[发明专利]一种表面增强梯度复合材料铸造设备和方法

说明书

本发明涉及一种表面增强梯度复合材料铸造设备和方法，属于金属基梯度复合材料制备领域。该铸造设备由熔炼坩埚、电磁感应线圈、电磁分离流道、辅助电磁分离芯棒、冷却装置和牵引机构组成。本发明设备结构简单、操作维修方便、生产效率高、适用范围广，能够批量工业化连续生产表面增强梯度复合材料，增强相在铸坯表层均匀分布、在过渡层逐渐减少、在内部基材区无增强相，该材料表面硬度高、耐腐蚀和耐高温，内部具有优良的导电、导热和强度高、韧性好等特性，增强相与基体匹配度高，本发明的制备方法工艺流程短、生产效率高、材料结构/性能可控制性强。

技术领域

本发明属于金属基梯度复合材料制备领域，具体涉及一种表面增强梯度复合材料铸造设备和方法。

技术背景

在先进耐磨材料领域，陶瓷/金属基表面增强梯度复合材料通过对金属材料表面进行复合化，获得表层具有耐磨功能的陶瓷/金属复合层，且陶瓷增强相体积分数从表面复合层向金属基体内部缓慢过渡，以连续变化的组分梯度来代替突变界面。因此，相较于“均质复合材料”或“非连续复合材料”，制备陶瓷/金属基表面增强梯度复合材料将充分发挥陶瓷良好的耐磨、耐高温和金属导电、导热和韧性好的特点，解决金属和陶瓷之间热膨胀系数不匹配的问题。

陶瓷/金属基表面增强梯度复合材料的制备方法主要分为两种：第一种是在材料制备初期精确地形成组元逐层梯度分布；第二种类型是利用原子的扩散、流体的流动或热传导等自然传输现象在材料局部的显微结构中形成梯度分布。上述制备方法普遍存在制备工艺复杂、效率低、成本高、材料性能不稳定等问题。电磁分离法是一种新型金属基功能梯度复合材料制备方法，具有制备工艺简单、成本低等优点。其基本原理是基于金属熔体与增强相导电性的差异，利用高频磁场产生的电磁力控制增强相在熔体中的迁移和分布来实现金属基功能梯度复合材料的制备。现有制备工艺主要为模壳法，由于增强相的形成、迁移及复合材料的凝固过程均在同一个模壳内同时进行，增强相的梯度分布较难控制且制备过程不连续、效率较低，只适合单件生产；此外，由于交变磁场在金属熔体中的集肤效应，在利用交变磁场进行大尺寸表面增强梯度复合材料制备时，只有熔体集肤层深度内的增强相受到电磁力作用而向表面迁移，集肤层外增强相因不受电磁力作用而均匀分布于熔体中，最终无法获得表面增强梯度复合材料。

因此，开发一种增强相分离效率高、在表层一定厚度内均匀分布且向内部缓慢过渡，工艺连续流程短、高效的表面增强梯度复合材料铸造设备及制备新方法，具有十分重要的意义。

发明内容

本发明将电磁分离原理与连铸成形原理相结合，结合辅助电磁分离结构构成一种电磁分离表面增强梯度复合材料连铸技术。通过在传统连铸设备控制凝固的装置前端设计电磁分离流道，将增强相形成及迁移过程与梯度复合材料凝固过程分离，为了克服交变磁场的集肤效应并提高电磁分离效率，在电磁分离流道内设置辅助电磁分离芯棒结构，调节辅助电磁分离芯棒与电磁分离流道间缝隙消除集肤效应。金属熔体从电磁分离流道与辅助电磁分离芯棒间缝隙通过时，利用高频磁场对金属熔体的加热作用对金属熔体温度进行控制，实现增强相尺寸、形貌控制；利用交变磁场作用下增强相所受电磁力对增强相在熔体中分布进行调控，最终在电磁分离流道出口得到增强相只在熔体表层一定厚度集中分布的不均匀分布熔体，随后在电磁分离流道下部铸型及冷却装置的冷却作用下凝固成形，得到表面增强梯度复合材料。

本发明的目的在于提供一种表面增强梯度复合材料铸造设备及方法，解决传统电磁分离法存在的增强相分离效率低、增强相在表层分布难控制，制备流程长、过程不连续以及效率较低等缺点。

根据本发明的第一方面，提供一种表面增强梯度复合材料铸造设备，其特征在于，所述铸造设备由熔炼坩埚、电磁感应线圈、电磁分离流道、辅助电磁分离芯棒、铸型、冷却装置和牵引机构组成，

所述熔炼坩埚用于熔化被铸金属形成金属熔体，并对金属熔体的温度进行控制；