CN101733368B - 一种金属基复合材料的制备方法 - Google Patents
一种金属基复合材料的制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN101733368B CN101733368B CN2008102273277A CN200810227327A CN101733368B CN 101733368 B CN101733368 B CN 101733368B CN 2008102273277 A CN2008102273277 A CN 2008102273277A CN 200810227327 A CN200810227327 A CN 200810227327A CN 101733368 B CN101733368 B CN 101733368B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- crucible
- melt
- metal
- nozzle
- preparation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Landscapes
- Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
Abstract
本发明涉及一种金属基复合材料的制备方法，其步骤包括：先将增强颗粒按比例加入金属熔体内，然后通过喷嘴向熔体中输送脉冲高压惰性气流，高压脉冲气流在熔体内形成周期性的气泡并迅速膨胀，脉冲气流运动在熔体中产生强烈的涡流，从而导致增强颗粒在熔体内的均匀分散。采用该方法制备颗粒增强金属基复合材料，适用材料范围广，对复合材料无污染，成本低，效率高，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属基复合材料的制备方法，特别涉及一种脉冲气流法制备金属基复合材料的方法，属于有色金属制备与加工领域。
背景技术
现代社会发展对材料的要求越来越高，例如在结构材料方面往往需要材料有高的比强度和比刚度。复合材料作为一种人为设计的材料，能够很好的满足这些需要。复合材料一般由基体和增强体组成，颗粒增强金属基复合材料就是在金属基体内加入增强颗粒，这些增强颗粒均匀分布在金属基体中，使材料表现出特殊的性能。目前，多种颗粒增强金属基复合材料以得到应用，如SiC颗粒增强铝基和镁基复合材料。
现有的颗粒增强金属基复合材料的制备工艺主要有粉末冶金法、搅拌铸造法和原位再生法等。粉末冶金法能制备出高性能的复合材料，但该方法需要有制粉、混粉、热压等工艺过程，因此复合材料的制备成本很高，无法得到广泛应用。原位再生法通过控制熔体内化学反应得到所需增强颗粒，该方法工艺流程简单，但对基体材料及增强颗粒的种类局限性很大，而且增强颗粒的体积分数较低，难以得到实际应用。搅拌铸造法是一种低成本的复合材料制备工艺，该方法主要通过搅拌器的高速旋转在熔体中产生强紊流，实现增强颗粒在熔体内的均匀分布，目前国内外已有多项机械搅拌器的专利，如美国Dural公司申请了机械搅拌制备复合材料的专利US4759995，并采用该专利技术制备了SiC颗粒增强铝基复合材料。东北大学申请了电磁搅拌制备铝基复合材料专利ZL03134180.2，并用该专利制备Al2O3颗粒增强铝基复合材料。但是，现有的机械搅拌方法大多暴露在空气中进行，紊流熔体与空气接触会导致熔体内吸气严重，而且会形成大量氧化物夹杂，使复合材料的力学性能恶化；高温金属熔体对搅拌器有较强腐蚀性，高速搅拌会加速这种腐蚀，而且腐蚀产物会进一步污染金属熔体。由于这一系列原因，限制了搅拌铸造方法的普遍使用。目前，需要开发出能制备低成本、高质量的复合材料新方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有复合材料制备方法存在的缺陷，提供一种适用范围广，对复合材料无污染，成本低，效率高，具有良好的应用前景的金属基复合材料的制备方法，采用该方法能获得高质量的颗粒增强金属基复合材料。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种金属基复合材料的制备方法，其步骤如下：
(1)将基体金属投入熔炼炉内熔化至液态；将尺寸为0.5μm～20μm、5～30vol.％的增强颗粒放入坩埚内并预热到相近的温度，坩埚底部安装有喷嘴；
(2)将70～95vol.％基体金属熔体倒入坩埚内，在坩埚上部安装防护罩和坩埚盖；打开高压气瓶、调节减压阀和脉冲信号发生器，脉冲气流经电磁阀进入坩埚内并从喷嘴中喷出，其中减压后气压范围为0.1～0.9MPa，脉冲信号频率范围1～30Hz；
