CN101578149A - 强化低熔点铸造金属部件的方法 - Google Patents
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Abstract
一种强化低熔点铸造金属部件的方法，其包括：制备具有熔点的熔融金属材料；将具有比所述熔融金属材料的熔点更高的熔点的强化材料混合到所述熔融金属材料中；将所述熔融金属材料浇注到模具中；对所述强化材料施加力导致所述强化材料占据所述模具的预定部分并且由此占据所述铸造金属部件的预定部分；和固化所述熔融金属材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种方法和使用该方法制造的部件，即该方法使用施加或分散到模铸件的预定部分的高熔点纤维或粉末来强化低熔点铸造金属部件。
背景技术
铝和镁合金常用于制造工业产品。尽管这些合金有许多用途，它们不能用于高强度和高磨损应用，除非将铝芯和由更高强度的材料例如钢制造的铸件接合在一起制造两个部件。一个好的例子是铝块发动机需要钢套。为了提高纯金属性质，通过将不同金属添加到基体金属，并且在原子尺度上产生金属间组成物和相位来制造合金。然而，对于铝和镁以及它们的合金而言，在许多应用中具有的强度和耐磨性不足，尽管它们的低密度和相对低的熔点是非常有吸引力的特征。强化铝和镁合金的已知技术是将陶瓷添加到这些合金。陶瓷并不在原子尺度上与合金混合；它们只是在宏观尺度上强化这些合金。添加陶瓷的合金存在的问题是它们极难加工的事实。并且由于铸件几乎从来不会是最终形状，它们仅仅适合于不需要精加工的一些应用。
将陶瓷添加到熔融铝和镁以增加机械性质和耐磨性在本领域中是已知的。陶瓷强化铝存在的问题是在铸造之后极难加工部件。另外，陶瓷强化合金并不具有良好的延展性。
典型的技术是U.S.4586554，其公开了一种方法，该方法被提供用于通过压模铸造形成纤维强化轻金属铸件。纤维模具被引入辅助模具中，并且辅助模具被加热到高于轻金属的熔点的最佳温度。辅助模具然后过盈配合地插入压模铸造模具中，所述压模铸造模具对应于辅助模具的外部轮廓并且在压力下填充有轻金属。纤维模具可以可选地借助于暂时有机粘结剂被稳固，当辅助模具被加热时所述暂时有机粘结剂分解。
需要一种方法，其使用施加或分散到模铸件的预定部分的高熔点纤维或粉末来强化低熔点铸造金属部件。
发明内容
本发明的主要方面提供了一种使用施加或分散到模铸件的预定部分的高熔点纤维或粉末来强化低熔点铸造金属部件的方法。
通过本发明的以下描述和附图将指出或显而易见本发明的其它方面。
本发明包括一种强化低熔点铸造金属部件的方法，所述方法包括：准备具有熔点的熔融金属材料；将具有比所述熔融金属材料的熔点更高的熔点的强化材料混合到所述熔融金属材料中；将所述熔融金属材料浇注到模具中；对所述强化材料施加力导致所述强化材料占据所述模具的预定部分并且由此占据所述铸造金属部件的预定部分；和固化所述熔融金属材料。
附图说明
包含在说明书中并且形成说明书的一部分的附图与描述一起用于说明本发明的原理。
图1是第一方法的透视图。
图2是磁性模具的透视图。
图3是磁性模具的透视图。
图4是成品部件的透视图。
图5是离心模具的透视图。
图6是电枢机的透视图。
图7是成品部件的透视图。
图8是使用重力分离形成的部件的侧视图。
图9是显示将粉末或纤维施加到模具的透视图。
图10是带有浇注金属的模具的透视图。
图11是成品部件的透视图。
图12是带有在浇注之前施加的纤维或粉末的磁性模具的透视图。
图13是被填充模具的透视图。
图14是成品部件的透视图。
图15是两步模具的透视图。
图16是芯体被去除的两步模具的透视图。
图17是两步模具的透视图。
图18是围挡模具的透视图。
图19是带有围挡的模具的透视图。
图20是成品部件的透视图。
具体实施方式
