专利名称：一种制备金属基颗粒增强复合材料的方法
技术领域：
本发明提供了一种制备金属基颗粒增强复合材料的方法。
金属基颗粒增强材料具有良好的力学性能(高比强度、比刚度、高弹性模量等)机高耐磨性和低热膨胀率，已被广泛采用。现常用的制备方法有粉末冶金法、融体搅拌法和喷雾共沉积法等。
粉末冶金法可将各种不同性能的基体与颗粒按各种比例混合，增强相体积百分数可达20～50％，且制得的材料其增强粒子分布均匀，综合性能较好，是较常用的方法。关于粉末冶金的书中对此方法都有介绍，例如R.M.German的《Powdermetallurgy Science》,Metal Powder Industries Federation,1984.等。但由于这种工艺需经混粉、压制、烧结等步骤，工艺较复杂，因而提高了材料制备成本，只限于小成本生产，且制得的材料存在难以达到理论密度、表面含氧量较高等缺点，也限制了该工艺的进一步发展应用。
融体搅拌法或喷射颗粒铸造法是向液态金属中加入增强颗粒并加以机械搅拌的方法(日本专利，曙ブレ-キ:57-130464)。其工艺较简便，成本较低，但存在的问题是颗粒的加入量受到限制，且机械力的作用不易使颗粒均匀分布。
喷雾共沉积法是用高速流体将金属液击碎雾化后再与增强相颗粒共同喷射在基底上制得复合材料。这是一种较新的工艺，具有许多优越性，由于颗粒与基体金属反应时间短，因而减少了界面脆性相的生成，从而提高了复合材料变形时的载荷传递和抗裂能力。此外这种工艺制得的材料具有较小的宏观偏析，工序较简单，是一种较有前途的复合材料制备方法(R.G.Broojs,et al:Powder Met.20,No.21977,p100)。但喷雾共沉积法的缺陷在于其工艺参数较难控制，增强相体积分数不能过高，制得材料的形状难以控制，这些问题限制了它作为一种常规的制备颗粒增强材料的工艺。
近年来金属基复合材料有了较大的发展，也不断开发出一些新型的金属基复合材料。在制备方法上主要是以上提到的几种。根据日益增长的研究，开发和生产的需求，需要开发出新的金属基复合材料的制备技术。
本发明目的在于利用增分熔融凝固加工技术制备金属基颗粒增强复合材料，实现低成本、高性能。
本发明的构成
本发明采取增分熔融凝固加工技术，其特征在于将作为增强相的颗粒材料(碳化物，氮化物，硼化物，硅化物等)和作为基体的金属材料以颗粒或粉末状从成形模的上部连续提供到成形模内，用高频加热10～100kW使加入到模内的材料熔化。当材料融化后，驱动升降机使成形模相对于加热源向下运动。离开加热源的部分逐渐凝固，而从上部连续提供的原材料继续被加热融化。通过供料速度5～200g/min和模下降速度2～100mm/min调节，使熔融区保持2～40mm范围高度的动态平衡。这样，基体和强化体材料的熔融和凝固就会在模内自下而上连续进行并逐步完成，从而达到制备复合材料的目的。
增分熔融凝固加工技术利用电源电力，供料速度，成形模与加热源的相对移动速度的配合，使熔融区保持2～40mm的范围。并利用电磁搅拌作用，能使融体成分及颗粒分布呈均匀的状态。且材料可达到理论密度。在制备过程中，可以采用2～6台供料器分别供料，复合材料中的增强相的比例可以有效、精确地控制。通过模具内腔形状的调整，可以一次达到或接近预定产品形状。提供了一种制备金属基颗粒增强复合材料的方法。
本发明的优点在于材料性能提高和成本降低。对于WC增强钢基复合材料，增强体的体积分数达40％，相对密度达100％，硬度达HRC60，抗弯强度为1400MPa。成本降低到粉末冶金的60％，融体搅拌法的80％，喷雾共沉积法的70％。
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是是实现本发明方法的一种装置示意图，(1)为供料器，(2)为成形模，(3)为熔体(熔融区)，(4)为加热源感应圈，(5)为已凝固部分，(6)为工作台，(7)为升降机，(8)为感应加热电源，(9)为微机控制部分。
实施例原材料45钢(颗粒，粒度～1mm)，WC粉末(粒度～1μm)。
按照本发明工艺，将钢粒和WC粉末按所定比例提供到模内30g，用高频电源加热，材料开始熔化后成形模相对于加热源向下移动，同时从模的上方连续钢粒和WC粉末的原材料。电源额定输出20kW，供料速度16g/min，模下降速度8mm/min。制得WC颗粒增强复合材料。WC含量40wt％，微观组织均匀，相对密度100％，硬度HRC60，抗弯强度1400MPa。
权利要求
1．一种制备金属基颗粒增强复合材料的方法，采用增分熔融凝固加工技术，其特征在于a．将作为增强相的颗粒材料(碳化物，氮化物，硼化物，硅化物等)和作为基体的金属材料以颗粒或粉末状从成形模的上部连续提供到成形模内，用高频加热10～100kW使加入到模内的材料熔化；当材料融化后，驱动升降机使成形模相对于加热源向下运动；离开加热源的部分逐渐凝固，而从上部连续提供的原材料继续被加热融化；通过供料器的速度5～200g/min和升降机的速度2～100mm/min调节，使熔融区保持2～40mm范围高度的动态平衡；这样，基体和强化体材料的熔融和凝固就会在模内自下而上连续进行并逐步完成，从而达到制备复合材料的目的；b．增分熔融凝固加工技术利用电源电力，供料速度，成形模与加热源的相对移动速度的配合，使熔融区保持2～40mm的范围；并利用电磁搅拌作用，能使融体成分及颗粒分布呈均匀的状态；且材料可达到理论密度，在制备过程中，可以采用2～6台供料器分别供料，复合材料中的增强相的比例可以有效、精确地控制；采用内腔形状复杂的成形模，可以一次达到或接近预定产品形状，提供了一种制备金属基颗粒增强复合材料的方法。
全文摘要
本发明提供一种制备金属基颗粒增强复合材料的方法,采用了增分熔融凝固加工技术。实现本发明的装备由供料器(1),成形模(2),熔体(3)(熔融区),加热源感应圈(4),已凝固部分(5),工作台(6),升降机(7),感应加热电源(8),微机控制部分(9)组成。本发明的优点在于材料性能提高和成本降低。对于WC增强钢基复合材料,增强体的体积分数达40%,相对密度达100%,硬度达HRC60,抗弯强度为1400MPa。成本降低到粉末冶金的60%,融体搅拌法的80%,喷雾共沉积法的70%。
文档编号B22D23/00GK1236683SQ98101890
公开日1999年12月1日 申请日期1998年5月26日 优先权日1998年5月26日
发明者贾成厂, 郭志猛, 林涛, 田宏波, 王俊华, 解子章 申请人:北京科技大学