(3)脉冲气流在熔体内形成气泡，并逐渐膨胀上升，带动坩埚底部增强颗粒进入熔体内部，同时熔体沿坩埚内壁下行，熔体的对流运动使增强颗粒逐渐分散到熔体内部；
(4)气泡周期性的产生和上升及破裂带动整个坩埚内熔体产生强紊流，金属强烈的紊流使团聚的颗粒分散开，根据金属熔体多少和增强颗粒大小确定脉冲气流处理时间，最终增强颗粒均匀分散到之中；
(5)将分散均匀的复合材料熔体进行铸造成形，得到复合材料铸锭或成形件。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(1)所述的基体金属材料为铝合金、铜合金、镁合金。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(1)所述的增强颗粒为SiC、Al2O3、MgO、B4C。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(1)所述的喷嘴可以有一个或多个，喷嘴结构为环孔结构，其中中心孔为气体入口，四周孔为气体出口，气体出口的中心线与气体入口中心线的角度α/2为15～60°。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(2)所述坩埚上部安装的防护罩与坩埚内壁有一定间隙，防护罩为锥形结构，圆锥角β范围为90～170°。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(2)所述的高压气瓶中储存惰性气体。
本发明使用的设备包括高压气瓶、减压阀、脉冲信号发生器、电磁阀、熔炼坩埚、防护罩、导气管、喷嘴等。其中高压气瓶中储存惰性气体，经导气管进入喷嘴中，减压阀控制气流的压力、脉冲信号发生器控制电磁阀的开和关，从而在导气管内产生一定频率的脉冲气流。一个或多个喷嘴与导气管相连并安装在坩埚底部，脉冲气流从喷嘴中喷出形成周期性气泡。坩埚上部的锥形防护罩与坩埚内壁存在间隙，既能保证气体排放，又能防止金属熔体的飞溅。经脉冲气流分散均匀的复合材料熔体可以直接进行铸造成形。
本发明的优点在于：
1、本发明的方法可以实现增强颗粒在熔体内的高效分散。本发明通过脉冲气流在熔体内的运动实现颗粒均匀分散，无需其它机械外力，能耗低，效率高，而且避免了传统机械搅拌方法中搅拌器对熔体的污染及搅拌器自身的损耗，降低了复合材料的制备成本。
2、采用惰性气体的脉冲气流，还可起到熔体净化作用，避免熔体内部吸气和形成氧化夹杂物。
3、本方法采用的整套设备结构简单，操作方便，具有良好的应用前景。
4、本方法适用范围广，惰性气体对复合材料无污染。
下面通过附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
附图说明
图1为脉冲气流法制备复合材料示意图；
图2为喷嘴结构示意图；
图3为防护罩示意图。
具体实施方式
一种低成本复合材料制备方法，所采用的***如图1所示，由高压气瓶1、减压阀2、脉冲信号发生器3、电磁阀4、导气管5、坩埚盖6、防护罩7、坩埚8、加热炉9、喷嘴10组成。高压气瓶1通过导气管5与减压阀2、电磁阀4、喷嘴10相连，脉冲信号发生器3控制电磁阀4的开关，坩埚8放置在加热炉9中，坩埚8上部安装有防护罩7和坩埚盖6，底部安装有喷嘴10。
所述的喷嘴可以有一个或多个，喷嘴结构为环孔结构，其中中心孔11为气体入口，四周孔12为气体出口，气孔的中心线与喷嘴中心线角度α/2为15～60°，如图2所示。高压气瓶中储存惰性气体，可以是N2、Ar、CO2等。
具体实施过程中，将金属熔体和增强颗粒倒入坩埚8内后安装好防护罩7和坩埚盖6，通过加热炉9控制熔体温度。打开充满惰性气体的高压气瓶1，并调节减压阀2至适当压力，打开脉冲信号发生器3，产生的脉冲电信号控制电磁阀4的开和关，从而在导气管5内形成脉冲气流。脉冲气流通过导气管5进入安放在坩埚8底部的喷嘴10中，脉冲气流在熔体内形成气泡并带动底部的增强颗粒上升，然后气体从防护罩7与坩埚8内壁的间隙和坩埚盖6的中心逸出，防护罩7能防止气体从熔体表面逸出过程中的金属液体的飞溅。
如图3所示，所述坩埚上部安装的防护罩与坩埚内壁有一定间隙，防护罩为锥形结构，圆锥角β范围为90～170°。
实施例1
将5kg铝合金2024熔炼至650℃并保温；将平均粒径为10μm的B4C颗粒，倒入坩埚8内，通过加热炉9控制熔体温度至650℃，再将熔炼的2024铝合金定量倒入坩埚中，B4C颗粒占总体积分数的15％、2024铝合金占总体积分数的85％，安装好防护罩7和坩埚盖6之后打开N2高压气瓶，调节减压阀、脉冲信号发生器及电磁阀，其中减压后气压为0.6MPa，脉冲信号频率3Hz。脉冲气流从喷嘴中喷出形成周期性气泡，气泡带动底部的SiC颗粒上浮，并分散到熔体内部，经过5min脉冲气流处理后，SiC颗粒分散基本均匀，将分散均匀的复合材料熔体倒入模具，获得B4C/2024Al复合材料铸锭。喷嘴气孔的中心线与喷嘴中心线角度α/2为15°，防护罩锥形结构，圆锥角β范围为90°。
