合金與複合材料的固液混合鑄造方法
2023-09-12 20:16:45 1
專利名稱：合金與複合材料的固液混合鑄造方法
技術領域：
本發明涉及一種合金與複合材料的製備方法。
半固態加工方法和噴射沉積方法是目前很有應用前景的合金與複合材料的製備方法。半固態加工方法是70年代初美國的Flemings教授等人提出的，主要是在固液兩相區某一溫度通過對合金熔體進行機械或電磁攪拌，打碎枝晶組織，使熔體產生部分近球形的固相粒子，而後對這種具有優良流變性能的懸浮態熔體直接進行流變鑄造或冷凝成塊後再重熔至半固態區進行觸變成形的一種材料製備新工藝(《半固態鑄造》，陳嵩生等編譯，1978年國防工業出版社出版)，具有澆注溫度低，材料便於運送，易於組織生產，實現自動化等優點，鑄型及模具受熱條件得到顯著改善，顯著提高了鑄件的質量，但該工藝冷速仍較低，不能形成快速凝固組織。噴射沉積技術最早是由英國的Singer教授於七十年代提出的，其原理是通過對合金熔體進行氣體或離心霧化，使其產生固相、液相或半固態顆粒，同時沉積在基體上形成材料或直接熱加工的一種新工藝，被廣泛地用於製備各種合金及複合材料管坯、板坯、錠坯等，《兵器材料科學與工程》第17卷，第2期(1994年)介紹了該技術的設備和工藝過程，該技術兼有粉末冶金和快速凝固的特點，克服了鑄造冶金中的成分偏析的缺點，晶粒組織細小，坯件冷速較高，含氧量低，但該工藝過程較複雜，比較難於控制。半固態加工的合適範圍是固相比例為60～80％，噴射沉積的合適範圍是固相比例為50～70％。
本發明的目的是提供一種合金與複合材料的製備方法，用於製備高合金化，要求高冷速的合金系材料坯，以提高鑄造冷卻速度，增加形核率，細化組織，且產品具有良好的後續加工性能。
本發明是在過熱溫度為50～100度的合金熔體中加入同成分、近成分合金粉末或潤溼性好的異種合金粉末，粉末添加量與合金熔體的重量比為0.2～1∶1，粉末加入後迅速混合均勻。所得到的熔體可直接進行鑄造，或可將半固態熔體進行各種熱加工。直接鑄造的坯料也可冷凝後重新加熱到半固態區域，進行各種後續熱加工。合金熔體的過熱溫度越低，粉末與熔體的重量比越大，所得到的材料組織越細。大量粉末與熔體的均勻混合，可以通過以下方法來實現(1)在熔體中加入粉末，或在粉末中澆入熔體進行強力攪拌法；(2)在熔體中加入粉末並進行電磁強力攪拌法；(3)在粉末低密度壓塊中滲入熔體法；
(4)粉末、熔體的共噴射沉積法；(5)粉末、熔體同時澆注並混合法，如粉末熔體共離心鑄造法。
在熔體中加入具有不同相組織的粉末，可製備各種復相合金、復相鋼及其他類型的複合材料。加入熔點稍高的近成分合金粉末，可使鑄坯進行半固態重熔觸變成形時，便於獲得具有部分未熔顆粒的半固態組織。另外，如廢鑄鐵屑、廢金屬屑等通過簡易粉碎和還原處理後可用於固液混合鑄造，降低成本，減少原材料消耗。
與現有技術相比，本發明--固液混合鑄造方法具有以下特點(1)具有較快的冷卻速度，可以獲得快速凝固組織。由於加入的粉末與熔體成分相同或相近，具有極好的浸潤性能，通過攪拌或其它方法可使粉末迅速浸入熔體並實現宏觀均勻分布。粉末的加入在液相中產生大量形核核心，同時由於粉末的吸熱和少量融解使合金或複合材料產生急冷凝固，因此伴隨著粉末添加量的增加，合金組織明顯細化，獲得快速凝固的粉末冶金組織與鑄造組織的混合結構。
(2)工藝簡單，便於成形加工。可直接鑄造成大尺寸快速凝固組織錠坯；同時可在鑄造時直接進行各種熱加工，節約能源，且有利於粉末團的分散，使粉末與熔體獲得更好的浸潤結合，錠坯充分緻密化；由於粉末顆粒在熔體中的部分融解，固液混合鑄造錠坯冶金結合較好，具有良好的塑性加工性能，可進行各種後續壓力加工，以獲得更優異的綜合性能。
(3)半固態加工性能良好。本發明可形成具有優良流變性能的半固態組織，可直接流變鑄造成形，或在凝固後再切塊重熔至半固態區進行觸變成形。可減少或省去機加工，大大節約原材料，降低成本。由於有大量未被融解的粉末殘存其中，混合鑄造坯料在加熱到半熔融狀態進行觸變成形的過程中，粉末重新起著阻礙初晶析出、長大和抑制晶粒長大的作用，因而材料仍具有細小的顯微組織結構，同時具有良好的觸變成形性能。
(4)適合於製備各種合金與複合材料。近成分或潤溼性好的異種粉末的加入可製備復相合金、復相鋼或其他類型的複合材料。