本发明提供了一种方法和使用该方法得到的产品，该方法使用混合到主金属材料(host metal material)内的不锈钢纤维或粉末或其它高熔点合金纤维和/或粉末强化铝、镁、锌或锡铸件或任何其它低熔点金属铸件的耐用性和/或强度强化。它也包括一种通过将强化粉末或材料混合到熔融金属中，随后通过外力例如磁力、离心力或重力从熔融金属分离纤维/粉末强化低熔点合金的方法。
该方法包括主金属合金的使用，强化纤维或粉末被添加到所述主金属合金中以形成金属基质混合物。金属基质混合物包括机械性能强化合金。当混合物被铸造成产品时，它将具有强化的机械强度(例如拉伸、压缩、疲劳、弯曲等)和更高的耐磨性。
在这里公开的该方法可以用于制造高强度、耐磨损的铝链轮，而不需要硬铬镀层或陶瓷涂层。总体而言，所公开的方法优于涂层，原因是涂层通常通过机械结合或化学键合组成，所述机械结合或化学键合没有使用本发明的方法制造的部件那么牢固，原因是在本发明中在层之间不需要“键合”，因此部件基本上是一个件的。
本发明的方法包括以预定方式从熔融主金属基质材料中分开或分离纤维和/或粉末的机械或其它手段。这可以包括向心力、重力、磁力或静电荷的使用。通过使用这些手段意味着，在熔融阶段，纤维和/或粉末在部件的外层(或其它预期位置)中的集中可以被操纵和增加。这在特定的预定位置提高了部件的机械性质，在表面或其它位置上赋予了更高强度和/或更高耐磨性，而不会增加整个部件中的纤维利用，由此减小了成本和重量。
在该方法期间，纤维或粉末不一定如在纯混合过程中希望的那样均匀地分布于金属基质。粉末或纤维选择性地集中在期望强化耐用性或强度的区域。在铸造过程期间进行金属纤维和/或粉末的集中。
金属基质可以包括铝、镁、锌或锡或它们的两个或以上的组合。纤维和粉末包括具有比金属基质更高的熔点的金属材料，这些金属材料包括不锈钢、合金钢、低碳钢或与熔融铝、镁、锌或锡相比具有很高熔点的其它材料。纯铁的熔点为1537℃。纯铝的熔点为660℃，并且纯镁的熔点为650℃。纯锌的熔点为420℃，并且纯锡的熔点为232℃。
由于材料的熔点的差异，不锈钢纤维或粉末并不在熔融金属基质中熔化，而是在纤维或粉末界面处形成包括铁和主金属的组合物的金属间边界层中熔化。
通常，在铸造之前以及有时取决于部件设计在铸造之后，搅动熔化物(模内搅动)，以防止纤维或粉末在熔融主金属基质中下沉，因为铁的密度是铝或镁的密度的大约三倍。搅动可以简单地通过机械装置或通过磁力进行。铸造通常在闭合模具中进行，有时在压力下(即在压模铸造中)进行。这有助于更好地填充模具。
纤维的百分比、纤维的大小和形状和纤维的材料组成(合金)可以取决于部件的所需性能而变化。典型的混合物将具有在大约5％到50％(体积比)的范围内的纤维或粉末含量，纤维的尺寸为大约1微米到10mm的长度以及大约1微米到1.0mm(1-1000微米)的横截面直径。该横截面可以是任何形状，但是为了简单起见，它被认为是基本圆形的。尽管给出仅作为例子，尺寸的范围将允许容易压模铸造强化合金。
粉末的尺寸也可以在大约1微米到1毫米的范围内变化，但是并不限于该范围。对于不进行压模铸造，例如砂型铸造、金属型铸造等的合金，纤维和粉末的尺寸可以在长度和直径上更大。选择粉末、纤维或两者的组合是为了获得成品部件的预期性质。在部件的选定富集区域中，纤维/粉末的百分比可以高达95％，但是并不限于该数值。在模具涂层过程中，施加在模具上的富集层可以使一些铝粉末与它混合，以保证它在铸造之后熔化并且产生均匀富集层。
典型纤维包括：
| 不锈钢纤维 | 不锈钢粉末 | |
| 产品 | Beki-Shield SF-08 | Ametek P410L |
| 合金 | AISI 302 | AISI 410 |
| 直径 | 8微米 | 100目 |
| 化学组成 | ||
| 铁 | 其余部分 | 其余部分 |
| 铬 | 17.0-19.0 | 12 |
| 镍 | 8.0-10.0 | 零 |
| 碳 | 0.15 | 0.02 |
| 锰 | 2 | 0.2 |
| 硅 | 1 | 0.6 |
