CN103203448A - 一种金属基陶瓷复合材料零件的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属基陶瓷复合材料零件的制造方法，包括下述步骤：1）材料试样制备；2）对材料试样性能检测；3）设计、制造铸造模具；4）填料置于铸造模具中，预置、镶嵌，铸型，制成陶瓷零件蜡坯；5）陶瓷零件蜡坯进行辅料填埋、脱蜡、高温烧结，得陶瓷零件预制体；6）陶瓷零件预制体进行尺寸检测；7）设计、制造浸渗模；8）装配陶瓷零件预制体和浸渗模，得到装配体；9）装配体进行金属浸渗，得到金属基陶瓷零件精铸坯；10）精铸坯粗加工、热处理、半精加工、表面处理、精加工和超精加工，即得金属基陶瓷复合材料零件成品。该方法减小了零件的后期加工难度和加工量，实现了复杂零件的高精度、超高精度加工，成本低，易于实现批产。

Description

一种金属基陶瓷复合材料零件的制造方法

技术领域

本发明涉及材料制造和机械加工领域，尤其涉及金属基陶瓷材料零件的制造方法。

背景技术

金属基陶瓷（或称为陶瓷基金属）复合材料具有比强度和比刚度高、线膨胀系数小、尺寸稳定性好、耐磨耐热耐腐蚀性高等优点，在仪器仪表、兵器、航空、航天、汽车、摩托车等工业领域有很大的应用潜力。

国外在上世纪60年代便开始了该材料的研究，目前尤其是美国、俄罗斯在国防军事领域中广泛地应用金属基陶瓷复合材料中的铝基碳化硅复合材料,取得了显著的成果。中国则在1985年由哈尔滨工业大学牵头组织,引进日本的相关技术进行了研究。目前我国在材料制备技术上已经比较成熟，但目前只能推广应用在结构形状简单的电子封装上，性能优势远远没有发挥出来，其根本原因是该材料的陶瓷相硬度高，零件切削加工中存在刀具磨损严重、加工成本高并且难以获得高质量的加工表面和进行复杂零件的高精度加工，影响了其应用。

为此材料行业希望通过陶瓷颗粒的细化来降低加工难度，机械加工行业则为此开发特殊专用工具以提高切削效率和表面质量。追求陶瓷颗粒的细化会致使材料制造技术难度加大、成本上升，而且技术还没有成熟；使用特殊专用工具，如聚晶金刚石PCD刀具，目前还无法进行较复杂零件的高精度、超高精度加工，而且不能保证加工表面质量。

因此，提供一种能解决上述问题的方法成为目前该复合材料应用领域亟待解决的关键技术。

发明内容

本发明提供了一种金属基陶瓷复合材料零件的制造方法，通过该方法能够制造出高精度、超高精度尺寸以及高表面质量的复杂零件，通过一次成型的制造金属基陶瓷复合材料零件，较通过陶瓷颗粒的细化或使用特殊专用聚晶金刚石PCD刀具来降低加工难度的方式，该方法其成本低，能够方便有效地获得金属基陶瓷复合材料零件。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

一种金属基陶瓷复合材料零件的制造方法，包括下述步骤：

1）根据金属基陶瓷复合材料零件背景设计要求，利用传统的金属基陶瓷复合材料的浸渗制备方法进行材料试样制备；

2）对材料试样进行性能检测，如果不满足金属基陶瓷复合材料零件材料性能要求，则重新进行试样制备；如果满足金属基陶瓷复合材料零件材料性能要求，则进行铸造模具制造；

3）根据金属基陶瓷复合材料零件形状和后期加工要求设计、制造铸造模具；

4）将填料加入到铸造模具中，并进行预置、镶嵌，然后进行铸型，制成陶瓷零件蜡坯，脱去铸造模；

5）对陶瓷零件蜡坯采取辅料填埋、脱蜡、高温烧结，制成陶瓷零件预制体；

6）对陶瓷零件预制体进行尺寸检测，如果合格，则进行下一工序；如果不合格，则对铸造模具进行修配、打磨、校正、检测，重复步骤4）-6）；

7）按照金属基陶瓷复合材料零件形状和后期加工要求设计、制造浸渗模，浸渗模分为主件浸渗模具和配件预置体、镶嵌体和工艺芯；

8）把陶瓷零件预制体按照一定间隙和浸渗模进行装配，并植入工艺芯、预置体和镶嵌体，得到装配体；

9）将装配体放入浸渗炉中，按照传统浸渗法进行金属浸渗，完成后脱去浸渗模具，得到金属基陶瓷复合材料零件精铸坯；

10）对金属基陶瓷复合材料零件精铸坯按照传统金属加工工艺进行粗加工、热处理、半精加工、表面处理、精加工和超精加工，即得金属基陶瓷复合材料零件成品。

进一步地，所述步骤4）中填料为陶瓷粉和成型剂石蜡按照试样制备的比例混合而成。

进一步地，所述步骤4）中对铸造模具进行预置、镶嵌，是在预置体、镶嵌体材质的熔点高于陶瓷零件蜡坯的高温烧结温度的条件下，在填料加入到铸造模具后，根据零件设计和加工要求在陶瓷零件蜡坯上相应位置设置预置体、镶嵌镶嵌体。