实施例2
将3kg镁合金AZ91熔炼至640℃并保温；平均粒径为5μm的SiC颗粒在坩埚内预热后，，再将熔炼的镁合金AZ91定量倒入坩埚中，SiC颗粒占总体积分数的20％、镁合金AZ91占总体积分数的80％，脉冲气流选用氩气，减压后气压为0.3MPa，脉冲频率为10Hz，脉冲气流从环孔喷嘴中喷出形成周期性气泡，在熔体内形成强烈的紊流，SiC颗粒逐渐分散到熔体内，脉冲气体处理3分钟后，SiC颗粒均匀分散到熔体中，随后熔体冷却得到复合材料铸锭。喷嘴气孔的中心线与喷嘴中心线角度α/2为60°，防护罩锥形结构，圆锥角β范围为170°。
实施例3
将8kg纯铜熔炼至1200℃并保温；将平均粒径为20μm的Al2O3颗粒预热后倒入坩埚8内，再将熔炼的铜熔体定量倒入坩埚中，Al2O3颗粒占总体积分数的5％，纯铜占总体积分数的95％，安装好防护罩7和坩埚盖6之后打开N2高压气瓶，调节减压阀、脉冲信号发生器及电磁阀，其中减压后气压为0.9MPa，脉冲信号频率30Hz。脉冲气流从喷嘴中喷出形成周期性气泡，气泡带动底部的Al2O3颗粒上浮，并分散到熔体内部，经过1min脉冲气流处理后，Al2O3颗粒分散基本均匀，将分散均匀的复合材料熔体倒入模具，获得Al2O3/Cu复合材料铸锭。喷嘴气孔的中心线与喷嘴中心线角度α/2为30°，防护罩锥形结构，圆锥角β范围为120°。
实施例4
将5kg铝合金A356熔炼至660℃并保温；将平均粒径为0.5μm的MgO颗粒预热后倒入坩埚8内，再将熔炼的铝合金2024定量倒入坩埚中，MgO颗粒占总体积分数的30％、铝合金2024占总体积分数的70％，安装好防护罩7和坩埚盖6之后打开N2高压气瓶，调节减压阀、脉冲信号发生器及电磁阀，其中减压后气压为0.1MPa，脉冲信号频率1Hz。脉冲气流从喷嘴中喷出形成周期性气泡，气泡带动底部的MgO颗粒上浮，并分散到熔体内部，经过10min脉冲气流处理后，MgO颗粒分散基本均匀，将分散均匀的复合材料熔体倒入模具，获得MgO/A356复合材料铸锭。喷嘴气孔的中心线与喷嘴中心线角度α/2为45°，防护罩锥形结构，圆锥角β为150°
Claims (5)
1.一种金属基复合材料的制备方法，其步骤如下：
(1)熔炼基体金属材料至液相线温度之上并保温；将尺寸为0.5μm～20μm、5～30vol.％的增强颗粒放入坩埚内并预热到相近的温度，坩埚底部安装有喷嘴；
(2)将70～95vol.％基体金属熔体倒入坩埚内，在坩埚上部安装防护罩和坩埚盖；打开高压气瓶、调节减压阀和脉冲信号发生器，脉冲气流经电磁阀进入坩埚内并从喷嘴中喷出，其中减压后气压范围为0.1～0.9MPa，脉冲信号频率范围1～30Hz；所述的高压气瓶中储存惰性气体；
(3)脉冲气流在熔体内形成气泡，并逐渐膨胀上升，带动坩埚底部增强颗粒进入熔体内部，气泡运动同时在熔体产生强紊流，使增强颗粒均匀分散到熔体内部；
(4)气泡周期性的产生和上升及破裂带动整个坩埚内熔体产生强紊流，金属强烈的紊流使团聚的颗粒分散开，根据金属熔体多少和增强颗粒大小确定脉冲气流处理时间，最终增强颗粒均匀分散到熔体之中；
(5)将分散均匀的复合材料熔体进行铸造成形，得到复合材料铸锭或成形件。
2.根据权利要求1所述的金属基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)所述的基体金属材料为铝合金、铜合金、镁合金。
3.根据权利要求1所述的金属基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)所述的增强颗粒为SiC、Al2O3、MgO、B4C。
4.根据权利要求1所述的金属基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)所述的喷嘴可以有一个或多个，喷嘴结构为环孔结构，其中中心孔为气体入口，四周为气体出口，气体出口的中心线与喷嘴中心线角度α/2为15～60°。
5.根据权利要求1所述的金属基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)所述的坩埚上部安装的防护罩与坩埚内壁有一定间隙，防护罩为锥形结构，圆锥角β范围为90～170°。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2008102273277A CN101733368B (zh) | 2008-11-26 | 2008-11-26 | 一种金属基复合材料的制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2008102273277A CN101733368B (zh) | 2008-11-26 | 2008-11-26 | 一种金属基复合材料的制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN101733368A CN101733368A (zh) | 2010-06-16 |
