專利名稱：制備金屬基納米復合材料的超聲攪拌連續(xù)鑄造方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及鑄造技術，具體是指一種制備金屬基納米復合材料的超聲攪 拌連續(xù)鑄造方法及裝置。
背景技術：
金屬基納米復合材料具有優(yōu)異的物理、力學和摩擦學性能。金屬基納米 復合材料及其零件的制備技術一直備受關注。傳統(tǒng)的金屬基納米復合材料制 備技術主要有高能球磨、粉末冶金、真空熱壓和塑性加工。但是這些方法工 藝復雜、生產效率低、生產成本高、不能形成復雜零件、只能制備小尺寸產 品。而利用鑄造法制備金屬基納米復合材料的技術，具有工藝過程簡單、生 產效率高、成本較低、可成形復雜零件的優(yōu)點。但是在鑄造法制備金屬基納 米復合材料過程中，納米陶瓷顆粒與金屬基體之間的潤濕性差，納米陶瓷顆 粒易發(fā)生團聚現(xiàn)象，納米陶瓷顆粒很難分散均勻。最近的研究發(fā)現(xiàn)，采用功 率超聲攪拌技術可以有效地將納米陶瓷顆粒在金屬熔體中分散均勻。代表性
白勺工{乍是Yong Yang等人在"Study on bulk aluminum matrix nano-composite fabricated by ultrasonic dispersion of nano-sized SiC particles in molten aluminum alloy"(對利用超聲波分散鋁液中的納米SiC顆粒制得的鋁基納米 復合材料的研究，Mater. Sci. Eng. A 380， 2004， 378-383)中的報道。i亥論文 采用超聲攪拌技術使得納米SiC陶瓷顆粒彌散分布于A356合金熔體中，獲 得了納米SiC陶瓷顆粒均勻分布的金屬基納米復合材料。周衡志等人發(fā)表了 題為"納米Ce02p/Zn-4.5%A1復合材料的高能超聲制備及其力學性能"的論 文(中國有色金屬學報，2007， 757-761)該論文也采用高能超聲攪拌技術， 制備了 Ce02質量分數(shù)分別為1%、 2%、 3%、 4%、 5%、 6%的納米 Ce02p/Zn-4.5%A1復合材料。但是以上這些方法受超聲波功率的影響，處理 的熔體量非常有限，其最大量不能超過坩堝的容積，往往只有數(shù)公斤。對于 采用鑄造技術同時滿足熔體處理量大且納米陶瓷顆粒分布均勻，目前仍然沒 有很好的方法。本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足之處，提供一種采用鑄造技術制 備大尺寸金屬基納米復合材料的超聲攪拌連續(xù)鑄造方法。
本發(fā)明的另一個目的在于為實現(xiàn)制備金屬基納米復合材料的超聲攪拌連 續(xù)鑄造方法設計一個專用裝置。
為了實現(xiàn)上述目的，制備金屬基納米復合材料的超聲攪拌連續(xù)鑄造方法 采用如下措施
(1) 攪拌儲液澆包內的已添加有納米陶瓷顆粒的金屬溶液，至納米陶瓷 顆粒宏觀(毫米級)均勻分布在金屬溶液中；
(2) 將已宏觀均勻分布有納米陶瓷顆粒的金屬溶液從儲液澆包導入到與
其相連通的澆注澆包中，采用傳感器采集信號并傳到液面控制器，控制并維
持澆注澆包液面高度；
(3) 采用超聲波處理澆注澆包內的金屬溶液，至金屬溶液中的納米陶瓷 顆粒處于微觀(微米級)均勻分布狀態(tài)；
(4) 通過引錠桿連續(xù)引錠，澆注澆包內的金屬溶液連續(xù)流入結晶器中并 凝固，得到金屬基納米復合材料。
所述連續(xù)引錠為連續(xù)向下引錠或連續(xù)向水平方向引錠。