图1是第一方法的透视图。为了在磁力、离心力、静电力或重力分离纤维或粉末之前防止主金属基质10在模具表面21上固化，模具20被预加热，并且熔融合金被过度加热(比熔点更热)。这允许在开始固化过程之前分离不锈钢纤维/粉末。施加于金属基质材料的所需过热为大约250℃。然后允许冷却浇注的金属基质材料。一旦被冷却到周围环境状态，铸造强化部件从模具20被取下。
不同于如图1中所示简单地混合强化粉末或纤维，可以使用各种过程实现纤维或粉末材料选择性分散到金属基质的预定部分。这些包括分离过程，其中纤维或粉末与主金属基质合金混合，并且然后通过使用磁力移动到期望位置或集中，所述磁力导致纤维或粉末移动到部件中的期望位置(一个或多个)。
应当注意的是，实际上铸造模具被闭合，并且熔融金属通常在压力下通过浇口注入模具。为了便于图解和解释，在该说明书中附图显示了顶部敞开模具。
图2是磁性模具的透视图。模具20由电磁体22围绕。在浇注之前，主金属基质材料10与强化纤维或粉末混合。主金属基质合金被过度加热，并且模具20被预加热以防止材料10的过早固化。过热和预热为大约250℃，其高于主合金熔点。然后纤维和粉末在铸造中通过电磁体或永磁体22的力被移动到期望位置。
图3是磁性模具的透视图。在熔融金属基质材料被浇注到模具中之后，磁体被开启。在电磁场的影响下，纤维或粉末11朝着模具20的表面21被吸引。这导致纤维或粉末的集中在部件的外部区域，例如在皮带啮合链轮的外磨损(齿)表面显著增加。
图4是成品部件的透视图。纤维11在部件的外部区域集中在齿102处，在那里期望由纤维提供强化的强度和耐磨特性。在不需要强化耐磨和强度的地方，仅仅存在非强化金属材料101。
在一个备选方法中，纤维或粉末可以在浇注熔融金属之前直接被施加到模具上。图12是带有在浇注之前所施加的纤维或粉末的磁性模具的透视图。首先，电磁体22被开启。然后纤维或粉末11被以期望深度和浓度喷涂到模具20上。电磁力将纤维或粉末排列并且保持在模具中的期望位置。主合金然后被浇注到模具20中。主合金允许围绕由电磁体固定就位的纤维流动。
在一个备选实施例中，静电荷被应用于模具20。静电荷然后将纤维或粉末固定就位在模具上，直到主合金被浇注和固化。在该实施例中，模具20由导电金属材料制造。
图13是被填充模具的透视图。在该备选过程中，没有纤维或粉末混合到主合金101中，一旦在模具中纤维就与熔融金属组合。图14是成品部件的透视图。强化部分110被布置在部件的外部区域，在那里需要期望的强化耐磨性和强度。
在一个备选方法中，离心力可以用于将纤维或粉末移动到部件中的期望位置(一个或多个)。图5是离心模具的透视图。包含纤维或粉末的金属基质材料10被加热到熔化状态并且被浇注到模具10中。再次地，在该过程期间，主金属基质合金必须被过度加热，并且模具被预加热以防止过早固化。一旦模具20被填充，盖23通过紧固件24或夹子被附连。该组件然后附连到电枢30。图6是电枢机的透视图。该组件以足以导致纤维和/或粉末径向向外移动到部件的外部区域的速度旋转。为了获得围绕部件的均匀分离，在大约30秒的时间内速度从1RPM加速到大约3000RPM并且然后保持在最高速度直到部件固化。
图7是成品部件的透视图。强化材料11被布置在齿102的区域中，由此强化了部件的强度和耐用性。非强化材料101通过强化材料的径向向外移动径向而向内移位。
进一步地，基于纤维或粉末和金属基质的不同重力，可以依靠重力将纤维或粉末移动到部件上的期望位置(一个或多个)。图8是使用重力分离形成的部件的侧视图。制备了金属基质材料与期望浓度的纤维或粉末的混合物。再次地，主金属基质材料被过度加热并且模具被预加热以防止过早固化。在该过程期间，更密的粉末或纤维11朝着模具的底部下沉，由此相应地强化金属基质材料。当纤维或粉末通过熔融金属在模具中下沉时，非强化或欠致密强化材料101显现。必须保持模具被加热直到出现期望数量的沉淀物，以防止由快速固化产生的不适当分布。重力分离不能用于需要在所有侧面(例如链轮)上均匀强化的对称部件。它适合于诸如活塞和轴这样的应用，其中一端需要更高耐磨性或更高的强度。