| CN101733368B true CN101733368B (zh) | 2012-04-25 |
Family
ID=42457688
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN2008102273277A Active CN101733368B (zh) | 2008-11-26 | 2008-11-26 | 一种金属基复合材料的制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN101733368B (zh) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103972117B (zh) * | 2014-05-26 | 2016-08-24 | 许昌学院 | 一种柔性自动植球装置及植球方法 |
| CN106270420B (zh) * | 2015-05-14 | 2018-06-15 | 北京有色金属研究总院 | 金属熔体均匀化处理的切割破散装置与方法 |
| WO2016180362A1 (zh) * | 2015-05-14 | 2016-11-17 | 北京有色金属研究总院 | 金属熔体均细化处理的切割破散装置及流变成形方法 |
| CN105446383A (zh) * | 2015-12-28 | 2016-03-30 | 苟仲武 | 一种脉宽调制气体减压的方法和装置 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1062769A (zh) * | 1990-09-19 | 1992-07-15 | 全苏铝镁、电极工业科学研究设计院 | 制造金属基复合材料的方法和装置 |
| EP0680520A1 (en) * | 1993-01-21 | 1995-11-08 | Alcan Int Ltd | METHOD FOR PRODUCING A DISPERSION-STABILIZED METAL FOAM. |
| KR100653161B1 (ko) * | 2005-02-22 | 2006-12-01 | 한국생산기술연구원 | 알루미늄기 복합재를 이용한 반고상가압주조방법 |
| CN2873796Y (zh) * | 2005-03-10 | 2007-02-28 | 上海大学 | 用吹气加料法制备金属基复合材料的装置 |
| CN101091889A (zh) * | 2007-06-01 | 2007-12-26 | 沈阳航空工业学院 | 一种基于膨胀气泡法的纳米复合材料制备方法及设备 |
-
2008
- 2008-11-26 CN CN2008102273277A patent/CN101733368B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1062769A (zh) * | 1990-09-19 | 1992-07-15 | 全苏铝镁、电极工业科学研究设计院 | 制造金属基复合材料的方法和装置 |
| EP0680520A1 (en) * | 1993-01-21 | 1995-11-08 | Alcan Int Ltd | METHOD FOR PRODUCING A DISPERSION-STABILIZED METAL FOAM. |
| KR100653161B1 (ko) * | 2005-02-22 | 2006-12-01 | 한국생산기술연구원 | 알루미늄기 복합재를 이용한 반고상가압주조방법 |
| CN2873796Y (zh) * | 2005-03-10 | 2007-02-28 | 上海大学 | 用吹气加料法制备金属基复合材料的装置 |
| CN101091889A (zh) * | 2007-06-01 | 2007-12-26 | 沈阳航空工业学院 | 一种基于膨胀气泡法的纳米复合材料制备方法及设备 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN101733368A (zh) | 2010-06-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101532861B (zh) | 一种高强度铸造铝合金制造水表表壳的方法及其制品 | |