所述攪拌為機械攪拌。
所述超聲波為高能超聲。
為實現(xiàn)上述制備金屬基納米復合材料的超聲攪拌連續(xù)鑄造方法的裝置為 垂直連續(xù)鑄造裝置，由儲液澆包、攪拌器、液面控制器、超聲波發(fā)生器、澆 注澆包、控制閥、結晶器、引錠桿所組成；它們之間的聯(lián)接關系如下儲液 澆包下方開孔與澆注澆包相連通；液面控制器中的傳感器置于澆注澆包內； 機械攪拌器插入儲液澆包內；超聲波發(fā)生器置于澆注澆包內；澆注澆包下方 開孔與垂直安裝的結晶器相連通，能夠連續(xù)引錠的引錠桿垂直安裝于結晶器 下端，控制閥位于澆注澆包與結晶器的連通處。
為實現(xiàn)上述制備金屬基納米復合材料用超聲攪拌連續(xù)鑄造方法的裝置為 水平連續(xù)鑄造裝置，由儲液澆包、攪拌器、液面控制器、超聲波發(fā)生器、澆 注澆包、控制閥、結晶器、引錠桿所組成；它們之間的聯(lián)接關系如下儲液 澆包下方開孔與澆注澆包相連通；液面控制器中的傳感器置于澆注澆包內；機械攪拌器插入儲液澆包內；超聲波發(fā)生器置于澆注澆包內；澆注澆包側面 開孔與水平安裝的結晶器一端相連，能夠連續(xù)引錠的引錠桿水平安裝于結晶 器另一端，控制閥位于澆注澆包與結晶器的連通處。
所述液面控制器中的傳感器置于澆注澆包高度的2/3 3/4之間。
本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術具有如下優(yōu)點和有益效果-
(1) 由于本發(fā)明方法采用了高能超聲攪拌技術，制備的金屬基納米復合 材料過程中，在金屬基體中的納米陶瓷顆粒能夠達到微米級均勻分布，有效 地防止或減少陶瓷顆粒的團聚現(xiàn)象發(fā)生，顯微組織具有重復性，因而材料性 能良好。
(2) 由于本發(fā)明采用了連續(xù)鑄造方法，因此本發(fā)明方法特別適合一次性 制備大尺寸的材料。
(3) 本發(fā)明方法制備的金屬基納米復合材料具有良好的成型性能，可用 于二次加工制備零件、板材、線材、型材等不同的產品，因此其工業(yè)應用范 圍廣泛，市場前景廣闊。


圖1為制備金屬基納米復合材料的超聲攪拌垂直連續(xù)鑄造裝置的結構示 意圖；其中l(wèi)-儲液澆包、2-攪拌器、3-液面控制器、4-超聲發(fā)生器、5-澆注 澆包、6-控制閥、7-結晶器、8-引錠桿。
圖2為制備金屬基納米復合材料的超聲攪拌水平連續(xù)鑄造裝置的結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施 方式不限于此。 實施例i
本實施例采用超聲攪拌垂直連續(xù)鑄造裝置，其結構如圖1所示，該裝置 是由儲液澆包l、攪拌器2、液面控制器3、超聲波發(fā)生器4、澆注澆包5、 控制閥6、結晶器7、引錠桿8所組成；它們之間的聯(lián)接關系如下儲液澆包 1下方開孔與澆注澆包5相連通，儲液澆包1的容積是澆注澆包5的5倍； 液面控制器3中的傳感器置于澆注澆包5高度的2/3 3/4之間；機械攪拌器2 插入儲液澆包1內；超聲波發(fā)生器4置于澆注澆包5內；澆注澆包5下方開孔與垂直安裝的結晶器7相連通，能夠連續(xù)引錠的引錠桿8垂直安裝于結晶 器7下端，控制閥6位于澆注澆包5與結晶器7的連通處。
采用上述裝置實現(xiàn)制備金屬基納米復合材料的超聲攪拌連續(xù)鑄造方法， 其步驟及其工藝條件如下
