专利名称：制备碳化硅颗粒增强铝基复合材料的真空双搅拌装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种搅拌装置，尤其是一种制备碳化硅颗粒增强铝基复合材料过程中，在真空环境下对复合材料熔体进行复合机械搅拌的内外双搅拌设备。
背景技术：
在众多碳化硅增强铝基复合材料的制备方法中，搅拌铸造法具有工艺简单、设备投入少、技术经济效果好、易于实现产业化生产的特点。所谓机械搅拌铸造法，是指向液态或处于双相区的熔体中加入碳化硅颗粒，通过机械搅拌金属液与碳化硅的混合物，使碳化硅颗粒进入并均匀地分布在金属液中，然后浇铸成复合材料铸锭。文献《颗粒增强型铝基复合材料搅熔工艺研究》及《SiCp/Al复合材料的制备方法及研究方向》中报道了液态搅拌铸造法制备碳化硅颗粒增强铝基复合材料的设备，其搅拌装置均采用无级变速电机带动搅拌器旋转形成涡流，涡流产生的负压将颗粒带入熔体内，并通过搅拌器叶片的高速旋转将团聚的颗粒分散开来；在双相区的熔体中，旋转的叶片还可将基体合金熔液中的部分固态枝晶打碎，加大增强颗粒与枝晶间摩擦、碰撞的机会，从而获得颗粒分布均匀、晶粒细小的复合材料。这种形式的搅拌装置存在三点局限性。首先，搅拌器叶片为垂直转轴平行纵排式或螺旋桨式，平行纵排形式的叶片仅产生较强的径向搅拌力，颗粒进入熔体的动力完全依靠涡流产生的负压，要使颗粒顺利进入熔体，必须提高搅拌器的转速，过高的搅拌速度会导致液面上的碳化硅颗粒飞扬太大，易被真空系统抽走，导致复合材料中碳化硅颗粒含量不准确，而且搅拌速度过高，熔体容易飞溅、裹气，影响复合材料的致密度；螺旋桨式叶片虽然具有轴向搅拌力，但搅拌力较弱，若要获得好的搅拌效果，需要更高的搅拌速度，过高的搅拌速度同样会使熔体表面产生较大波动与翻滚，熔体表面的浮渣、氧化物容易被卷入熔体，形成夹渣、气孔等缺陷。其次，搅拌装置采用单轴单向旋转方式，增强颗粒在涡流作用下，部分进入熔体，还有部分增强颗粒在离心力的作用下，逐渐堆积在坩埚壁上，无法进入熔体，大大降低了复合材料中碳化硅含量的控制准确性，而且采用高速旋转的单轴单向搅拌方式，由于强制搅拌和惯性作用，使熔体中团聚的增强颗粒团与熔体的旋转速度差小，破碎颗粒团的效率低。最后，由于碳化硅颗粒增强铝基复合材料粘度大，搅拌过程卷入的气体以及碳化硅颗粒表面附着的气体在熔体内所形成的气泡，特别是熔体底部的气泡受涡流负压作用难以上升、浮出熔体表面，导致复合材料中存在较多的气孔。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术的缺陷，提供一种真空条件下制备碳化硅颗粒增强铝基复合材料的内外双搅拌装置。
本发明的技术方案本发明提供的在真空条件下制备碳化硅颗粒增强铝基复合材料的双搅拌装置包括内搅拌器、外搅拌器、联轴器、变频电机、变频器、轴承、轴承座、观察孔、支撑架、支撑台、密封圈。支撑台设有一斜通孔，观察孔的主体穿过斜通孔，并焊接在支撑台上；外搅拌器的中部通过圆锥滚子轴承及轴承座安装在支撑台上，外搅拌器的上端由圆锥滚子轴承和固定在支撑架上的轴承套定位，外搅拌器空心轴上的皮带轮通过三角带与变频电机的皮带轮联结；内搅拌器的内搅拌转轴穿过外搅拌器空心轴的空腔，由安装在外搅拌器空心轴内的台阶上的向心球轴承支承，并由固定在支撑架上的轴承套内的向心球轴承定位，内搅拌转轴与内搅拌联轴器采用键联结，内搅拌联轴器与变频电机的联轴器用螺栓联结；两个变频电机分别由各自的变频器驱动，控制外搅拌器和内搅拌器的转向和转速，通过外搅拌器的搅拌杆和内搅拌器的螺旋叶片及搅拌翅进行搅拌。