对于涂层过程，纤维或粉末使用不同的手段被放置在模具中，并且然后主金属合金被浇注到模具中。这可以通过用粉末和/或纤维覆盖模具并且将熔融金属浇注到模具中实现。熔融金属材料将穿透纤维或粉末涂层，由此仅仅在成品部件的表面上富集。
图9是显示粉末或纤维施加到模具的透视图。用粉末或纤维11覆盖或涂覆模具20表面可以通过喷涂、刷涂或任何其它合适的方法例如使用喷枪SP实现。例如，粉末和纤维11可以与液体悬浮材料例如水、溶剂或任何适当的粘性材料混合，以使纤维或粉末暂时附着到模具表面直到熔融金属被浇注。粘性材料应当是容易用当与熔融金属接触时以产生的极少量或者没有气体的方式蒸发掉的类型。来自悬浮液和粘合剂的任何烟雾从模具被排出。在铸造期间，熔融金属填充模具表面上的纤维或粉末材料的孔隙/腔，以产生与部件表面上的主金属材料混杂的很高浓度的耐用材料层。重要的是，应当注意对于该方法，合金不与纤维或粉末预混合。合金仅仅在铸造期间与已经施加到模具表面的纤维或粉末混合。
图10是带有浇注金属的模具的透视图。纤维或粉末11存在于模具表面上。浇注的金属材料101(没有纤维或粉末)混合在纤维或粉末中，然后在模具中冷却。
图11是成品部件的透视图。富集金属基质材料110存在于部件的外表面。非强化材料101存在于部件的内部。在该实施例中，仅仅部件的耐磨表面被强化而不需要强化整个部件。
在一个备选方法中，静电可以用于将喷涂粉末或纤维保持在模具表面上。在该方法中，纤维或粉末以本领域中已知的方式被充电，并且模具被赋予与粉末/纤维相反的电荷，因此当粉末或纤维被喷涂时它附着到模具表面。
一个备选方法包括两(或更多)步模制或铸造过程。图15是两步模具的透视图。该模具包括模具20和芯体25。腔200布置在模具20与芯体25之间。腔200是高度强化金属基质材料被浇注的地方。芯体25用作根据需要将强化材料限制到成品部件的部分的装置。在两步过程中，包含纤维和/或粉末的强化金属基质材料被混合。混合材料然后被过度加热并且被浇注到腔200中并且允许冷却，由此形成强化层201。一旦被冷却芯体25被去除。
图16是去除芯体的两步模具的透视图。层201被固化。
图17是两步模具的透视图。过热的非强化合金101然后被浇注到由取出芯体25产生的体积中并且允许冷却。
为了第一和第二铸件焊接在一起，第二铸造在比“正常”铸造操作更高的温度下进行，也就是说用于第二铸件的材料被过度加热。取决于模具类型(例如金属、沙、石墨等)，过热将高于铸件材料的熔点100-250摄氏度。该方法包括使用芯体，其中在第一铸造期间，大部分模具体积对熔融金属的流动闭合，仅仅在期望的成品部件表面留下敞开的相对窄的层201，在多数情况下这些通常是外表面。
对于第一铸造浇注，熔融金属基质材料被浇注到模具中，在其中已经有非常高的粉末浓度。该浓度可以在高达大约95％的粉末或纤维的范围内，或两者的组合，高达5％的合金。在第一浇注固化之后，对于第二浇注芯体被去除并且未包含纤维或粉末的非强化的主金属合金被浇注到以前由现在被去除的芯体占据的腔中。为了第二浇注完全焊接到固化的高纤维/粉末含量外层，它被过度加热以导致它部分熔化第一浇注层的表面并且由此将两次浇注固化在一起。
在又一备选方法中，由主金属合金制造的预制临时分离围挡首先被放置在模具中，因此需要富含粉末和/或纤维的强化区域与部件的其余部分隔离。图18是围挡模具的透视图。该模具包括外部分301和内部分302。腔300布置在内和外部分之间。为了形成围挡，非强化金属材料101被浇注到腔300中并且允许冷却成形围挡150。
图19是带有围挡的模具的透视图。围挡150被放置在模具20内。围挡150的尺寸有利地被确定成产生腔200和腔202。
对于该方法，具有高浓度粉末和/或纤维的主金属基质材料和非强化主合金同时被浇注到它们各自的腔中。高浓度混合物被浇注到腔200中。非强化合金被浇注到腔202中。两者被过度加热到足以熔化临时分离围挡150的表面，由此将临时围挡熔化和焊接到两个浇注材料，以便产生单件部件。图20是成品部件的透视图。围挡150完全被包含到强化材料201和非强化材料101中。
