专利名称：金属基复合材料水平连铸方法与设备的制作方法
技术领域：
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 Sci Eng，A173(1-2239)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。
本发明的目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。
下面再结合附图进一步说明。
本发明中的水平连续铸造机，具有中间保温包(9)、磁搅拌器(3)水平结晶器(4)等，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，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。如
图1所示，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，本发明在水平连铸中附加了磁搅拌器，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)。
本发明所说的颗粒增强金属基复合材料和水平连续铸造方法是将复合材料混合液(2)，其温度高于基体合金液相线温度，浇入中间保温包(9)中，控制中间保温包(9)中复合材料液面高度为100～200mm，浇注温度高于合金液相线以上50～150℃，复合材料混合液在进入结晶器前受磁搅拌器搅拌，流经水平结晶被二次冷却后，进入牵引机构的牵引辊(6)内，随辊出机成材，以上步骤均为连续进行。
连续铸造就是将金属或合金液体连续浇入中间保温包(9)，遂进入与中间包相连的结晶器中，通过水平结晶器(4)中的冷却液(通常是水)的间接冷却和从结晶器中喷射出的冷却液的直接激冷作用，使合金液快速连续凝固成复合材料棒(7)，或成板、坯管材等型材。
本发明的实现还在于磁搅拌器(3)，可为稀土永磁搅拌器，如图2所示，若干磁极(10)沿径向均匀分布。
本发明的实现还在于水平结晶器(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)，内孔形状可为园形、环形、扁平、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)的长度因所连铸的复合材料的成份和种类不同而改变，可在10～200mm之间变化。由于稀土永磁搅拌器的设置，当颗粒增强物在进入水平结晶器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。提高了增强物分布均匀性，细化复合材料组织，大幅度提高材料的综合性能。
本发明的实现还在于颗粒增强物包括SiC、AlO3、B4C、TiB2、SiO2、TiC及其金属氧化物，非金属氧化物，碳化物，氮化物、硼化物等。
复合材料混合液可以是将粒径为5～150μm的不连续颗粒增强物加入熔融态的金属合金如铝(Al)、镁(Mg)、铜(Cu)、锌(Zn)合金中，约占5～25％vol，经过充分混合搅拌而得，也可由重熔复合材料铸锭而得。
本发明所说明含颗粒增强物的合金液混合物由与水平连铸机相连的专用液态机械搅拌设备提供，或者由感应加热重熔或电阻加热重熔提供的颗粒增强金属复合材料熔液提供。
本发明还可用于基体合金的水平连续铸造，并可获得高性能的基体合金型材。
由于本发明将搅拌与连续铸造有机地结合起来，将用于基体合金的水平连续铸造方法加以改进更新引入颗粒增强金属基复合材料型材的制备，合理地设置了磁搅拌器(3)、水平结晶器(4)和中间保温包(9)使得颗粒增强物在复合材料液中均匀悬浮，并在此状态下进入逐步冷却。故本发明的方法和设备可获得高质量的颗粒增强金属基复合材料棒、锭、板等型材，并且设备简单，适于大批量工业化生产。
图1为本发明的水平连续铸造部分设备示意图。
图2为本发明中永磁搅拌器示意图。
