金屬基自生梯度復合管材的電磁分離連續制備方法及設備技術

一種金屬基自生梯度復合管材的電磁分離連續制備方法及設備，其方法包括：ａ．在具有環形分離模腔的耐火材料分離器外周施加高頻電磁場，使冷卻水通過所述分離器中空部的水冷銅質模芯循環；ｂ．將經過預處理的合金液連續澆注到所述分離器的環形分離模腔內，自生相在電磁力的作用下向分離模腔外壁運動；牽引系統帶動底模下移，使自生相呈梯度分布的合金液連續流經所述環形分離模腔下部的環形冷卻模腔冷卻、凝固成型。制得的金屬基自生梯度復合管材具有高硬度的梯度增強層，中心共晶基體具有整體強韌性。具有生產效率高、生產成本低和管材尺寸限制少等優點，可制備圓形、三角形、多邊形等異形管坯，在耐磨、耐蝕及石油化工等領域有廣闊的應用前景。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于金屬基自生梯度復合管材的制備
，特別是金屬基自生梯度復合管材的電磁分離連續制備方法及設備。
技術介紹
顆粒增強金屬基復合材料(PMMCs)具有高比強度、高比模量、低密度及良好的高溫性能等優良的綜合力學性能和使用性能，近年來在工業和科研領域都受到廣泛的重視。在有些特殊場合，需要構件的兩側具備不同的性能或功能，又希望兩側結合良好，滿足在惡劣、苛刻的工況條件下使用的要求。針對這種情況，日本科學家于1987年首次提出功能梯度復合材料的概念和設計思想，即根據具體要求采用先進的材料復合技術連續的改變兩種具有不同性能的材料的組成和結構使其內部界面消失，從而得到功能相應于組成和結構的變化而緩變的非均質材料。金屬基自生梯度復合材料通過控制自生增強相在基體中沿深度方向的分布而制得，常用制備方法有等離子噴涂法、自蔓延高溫合成法(SHS)、離心鑄造法和電磁分離等。公開號為CN 1460568A的中國專利提出了電磁分離制備金屬基自生梯度復合棒材和管材的方法，該專利公開了將合金澆注在鑄型內，然后采用電磁分離法將增強相偏聚在材料表面，并在底部的水冷銅模的冷卻作用下得到鋁基自生梯度復合棒材和管材的方法；公開號為CN 1460569A的中國專利公開了一種制備金屬基自生梯度復合棒材和管材的電磁分離裝置，該裝置由電磁發生系統和澆注系統兩部分組成，其中澆注系統包括耐火材料鑄型、設置于耐火材料鑄型頂部的澆口杯和設置于耐火材料鑄型底部的水冷銅模。上述兩項專利技術均采用底部銅模冷卻方式的模鑄方式制備構件，因此在制備長徑比大的構件時要求感應線圈長徑比也比較大，這必然提高對電源設備的要求和增大功率的消耗，另外制備的管材在軸向組織均勻性較差。
技術實現思路
本專利技術的目的是克服現有技術的上述不足，提供一種金屬基自生梯度復合管材的電磁分離連續制備方法及設備。它通過將經過預處理的合金液澆注在耐火材料分離器的環形分離模腔內，并在外部施加高頻電磁場，由于合金液在導電性上的差異，自生相在電磁力的作用下向外壁運動；隨著連鑄過程牽引的進行，自生相呈梯度分布的合金液進入冷卻室后凝固，從而連續得到自生增強相聚集在管材表層，并形成有一定厚度的梯度增強層復合管材。本專利技術金屬基自生梯度復合管材的電磁分離連續制備方法包括以下步驟a、在具有環形分離模腔的耐火材料分離器外周施加高頻電磁場，使冷卻水通過耐火材料分離器中空部的水冷銅質模芯循環；b、將經過預處理的合金液連續澆注到所述耐火材料分離器的環形分離模腔內，自生相在高頻電磁力的作用下向環形分離模腔外壁運動；牽引系統帶動所述環形分離模腔下的底模下移，使自生相呈梯度分布的合金液連續流經所述環形分離模腔下部的環形冷卻模腔冷卻、凝固，富含自生增強相主要聚集在凝固形成的金屬管材表層，并形成梯度增強層。在耐火材料分離器外周設置感應線圈，高頻電源通過所述感應線圈產生用于對合金液電磁分離的高頻電磁場，高頻電源輸出頻率為10-30KHz，功率為10-40KW。金屬基自生梯度復合管材的電磁分離連續制備設備，包括電磁發生系統和成型系統，所述電磁發生系統包括感應線圈和驅動感應線圈的高頻電源，所述成型系統包括具有環形分離模腔的耐火材料分離器，在耐火材料分離器的中空部設置水冷銅質模芯，耐火材料分離器的外壁下端設置銅質冷卻器，該銅質冷卻器與水冷銅質模芯下段之間形成環形冷卻模腔，所述環形冷卻模腔和它上邊的環所述形分離模腔同軸貫通，底模置于所述環形冷卻模腔和所述環形分離模腔連接部，感應線圈設置于耐火材料分離器的外周。本專利技術實現了金屬基自生梯度復合管材的電磁分離連續鑄造，得到自生增強相與基體界面無污染、沿徑向梯度分布的金屬基復合管材。