專利名稱：自生表面復合材料的電磁制備方法
技術領域：
本發明涉及一種制備自生表面復合材料的新方法，尤其涉及一種采用電磁方法制備自生表面復合材料的新方法，屬于復合材料制備技術領域。
在許多工況下，要求材料表面的性能不同于其內部性能，傳統的解決途徑有兩個兼顧內部和表面的要求，選用綜合性能達到要求的高檔次材料或進行相應的表面處理。前者實際上造成材料的浪費，后者則要求復雜的工藝或設備，而且要消耗大量能源，兩種途徑都不可避免使材料的成本幅度上升。從節約能源和資源，合理利用材料觀點出發，最經濟的辦法是在鑄造條件下直接形成表面與內部不同的自生表面復合材料。
文獻《離心鑄造過共晶AL-Si合金自生表面復合材料》(王渠東等，《復合材料學報》98年第3期)介紹了采用離心鑄造方法制備自生表面復合材料。這種方法解決了增強相表面易被污染、增強相與基體之間結合不良等問題，但是需要復雜的帶有加熱控溫裝置的垂直離心鑄造機，其使用局限于初生相與熔體本身比重差比較大的合金，當初生相與熔體比重差不大時，這種方法難以應用。文獻《電磁攪拌自生表面復合材料的組織與性能》(金俊澤等，《材料研究學報》98年第4期)介紹的電磁攪拌定向凝固分離共晶方法，能得到分離偏聚層與基體之間結合強度較高的復合材料，但這種方法需要在普通定向凝固裝置上加一個電磁攪拌器，設備復雜，并受到鑄件形狀的限制。
本發明的目的在于針對現有技術的上述不足，提供一種新的自生表面復合材料的電磁制備方法，不僅工藝簡單，不受合金初生相與熔體比重差小的局限，同時還適應不同形狀的鑄件，能實現鑄件不同部位的內部和表面性能不同，來滿足實際工況的要求。
為實現這樣的目的，本發明的技術方案中采用在鑄造條件下，施加電磁力控制具有初生相析出的合金的凝固過程，合金在溶化爐中熔化后，將鑄型置于電磁場之中進行澆鑄，使鑄件在電磁場下凝固。根據初生相與熔體本身的導電性差異，在電磁力的作用下，初生相與金屬熔體受力方向相反，使初生相從熔體分離，并定向運動聚集到鑄件表面，從而制備出自生表面復合材料。
本發明采用電磁方法制備自生表面復合材料的原理是由于金屬熔體的導電率大于初生相(一般不導電)，在電磁場作用下，金屬熔體受到電磁力作用，熔體在電磁力方向上的運動受到限制，則在熔體內產生一壓力梯度，由于在熔體內的初生相不受電磁力作用，使在初生相周圍的力場不平衡而受到周圍金屬熔體的作用，在該力作用下初生相與熔體實現分離。
本發明選用的合金為在凝固過程中具有初生相析出的合金，并且初生相與熔體本身有導電性的差異，例如共晶Al-Si-1.2wt％Fe-1.6wt％Mn合金，過共晶Al-Si合金等。
本發明電磁力的施加方式可以有兩種，穩恒磁場加直流電流或高頻磁場(由高頻磁場在熔體中產生的感應電流與電磁場相互作用產生電磁力)，在操作時可根據鑄件的形狀采用其中一種方式施加電磁力，也可以在鑄件的不同部位施加磁場，進行局部復合，制備出鑄件不同部位、內部和表面性能不同的材料，來滿足實際工況的要求。
圖1為本發明采用穩恒磁場加直流電流制備自生表面復合材料的示意圖。
圖中，鑄型1安裝在電磁鐵5的兩個磁極中間，間隙為10-20mm，在鑄型兩端插入電極2和4，通過導線與直流電源3相連。在澆鑄時先開通直流電源和電磁鐵，然后澆鑄，使鑄件在電磁場下凝固。鑄件凝固后，關閉直流電源和電磁鐵。
磁場強度和電流大小根據公式f=｜j×B｜確定，式中B-磁通密度，T；j-電流密度，A/m2；f-電磁力，N/m3。
圖2為本發明采用高頻磁場制備表面復合材料的示意圖。
圖中，鑄型6安裝在螺線管線圈7、8的中間，線圈的形狀與鑄件的形狀一致，線圈與鑄型間隙為5-10mm，線圈與高頻電源相連。在澆鑄時先開通高頻電源，使螺線管線圈通電，然后澆鑄，使鑄件在電磁場下凝固。鑄件凝固后，關閉高頻電源。高頻電源的功率和頻率根據所需電磁力的大小由Maxwell方程確定。
本發明具體工藝過程如下1、在溶化爐中熔化所選的合金，過熱100℃-200℃。
2、將鑄型置于電磁場之中，可以采用穩恒磁場加直流電流或采用高頻磁場。
3、施加的電磁力為1.0×104N/m3-2.0×106N/m3，根據初生相大小，所要制備表面復合材料表面層的厚度確定。