圖1Al-20wt％Si過共晶粉末與Al-20wt％Si過共晶熔體混合顯微照片(混合比例1∶1，放大400倍，熔體過熱50度)；圖2Al-20wt％Si過共晶粉末與Al-11.7wt％Si共晶熔體混合顯微照片(混合比例1∶1，放大100倍，熔體過熱80度)；圖3Al-20wt％Si過共晶粉末與Al-7wt％Si亞共晶熔體混合顯微照片(混合比例1∶1，放大100倍，熔體過熱60度)。
實施例
1、採用Al-20wt％Si過共晶急冷粉末，粉末平均粒徑為30μm，加在過熱度為50度的Al-20wt％Si過共晶合金的熔體中，粉末添加量與合金熔體重量比為1∶1。粉末加入後將合金熔體冷卻，迅速攪拌均勻，攪拌均勻後直接進行鑄造。在直接鑄造的坯料中，經金相分析過共晶合金中析出的初晶矽在5μm以下，達到了快速冷凝的效果。對直接鑄造的坯料在半凝固狀態稍加鍛打後，孔隙度即明顯減少，粉末與熔體結合更好。將固液混合鑄造的坯料重新加熱到半熔融狀態，坯料仍然保持了細微的組織結構。
2、採用Al-20wt％Si過共晶急冷粉末，粉末平均粒徑為30μm，加在過熱度為80度的Al-11.7wt％Si共晶合金的熔體中，粉末添加量與合金熔體重量比為1∶1。粉末加入後將合金熔體冷卻，迅速均勻攪拌，攪拌均勻後直接進行鑄造。在直接鑄造的坯料中，經金相分析材料組織細小，達到了快速冷凝的效果，部分區域還形成超微細組織結構。對直接鑄造的坯料在半凝固狀態稍加鍛打後，孔隙度也明顯減少，粉末與熔體結合更好。將固液混合鑄造的坯料重新加熱到半熔融狀態，坯料仍然保持了細微的組織結構。
3、採用Al-20wt％Si過共晶急冷粉末，粉末平均粒徑為30μm，加在過熱度為60度的Al-7wt％Si亞共晶合金的熔體中，粉末添加量與合金熔體重量比為1∶1的比例。粉末加入後將合金熔體冷卻，迅速均勻攪拌後直接進行鑄造。在直接鑄造的坯料中，經金相分析亞共晶合金中結晶晶粒度可控制在10μm以下，達到了快速冷凝的效果，部分區域還形成超微細組織結構。直接鑄造的坯料在半凝固狀態稍加鍛打後，孔隙度明顯減少。將固液混合鑄造的坯料重新加熱到半熔融狀態，坯料仍然保持了細微的組織結構。
權利要求
1.一種合金與複合材料的固液混合鑄造方法，其特徵在於在過熱溫度為50～100度的合金熔體中加入同成分、近成分合金粉末或潤溼性好的異種合金粉末，粉末添加量與合金熔體的重量比為0.2～1∶1，粉末加入後迅速混合均勻。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於採用在熔體中加入粉末，或在粉末中澆入熔體進行強力攪拌法，以實現大量粉末與熔體的均勻混合。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於採用在熔體中加入粉末並進行電磁強力攪拌法，以實現大量粉末與熔體的均勻混合。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於採用在粉末低密度壓塊中滲入熔體法，以實現大量粉末與熔體的均勻混合。
5.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於採用粉末、熔體的共噴射沉積法，以實現大量粉末與熔體的均勻混合。
6.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於採用粉末、熔體同時澆注並混合法，如粉末熔體共離心鑄造法，以實現大量粉末與熔體的均勻混合。
7.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於在熔體中加入具有不同相組織的粉末，可製備各種復相合金、復相鋼及其他類型的複合材料。
全文摘要
一種合金與複合材料的固液混合鑄造方法,本發明是在合金的熔體中加入大量同成分、近成分合金粉末或潤溼性好的異種合金粉末,然後攪拌均勻。本發明具有較快的冷卻速度,可以獲得快速凝固組織,具有更細的顯微結構;工藝簡單,便於成形加工,可直接鑄造成大尺寸快速凝固組織錠坯;半固態加工性能良好,可減少或省去機加工,節約原材料,降低成本;適合於製備各種合金與複合材料,近成分或潤溼性好的異種粉末的加入可製備復相合金、復相鋼或其他類型的複合材料。
文檔編號B22D19/02GK1262334SQ0011322
公開日2000年8月9日 申請日期2000年1月13日 優先權日2000年1月13日
發明者陳振華, 嚴紅革, 康智濤, 袁武華, 傅定發, 陳剛 申請人:中南工業大學