專利名稱：制造復(fù)合金屬制品的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過噴射鑄造工藝將含有納米碳的材料和低熔點金屬材料的復(fù)合材料制造成復(fù)合金屬制品的方法。
背景技術(shù)：
納米碳材料是一種晶體碳材料，它具有如下性質(zhì)它的導(dǎo)熱性是鋁(Al)、鎂(Mg)和其它類似金屬的五倍或更高；它具有優(yōu)異的導(dǎo)電性；而且由于其低摩擦系數(shù)，它還具有優(yōu)異的可滑動性能。因為納米碳材料非常微小，所以說這種材料適合用于與其它材料進行復(fù)合。
在傳統(tǒng)方法中，通過混合納米碳材料和金屬粉，再通過擠壓和粉碎上述混合物，使其顆粒尺寸達到5μm～1nm而獲得復(fù)合材料，然后通過熱擠壓復(fù)合材料獲得復(fù)合制品。上述方法的問題在于，像散熱片、防護罩和軸承等電氣設(shè)備的金屬制品，難于通過熱擠壓將含有晶體碳材料的上述復(fù)合材料鑄造成型。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，設(shè)計用來解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題，提供一種由復(fù)合材料制造復(fù)合金屬制品的新穎方法，該復(fù)合材料由納米碳材料和半熔化低熔點金屬材料混合而獲得，將含有半熔態(tài)低熔點金屬或全熔態(tài)低熔點金屬噴射鑄造成復(fù)合金屬制品，由于復(fù)合金屬制品所應(yīng)用納米碳材料的特性不受到復(fù)合金屬制品尺寸和形狀的限制，所以復(fù)合金屬制品所要求的作為電子設(shè)備零件的性能，例如高導(dǎo)熱性、優(yōu)異的導(dǎo)電性、出色的可滑動性等等，都會提高，并且復(fù)合金屬制品都能具有這些性能。
按照本發(fā)明的達到上述目標的方法，包括制造含有納米碳材料和低熔點金屬材料的的復(fù)合金屬制品的方法，包括下述步驟；準備熔化的低熔點金屬；將熔化的低熔點金屬材料冷卻至液相與固相共存的觸變半熔態(tài)；將納米碳材料和觸變態(tài)的低熔點金屬材料混合形成復(fù)合材料；用具有加熱設(shè)備的鑄造機器將觸變態(tài)復(fù)合材料噴射注入鑄模；獲得復(fù)合金屬制品。
按照本發(fā)明的供給鑄造機器的復(fù)合材料，包括半熔態(tài)的低熔點金屬材料和納米碳材料。
進一步，按照本發(fā)明的供給金屬鑄造機器的復(fù)合材料，包括由顆粒組中選取的固態(tài)材料，所述顆粒如小球、碎屑、錠或短棒，含在準備噴射的所述復(fù)合材料內(nèi)的低熔點金屬材料被具有加熱設(shè)備的鑄造機器加熱為半熔態(tài)。
按照本發(fā)明的方法，包括制造含有納米碳材料和低熔點金屬材料的復(fù)合金屬制品的另一方法，包括如下步驟準備熔化狀態(tài)的低熔點金屬材料；將熔化的低熔點金屬材料冷卻至液相與固相共存的觸變半熔態(tài)；將納米碳材料和觸變態(tài)的低熔點金屬材料混合形成復(fù)合材料；用具有加熱設(shè)備的鑄造機器將復(fù)合材料噴射注入鑄模，此時復(fù)合材料中的低熔點金屬材料處于全熔態(tài)；獲得復(fù)合金屬制品。
按照本發(fā)明的供給金屬鑄造機器的復(fù)合材料，包括半熔態(tài)的低熔點金屬材料和納米碳材料，而且準備噴射的所述復(fù)合材料中的所屬低熔點金屬材料被具有加熱工具的鑄造機器加熱至全熔態(tài)。