由于采用電磁分離連續鑄造工藝，管材長度不受分離模腔的長度的限制，制備長徑比較大的管材時，不需增加分離模腔的長度，因而不需增加感應線圈的長度和高頻電源的功率。在軸向方向上，熔體單元從進入分離室進行電磁分離到在冷卻模腔內凝固成形，所經歷的過程都是相同的，從而使制備的管材的軸向組織均勻性較好。采用本專利技術工藝制備的金屬基自生梯度復合管材，表層形成具有一定厚度的高硬度的梯度增強層，耐磨性高。采用本專利技術制備復合管材具有生產效率高、生產成本低和管材尺寸限制少等優點，可制備圓形、三角形、矩形、多邊形等異形空心管坯，在耐磨、耐蝕及石油化工等領域有廣闊的應用前景。附圖說明圖1是本專利技術金屬基自生梯度復合管材的電磁分離連續制備設備結構示意圖；圖2是圖1A-A剖視圖。具體實施例方式下面結合附圖對本專利技術進一步說明。參照圖1、2，本金屬基自生梯度復合管材的電磁分離連續制備設備包括電磁發生系統和成型系統。電磁發生系統包括感應線圈(11)和驅動感應線圈的高頻電源，感應線圈(11)設置在耐火材料分離器(3)外周，感應線圈連接到高頻電源的輸出端，高頻電源通過所述感應線圈產生用于對合金液電磁分離的高頻電磁場，高頻電源輸出頻率為10-30KHz，功率為10-40KW。成型系統包括耐火材料分離器(3)，耐火材料分離器的內壁、外壁之間為環形分離模腔，在耐火材料分離器的中空部設置水冷銅質模芯(4)，耐火材料分離器的外壁下端設置銅質冷卻器(13)，該銅質冷卻器(13)與水冷銅質模芯(4)下段之間形成環形冷卻模腔，所述環形冷卻模腔和它上邊的所述環形分離模腔同軸貫通，底模(8)置于所述環形冷卻模腔和所述環形分離模腔連接部，感應線圈(11)設置于耐火材料分離器的外周。圖中(9)表示冷卻水的流向，(6)為凝固坯殼，(10)為合金液。上述耐火材料分離器(3)的外壁與銅質冷卻器(13)的結合部可設置石墨過渡環(5)，耐火材料分離器(3)的內壁與水冷銅質模芯(4)下段的結合部也可設置石墨過渡環(12)，所述過渡環的材質可為三高石墨等。上述冷卻模腔外側的銅質冷卻器(13)上均勻分布若干等寬縫隙(15)，縫隙(15)寬度為0.2-0.8mm，縫隙內填塞耐火材料，每一個縫隙的平分面經過銅質冷卻器的軸線，該開縫結構能減弱銅質冷卻器對磁場的屏蔽作用。水冷銅質模芯(4)是中空結構，中間縱向安裝進水管(2)，進水管接至冷水源，進水管(2)與水冷銅質模芯(4)的內表面之間為循環冷卻水的出水通道(1)，該出水通道接出水管將循環冷卻水送出。本專利技術耐火材料分離器(3)的環形分離模腔和它下邊的環形冷卻模腔同軸貫通，兩者的結合部設置石墨過渡環(5、12)。該環形分離模腔和環形冷卻模腔的徑向截面均呈圓形環、或橢圓形環、或三角形環、或多邊形環等等，可適合連續鑄造圓形、橢圓形、三角形、多邊形等各種金屬基自生梯度復合管材。牽引系統采用現有的各種牽引系統，如以下的牽引系統，該系統包括電機、變頻器、主動輪(7)和從動輪(14)，主動輪與從動輪的軸線平行且所在平面與管材軸線垂直。牽引過程中調整主動輪和從動輪的軸間距，使主動輪和從動輪與底模(8)、管材之間的壓力為2-4kg，電機帶動主動輪旋轉，在摩擦力的作用下帶動底模(8)和管材向上或向下線性運動，轉速通過變頻器調節。本專利技術將經過預處理的合金液注入耐火材料分離器的環行分離模腔中，通過電磁發生系統對該分離模腔內的合金液施加高頻電磁場，由于合金液在導電性上的差異，自生相在電磁力的作用下向環行分離模腔外壁面運動；通過牽引系統使自生相呈梯度分布的合金液進入環行冷卻模腔后本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種金屬基自生梯度復合管材的電磁分離連續制備方法，其特征在于包括以下步驟：ａ、在具有環形分離模腔的耐火材料分離器外周施加高頻電磁場，使冷卻水通過耐火材料分離器中空部的水冷銅質模芯循環；ｂ、將經過預處理的合金液連續澆注到所述耐 火材料分離器的環形分離模腔內，自生相在高頻電磁力的作用下向環形分離模腔外壁運動；牽引系統帶動所述環形分離模腔下的底模下移，使自生相呈梯度分布的合金液連續流經所述環形分離模腔下部的環形冷卻模腔冷卻、凝固，富含自生增強相主要聚集在凝固形成的金屬管材表層，并形成梯度增強層。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：李丘林，劉偉，唐國翌，張志清，劉超，
申請(專利權)人：清華大學深圳研究生院，
類型：發明
國別省市：94[中國|深圳]