金属基复合材料电流直加热动态烧结热压制备方法及装置制造方法及图纸

金属基复合材料的电流直加热动态烧结热压制备方法及装置，装置为电流直加热动态烧结热压炉，由电路控制系统、感应调压器、干式变压器、动态烧结热压炉和计算机数据采集系统构成。热压烧结模具由普碳钢外框、模具、陶瓷绝缘层构成，模具采用铁或高纯石墨制成，在模具内壁嵌有陶瓷绝缘层。采用电流直加热动态烧结热压炉制备金属基复合材料的烧结工艺中，压力５０～６０ＭＰａ，输入电压为５～２０Ｖ，烧结时间为５～２０分钟。采用本发明专利技术的装置及方法可实现利用低电压、大电流在短时间内对产品高温烧结的效果，所制备的金属基复合材料具有优良的性能，抗拉强度、硬度显著优于现有技术制备的产品。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及金属基复合材料的制造
，具体涉及金属基复合材料的电流直加热动态烧结热压制备方法和装置。
技术介绍
金属基复合材料(Metal-matrix composites，简称MMC)是复合材料的一类，它因具有高比强度、高比模量、高耐磨性等优异性能而引起人们的关注。MMC的制造工艺方法通常分为三类，即扩散法、沉积法和铸造法如表1所示。表1金属基复合材料的制法比较 对上述制备工艺的选择一般遵循以下原则(1)所选工艺方法对材料组元的损伤最小；(2)能使任何形式的增强材料均匀分布或按与设计要求规则排列；(3)使最终形成的复合材料在性能上达到充分发挥各组元的作用，即达到扬长避短，而且各单元组元仍保留着固有的特性。在制备方法的选择上还要考虑性能/价格比，在能达到复合材料使用要求的情况下，尽可能选择简便易行的工艺以降低制备成本。目前，对颗粒增强金属基复合材料来说，其常用制备方法为1铸造法铸造法具有工艺简单、成本低、易于制备大型复杂零件等优点。但是，由于一些金属材料，如钢铁材料的熔点较高、铁和一些增强体在液相中反应活性大、润湿性差、以及钢铁的密度与增强体的密度相差较大的原因，要获得增强体分布均匀结合强度高的钢铁基复合材料并非易事。通常采用对热稳定性高的增强体进行预处理，再通过各种手段将其引入到金属熔体中。(1)搅拌铸造法该工艺是向金属熔体喷射颗粒或在搅拌熔体的同时加入颗粒的方法，为使增强相质点在钢中均匀、细小弥散分布，则必须尽可能减小两者之间的界面张力。增强体表面包覆一层易润湿的过度层，或在基体中加入一些活性元素的方法，可以改善他们之间的结合。这种工艺简单，但不易控制增强体的含量，颗粒偏聚的问题也未能彻底解决。(2)熔体浸渗法该工艺是将增强体制成预制坯，再利用压力使合金熔体进入坯料中，随后可采用稀释的方法降低增强体的体积分数，随后凝固即形成复合材料。熔体浸渗工艺是制造大体积分数复合材料的较好方法，但界面反应使增强体容易受损，另外制造设备也较为复杂。2XDTM法XDTM(Exothermic dispersion)是原位合成法的一种。是将生成增强体的两种粉末(如TiC中Ti和C)和基体粉末均匀混合，再加热到高于基体熔点的高温下处理，生成增强体的两种粉末在高温下发生反应，从而在基体溶体中形成细小弥散的增强体，然后再经铸造、挤压、热轧等成型工艺制成产品。由于增强体也是原位合成的，基体与增强体的界面干净、润湿性好、结合牢固、增强体细小弥散，从而有助于提高复合材料的性能。如在Fe-Cr-Ni耐热钢的溶体中，按比例加入Ti粉和石墨粉，保温一段时间后，浇入石墨模中，可以制得在基体上均匀分布TiC颗粒的复合材料。3粉末冶金法粉末冶金法是最早开发用于制备金属基颗粒复合材料的工艺，与熔铸法相比，由于在金属基体的熔点的温度下进行烧结，界面反应大大减弱，增强体的粒度和体积比可以大范围调整，增强体的选择余地较大，烧结后可经过进一步的挤锻或热等静压处理提高致密度和复合材料性能。该方法是发展前景较好的方法。在粉末冶金工艺中，先将增强体和基体粉末混合均匀，经压制、烧结及后续处理等工序制成产品。为提高混合粉末的压制性和烧结收缩率，提高烧结坯的致密性，可以在合金中添加较多的液相烧结组元，如Cu3P等，其它工序和普通工序一样。常用的增强体有SiC、TiC、TiB、TiB2等。结果表明，这种复合材料的室温和高温强度及硬度和耐磨性均有明显的提高。4机械合金化法此法是一种特殊的粉末冶金法。它采用高能球磨技术制造特殊的混合粉末，经高能球磨后，混合粉末可以细化到纳米级粒度，其表面活性极大。然后再经普通压制和烧结等工艺制成产品。由于增强体是在球磨过程中或在随后的烧结工序中原位合成的，故它与基体的界面结合强度显著提高。该工艺可明显改善复合效果，有较大的应用前景。当然还有许多工艺和理论问题尚待研究。
