金属基自生梯度复合管材的电磁分离连续制备方法及设备 【技术领域】
本发明属于金属基自生梯度复合管材的制备技术领域，特别是金属基自生梯度复合管材的电磁分离连续制备方法及设备。
背景技术
颗粒增强金属基复合材料(PMMCs)具有高比强度、高比模量、低密度及良好的高温性能等优良的综合力学性能和使用性能，近年来在工业和科研领域都受到广泛的重视。在有些特殊场合，需要构件的两侧具备不同的性能或功能，又希望两侧结合良好，满足在恶劣、苛刻的工况条件下使用的要求。针对这种情况，日本科学家于1987年首次提出功能梯度复合材料的概念和设计思想，即根据具体要求采用先进的材料复合技术连续的改变两种具有不同性能的材料的组成和结构使其内部界面消失，从而得到功能相应于组成和结构的变化而缓变的非均质材料。
金属基自生梯度复合材料通过控制自生增强相在基体中沿深度方向的分布而制得，常用制备方法有：等离子喷涂法、自蔓延高温合成法(SHS)、离心铸造法和电磁分离等。
公开号为CN 1460568A地中国专利提出了电磁分离制备金属基自生梯度复合棒材和管材的方法，该专利公开了将合金浇注在铸型内，然后采用电磁分离法将增强相偏聚在材料表面，并在底部的水冷铜模的冷却作用下得到铝基自生梯度复合棒材和管材的方法；公开号为CN 1460569A的中国专利公开了一种制备金属基自生梯度复合棒材和管材的电磁分离装置，该装置由电磁发生系统和浇注系统两部分组成，其中浇注系统包括耐火材料铸型、设置于耐火材料铸型顶部的浇口杯和设置于耐火材料铸型底部的水冷铜模。上述两项专利技术均采用底部铜模冷却方式的模铸方式制备构件，因此在制备长径比大的构件时要求感应线圈长径比也比较大，这必然提高对电源设备的要求和增大功率的消耗，另外制备的管材在轴向组织均匀性较差。
【发明内容】
本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种金属基自生梯度复合管材的电磁分离连续制备方法及设备。它通过将经过预处理的合金液浇注在耐火材料分离器的环形分离模腔内，并在外部施加高频电磁场，由于合金液在导电性上的差异，自生相在电磁力的作用下向外壁运动；随着连铸过程牵引的进行，自生相呈梯度分布的合金液进入冷却室后凝固，从而连续得到自生增强相聚集在管材表层，并形成有一定厚度的梯度增强层复合管材。
本发明金属基自生梯度复合管材的电磁分离连续制备方法包括以下步骤：
a、在具有环形分离模腔的耐火材料分离器外周施加高频电磁场，使冷却水通过耐火材料分离器中空部的水冷铜质模芯循环；
b、将经过预处理的合金液连续浇注到所述耐火材料分离器的环形分离模腔内，自生相在高频电磁力的作用下向环形分离模腔外壁运动；牵引系统带动所述环形分离模腔下的底模下移，使自生相呈梯度分布的合金液连续流经所述环形分离模腔下部的环形冷却模腔冷却、凝固，富含自生增强相主要聚集在凝固形成的金属管材表层，并形成梯度增强层。
在耐火材料分离器外周设置感应线圈，高频电源通过所述感应线圈产生用于对合金液电磁分离的高频电磁场，高频电源输出频率为10-30KHz，功率为10-40KW。
金属基自生梯度复合管材的电磁分离连续制备设备，包括电磁发生系统和成型系统，所述电磁发生系统包括感应线圈和驱动感应线圈的高频电源，所述成型系统包括具有环形分离模腔的耐火材料分离器，在耐火材料分离器的中空部设置水冷铜质模芯，耐火材料分离器的外壁下端设置铜质冷却器，该铜质冷却器与水冷铜质模芯下段之间形成环形冷却模腔，所述环形冷却模腔和它上边的环所述形分离模腔同轴贯通，底模置于所述环形冷却模腔和所述环形分离模腔连接部，感应线圈设置于耐火材料分离器的外周。
