CN102328062A - 一种镶嵌式复合铸造方法 - Google Patents

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李继强
贾志欣
刘立君
刘�文
张学昌
吴红兵
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Abstract

本发明公开了一种镶嵌式复合铸造方法，包括：根据金属铸件的基材和需铸造的结构选择增强材料的种类并加工形成具有一定几何形状的增强单元体；对增强单元体的表面进行预处理；根据镶嵌铸造的位置要求和基材的凝固收缩特性将增强单元体组装成仿生增强骨架后放置在铸型中或直接将增强单元体在铸型中按设计位置进行放置形成仿生增强骨架；对安装有仿生增强骨架的铸型进行预热；在预热后的铸型中注入已液化成液态的基材，使形成镶嵌式复合铸件。该方法使基材和增强材料在复合过程中界面结合良好，用该方法制造的构件能达到较高的韧性、强度及耐磨性，且该方法不仅适用于以黑色金属作为基材进行复合，也适用于以有色金属作为基材进行复合。

Description

一种镶嵌式复合铸造方法
技术领域
本发明涉及铸造技术领域，具体涉及一种镶嵌式复合铸造方法。
背景技术
随着交通运输、通讯器材和航空航天等技术领域的不断发展，对其中构件的相关材料的要求也越来越高。除了要求材料具有良好的韧性，以抵抗在工作过程中所受的冲击，防止部件发生意外断裂，还要求材料具有高的强度和良好的耐磨性能，以保证构件的使用寿命。但一种材料同时具有高韧性和高硬度这两种性能在实际生产中是非常难以达到的，研究表明在基体合金中引入增强相可以大幅度提高基体合金的比强度、比刚度及弹性模量等性能指标，同时赋予基体合金工件优良的耐磨、耐蚀、减振性能和高温性能。镶嵌式复合铸造方法由于工艺简单、生产成本低，因此在实际生产中得到了广泛的应用。但现有技术的镶嵌式复合铸造方法在制造形状简单的构件时比较容易实现，对于制造一些形状较为复杂的构件时仍然存在不少问题，主要原因为镶嵌式复合铸造的增强材料必须以一定的比例、合适的尺寸及合理的布置方式进行与基材复合，才能使得铸件达到较高的韧性、强度及耐磨性配合，而现有技术在这方面始终没能达到这些性能符合要求的指标。另外，现有技术的镶嵌式复合铸造方法虽然可以做到以黑色金属为基材进行复合，但由于增强材料和基材之间的浸润性差及布置方式不合理等诸多问题，导致镶嵌式复合铸造方法还不能实现以有色金属作为基材进行良好复合，这也进一步限制了镶嵌式复合铸造方法的应用范围。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服以上现有技术问题的不足，提供一种基材和增强材料在复合过程中界面结合良好的镶嵌式复合铸造方法，用该方法制造的构件能达到较高的韧性、强度及耐磨性，且该方法不仅适用于以黑色金属作为基材进行复合，也适用于以有色金属作为基材进行复合。
本发明所采用的技术方案为：
一种镶嵌式复合铸造方法，包括以下步骤：
(1)根据金属铸件的基材和需铸造的结构选择增强材料的种类并加工形成具有一定几何形状的增强单元体。
(2)对增强单元体的表面进行预处埋。
(3)根据镶嵌铸造的位置要求和基材的凝固收缩特性将增强单元体组装成仿生增强骨架后放置在铸型中，或直接将增强单元体在铸型中按设计位置进行放置形成仿生增强骨架，仿生增强骨架的体积与基材体积之比为1∶(7～10)。组装方式一般采用焊接。对于焊接形成的仿生增强骨架，需在定位模具上校正以后再固定到铸型中。仿生增强骨架在铸型中的固定方式按照一般型芯的方式固定，也可以用水玻璃黏结剂进行粘接。
(4)对安装有仿生增强骨架的铸型进行预热至150～1000℃，预热的方式为电磁感应加热或电阻炉内加热。
(5)在预热后的铸型中注入已熔化成液态的基材，液态基材的温度为高于该基材的熔点50～150℃，使形成镶嵌式复合铸件。
所述步骤(2)中增强单元体在预处理之前先在增强单元体表面加工一些凹槽和/或凸台，凹槽的深度为0.5～5mm，凸台的高度为0.5～5mm，加工之后再进行预处理。
所述步骤(1)中基材为黑色金属或有色金属。对于基材为有色金属的铸造，该镶嵌式复合铸造方法还包括一个在步骤(5)后的去应力退火处理步骤，退火处理的处理温度200～550℃，处理时间1～2小时。
所述步骤(2)中增强单元体的材料为碳素钢或合金钢或硬质合金，增强单元体的形状为圆棒形或方棒形或条形或片状或半圆形或筒形。
所述步骤(3)中仿生增强骨架的形状为网状或鱼骨状或植物根系状或其他仿生结构。
所述步骤(2)中增强单元体表面的预处理为先打磨，接着7％NaOH溶液碱洗，70℃热水冲洗，20％H2SO4酸洗，70℃热水，然后200℃温度下烘干；或者在增强单元体表面涂覆铝、银或陶瓷材料的涂层，涂层厚度为几十纳米到一微米，铝、银涂层一般采用化学镀或电镀获得，陶瓷涂层目前主要通过气相沉积法获得；或者先毛化处理，接着碱洗，酸洗，然后烘干。