1—熔炼炉2—复合材料混合液3—磁搅拌器4—水平结晶器5—固液界面 6—牵引辊7—复合材料棒8—布水板9—中间保温包10—磁极实施例1ZL101铝合金含有10％volSiC颗粒(10μm)的复合材料XGF10-1浇注温度680～760℃，抽拉速度50～500mm/min，冷却水压0.01～0.05MPa，在上述工艺条件下经水平连续铸造成直径为50mm的铝基复合材料棒材，表面光洁。金相组织观察，枝晶间距比普通金属型或采用砂型铸造的XGF10-1复合材料细化10倍，SiC颗粒分布均匀，复合材料组织致密，而在普通铸造条件下，该复合材料中容易出现大片无SiC颗粒区，且材料中容易出现气孔缺陷。
将经本发明水平连铸的XGF10-1棒表皮切削后，加工成标准拉伸性能试样，经过固溶时效T6处理，测得力学性能为σ0.2＝300MPa，σb＝335Mpa，E＝82GPa，δ＝3.5％。
实施例2采用与实施例1相近的工艺水平连铸了直径为φ50mm的含10vol％SiC颗粒(10μm)的ZL109合金复合材料棒材。连铸抽拉速度100～500mm/min，连铸棒材金相观察SiC颗粒分布均匀，共晶Si细小，T6处理后室温力学性能达σ6＝345MPa，σ0.2＝305MPa，δ％＝3.2％，E＝85GPa。
权利要求
1.一种金属基复合材料水平连铸方法与设备，其特征在于水平连续铸造机具有中间保温包(9)、磁搅拌器(3)、水平结晶器(4)等，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，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。
2.一种金属基复合材料水平连铸方法与设备，其特征在于通过如权利要求1所述的设备来实现颗粒增强金属基复合材料的水平连续铸造，其方法步骤是将复合材料混合液(2)，其温度高于基体合金液相线温度，浇入中间保温包(9)中，控制中间保温包(9)中复合材料液面高度为100～200mm，浇注温度高于合金液相线以上50～150℃，复合材料混合液在进入结晶器前受磁搅拌器搅拌，流经水平结晶器(4)，被二次冷却后，进入牵引机构的牵引辊(6)内，随辊出机成材，以上步骤均为连续进行。
3.如权利要求1所述的金属基复合材料水平连铸方法与设备，其特征在于磁搅拌器(3)可为稀土永磁搅拌器，若干磁极(10)沿径向均匀分布。
4.如权利要求1或3所述的金属基复合材料水平连铸方法与设备，其特征在于水平结晶器(4)具有内孔、内套、腔体、布水板(8)、外套，内外套均由良导热材料制成，腔体位于内外套之间，内设布水板(8)，内孔形状可为园形、环形、扁平、梯形、方形等以适应棒、管、板、坯等颗粒增强金属基复合材料的制备。
5.如权利要求4所述的金属基复合材料水平连铸方法与设备其特征在于水平结晶器(4)的长度因所连铸的复合材料的成份和种类不同而改变，可在10～200mm之间变化。
6.如权利要求2所述的金属基复合材料水平连铸方法与设备，其特征在于颗粒增强物包括SiC、AlO3、B4C、TiB2、SiO2、TiC及其金属氧化物，非金属氧化物，碳化物，氮化物、硼化物等。
7.如权利要求2或6所述的金属基复合材料连铸方法与设备，其特征在于复合材料混合液可以是将粒径为5～150μm的不连续颗粒增强物加入熔融态的金属合金如铝(Al)、镁(Mg)、铜(Cu)、锌(Zn)合金中，约占5～25％vol，经过充分混合搅拌而得，也可由重熔复合材料铸锭而得。
8.如权利要求1或2所述的金属基复合材料水平连铸方法与设备其特征在于方法与设备也适用于基体合金的水平连铸。
全文摘要
本发明用水平连铸制备颗粒增强金属基(主要是Al基、Mg基、Cu基、Zn基)复合新材料的方法与设备，由于设置了磁搅拌器3，结晶器4，中间保温包9等使增强物在合金液中均匀悬浮。用本发明方法和设备生产的金属基复合材料组织均匀、致密、综合性能大幅度提高。适于工业化生产，由此制备的金属基复合材料棒、锭等型材，可二次加工并可广泛用于汽车航空兵器等行业关键零件的制造。
文档编号B22D11/08GK1128186SQ95113800
公开日1996年8月7日 申请日期1995年12月19日 优先权日1995年12月19日
发明者李建平, 董晟全, 赵玉厚 申请人:西安工业学院