本发明相比现有技术的有益效果1.内搅拌杆的螺旋叶片和搅拌翅同时提供轴向和径向搅拌作用力。在真空条件下，内搅拌杆的高温慢速正向搅拌，保证了熔体表面的平稳性，并在熔体心部产生旋涡形成负压，将碳化硅颗粒卷入熔体中；在双相区的高速正向搅拌中，避免了强烈搅拌造成的溶体飞扬和气体卷入，具有强烈的破碎碳化硅颗粒团并使增强颗粒在熔体内均匀分散的作用；内搅拌器的低速反向搅拌可将底部熔体输送到熔体表面，增强复合力度，同时可将熔体内的气泡带出，此外内搅拌器的反向搅拌还可减少熔体对气泡逸出的静压力。
2.外搅拌器的搅拌杆正向低速搅拌可刮除被涡流排斥而堆积在坩埚壁上的增强颗粒，将其推入涡流中心，减小了增强颗粒的损失，此外，外搅拌器的搅拌杆反向低速搅拌还可破碎浮在熔体表面的气泡和结壳层，在内搅拌杆慢速反方向高温搅拌和真空条件的配合下，使熔体中的气泡逸出熔体，减少复合材料中的气体。
3.该搅拌装置可使内外搅拌器同时运转，实现同向、反向变速旋转，在合适的内外搅拌速度、方向和搅拌温度配合下，大大增强了增强颗粒的卷入和均匀分散效率和效果，以及熔体脱气效果，此外由于高温下采用低速搅拌，减少了高温熔体对搅拌器的冲涮和腐蚀，降低了复合材料的杂质含量。
4.该装置密封性好，可在真空环境中或惰性气体保护下进行液态搅拌复合，减少氧化机会，利于获得优良的综合机械性能。
图1 真空双搅拌装置结构示意图。
图2 外搅拌器结构示意图。
图3 外搅拌器结构俯视图。
图4 外搅拌转轴结构示意图。
图5 内搅拌器结构示意图。
图6 内搅拌转轴结构示意图。
图7 观察孔结构示意图。
图中1内搅拌组件、2坩埚、3炉体、4外搅拌组件、5内搅拌转轴、6向心球轴承、7炉体盖板、8支撑台、9锁紧栓、10轴承座、11皮带轮、12空心轴、13变频电机、14端盖、15支撑架、16密封座、17变频器、18变频电机、19变频器、20电机联轴器、21内搅拌联轴器、22端盖、23观察孔、24弹簧密封圈、25向心球轴承、26轴承套、27圆锥滚子轴承、28橡胶密封圈、29橡胶密封圈、30石棉圈、31三角带、32端盖、33圆锥滚子轴承、34弹簧密封圈、35长方形槽、36外搅拌杆悬挂架、37螺纹通孔、38外搅拌杆、39螺纹孔、40台阶、41密封槽、42螺纹孔、43轴承座、44皮带轮、45轴肩、46内搅拌杆、47螺旋叶片、48搅拌翅、49螺纹孔、50轴肩、51轴肩、52键槽、53观察孔主体、54橡胶垫圈、55玻璃片具体实施方式
以附图为实施方式，对本发明作进一步说明制备碳化硅颗粒增强铝基复合材料的真空双搅拌装置，它包括搅拌器、联轴器、变频电机、变频器、轴承、轴承座、观察孔、支撑架、支撑台、密封圈，搅拌器与变频电机的联轴器联结，由变频器驱动变频电机带动搅拌器旋转。
所述的搅拌器包括外搅拌器和内搅拌器。
外搅拌器的中部通过圆锥滚子轴承33及轴承座10安装在支撑台8上，外搅拌器的上端由圆锥滚子轴承27和固定在支撑架15上的轴承套26定位，外搅拌器空心轴12上的皮带轮44通过三角带31与变频电机13的皮带轮11联结。
内搅拌器的内搅拌转轴5穿过外搅拌器空心轴12的空腔，由安装在外搅拌器空心轴12内的台阶40上的向心球轴承6支承，并由固定在支撑架15上的轴承套26内的向心球轴承25定位，内搅拌转轴5与内搅拌联轴器21键联接，内搅拌联轴器21与变频电机18的电机联轴器20用螺栓联结。
变频电机13、18用螺栓固定在支撑架15上，支撑架15用螺栓固定在支撑台8上。变频电机13、18分别由变频器17、19驱动，控制外搅拌器和内搅拌器的转向和转速，通过外搅拌器的外搅拌杆38和内搅拌器的搅拌翅48及螺旋叶片47进行搅拌。
外搅拌器由外搅拌组件4和空心轴12组成，空心轴12与外搅拌组件4采用螺钉联结，并穿过轴承座10内的圆锥滚子轴承33，以三角带31与变频电机13的皮带轮11联结。轴承座10内的弹簧密封圈34完成空心轴12与支撑台8之间，以及空心轴12与轴承座10之间的密封。空心轴12上端的轴承座43与轴承套26间用圆锥滚子轴承27联结，用端盖14固定。圆锥滚子轴承33用端盖32压在轴承座10内，端盖32与轴承座10间采用螺钉联结。
