鑄造金屬基複合材料的製造方法
2023-05-28 00:32:26 1
專利名稱：鑄造金屬基複合材料的製造方法
技術領域：
本發明涉及金屬基複合材料領域，具體地說就是提供了一種鑄造金屬基複合材料的製造方法。
金屬基複合材料因其性能較基體合金有很大提高，近些年來受到普遍重視，製造金屬基複合材料的方法目前大至可分兩類，一種為粉末冶金的方法，即將金屬或合金粉末與陶瓷粉末均勻混合，壓型、澆注，此種方法因原料特別是金屬粉末價格的昂貴，及製造工藝複雜、成本較高，同時由於原料粉顆粒表面的氧化皮，會導致金屬基複合材料韌性的降低。另一種方法即為鑄造法，為實現陶瓷顆粒與金屬的複合通常採用機械攪拌的方式，由於陶瓷顆粒在金屬液中的潤溼性極差，複合的效果很不理想，於是人們在如何改進陶瓷顆粒潤溼性方面做了大量工作，包括在半固態情況下進行攪拌混合及預先對陶瓷顆粒進行處理等，但改進的效果並不明顯，最新材料報導，複合的最小顆粒直徑為10μm。況且為避免金屬液的氧化，整個攪拌過程需在高溫真空或保護性氣氛下進行，設備要求複雜，不適合工業化生產。
本發明的目的在於提供一種鑄造金屬基複合材料的方法，既能改善金屬與陶瓷材料的複合，又能使設備要求簡單，工藝易於實現。從而開發出適合於工業化大生產的金屬基複合材料。
本發明提供的方法所製造的金屬基複合材料中，金屬材料可以是鋁、鎂、鉛、鋅、銅等或這些金屬的合金，增強組元可以是各種陶瓷顆粒如SiC，Si3N4，Al2O3，B4C，BN等。本發明的具體工藝過程如下
陶瓷顆粒預熱陶瓷顆粒預熱→壓力浸滲→快速冷卻成錠↓金屬材料熔化 澆鑄←重熔分散陶瓷顆粒預熱溼度如果很高，則要在保護性氣氛下進行，以避免顆粒表面吸附過多的氧，溫度一般選擇在金屬材料熔點以上。為保證流動性，液態金屬材料在澆鑄前應達到熔點以上50℃～150℃，壓力浸滲使金屬與顆粒複合的過程，可以用氣壓也可以用機械壓力的辦法來實現，壓力一般大於20MPa。複合後再快速冷卻凝固，以防止可能發生的有害的金屬與增強組元之間的化學反應，複合後的材料再重新升溫至金屬熔化，利用機械攪拌，機械振動，電磁攪拌，超聲振蕩或其它方法，將增強組元在金屬液體中均勻分散，得到成分分布均勻的金屬基複合材料，可以直接鑄造成各種複合材料零件，也可鑄成鑄錠，以便以後進行熔化和鑄造。金屬基複合材料的合金成分及其含量以及增強組元的體積分散可以在壓浸複合前確定，也可以在重熔分散或鑄錠重熔時，加入金屬或合金再行調整。本發明由於採用了壓力浸滲的複合方式，複合顆粒的最小尺寸可以達到5μm。工藝簡單明了，用一般設備即可實現，適合工業化生產的需要，下面詳述實施例。
實施例1利用工業純鋁(鋁含量大於99.7%)和工業矽配製成含7wt%Si的Al-Si合金。增強組元為工業SiC粉末，平均粒度10μm。利用45噸的液壓機進行壓力浸滲，壓力為20MPa，使用的模具為45號鋼製造，內徑為80mm。
將Al-7wt%Si合金熔化後升溫至740℃，為減少鋁熔液中的氣體含量的夾雜，利用精煉的方法進行精煉處理。精煉劑為48%KCl+48%NaCl+4%NaF，重量為鋁合金的0.5%左右。
200克SiC粉末放入坩鍋後，升溫至700℃預熱。如果預熱溫度再提高，應通入N2和Ar氣保護以避免粉末表面氧化。
模具和上下壓頭均預熱到300℃以上。
將預熱後的200克SiC粉末倒入模具中後，倒入650克鋁合金液體。液態鋁倒入模具後，立即加壓，保持壓力30秒鐘後，取出已經凝固的材料。觀察表明，液態鋁完整的滲透了SiC粉末，沒有氣孔和未被滲透的部位，顯微結構觀察表明，SiC粉末與鋁合金間的界面結合十分完好，沒有發現反應層和結合不連續現象，局部的SiC顆粒的體積分數最大不超過40%。
將上述複合好的材料表面清洗乾淨後，重新升溫至720℃，待鋁合金熔化後，利用機械攪拌的方法，將SiC顆粒在液態鋁中分散均勻。攪拌時間約20min，SiC顆粒的分布已相當均勻。上述過程完成後，澆成SiC體積分數約為20%的鑄錠。
實施例2過程如實施例1，但倒入模具中的液態鋁合金的量減少到400克。攪拌時，加入480克鋁，製成SiC體積分數約15%的鑄造複合材料。
實施例3平均粒度為5μm的工業SiC粉末150克，500克ZL108，其它過程如例1，攪拌時，再加入600克熔化的ZL108合金，製得體積分數約10%的複合材料。
實施例4將按照上述例3製造的複合材料鑄錠重新熔化，熔煉溫度730℃，輕微攪拌，利用砂型鑄造出平行段直徑為φ5mm，總長60mm的試樣，利用石黑型可鑄造出φ8mm的試樣，顯微結構分析，顆粒分布均勻，最大氣孔不超過0.1mm。
權利要求
1.一種鑄造金屬基複合材料的製造方法，金屬基複合材料中的金屬材料可以是鋁、鎂、鉛、鋅、銅等或這些金屬的合金，增強組元可以是各種陶瓷顆粒如SiC，Si3N4，Al2O3，B4C，BN等，其特徵在於，工藝過程如下陶瓷顆粒預熱→壓力浸滲→快速冷卻金屬材料熔化 ↓澆鑄←重熔分散
2.按權利要求1所述的製造方法，其特徵在於澆鑄時可以直接澆鑄成所需的複合材料零部件，也可以澆鑄成複合材料鑄錠，鑄錠可重新熔化後再行鑄造。
3.按權利要求1、2所述的製造方法，其特徵在於金屬基複合材料的成分及含量可以在壓力浸滲複合前確定，也可以在重熔分散或鑄錠重熔時，加入金屬或合金再行調整。
4.按權利要求1、2所述的製造方法，其特徵在於整個過程的工藝參數限定如下陶瓷顆粒預熱如果溫度過高，應在保護性氣氛下進行，T在金屬材料熔點以上，液態金屬溫度在熔點以上50℃～150℃，壓浸壓力大於20MPa。
全文摘要
本發明涉及金屬基複合材料領域，即提供了一種鑄造型金屬基複合材料的製造方法。本發明的具體工藝路線如下陶瓷顆粒預熱→壓力浸滲→快速冷卻金屬材料熔化澆鑄←重熔分散本發明使金屬與顆粒之間複合情況良好，工藝簡單明了，只需用一般設備即可實現，適合工業化生產的需要。
文檔編號C22C1/10GK1079512SQ9210622
公開日1993年12月15日 申請日期1992年6月2日 優先權日1992年6月2日
發明者蘇國躍, 胡宛平 申請人:中國科學院金屬研究所