(1) 將熔融的A356熔體倒入儲液澆包l，在750。C處保溫10分鐘，將 機械攪拌器2插入儲液澆包1中熔體的2/3深處，以700 r/min的轉速攪拌 A356熔體，攪拌20 30秒至熔體產生一定的漩渦，在漩渦中心處添加平均直 徑為100 nm的A1203陶瓷顆粒，A1203陶瓷顆粒質量百分數(shù)為總物料的10 %， 繼續(xù)以700 r/min的轉速攪拌10分鐘，使納米陶瓷顆粒達到毫米級均勻分布 狀態(tài)；
(2) 儲液澆包1通過底部開設的小孔與澆注澆包5相連通，使儲液澆包 1中的溶液流入澆注澆包5中，通過液面控制器3的傳感器采集信號，控制 并維持澆注澆包5中的溶液液面高度在澆注澆包5高度的2/3 3/4范圍內；
(3) 開啟插入深度為澆注澆包5中溶液的1/3處的超聲發(fā)生器4，在溶 液中產生高能超聲振動，頻率為20kHz，功率為2.2kW，使納米陶瓷顆粒達 到微米級均勻分布狀態(tài)；
(4) 澆注澆包內的金屬溶液由于重力作用連續(xù)流入結晶器7內，并在結 晶器7中凝固；由引錠桿8向下連續(xù)引錠，得到納米Al203陶瓷顆粒增強的 金屬基納米復合材料。其拉伸力學性能如下抗拉強度ab二300MPa， cr。.2 = 170MPa， S = 0.5%。
實施例2
本實施例采用水平連續(xù)鑄造裝置，其結構如圖2所示，該裝置是由儲液 澆包l、攪拌器2、液面控制器3、超聲波發(fā)生器4、澆注澆包5、控制閥6、 結晶器7、引錠桿8所組成；它們之間的聯(lián)接關系如下儲液澆包1下方開
孔與澆注澆包5相連通；液面控制器3中的傳感器置于饒注澆包5內；機械 攪拌器2插入儲液澆包1內；超聲波發(fā)生器4置于澆注澆包5內；澆注澆包 5側面開孔與水平安裝的結晶器7 —端相連，澆注澆包5與結晶器7相通， 能夠連續(xù)引錠的引錠桿8水平安裝于結晶器7另一端，控制閥6位于澆注澆 包5與結晶器7的連通處。
采用上述裝置實現(xiàn)制備金屬基納米復合材料的超聲攪拌連續(xù)鑄造方法，其步驟及其工藝條件如下
(O將熔融的A356熔體倒入儲液澆包1，在75(TC處保溫IO分鐘，將 機械攪拌器2插入儲液澆包1中熔體的2/3深處，以1000 r/min的轉速攪拌 A356熔體，攪拌20 30秒至熔體產生一定的漩渦，在漩渦中心處添加平均直 徑為10 nm的SiC陶瓷顆粒，SiC陶瓷顆粒質量百分數(shù)為總物料的1 %，繼續(xù) 以1000 r/min的轉速攪拌10分鐘，使納米陶瓷顆粒達到毫米級均勻分布狀態(tài)；
(2) 儲液澆包1通過底部開設的小孔與澆注澆包5相連通，使儲液澆包 1中的溶液流入澆注澆包5中，通過液面控制器3的傳感器采集信號，控制 并維持澆注澆包5中的溶液液面高度在澆注澆包5高度的2/3 3/4范圍內；
(3) 開啟插入深度為澆注澆包5中溶液的1/3處的超聲發(fā)生器4，在溶 液中產生功率超聲振動，頻率為15kHz，功率為lkW，使納米陶瓷顆粒達到 微米級均勻分布狀態(tài)；
(4) 溶液由于重力作用流入結晶器7內，并在結晶器7中凝固；由引錠 桿8向水平方向連續(xù)引錠，得到納米SiC陶瓷顆粒增強的金屬基納米復合材 料。其拉伸力學性能如下抗拉強度cib二270MPa， cra2=140MPa， S=3.0%。
權利要求
1、制備金屬基納米復合材料的超聲攪拌連續(xù)鑄造方法，其特征在于該方法采用如下措施(1)攪拌儲液澆包內的已添加有納米陶瓷顆粒的金屬溶液，至納米陶瓷顆粒宏觀均勻分布在金屬溶液中；(2)將已宏觀均勻分布有納米陶瓷顆粒的金屬溶液從儲液澆包導入到與其相連通的澆注澆包中，采用傳感器采集信號并傳到液面控制器，控制并維持澆注澆包液面高度；(3)采用超聲波處理澆注澆包內的金屬溶液，至金屬溶液中的納米陶瓷顆粒處于微觀均勻分布狀態(tài)；(4)通過引錠桿連續(xù)引錠，澆注澆包內的金屬溶液連續(xù)流入結晶器中并凝固，得到金屬基納米復合材料。