内搅拌器由内搅拌组件1和内搅拌转轴5组成，内搅拌组件1与内搅拌转轴5用螺纹联结，橡胶密封圈28和弹簧密封圈24完成内搅拌转轴5与空心轴12之间，以及内搅拌转轴5与密封座16之间的密封，端盖22用于压紧弹簧密封圈24。
观察孔23由观察孔主体53、橡胶垫圈54和玻璃片55组成，观察孔23焊接在支撑台8上的斜通孔上，倾斜角度应保证观察到坩埚2内的熔体液面。观察孔23用于向坩埚内加入碳化硅颗粒和搅拌过程中观察熔体表面状态。
外搅拌组件4由外搅拌杆悬挂架36和两根“Z”形的外搅拌杆38组成，外搅拌杆悬挂架36下部有螺纹通孔37，上部设有长方形孔35，外搅拌杆38一端为螺纹，用两个螺母固定在外搅拌杆悬挂架36的长方形孔35上，外搅拌组件4通过外搅拌杆悬挂架36下部的螺纹通孔37，用螺钉与空心轴12固定。
空心轴12的内腔设有台阶40和密封槽41，其下端设有螺纹孔39，中部设有三角带轮44，上部为轴承座43，轴承座端面上设有螺纹孔42。
内搅拌组件1由内搅拌杆46、螺旋叶片47、搅拌翅48焊接而成，内搅拌杆46一端为螺纹，与内搅拌转轴5底端的螺纹孔49配合，搅拌翅48与内搅拌杆46垂直，并焊接在螺旋叶片47边缘，从螺旋叶片47底部沿螺旋向上，每270度角一根。
内搅拌转轴5一端设有螺纹孔49，另一端设有键槽52，与内搅拌联轴器21键联结，转轴中部设有两处轴肩50、51，轴肩50压在向心球轴承6上，以支承内搅拌转轴5，轴肩51与橡胶密封圈28配合起到密封作用。
制备碳化硅颗粒增强铝基复合材料时，将铝锭放入坩埚2内，在真空环境中使其完全熔化，经过扒渣除杂后，将真空双搅拌装置压在炉体盖板7上，使内搅拌组件1的搅拌翅48完全进入熔体内，调节外搅拌杆38上的螺母，使外搅拌杆38进入熔体适当长度，并尽量贴近坩埚壁，支撑台8与炉体盖板7间设有隔热石棉圈30和橡胶密封圈29，并通过锁紧栓9将支撑台8与炉体3锁紧。取下观察孔23内的玻璃片55，通过观察孔主体53将碳化硅颗粒加入到熔体表面后，将玻璃片55压在橡胶垫圈54上，启动真空系统将坩埚内腔抽真空，操纵变频器17、19驱动变频电机13、18控制内外搅拌器的转速和转向对熔体进行复合搅拌，首先使内外搅拌杆正向慢速搅拌，保持较平稳的熔体表面，碳化硅颗粒由旋涡作用力带入熔体，并通过外搅拌器不断将堆积在坩埚壁上的碳化硅颗粒推入涡流中心，使碳化硅颗粒很快卷入熔体，完成向熔体加入碳化硅过程；随后停止外搅拌，降温使熔体处于双相区，进行高速强力内搅拌，使熔体中同时具有轴向和径向搅拌力，高效率地将团聚的碳化硅颗粒团破碎并均匀地分布于熔体中，完成碳化硅与熔体的混匀过程；最后升温并进行反方向慢速内搅拌，不断将底部的熔体输送到熔体表面，通过正方向慢速外搅拌将熔体表面结壳层破碎，使熔体中的起泡在真空作用下逸出熔体，完成脱气过程。当材料复合完成后，卸去真空，打开锁紧栓9，将真空双搅拌装置移出，即可将复合材料浇注成锭。
权利要求
1.一种制备碳化硅颗粒增强铝基复合材料的真空双搅拌装置，它包括搅拌器、联轴器、变频电机、变频器、轴承、轴承座、观察孔、支撑架、支撑台、密封圈，搅拌器与变频电机的联轴器联结，由变频器驱动变频电机带动搅拌器旋转，其特征在于所述的搅拌器包括外搅拌器和内搅拌器；外搅拌器的中部通过圆锥滚子轴承(33)及轴承座(10)安装在支撑台(8)上，外搅拌器的上端由圆锥滚子轴承(27)和固定在支撑架(15)上的轴承套(26)定位，外搅拌器空心轴(12)上的皮带轮(44)通过三角带(31)与变频电机(13)的皮带轮(11)联结；内搅拌器的内搅拌转轴(5)穿过外搅拌器空心轴(12)的空腔，由安装在外搅拌器空心轴(12)内的台阶(40)上的向心球轴承(6)支承，并由固定在支撑架(15)上的轴承套(26)内的向心球轴承(25)定位，内搅拌转轴(5)与内搅拌联轴器(21)键联接；变频电机(13、18)分别由变频器(17、19)驱动，控制外搅拌器和内搅拌器的转向和转速，通过外搅拌器的外搅拌杆(38)和内搅拌器的搅拌翅(48)及螺旋叶片(47)进行搅拌。