所述步骤(3)中铸型为砂型或金属型。
与现有技术相比，本发明具有以下显著优点和有益效果：仿生是未来新材料设计与制造潜在的最有效途径，生物体结构经过20亿年物竞天择的优化，几乎完美无缺。通过对蝴蝶、海生贝壳、竹子及树根等生物体的结构和静态学、动力学性能研究发现，生物体所具有的耐磨、抗挤压、抗裂纹等功能与其强化单元体的形状、特征尺寸、分布规律和数量有着密切的关系，这是生物经过亿万年的进化优化，逐渐形成与生存环境相适应的特征。结构仿生设计在建筑设计和医药卫生等领域有着广泛的研究和应用，本发明将仿生学原理应用于镶嵌式复合铸造领域，制备了增强单元体及仿生增强骨架，实现了增强单元体及仿生增强骨架的合理设计和布置，有效解决了现有技术中难以做到符合要求的增强材料与基材之间的浸润性、合适比例、合适尺寸及合适布置方式问题，从而使增强材料与基材的液固界面之间产生有效的冶金结合，赋予铸件优良的综合力学性能。
仿生学原理的应用有效实现了本发明镶嵌式复合铸造方法中增强材料与基材的液固界面之间的良好结合，再加上增强单元体表面的凹槽和/或凸台对界面结合的帮助，使该镶嵌式复合铸造方法不仅能以黑色金属为基材进行复合，还能以有色金属作为基材实现增强材料与基材的液固界面之间的良好结合，有效扩大了该镶嵌式复合铸造方法的应用范围。
附图说明
图1所示的是本发明一种镶嵌式复合铸造方法的实施例1中铸件垂直于仿生增强骨架的截面示意图；
图2所示的是本发明一种镶嵌式复合铸造方法的实施例2中铸件垂直于仿生增强骨架的截面示意图；
图3所示的是本发明一种镶嵌式复合铸造方法的实施例3中铸件垂直于仿生增强骨架的截面示意图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步具体描述，但不局限于此。
实施例1：
本实施例为球墨铸铁耐磨镶块的铸造。
由铸件形状和工作应力分布情况选取增强材料为硬质合金，具体型号为YG20，再根据铸件体积计算增强单元体体积为铸件体积的1/10，模拟潮间带贝类体表突起特征并进一步简化为含有一个圆形单元体的仿生模型，加工成直径为4mm的圆棒形，圆棒表面有高0.5mm的凸台。用砂纸将YG20硬质合金表面打磨干净，接着7％NaOH溶液碱洗除油，70℃热水冲洗，20％H2SO4酸洗除氧化皮，70℃热水，然后200℃温度下烘干。将增强单元体按附图1所示的方式示布置在铸型内。将布置好仿生增强骨架的型腔干燥后放置在中频感应装置内预热至800℃，然后把已经处理好的蠕墨铸铁铁液(温度在1450-1500℃)缓慢倒入型腔中，为防止铸件冷却速度过大，将型砂盖在砂箱上，直至铁液冷却成型。在相同的磨损条件下，该仿生镶嵌式复合铸件表现出了良好的抗磨损性能，其磨损失重量远远小于普通蠕墨铸铁试样，失重量减少5倍以上。
实施例2：
本实施例为镁合金气密性铸件的铸造。
由铸件形状和工作应力分布情况选取增强体材料为碳素钢，具体型号为Q235钢，并加工成直径为2mm圆棒形。用砂纸将表面打磨干净，清洗后用化学镀方法在增强体表面镀银，镀银层厚约30纳米。根据铸件体积计算增强单元体体积为铸件体积的1/8，模拟竹纤维沿竹杆壁径向分布特征将增强单元体按附图2所示的方式示布置在铸型内形成仿生增强骨架。然后将干燥后的型腔放置在中频感应装置内预热至450℃，再把已经精炼好的AZ91D镁合金熔液(温度在760℃)缓慢倒入型腔中，铸件冷却后，打箱将铸件取出并置于退火炉中去应力退火，退火温度350℃，退火时间为1小时。检验铸件气密性达到6MPa×5min，压降0.5MPa。
实施例3：
本实施例为铝合金滑动导轨的铸造。
由铸件形状和工作应力分布情况选取嵌增强材料为合金钢，具体型号为H13钢，加工成40mm×20mm×1.5mm的片状作为增强单元体，淬火及回火后将增强单元体模拟植物叶片或蜻蜒、蝴蝶等昆虫翅膀特征组合成如附图3所示的仿生增强骨架，然后用砂纸将表面打磨干净，接着7％NaOH溶液碱洗除油，70℃热水冲洗，20％H2SO4酸洗除氧化皮，无水乙醇清洗，然后表面镀铝，镀铝层厚约60纳米。根据铸件体积计算增强骨架体积为铸件体积的1/6，并将增强单元体布置在铸型内。将放好增强骨架的型腔干燥后放置在电阻炉内预热至250℃，然后把已经处理好的ZL104铝合金熔液(温度750℃)缓慢倒入型腔中，铸件冷却后，打箱将砂型取出并置于退火炉中去应力退火，退火温度200℃，退火时间为2小时。微观测试表明铸件复合层靠近钢基体一侧比较平整，靠近铝一侧呈锯齿状分布；耐磨性测试表明在相同的磨损条件下，仿生嵌铸试样的磨损失重量比普通ZL104试样失重量减少5倍。
实施例所用的原料，除另有说明外，均为适合铸造的市售工业品。
本发明的上述实施例是对本发明的说明而不能用于限制本发明，与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在权利要求书的范围内。