本发明实现了金属基自生梯度复合管材的电磁分离连续铸造，得到自生增强相与基体界面无污染、沿径向梯度分布的金属基复合管材。由于采用电磁分离连续铸造工艺，管材长度不受分离模腔的长度的限制，制备长径比较大的管材时，不需增加分离模腔的长度，因而不需增加感应线圈的长度和高频电源的功率。在轴向方向上，熔体单元从进入分离室进行电磁分离到在冷却模腔内凝固成形，所经历的过程都是相同的，从而使制备的管材的轴向组织均匀性较好。
采用本发明工艺制备的金属基自生梯度复合管材，表层形成具有一定厚度的高硬度的梯度增强层，耐磨性高。
采用本发明制备复合管材具有生产效率高、生产成本低和管材尺寸限制少等优点，可制备圆形、三角形、矩形、多边形等异形空心管坯，在耐磨、耐蚀及石油化工等领域有广阔的应用前景。
【附图说明】
图1是本发明金属基自生梯度复合管材的电磁分离连续制备设备结构示意图；
图2是图1A-A剖视图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明进一步说明。
参照图1、2，本金属基自生梯度复合管材的电磁分离连续制备设备包括电磁发生系统和成型系统。电磁发生系统包括感应线圈(11)和驱动感应线圈的高频电源，感应线圈(11)设置在耐火材料分离器(3)外周，感应线圈连接到高频电源的输出端，高频电源通过所述感应线圈产生用于对合金液电磁分离的高频电磁场，高频电源输出频率为10-30KHz，功率为10-40KW。
成型系统包括耐火材料分离器(3)，耐火材料分离器的内壁、外壁之间为环形分离模腔，在耐火材料分离器的中空部设置水冷铜质模芯(4)，耐火材料分离器的外壁下端设置铜质冷却器(13)，该铜质冷却器(13)与水冷铜质模芯(4)下段之间形成环形冷却模腔，所述环形冷却模腔和它上边的所述环形分离模腔同轴贯通，底模(8)置于所述环形冷却模腔和所述环形分离模腔连接部，感应线圈(11)设置于耐火材料分离器的外周。图中(9)表示冷却水的流向，(6)为凝固坯壳，(10)为合金液。
上述耐火材料分离器(3)的外壁与铜质冷却器(13)的结合部可设置石墨过渡环(5)，耐火材料分离器(3)的内壁与水冷铜质模芯(4)下段的结合部也可设置石墨过渡环(12)，所述过渡环的材质可为三高石墨等。
上述冷却模腔外侧的铜质冷却器(13)上均匀分布若干等宽缝隙(15)，缝隙(15)宽度为0.2-0.8mm，缝隙内填塞耐火材料，每一个缝隙的平分面经过铜质冷却器的轴线，该开缝结构能减弱铜质冷却器对磁场的屏蔽作用。
水冷铜质模芯(4)是中空结构，中间纵向安装进水管(2)，进水管接至冷水源，进水管(2)与水冷铜质模芯(4)的内表面之间为循环冷却水的出水通道(1)，该出水通道接出水管将循环冷却水送出。
本发明耐火材料分离器(3)的环形分离模腔和它下边的环形冷却模腔同轴贯通，两者的结合部设置石墨过渡环(5、12)。该环形分离模腔和环形冷却模腔的径向截面均呈圆形环、或椭圆形环、或三角形环、或多边形环等等，可适合连续铸造圆形、椭圆形、三角形、多边形等各种金属基自生梯度复合管材。
牵引系统采用现有的各种牵引系统，如以下的牵引系统，该系统包括电机、变频器、主动轮(7)和从动轮(14)，主动轮与从动轮的轴线平行且所在平面与管材轴线垂直。牵引过程中调整主动轮和从动轮的轴间距，使主动轮和从动轮与底模(8)、管材之间的压力为2-4kg，电机带动主动轮旋转，在摩擦力的作用下带动底模(8)和管材向上或向下线性运动，转速通过变频器调节。
本发明将经过预处理的合金液注入耐火材料分离器的环行分离模腔中，通过电磁发生系统对该分离模腔内的合金液施加高频电磁场，由于合金液在导电性上的差异，自生相在电磁力的作用下向环行分离模腔外壁面运动；通过牵引系统使自生相呈梯度分布的合金液进入环行冷却模腔后凝固，从而连续得到自生增强相聚集在管材表层，并形成有一定厚度的梯度增强层复合管材。
具体制备过程如下：