4、在澆鑄時先開通電源，然后澆鑄，使鑄件在電磁場下凝固。
5、鑄件凝固后，關閉電源。
以下通過具體的實施例來進一步描述本發明的技術方案。實施例1穩恒磁場制備Al-15wt％Si表面復合材料在電阻爐中熔煉，采用穩恒磁場加直流電流制備自生表面復合材料，電磁力為1.2×104N/m3，澆注φ5mm鑄件，在鑄型兩端插入石墨電極，通過導線與直流電源相連。當合金熔化后，除雜去氣，720℃澆鑄，此時馬上施加電磁力(磁場強度為1T；電流密度為1.2×104A/m2)，施加電磁力的時間為4分鐘。鑄件凝固后大量的初生硅(10μm-150μm)偏移到鑄件表面，成為鑄件表面硬度高達1320HV，厚度為500μm，中心為70HV的自生表面復合材料。實施例2穩恒磁場制備共晶Al-Si-1.2wt％Fe-1.6wt％Mn合金在電阻爐熔煉，溫度為750℃，采用穩恒磁場加直流電流制備自生表面復合材料，電磁力為1.2×104N/m3(磁場強度為1T；電流密度為1.2×104A/m2)，在鑄型兩端插入石墨電極，通過導線與直流電源相連。當合金熔化后，出雜去氣，750℃澆鑄10mm×20mm方形鑄件。此時馬上施加電磁力，施加電磁力的時間為6分鐘。鑄件凝固后在鑄件表面形成大量的AlSiFeMn復雜金屬間化合物，其成份為(wt％)Al-54.26,Si-10.72,Mn-17.97,Fe-17.04，成為表面硬度為824.87HV，而基體硬度為92.6HV的自生表面復合材料。實施例3高頻磁場制備Al-15wt％Si表面復合材料在電阻爐中熔煉，采用高頻磁場制備自生表面復合材料，電磁力為1.0×104N/m3，澆注φ5mm鑄件。當合金熔化后，除雜去氣，720℃澆鑄，此時馬上在高頻線圈中通高頻電流，施加電磁力(感應磁場強度為0.08T；感生電流密度為1.25×105A/m2)，施加電磁力的時間為4分鐘。鑄件凝固后大量的初生硅(10μm-100μm)偏移到鑄件表面，成為鑄件表面硬度高達1320HV，厚度為200μm，中心為80HV的自生表面復合材料。
本發明與目前采用鑄造方法制備自生表面復合材料的原理有顯著區別，克服了因初生相與熔體比重差小而不能制備自生表面復合材料的缺點，工藝簡單靈活，不需復雜的輔助設備。本發明利用電磁場的作用，在鑄造條件下直接形成表面與內部性能不同的自生表面復合材料，并且可以不受鑄件形狀的限制，實現鑄件備個不同部位的內表性能不同，能滿足不同工礦的實際需要。
權利要求
1.一種自生表面復合材料的電磁制備方法，其特征在于選用在凝固過程中具有初生相析出，并且初生相與熔體本身有導電性差異的合金，在溶化爐中熔化后，將鑄型置于電磁場之中進行澆鑄，施加1.0×104N/m3-2.0×106N/m3的電磁力4-6分鐘，使鑄件在電磁場下凝固。
2.如權利要求1所說的自生表面復合材料的電磁制備方法，其特征在于所說的電磁場是穩恒磁場加直流電流，鑄型(1)安裝在電磁鐵(5)的兩個磁極中間，間隙為10-20mm，在鑄型兩端插入電極(2、4)，電極通過導線與直流電源(3)相連。
3.如權利要求1所說的自生表面復合材料的電磁制備方法，其特征在于所說的電磁場是高頻磁場，鑄型(6)安裝在螺線管線圈(7、8)的中間，線圈的形狀與鑄件的形狀一致，線圈與鑄型間隙為5-10mm，線圈與高頻電源相連。
4．如權利要求1所說的自生表面復合材料的電磁制備方法，其特征在于可以在鑄件的不同部位施加磁場，進行局部復合。
全文摘要
一種自生表面復合材料的電磁制備方法,采用在鑄造條件下,施加電磁力控制凝固時具有初生相析出合金的凝固過程,根據初生相與熔體本身的導電性差異,在電磁力作用下使初生相從熔體分離,并定向運動到鑄件表面,從而制備出自生表面復合材料。本發明工藝簡單、靈活,可以通過改變電磁力的施加方式與大小,在鑄件的不同部位施加磁場,進行局部復合,能滿足不同工礦的實際需要。
文檔編號B22D27/02GK1311069SQ0110533
公開日2001年9月5日 申請日期2001年2月15日 優先權日2001年2月15日
發明者許振明, 李天曉, 周堯和 申請人:上海交通大學