專利名稱：鑄造金屬基復(fù)合材料的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域，具體地說就是提供了一種鑄造金屬基復(fù)合材料的制造方法。
金屬基復(fù)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，制造金屬基復(fù)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(jià)格的昂貴，及制造工藝復(fù)雜、成本較高，同時(shí)由于原料粉顆粒表面的氧化皮，會導(dǎo)致金屬基復(fù)合材料韌性的降低。另一種方法即為鑄造法，為實(shí)現(xiàn)陶瓷顆粒與金屬的復(fù)合通常采用機(jī)械攪拌的方式，由于陶瓷顆粒在金屬液中的潤濕性極差，復(fù)合的效果很不理想，于是人們在如何改進(jìn)陶瓷顆粒潤濕性方面做了大量工作，包括在半固態(tài)情況下進(jìn)行攪拌混合及預(yù)先對陶瓷顆粒進(jìn)行處理等，但改進(jìn)的效果并不明顯，最新材料報(bào)導(dǎo)，復(fù)合的最小顆粒直徑為10μm。況且為避免金屬液的氧化，整個(gè)攪拌過程需在高溫真空或保護(hù)性氣氛下進(jìn)行，設(shè)備要求復(fù)雜，不適合工業(yè)化生產(chǎn)。
本發(fā)明的目的在于提供一種鑄造金屬基復(fù)合材料的方法，既能改善金屬與陶瓷材料的復(fù)合，又能使設(shè)備要求簡單，工藝易于實(shí)現(xiàn)。從而開發(fā)出適合于工業(yè)化大生產(chǎn)的金屬基復(fù)合材料。
本發(fā)明提供的方法所制造的金屬基復(fù)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(qiáng)組元可以是各種陶瓷顆粒如SiC，Si3N4，Al2O3，B4C，BN等。本發(fā)明的具體工藝過程如下
陶瓷顆粒預(yù)熱陶瓷顆粒預(yù)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(yù)熱濕度如果很高，則要在保護(hù)性氣氛下進(jìn)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(diǎn)以上。為保證流動性，液態(tài)金屬材料在澆鑄前應(yīng)達(dá)到熔點(diǎn)以上50℃～150℃，壓力浸滲使金屬與顆粒復(fù)合的過程，可以用氣壓也可以用機(jī)械壓力的辦法來實(shí)現(xiàn)，壓力一般大于20MPa。復(fù)合后再快速冷卻凝固，以防止可能發(fā)生的有害的金屬與增強(qiáng)組元之間的化學(xué)反應(yīng)，復(fù)合后的材料再重新升溫至金屬熔化，利用機(jī)械攪拌，機(jī)械振動，電磁攪拌，超聲振蕩或其它方法，將增強(qiáng)組元在金屬液體中均勻分散，得到成分分布均勻的金屬基復(fù)合材料，可以直接鑄造成各種復(fù)合材料零件，也可鑄成鑄錠，以便以后進(jìn)行熔化和鑄造。金屬基復(fù)合材料的合金成分及其含量以及增強(qiáng)組元的體積分散可以在壓浸復(fù)合前確定，也可以在重熔分散或鑄錠重熔時(shí)，加入金屬或合金再行調(diào)整。本發(fā)明由于采用了壓力浸滲的復(fù)合方式，復(fù)合顆粒的最小尺寸可以達(dá)到5μm。工藝簡單明了，用一般設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)，適合工業(yè)化生產(chǎn)的需要，下面詳述實(shí)施例。
實(shí)施例1利用工業(yè)純鋁(鋁含量大于99.7%)和工業(yè)硅配制成含7wt%Si的Al-Si合金。增強(qiáng)組元為工業(yè)SiC粉末，平均粒度10μm。利用45噸的液壓機(jī)進(jìn)行壓力浸滲，壓力為20MPa，使用的模具為45號鋼制造，內(nèi)徑為80mm。