一旦铸造部件从模具被取下，它通常进一步被处理以产生最终部件尺寸。许多方法可用于实现该结果。除了在铸造之后使用挤拉模将部件定型成最终尺寸以外，在表面层中带有高浓度的粉末和/或纤维的部件可以被锻造、旋压或用已知的金属加工方法机械加工以进一步压实粉末和/或纤维区域。
在一个备选方法中，强化纤维/粉末层可以短暂地暴露于很高的温度(1100℃-1250℃)以将纤维和/或粉末颗粒烧结在一起。当然，低熔点主金属材料芯体不能暴露于高烧结温度，因此感应加热是快速加热外层的可接受的方法。在大约70％到95％的纤维和/或粉末材料的范围内并且剩余部分是主金属材料的强化层，将看到纤维和/或粉末颗粒的快速烧结。布置在纤维和/或粉末颗粒之间的间隙腔/孔隙中的强化层中的大部分主合金(大约25％到5％的剩余物)将快速熔化和固化。少量的截留主金属材料可以在该阶段中从部件热析出而没有任何问题。在该说明书中所述的总体策略，即模具涂层和从熔融金属基质分离纤维/粉末根据需要也可以组合以在期望区域中获得纤维/粉末的更高浓度。
这里所述的强化过程不必仅仅对称地用于部件，它也可以局限在部件的特定部分上。例如，局部强化或强化可以在具有需要更强或具有更大耐磨性的有限区域的轴或其它部分上进行，而不是另外地需要在整个部件上执行。例如在轴的特定区域与另一部分振荡接触的地方因此需要强化耐磨性。尽管非对称型仅仅被显示用于一个过程，即，磁性涂层、局部强化可以用于在该说明书中描述的所有过程。
尽管在这里描述了本发明的形式，本领域的技术人员将显而易见可以对部件的构造和关系和方法进行变化而不脱离这里所述的本发明的精神和范围。
Claims (11)
1.一种强化低熔点铸造金属部件的方法，其包括：
制备具有一熔点的熔融金属材料；
将具有比所述熔融金属材料的熔点更高的熔点的强化材料混合到所述熔融金属材料中；
将所述熔融金属材料浇注到模具中；
向所述强化材料施加力，导致所述强化材料占据所述模具的预定部分，由此占据所述铸造金属部件的预定部分；和
固化所述熔融金属材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其包括施加磁力。
3.根据权利要求1所述的方法，其包括施加离心力。
4.一种强化低熔点铸造金属部件的方法，其包括：
制备具有一熔点的熔融金属材料；
将具有比所述熔融金属材料的熔点更高的熔点的强化材料添加到模具；
对所述强化材料施加力，导致所述强化材料占据所述模具的预定部分，由此占据所述铸造金属部件的预定部分；
将所述熔融金属材料浇注到所述模具中；和
冷却所述熔融金属材料。
5.根据权利要求4所述的方法，其包括施加磁力。
6.根据权利要求4所述的方法，其包括施加离心力。
7.根据权利要求4所述的方法，其包括对模具表面施加静电荷。
8.一种强化低熔点铸造金属部件的方法，其包括：
制备具有一熔点的熔融金属材料；
将具有比所述熔融金属材料的熔点更高的熔点的强化材料添加到模具中的预定位置；
将所述熔融金属材料浇注到所述模具中；和
冷却所述熔融金属材料。
9.根据权利要求8所述的方法，其包括通过施加磁力将所述强化材料保持在所述模具中的预定位置。
10.一种强化低熔点铸造金属部件的方法，其包括：
制备具有一熔点的熔融金属材料；
将具有比所述熔融金属材料的熔点更高的熔点的预定量的强化材料混合到所述熔融金属材料中；
将所述熔融金属材料浇注到模具的预定部分中，所述预定部分小于所述模具的总体积；
制备具有一熔点的第二熔融金属材料；
将第二熔融金属材料浇注到模具的其余部分中；和
固化所述熔融金属材料和第二熔融金属材料。
11.根据权利要求10所述的方法，其包括在浇注到所述模具的预定部分中期间通过占据模具的其余部分以将熔融材料排斥在模具的其余部分之外而将所述模具的预定部分与模具的其余部分隔离。
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