技术实现思路
针对现有金属基复合材料制备方法的不足之处，本专利技术提供一种金属基复合材料的电流直加热动态烧结热压制备方法及装置。本专利技术的方法是在现有粉末冶金工艺的基础上，改进烧结工艺，即改变其电阻加热或模具通电加热的模式。在产品制备过程中，通过模具的设计，使电流完全通过产品，而不是同时通过模具和产品，从而实现材料在外加低电压时，即可获得大电流，通过大电流引起的材料电致塑性和材料自身电阻发热，在较短时间内实现材料烧结。由于金属基复合材料在初始粉末状态下电阻较大，随产品烧结致密电阻急剧减小，这样在外加电压一定的条件下，整个工艺过程中电流密度值是不断变化的，因此可视其为一个动态烧结热压过程。同时此过程也避免了以往粉末冶金热压烧结工艺中通过红外测温引起温度测量不准确的问题，在本工艺中利用烧结过程中电流形状特征与被烧结材料加热温度的关系，通过控制电流的形状特征完成烧结过程。利用电流直加热动态烧结热轧工艺可实现利用低电压、大电流在短时间内对产品高温烧结的效果，大大缩短粉末烧结时间，提高生产效率，节约能源。采用本专利技术方法制备金属基复合材料工艺步骤如下(1)将金属或合金粉末和陶瓷粉末按按一定体积比混合均匀，并加入少量润滑剂(如化学纯硬脂酸锌)，一般陶瓷粉末颗粒应在5μm～50μm之间，金属粉末颗粒小于10μm；(2)冷压制坯，采用与热压烧结模具规格相同的模具，一般压力选在150～800MPa之间；(3)将制成的坯料放入热压烧结模具中，通电并施加50～60MPa的压力进行烧结，对具体金属粉末和陶瓷粉末可通过外加电压的调整，使烧结过程遵循经实验确定的合适的电流曲线的变化，一般10～20分钟即可烧结出产品。如果控制得当，有望在5～10分钟内甚至更短时间内完成产品烧结。本专利技术改进了烧结工艺，即上述步骤(3)。为实现上述烧结工艺，本专利技术采用的装置为电流直加热动态烧结热压炉，如图1所示，电流直加热动态烧结热压炉由五部分构成电路控制系统、感应调压器、干式变压器、动态烧结热压炉和计算机数据采集系统。由电路控制系统、感应调压器和干式变压器提供给动态烧结热压炉需要的电流，计算机数据采集系统采集动态烧结热压炉的工作数据，实现对烧结工艺的监控。电路控制系统的功能是使工作电流成周期性变化。工作周期包括延时间歇期和延时加热期两部分，延时间歇期由中间继电器KT1控制，延时加热期由中间继电器KT2控制。其控制电路图如图2所示。其工作过程为1.开始通电时，常开铵钮SB2合上，中间继电器KA1输出信号使中间继电器KA1开关闭合。2.时间继电器KT1工作，输出信号使时间继电器KT1断电延时常开触头闭合，时间继电器KT2和交流接触器KM开始工作；交流接触器KM工作则形成回路，电压施加到感应调压器上，动态烧结热压炉中有电流通过，交流接触器KM也可用来改变电源相序。3.时间继电器KT2开始工作，时间继电器KT2断电延时常开触头闭合，中间继电器KA2开始工作，中间继电器KA2常闭触头断开，时间继电器KT1断开，时间继电器KT1断电延时常开触头经设定时间断开，交流接触器KM停止工作，动态烧结热压炉中无电流通过。同时，时间继电器KT2断开，驱动时间继电器KT2断电延时常开触头在设定时间后恢复常开状态，中间继电器KA2断开，中间继电器KA2常闭触头闭合。4.中间继电器KA2常闭触头恢复常闭状态，时间继电器KT1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属基复合材料电流直加热动态烧结热压制备装置，包括电路控制系统、感应调压器、干式变压器、动态烧结热压炉和计算机数据采集系统，其特征在于：电路控制系统的输出端与感应调压器的输入端连接，干式变压器的输入端与感应调压器的输出端连接，输出端与动态烧结热压炉的电流输入端连接，计算机数据采集系统由计算机和模数转换模块组成，计算机通过数据转换模块与动态烧结热压炉的数据采集端口连接，动态烧结热压炉由液压机和热压烧结模具构成，热压烧结模具由普碳钢外框、模具、陶瓷绝缘层构成，在普碳钢外框内设置模具，模具采用铁或高纯石墨制成，在模具内壁嵌有陶瓷绝缘层。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王刚，宗亚平，杨玉芳，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：89[中国|沈阳]