按照本發(fā)明的準備供給金屬鑄造機器的復(fù)合材料，還包括由顆粒組中選取的固態(tài)材料，所述顆粒如小球、碎屑、錠或短棒，含在準備噴射的所述復(fù)合材料內(nèi)的低熔點金屬材料被鑄造機器加熱為全熔態(tài)。
本發(fā)明提供一種由納米碳材料和低熔點金屬材料制成的復(fù)合金屬制品，所述復(fù)合金屬制品包括按照本發(fā)明的上述方法所制成的金屬制品。
本發(fā)明中的低熔點金屬材料包括至少一種由下列組成中選取的金屬或合金，鎂(Mg)，錫(Sn)，鋁(Al)，銅(Cu)，鉛(Pb)，和鋅(Zn)。
進一步，金屬鑄造機器包括所謂的噴射鑄造機器，以及通常稱為模鑄機器的鑄造機器，和其它類似的機器，這些機器通常都被稱為金屬鑄造機器。噴射鑄造機器具有噴射設(shè)備，噴射設(shè)備具有加熱筒或者熔化筒，其頭部具有噴嘴，噴嘴上設(shè)置噴射螺桿或者噴射活塞，機器上還具有鑄模，熔化狀態(tài)或半熔態(tài)的鑄造材料被噴射螺桿或噴射活塞射入其中，使鑄造金屬充滿鑄模。
即使將納米碳材料與金屬材料混合是困難的，這是因為在攪拌過程中由于納米碳材料在液相金屬中的低潤濕性而浮到了熔化金屬的表面，但是按照本發(fā)明，混合獲得納米碳材料和低熔點金屬材料的混合物是在液相和固相共存的觸變態(tài)(半熔態(tài))進行的，這樣上面提到的浮到熔化金屬表面的現(xiàn)象就被液相(共晶混合物)中產(chǎn)生的球狀固相(初結(jié)晶)所阻止。因此，納米碳材料可以通過混合而有效地與低熔點金屬材料進行復(fù)合。
進一步，該復(fù)合材料用于鑄造材料，并通過噴射入鑄模而鑄造復(fù)合金屬制品，復(fù)合材料中的作為鑄造材料的低熔點金屬材料通過鑄造機加熱至觸變態(tài)或全熔態(tài)。所以，所能制造出的復(fù)合金屬制品，比較金屬鑄造機器采用通常工具熔化和混合兩種金屬并使其噴射充滿鑄模成形而獲得的制品，其納米碳材料更加均勻的分散并與低熔點金屬材料復(fù)合。而且，由于復(fù)合金屬材料制品通過將復(fù)合材料噴射充滿鑄模而制成，所以具有高的鑄造精確度。因此，由于制品與由壓力鑄造的制品不同，不受到形狀和尺寸的限制，所以能夠容易的鑄造出具有高導(dǎo)熱性、優(yōu)異的導(dǎo)電性、低摩擦系數(shù)、和其它類似功能的制品。


圖1為按照本發(fā)明的制造含有納米碳材料和低熔點金屬材料的復(fù)合金屬制品的方法的過程視圖；圖2為復(fù)合材料的半固態(tài)結(jié)構(gòu)視圖；圖3為在本發(fā)明方法中使用的螺旋形預(yù)塑化噴射設(shè)備的截面示意圖。
具體實施例方式
下面介紹制造復(fù)合金屬制品10的方法，如圖1所示，所述制品由以鎂合金作為基體材料的金屬材料1和作為納米碳管使用的納米碳材料2材料準備制成。像市場上可見的納米碳管一樣，所采用的納米碳管的直徑為10nm(0.01μm)，長度為1-10μm。