a、在具有环形分离模腔的耐火材料分离器(3)外周设置感应线圈(11)，高频电源通过所述感应线圈产生用于对合金液电磁分离的高频电磁场，高频电源输出频率为10-30KHz，功率为10-40KW；将底模(8)设置在上述环形分离模腔与环形冷却模腔的连接处，打开冷却水循环系统使冷却水通过耐火材料分离器中空部的水冷铜质模芯(4)循环；
b、将经过预处理的合金液(10)连续浇注到所述耐火材料分离器的环形分离模腔内，由于合金液在导电性上的差异，自生相在高频电磁场电磁力的作用下向环形分离模腔外壁运动；牵引系统带动底模(8)下移，使自生相呈梯度分布的合金液连续流经所述环形分离模腔下部的环形冷却模腔冷却、凝固，含增强相较少的金属基体凝固得到强韧的金属基管材(6)，富含自生增强相主要聚集在凝固形成的金属管材表层，并形成梯度增强层。
其中，牵引系统移动速度为0.1-0.5m/min，冷却水的流量为20-200L/min。
可以通过改变高频电磁场的频率、功率来调节电磁力大小；调整冷却水流量和牵引系统的牵引速度控制合金液的冷却速度，获得自生增强相沿径向梯度分布的复合管材。
实施例1：
在环形分离模腔外侧施加频率为25KHz、功率为20kW的高频电磁场；将引锭的底模置于环形分离模腔与环形冷却模腔的连接处，打开冷却水循环系统使冷却水通过水冷铜质模芯循环，冷却水的流量为40L/min。
在坩埚炉内熔化Al-15wt％Mg2Si合金，浇注温度高于液相线温度50-70℃；将合金液连续浇注到耐火材料分离器的分离模腔内，合金液面距离分离模腔上端面40mm，允许误差±10％，在电高频电磁场磁力的作用下自生相向分离模腔外壁面运动；以0.1m/min的速度启动牵引系统，通过牵引系统使自生相呈梯度分布的合金液连续进入冷却模腔冷却、凝固，连续制得金属基自生梯度复合管材。在连铸过程中液面始终控制在误差范围之内，当铸造管坯达到要求长度时，停止浇注合金液，切断电源，关闭冷却系统和牵引系统。制备出的金属基自生梯度复合管材，具有高硬度的梯度增强层，中心共晶基体具有整体强韧性。
实施例二：
在环形分离模腔外侧施加频率为10KHz、功率为30kW的高频电磁场，将引锭底模置于环形分离模腔与环形冷却模腔的连接处，打开冷却水循环系统，冷却水的流量为60L/min。
在坩埚炉内熔化Al-20wt.％Si合金，浇注温度高于液相线温度90-120℃；将合金连续浇注到环形分离模腔内，合金液面距离分离模腔上端面40mm，允许误差±10％，可同时启动工频旋转电磁场和高频电磁场，在电磁力的作用下自生相向分离模腔外壁面运动；以0.2m/min的速度启动牵引系统，通过牵引系统使自生相呈梯度分布的合金液连续进入冷却模腔后凝固，连续制得金属基自生梯度复合管材。在连铸过程中液面始终控制在误差范围之内，当铸造管坯达到要求长度时，停止浇注合金液，切断电源，关闭冷却系统和牵引系统等。制备出的金属基自生梯度复合管材，具有高硬度的梯度增强层，中心共晶基体具有整体强韧性。
实施三：
在环形分离模腔外侧施加频率为15KHz、功率为25KW的高频电磁场，将引锭底模置于环形分离模腔与环形冷却模腔的连接处，打开冷却水循环系统，冷却水的流量为120L/min。
在坩埚炉内熔化Al-12wt.％Si合金，浇注温度高于液相线温度50-70℃；将合金液连续浇注到环形分离模腔内，合金液面距离分离模腔上端面40mm，允许误差±10％，在电磁力的作用下自生相向环形分离模腔外壁面运动；以0.45m/min的速度启动牵引系统，通过牵引系统使自生相呈梯度分布的合金液连续进入冷却模腔后凝固，连续制得金属基自生梯度复合管材。在连铸过程中液面始终控制在误差范围之内，当铸造管坯达到要求长度时，停止浇注合金液，切断电源，关闭冷却系统和牵引系统。制备出的金属基自生梯度复合管材，具有高硬度的梯度增强层，中心共晶基体具有整体强韧性。