材料铸型中，随着合金液温度降低内部自生相持续析出和长大，多数自生相受到相反方向的电磁力作用，并向耐火材料铸型内孔的外壁面运动；(4)改变高频电源的功率、频率来调节电磁力大小，调整与合金液接触的水冷铜模中的水流量控制合金液的冷却速度；(5)经过电磁力作用10-30s后，关闭电源，合金液在耐火材料铸型内凝固，获得自生增强相粒径大小和体积分数沿径向从外表面至内部基体分布，从而在圆棒或圆管材料表层形成具有厚度的梯度增强层。
3.根据权利要求1或2所述的电磁分离制备金属基自生梯度复合棒材和管材的方法，其特征是，耐火材料铸型先经过预热处理。
4.根据权利要求1或2所述的电磁分离制备金属基自生梯度复合棒材和管材的方法，其特征是，通过高频电源在感应线圈内产生交变磁场，浇注合金液之前先开通高频电源。
全文摘要
一种电磁分离制备金属基自生梯度复合棒材和管材的方法属于材料制备领域。本发明通过高频电源在感应线圈内产生交变磁场，将具有多个两端贯通的圆孔或圆形环空型腔的耐火材料铸型沿轴向置于感应线圈内，底部连接水冷铜模，经过预处理的合金液通过浇口杯浇注到耐火材料铸型中，自生相在电磁力作用下向耐火材料铸型型腔壁面运动，待合金液在耐火材料铸型内凝固后，自生增强相主要聚集在凝固形成的圆棒或圆管材料的表层，并形成梯度增强层。本发明形成具有一定厚度的硬度高的梯度增强层，表层耐磨性优于本体均质的复合材料，而中心基体为共晶组织，保证了整体韧性。
文档编号B22D27/02GK1460568SQ0312891
公开日2003年12月10日 申请日期2003年5月29日 优先权日2003年5月29日
发明者李克, 王俊, 孙宝德, 疏达, 丁文江, 周尧和 申请人:上海交通大学