首先，固態(tài)的金屬材料1被裝入具有加熱設(shè)備的熔爐3中，并加熱至等于或大于金屬材料熔化溫度(600℃)，使材料1完全熔化至液態(tài)。液態(tài)金屬材料1由熔爐3流過具有冷卻設(shè)備41的傾斜冷卻板4的上表面，流進具有攪拌設(shè)備51和加熱設(shè)備52的混合器5，冷卻設(shè)備設(shè)置在熔爐3的下游，攪拌設(shè)備51和加熱設(shè)備52安裝于冷卻板的下端。金屬材料1由傾斜冷卻板4流下的過程中，被冷卻至觸變態(tài)(半固態(tài))，此時為液相(共晶)和球狀固相(初結(jié)晶)共存的半固態(tài)結(jié)構(gòu)。除了傾斜冷卻板4其它任何設(shè)備都可用于達成觸變態(tài)。
接著，納米碳材料2由漏斗供給混合器5，同時通過圍繞在混合器外圍的加熱設(shè)備52保持混合器5的溫度在570℃左右，觸變態(tài)的金屬材料1和納米碳材料2通過攪拌刃攪拌相互混合。由于金屬材料1的溫度在混合器中保持穩(wěn)定，即固相1a成長時，如圖2所示，納米碳材料2均勻地與圍繞在固相1a周圍的液相2混合，從而制成由觸變態(tài)的鎂基合金構(gòu)成的復(fù)合材料6。
處于觸變態(tài)且具有流動性的復(fù)合材料6，通過具有自動輸送裝置的泵7從混合器5中抽出，并作為鑄造材料通過管道被直接輸送到生產(chǎn)某種產(chǎn)品的、具有串聯(lián)螺旋形噴射機器8和制品鑄模9的金屬鑄造機器中。由于不必冷卻和固化復(fù)合材料6也不必將其制成平常的顆粒材料，所以上述直接輸送設(shè)備能夠節(jié)省材料成本。
進一步，雖然沒有圖示，但復(fù)合材料6也可以被冷卻和固化，形成小球、碎屑或其它類似形狀，并作為顆粒鑄造材料61而被輸送。這種情況下，與直接輸送鑄造材料的情況相比材料成本會增加。然而，由于材料能夠儲存，所以不必將鑄造機器操控成鑄造系統(tǒng)與熔爐3相互并行，材料可以按照產(chǎn)品的數(shù)量而任意的供給，因而減少運作成本。
噴射設(shè)備8具有噴射螺桿83，螺桿上具有止回閥，噴射螺桿設(shè)置于在頭部具有噴嘴81的加熱筒82內(nèi)，噴射螺桿83在加熱筒82內(nèi)旋轉(zhuǎn)和前后移動。另外，漏斗84安裝于加熱筒82后部的供料口上。復(fù)合材料6由漏斗84進入加熱筒82，被環(huán)繞在加熱筒82外圍的加熱設(shè)備加熱至預(yù)定溫度，也就是說，在不考慮材料類型的情況下，當(dāng)復(fù)合材料以觸變態(tài)被噴射注入充滿鑄模9時，為570℃左右，當(dāng)復(fù)合材料以全熔態(tài)被噴射注入時，為600℃或更高。
當(dāng)復(fù)合材料6為固體材料時，例如為顆粒鑄造材料61時，材料以觸變態(tài)噴射，當(dāng)被設(shè)置在加熱筒82外圍的加熱設(shè)備熔化時，由螺桿攪拌混合。然而，復(fù)合材料6為熔化材料，并由管道直接輸送，加熱設(shè)備只是維持材料的混合和觸變態(tài)。任何前、后材料都是通過螺桿83的旋轉(zhuǎn)在壓力下被送往加熱筒82頭部。由于在內(nèi)部壓力下螺桿83向后移動，觸變態(tài)鑄造材料被計量(儲藏)于加熱筒82頭部內(nèi)后，當(dāng)螺桿83向前移動將觸變態(tài)材料噴射并充滿鑄模9。加熱筒82的內(nèi)部空間最好充滿惰性氣體，以防止氧化。