| CN110423915B (zh) | 一种铝基复合材料的制备方法 | |
| CN103882185B (zh) | 高压底吹精炼铸造装置以及用其冶炼高氮钢的方法 | |
| CN110423914B (zh) | 一种稀土镁合金复合材料的制备方法 | |
| CN101733368B (zh) | 一种金属基复合材料的制备方法 | |
| CN102133629A (zh) | 一种轻合金电磁悬浮铸造装置和方法 | |
| CN103170588B (zh) | 一种温型铸造方法 | |
| CN110438379B (zh) | 一种含锂的镁/铝基复合材料的制备方法 | |
| CN114351017B (zh) | 一种高韧高导热型铝合金锭的铸造方法及应用 | |
| CN109382492A (zh) | 一种连续制备颗粒增强金属基复合材料的方法及装置 | |
| CN105272309A (zh) | 一种高效的高炉主沟快干料及其生产工艺 | |
| CN102358922B (zh) | 一种轻合金半固态浆料制备装置 | |
| CN114833329A (zh) | 一种高熵合金多段混铸装置及其方法 | |
| CN103233151B (zh) | 一种高抗蠕变能力的含准晶双相镁锂合金 | |
| CN104264015A (zh) | 一种高强防锈铝合金扁锭的制造方法 | |
| CN114164354A (zh) | 一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备方法 | |
| CN103320663B (zh) | 含准晶高抗腐蚀性能镁合金及其制备方法和应用 | |
| Chen et al. | Influence of serpentine channel pouring process parameters on semi-solid A356 aluminum alloy slurry | |
| CN109261914A (zh) | 铝锂合金热顶连铸的装置及方法 | |
| CN101368237B (zh) | 一种硅颗粒增强锌基复合材料的制备方法 | |
| CN103962517A (zh) | 一种模铸大规格电极棒的浇注装置及其浇注方法 | |
| CN108149160A (zh) | 一种基于a356铝合金的高冲击韧性泡沫铝及其生产工艺 | |
| CN102230101A (zh) | 一种b4c/y112铝基复合材料半固态浆料的制备方法 | |
| CN105401063A (zh) | 一种离心铸造生产的铸态可锻铸铁气缸套及其生产工艺 | |
| CN113134580B (zh) | 金属半固态非枝晶浆料的制备方法以及制备装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20190703 Address after: 101407 No. 11 Xingke East Street, Yanqi Economic Development Zone, Huairou District, Beijing Patentee after: Research Institute of engineering and Technology Co., Ltd. Address before: 100088 No. 2 Xinjiekouwai Street, Haidian District, Beijing Patentee before: General Research Institute for Nonferrous Metals |
|
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20210722 Address after: 101407 No.11, Xingke East Street, Yanqi Economic and Technological Development Zone, Huairou District, Beijing Patentee after: Youyan metal composite technology Co.,Ltd. Address before: 101407 No. 11 Xingke East Street, Yanqi Economic Development Zone, Huairou District, Beijing Patentee before: YOUYAN ENGINEERING TECHNOLOGY RESEARCH INSTITUTE Co.,Ltd. |
|
| TR01 | Transfer of patent right |