Claims (9)

1.一种镶嵌式复合铸造方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)根据金属铸件的基材和需铸造的结构选择增强材料的种类并加工形成具有一定几何形状的增强单元体；
(2)对增强单元体的表面进行预处理；
(3)根据镶嵌铸造的位置要求和基材的凝固收缩特性将增强单元体组装成仿生增强骨架后放置在铸型中或直接将增强单元体在铸型中按设计位置进行放置形成仿生增强骨架，仿生增强骨架的体积与基材体积之比为1∶(7～10)；
(4)对安装有仿生增强骨架的铸型进行预热至150～1000℃；
(5)在预热后的铸型中注入已液化成液态的基材，液态基材的温度为高于该基材的熔点50～150℃，使形成镶嵌式复合铸件。
2.根据权利要求1所述的一种镶嵌式复合铸造方法，其特征在于：所述步骤(2)中增强单元体在预处理之前先在增强单元体表面加工凹槽和/或凸台，凹槽的深度为0.5～5mm，凸台的高度为0.5～5mm。
3.根据权利要求1所述的一种镶嵌式复合铸造方法，其特征在于：所述步骤(1)中基材为黑色金属或有色金属。
4.根据权利要求3所述的一种镶嵌式复合铸造方法，其特征在于：对于基材为有色金属的铸造，还包括在步骤(5)后的去应力退火处理步骤，处理温度200～550℃，处理时间1～2小时。
5.根据权利要求1所述的一种镶嵌式复合铸造方法，其特征在于：所述步骤(2)中增强单元体的材料为碳素钢或合金钢或硬质合金。
6.根据权利要求5所述的一种镶嵌式复合铸造方法，其特征在于：所述步骤(2)中增强单元体的形状为圆棒形或方棒形或条形或片状或半圆形或筒形。
7.根据权利要求1所述的一种镶嵌式复合铸造方法，其特征在于：所述步骤(3)中仿生增强骨架的形状为网状或鱼骨状或植物根系状或其他仿生结构。
8.根据权利要求1所述的一种镶嵌式复合铸造方法，其特征在于：所述步骤(2)中增强单元体表面的预处理为先打磨，接着7％NaOH溶液碱洗，70℃热水冲洗，20％H2SO4酸洗，70℃热水，然后200℃温度下烘干；或者在增强单元体表面涂覆铝、银或陶瓷材料涂层，涂层厚度为几十纳米到一微米；或者先毛化处理，接着碱洗，酸洗，然后烘干。
9.根据权利要求1所述的一种镶嵌式复合铸造方法，其特征在于：所述步骤(3)中铸型为砂型或金属型。
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