進一步，當(dāng)鑄造材料6的噴射和充填是在金屬的全熔態(tài)下進行時，不考慮所供給的材料類型，包含于復(fù)合材料6中的被輸送進入加熱筒82的金屬被加熱設(shè)備和旋轉(zhuǎn)的螺桿完全熔化并混和，并隨著螺桿向前運動，材料被噴射注入充滿鑄模9。當(dāng)進行噴射和充填處于全熔態(tài)的金屬時，與處于半熔態(tài)的復(fù)合材料中的金屬相比較，所供給材料的粘性低很多，所以材料具有更好的流動性。因此，即使應(yīng)用與材料中的金屬處于半熔態(tài)時相同的噴射速度及其溫度，也能夠制造具有1.5mm左右壁厚的薄壁的、細小的、諸如具有復(fù)雜形狀精制產(chǎn)品的復(fù)合金屬制品，。
鑄模9由一對開/合分離鑄模93所組成，模型93分別連接于固定壓盤91和位于未示出的鑄造鉗裝置上的移動壓盤92上，模型具有空腔94，空腔的兩個內(nèi)部表面用于成形制品，注入口95位于兩空腔94和其所毗鄰抵住的噴嘴81的中心。其金屬處于半熔態(tài)或者全熔態(tài)的復(fù)合材料，由噴嘴81噴射，經(jīng)過注入口95充滿該二空腔94，從而由鎂基合金金屬材料1與納米碳材料2均勻復(fù)合的復(fù)合材料構(gòu)成的金屬制品10成形。
在上述實施例中，雖然復(fù)合金屬制品10通過采用串聯(lián)螺桿噴射設(shè)備8噴射鑄造，但是也可以通過采用類似用在鑄造樹脂的螺旋形預(yù)塑化噴射設(shè)備的噴射設(shè)備而提高鑄造的效率。
如圖3所示，一般構(gòu)成的螺旋形預(yù)塑化噴射設(shè)備包括設(shè)置成相互并行的熔化/混合設(shè)備14和噴射設(shè)備17，具有開/關(guān)閥19的流動通道18，閥19安裝于熔化/混合設(shè)備14和噴射設(shè)備17之間，使熔化/混合設(shè)備14通過通道18與噴射設(shè)備17接通。熔化/混合設(shè)備14具有熔化/混合筒11，筒內(nèi)安裝有熔化/混合螺桿12，熔化/混合設(shè)備14還具有設(shè)置在筒11上位于其后部的漏斗13，噴射設(shè)備17具有噴射筒15，噴射筒15包括前后可動的安裝于其中的噴射活塞16。
因此，在噴射過程中，含有處于觸變態(tài)的熔化材料的復(fù)合材料，只在熔化/混合設(shè)備14中混合，并保持觸變狀態(tài)。顆粒鑄造材料61也在其中熔化和混合。無論其中的金屬處于半熔態(tài)還是全熔態(tài)，復(fù)合材料都在壓力下被送到噴射筒15的前部并在熔化或熔化并混合后在該處受壓。在鑄造材料受壓后，流動通道18的開/關(guān)閥19關(guān)閉。在噴射設(shè)備17中，熔化的材料由噴嘴20噴射到鑄模9中，并在噴射活塞16向前移動的同時充滿鑄模。在噴射設(shè)備17進行噴射和充入的操作時，被輸送到熔化/混合設(shè)備14中的鑄造材料開始熔化和混合。通過上述操作，其中的納米碳材料2與金屬材料1均勻地復(fù)合的復(fù)合金屬制品10可以被高效地噴射鑄成。
當(dāng)復(fù)合材料為類似鑄錠和短棒(例如，長300mm直徑60mm的鎂合金)固體材料時，熔爐(未示出)設(shè)置于圖1中所示的加熱筒8上，或者設(shè)置于位于加熱筒后部的熔化/混合設(shè)備14上，以便于與其連接。鑄錠或短棒狀的固體材料被熔爐熔化成半熔態(tài)，并輸送到加熱筒8或熔化/混合裝置14，使金屬在其中保持半熔態(tài)或全熔態(tài)，然后，由加熱筒8或噴射筒15中噴射并充滿鑄模9。
例復(fù)合材料(碎屑)鎂合金(AZ91D)納米碳管(直徑0.01μm，長1-10μm)噴射和充填溫度(設(shè)定溫度)半熔態(tài)580℃全熔態(tài)600℃噴射速度半熔態(tài)200mm/秒全熔態(tài)200mm/秒鑄造溫度半熔態(tài)250℃全熔態(tài)250℃