2.根据权利要求1所述的制备碳化硅颗粒增强铝基复合材料的真空双搅拌装置，其特征在于外搅拌器由外搅拌组件(4)和空心轴(12)组成，外搅拌组件(4)与空心轴(12)用螺钉联结，轴承座(10)内的弹簧密封圈(34)完成空心轴(12)与支撑台(8)之间，以及空心轴(12)与轴承座(10)之间的密封。内搅拌器由内搅拌组件(1)和内搅拌转轴(5)组成，内搅拌组件(1)与内搅拌转轴(5)用螺纹联结，橡胶密封圈(28)和弹簧密封圈(24)完成内搅拌转轴(5)与空心轴(12)之间，以及内搅拌转轴(5)与密封座(16)之间的密封。
3.根据权利要求1所述的制备碳化硅颗粒增强铝基复合材料的真空双搅拌装置，其特征在于观察孔(23)由观察孔主体(53)、橡胶垫圈(54)和玻璃片(55)组成，观察孔(23)焊接在支撑台(8)上的倾斜角度应保证观察到坩埚(2)内的熔体液面。
4.根据权利要求2所述的制备碳化硅颗粒增强铝基复合材料的真空双搅拌装置，其特征在于外搅拌组件(4)由外搅拌杆悬挂架(36)和两根“Z”形的外搅拌杆(38)组成，外搅拌杆悬挂架(36)下部有螺纹通孔(37)，上部设有长方形孔(35)，外搅拌杆(38)一端为螺纹，用两个螺母固定在外搅拌杆悬挂架(36)的长方形孔(35)上，外搅拌组件(4)通过外搅拌杆悬挂架(36)下部的螺纹通孔(37)，用螺钉与空心轴(12)固定。
5.根据权利要求2所述的制备碳化硅颗粒增强铝基复合材料的真空双搅拌装置，其特征在于空心轴(12)的内腔设有台阶(40)和密封槽(41)，其下端设有螺纹孔(39)，中部设有三角带轮(44)，上部为轴承座(43)，轴承座端面上设有螺纹孔(42)。
6.根据权利要求2所述的制备碳化硅颗粒增强铝基复合材料的真空双搅拌装置，其特征在于内搅拌组件(1)由内搅拌杆(46)、螺旋叶片(47)、搅拌翅(48)焊接而成，内搅拌杆(46)一端为螺纹，与内搅拌转轴(5)底端的螺纹孔(49)配合，搅拌翅(48)与内搅拌杆(46)垂直，并焊接在螺旋叶片(47)边缘，从螺旋叶片(47)底部沿螺旋向上，每270度角一根。
7.根据权利要求2所述的制备碳化硅颗粒增强铝基复合材料的真空双搅拌装置，其特征在于内搅拌转轴(5)一端设有螺纹孔(49)，另一端设有键槽(52)，与内搅拌联轴器(21)键联结，转轴中部设有两处轴肩(50、51)，轴肩(50)压在向心球轴承(6)上，以支承内搅拌转轴(5)，轴肩(51)与橡胶密封圈(28)配合起到密封作用。
全文摘要
一种制备碳化硅颗粒增强铝基复合材料的真空双搅拌装置，该装置包括内搅拌器、外搅拌器、联轴器、变频电机、变频器、轴承、轴承座、轴承套、观察孔、支撑架、支撑台、密封圈。外搅拌器通过圆锥滚子轴承(33)及轴承座(10)安装定位在支撑台(8)上，通过三角带(31)与变频电机(13)联结；内搅拌器穿过空心轴(12)，由空心轴内和支撑架(15)上的向心球轴承(6、25)支承定位，通过联轴器(21)与变频电机(18)联结；变频电机由变频器驱动，控制内、外搅拌器的转向和转速。本发明实现了对熔体的内外复合搅拌，大大增强了颗粒的卷入效率、分散均匀性和脱气能力，降低增强颗粒的损失和材料内部缺陷。
文档编号B01F7/16GK1673400SQ200510011160
公开日2005年9月28日 申请日期2005年1月13日 优先权日2005年1月13日
发明者韩建民, 沙镇嵩, 李卫京, 陈怀君, 李荣华, 崔世海, 徐向阳, 刘元富, 王金华 申请人:北京交通大学