將Al-7wt%Si合金熔化后升溫至740℃，為減少鋁熔液中的氣體含量的夾雜，利用精煉的方法進(jìn)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粉末放入坩鍋后，升溫至700℃預(yù)熱。如果預(yù)熱溫度再提高，應(yīng)通入N2和Ar氣保護(hù)以避免粉末表面氧化。
模具和上下壓頭均預(yù)熱到300℃以上。
將預(yù)熱后的200克SiC粉末倒入模具中后，倒入650克鋁合金液體。液態(tài)鋁倒入模具后，立即加壓，保持壓力30秒鐘后，取出已經(jīng)凝固的材料。觀察表明，液態(tài)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(jié)構(gòu)觀察表明，SiC粉末與鋁合金間的界面結(jié)合十分完好，沒有發(fā)現(xiàn)反應(yīng)層和結(jié)合不連續(xù)現(xiàn)象，局部的SiC顆粒的體積分?jǐn)?shù)最大不超過40%。
將上述復(fù)合好的材料表面清洗干凈后，重新升溫至720℃，待鋁合金熔化后，利用機(jī)械攪拌的方法，將SiC顆粒在液態(tài)鋁中分散均勻。攪拌時(shí)間約20min，SiC顆粒的分布已相當(dāng)均勻。上述過程完成后，澆成SiC體積分?jǐn)?shù)約為20%的鑄錠。
實(shí)施例2過程如實(shí)施例1，但倒入模具中的液態(tài)鋁合金的量減少到400克。攪拌時(shí)，加入480克鋁，制成SiC體積分?jǐn)?shù)約15%的鑄造復(fù)合材料。
實(shí)施例3平均粒度為5μm的工業(yè)SiC粉末150克，500克ZL108，其它過程如例1，攪拌時(shí)，再加入600克熔化的ZL108合金，制得體積分?jǐn)?shù)約10%的復(fù)合材料。
實(shí)施例4將按照上述例3制造的復(fù)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(jié)構(gòu)分析，顆粒分布均勻，最大氣孔不超過0.1mm。
權(quán)利要求
1.一種鑄造金屬基復(fù)合材料的制造方法，金屬基復(fù)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(qiáng)組元可以是各種陶瓷顆粒如SiC，Si3N4，Al2O3，B4C，BN等，其特征在于，工藝過程如下陶瓷顆粒預(yù)熱→壓力浸滲→快速冷卻金屬材料熔化 ↓澆鑄←重熔分散
2.按權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于澆鑄時(shí)可以直接澆鑄成所需的復(fù)合材料零部件，也可以澆鑄成復(fù)合材料鑄錠，鑄錠可重新熔化后再行鑄造。
3.按權(quán)利要求1、2所述的制造方法，其特征在于金屬基復(fù)合材料的成分及含量可以在壓力浸滲復(fù)合前確定，也可以在重熔分散或鑄錠重熔時(shí)，加入金屬或合金再行調(diào)整。
4.按權(quán)利要求1、2所述的制造方法，其特征在于整個(gè)過程的工藝參數(shù)限定如下陶瓷顆粒預(yù)熱如果溫度過高，應(yīng)在保護(hù)性氣氛下進(jìn)行，T在金屬材料熔點(diǎn)以上，液態(tài)金屬溫度在熔點(diǎn)以上50℃～150℃，壓浸壓力大于20MPa。
全文摘要
本發(fā)明涉及金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域，即提供了一種鑄造型金屬基復(fù)合材料的制造方法。本發(fā)明的具體工藝路線如下陶瓷顆粒預(yù)熱→壓力浸滲→快速冷卻金屬材料熔化澆鑄←重熔分散本發(fā)明使金屬與顆粒之間復(fù)合情況良好，工藝簡單明了，只需用一般設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)，適合工業(yè)化生產(chǎn)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(yōu)先權(quán)日1992年6月2日
發(fā)明者蘇國躍, 胡宛平 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所