2、 根據(jù)權利要求1所述的制備金屬基納米復合材料的超聲攪拌連續(xù)鑄造 方法，其特征在于所述連續(xù)引錠為連續(xù)向下引錠或連續(xù)向水平方向引錠。
3、 根據(jù)權利要求1所述的制備金屬基納米復合材料的超聲攪拌連續(xù)鑄造 方法，其特征在于所述攪拌為機械攪拌。
4、 根據(jù)權利要求1所述的制備金屬基納米復合材料的超聲攪拌連續(xù)鑄造 方法，其特征在于所述超聲波為高能超聲。
5、 為實現(xiàn)上述權利要求1~4所述制備金屬基納米復合材料的超聲攪拌連續(xù)鑄造方法的裝置，其特征在于該裝置為垂直連續(xù)鑄造裝置，由儲液澆包(O 、攪拌器(2)、液面控制器(3)、超聲波發(fā)生器(4)、澆注澆包(5)、 控制閥(6)、結晶器(7)、引錠桿(8)所組成；它們之間的聯(lián)接關系如下 儲液澆包(1)下方開孔與澆注澆包(5)相連通；液面控制器(3)中的傳感 器置于澆注澆包(5)內；機械攪拌器(2)插入儲液澆包(1)內；超聲波發(fā) 生器(4)置于澆注澆包(5)內；澆注澆包(5)下方開孔與垂直安裝的結晶 器(7)相連通，能夠連續(xù)引錠的引錠桿(8)垂直安裝于結晶器(7)下端， 控制閥(6)位于澆注澆包(5)與結晶器(7)的連通處。
6、 為實現(xiàn)上述權利要求1 4所述制備金屬基納米復合材料的超聲攪拌連 續(xù)鑄造方法的裝置，其特征在于該裝置為水平連續(xù)鑄造裝置，由儲液澆包(1)、攪拌器(2)、液面控制器(3)、超聲波發(fā)生器(4)、澆注澆包(5)、 控制閥(6)、結晶器(7)、弓l錠桿(8)所組成；它們之間的聯(lián)接關系如下.' 儲液澆包(1)下方開孔與澆注澆包(5)相連通；液面控制器(3)中的傳感器置于澆注澆包(5)內；機械攪拌器(2)插入儲液澆包(1)內；超聲波發(fā)生器(4)置于澆注澆包(5)內；澆注澆包(5)側面開孔與水平安裝的結晶 器(7) —端相連，能夠連續(xù)引錠的引錠桿(8)水平安裝于結晶器(7)另一 端，控制閥(6)位于澆注澆包(5)與結晶器(7)的連通處。
7、根據(jù)權利要求5或6所述的制備金屬基納米復合材料的超聲攪拌連續(xù) 鑄造裝置，其特征在于所述液面控制器(3)中的傳感器置于澆注澆包(5) 高度的2/3~3/4之間。
全文摘要
本發(fā)明是一種制備金屬基納米復合材料的超聲攪拌連續(xù)鑄造方法，實現(xiàn)本發(fā)明方法的裝置為垂直或水平連續(xù)鑄造裝置，由儲液澆包、攪拌器、液面控制器、超聲波發(fā)生器、澆注澆包、控制閥、結晶器、引錠桿所組成。該方法采用攪拌及超聲波處理，使金屬溶液中的納米陶瓷顆粒處于微觀(微米級)均勻分布狀態(tài)；傳感器采集信號并控制澆注澆包液面高度；通過引錠桿向下或向水平方向連續(xù)引錠，得到金屬基納米復合材料。本發(fā)明有效地防止了陶瓷顆粒的團聚現(xiàn)象發(fā)生。本發(fā)明特別適合一次性制備大尺寸的材料和用于二次加工制備零件、板材、線材、型材等不同的產品，其工業(yè)應用范圍廣泛，市場前景廣闊。
文檔編號B22D11/16GK101612658SQ20091004143
公開日2009年12月30日 申請日期2009年7月28日 優(yōu)先權日2009年7月28日
發(fā)明者張衛(wèi)文, 張大童, 李元元, 智 王, 羅宗強 申請人:華南理工大學