權(quán)利要求
1.一種制造含有納米碳材料和低熔點金屬材料的復(fù)合金屬制品的方法，包括以下步驟準備熔化的低熔點金屬材料；將熔化的低熔點金屬材料冷卻至液相與固相共存的觸變半熔態(tài)；將納米碳材料和觸變態(tài)低熔點金屬材料混合形成復(fù)合材料；用具有加熱設(shè)備的鑄造機器將觸變態(tài)復(fù)合材料噴射注入鑄模；獲得復(fù)合金屬制品。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于供給鑄造機器的復(fù)合材料包括半熔態(tài)的低熔點金屬材料和納米碳材料。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于供給金屬鑄造機器的復(fù)合材料包括由顆粒組中選取的固態(tài)材料，所述顆粒如小球、碎屑、錠或短棒，含在所述要被噴射復(fù)合材料內(nèi)的所述低熔點金屬被具有加熱設(shè)備的金屬鑄造機器加熱為半熔態(tài)。
4.一種制造含有納米碳材料和低熔點金屬材料的復(fù)合金屬制品的方法，包括以下步驟準備熔化的低熔點金屬材料；將熔化的低熔點金屬材料冷卻至液相與固相共存的觸變半熔態(tài)；將納米碳材料和觸變態(tài)低熔點金屬材料混合形成復(fù)合材料；用具有加熱設(shè)備的金屬鑄造機器將復(fù)合材料噴射注入鑄模，其中所含低熔點金屬材料處于全熔態(tài)；獲得復(fù)合金屬制品。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于供給金屬鑄造機器的復(fù)合材料包括半熔態(tài)的低熔點金屬材料和納米碳材料，含在所述要被噴射的復(fù)合材料內(nèi)的所述低熔點金屬被具有加熱設(shè)備的金屬鑄造機器加熱至全熔態(tài)。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于供給金屬鑄造機器的復(fù)合材料包括由顆粒組中選取的固態(tài)材料，所述顆粒如小球、碎屑、錠或短棒，含在所述要被噴射的復(fù)合材料內(nèi)的所述低熔點金屬被金屬鑄造機器加熱至全熔態(tài)。
7.一種由納米碳材料和低熔點金屬材料制成的復(fù)合金屬制品，其特征在于所述復(fù)合金屬制品包括由權(quán)利要求1-6中任一所述鑄造方法所鑄造的金屬制品。
全文摘要
把低熔點金屬材料加工成液相和固相共存的觸變態(tài)。低熔點金屬材料在觸變態(tài)時，納米碳材料與該低熔點金屬材料混合形成復(fù)合材料。把所獲得的復(fù)合材料供給金屬鑄造機器，并將處于金屬觸變態(tài)或全熔態(tài)的金屬噴射注入鑄模，使復(fù)合材料充滿鑄模，這樣復(fù)合材料模鑄成復(fù)合金屬制品。通過上述工藝處理，能夠噴射鑄造出具有所應(yīng)用的納米碳材料性能的復(fù)合金屬制品。
文檔編號B22D17/20GK1494965SQ0314704
公開日2004年5月12日 申請日期2003年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月22日
發(fā)明者小出淳, 瀧澤清登, 登, 山極佳年, 年, 菅沼雅資, 資, 宮川守 申請人:日精樹脂工業(yè)株式會社