进一步地，所述步骤7）中浸渗模配件预置体、镶嵌体的制作，是在预置体、镶嵌体材质的熔点低于陶瓷零件蜡坯的高温烧结温度的条件下，把其作为浸渗模的配件进行制作。

进一步地，所述镶嵌体的材质根据零件设计要求确定，镶嵌体的形状大小是根据零件设计和加工要求来确定的。

进一步地，所述预置体与金属基陶瓷复合材料零件中的孔腔结构形状相同，预置体体积小于金属基陶瓷复合材料零件孔腔体积，预置体的材质根据零件设计要求确定。

进一步地，所述的浸渗模配件工艺芯，其材质和形状大小根据零件后期的加工要求确定。

进一步地，所述步骤5）中辅料填埋，辅料为三氧化二铝或者金刚石粉，选取辅料时，保证辅料的瓷化温度高于陶瓷（指填料制备中用的陶瓷，以下同）的陶瓷化温度。

进一步地，所述脱蜡分为低温熔蜡和高温脱蜡过程，低温熔蜡温度为80～150℃，高温脱蜡温度为500～600℃。

进一步地，所述高温烧结温度低于陶瓷的陶瓷化温度50～150℃，陶瓷的瓷化温度在1200～2000℃。

进一步地，所述陶瓷零件预制体按照一定间隙和浸渗模进行装配，所述间隙为用于覆盖金属基陶瓷复合材料零件加工面而填充浸渗金属的间隙。为保证陶瓷预制体表面与浸渗模具之间留出适当间隙，这些空隙全面覆盖将来的零件加工面，对于不需要再进行加工的面，则不需要留间隙。

本发明不同于现有的材料制备工艺，通过模具设计、制作以及预置、镶嵌、工艺芯和合理地放置陶瓷零件预制体和浸渗模等工艺，得到的不是传统的难以加工的板料、棒料等坯料，而是具有良好加工工艺性的金属基陶瓷零件精铸坯，从而降低了后期加工的难度和成本，减少了后期加工工序和加工量；解决了金属、陶瓷复合材料零件的高精度、超高精度加工和表面质量问题，节约了材料；而且模具可重复使用，易于实现批量生产。

附图说明

图1为本发明工艺流程框图。

图2为一个金属基陶瓷复合材料零件的加工示意图。

图中：1、陶瓷零件预制体相；2、浸渗金属相；3、零件加工面；4、浸渗模相；5、预置体相。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，为本发明金属基陶瓷或金属基陶瓷复合材料零件的制造方法流程图，该方法包括下述步骤：

1）根据金属基陶瓷复合材料具体零件背景设计要求，利用传统的金属基陶瓷复合材料的浸渗制备方法进行材料试样制备；

2）对材料试样进行性能检测，如果不满足金属基陶瓷复合材料零件材料性能要求，则重新进行试样制备；如果满足金属基陶瓷复合材料零件材料性能要求，则进行铸造模具制造；

3）根据金属基陶瓷复合材料零件形状和后期加工要求设计、制造铸造模具；

4）将陶瓷粉和成型剂（如石蜡）按照试样制备时确定的比例混合制成填料加入到铸造模具中，并进行预置、镶嵌，然后进行铸型，制成陶瓷零件蜡坯，脱去铸造模；

其中，对于一些具有镶嵌结构的零件，如果镶嵌体材料的熔点高于陶瓷的陶瓷化温度，则在陶瓷蜡坯上相应位置镶嵌镶嵌体，镶嵌体材料根据零件设计要求选材，形状大小根据零件设计和加工要求确定；对于一些具有孔腔的零件，如果预置体材料的熔点高于陶瓷的陶瓷化温度，则在陶瓷零件蜡坯体上相应位置设置预置体，预置体与陶瓷零件中的孔腔结构形状相同，预置体体积大于金属基陶瓷复合材料零件孔腔体积，预置体大小要能保证包容后期孔腔的加工面，预置体材料根据零件设计思想选材；

5）对陶瓷零件蜡坯采取辅料填埋、脱蜡、高温烧结，制成陶瓷零件预制体；将陶瓷蜡坯置于加热炉中，用辅料填埋，首先进行80～100℃的低温熔蜡，然后进行500～600℃的高温脱蜡，最后于低于陶瓷的陶瓷化温度50～150℃的温度进行高温烧结定型，碳化硅陶瓷的瓷化温度为1200℃左右，氧化铝陶瓷的瓷化温度为1500℃左右，碳化硼陶瓷的瓷化温度为2000℃左右，氧化锆陶瓷的瓷化温度为1300℃左右，制成陶瓷零件预制体；

6）对陶瓷零件预制体进行尺寸检测，如果合格，则进行下一工序；如果不合格，则对铸造模具进行修配、打磨、校正、检测，重复步骤4）-6）；

7）按照金属基陶瓷复合材料零件形状和后期加工要求设计、制造浸渗模，浸渗模分为主件浸渗模具和配件预置体、镶嵌体、工艺芯；

这里，是在预置体、镶嵌体材质的熔点低于陶瓷零件蜡坯的高温烧结温度的条件下，把预置体和镶嵌体作为浸渗模的配件进行制作，其制作方法步骤4）已经描述。配件工艺芯的材质和形状大小根据零件的加工要求确定；

8）把陶瓷零件预制体按照一定间隙和浸渗模进行装配，并植入工艺芯和预置体、镶嵌体，得到装配体；

这里，如果预置体、镶嵌体材质的熔点高于陶瓷零件蜡坯的高温烧结温度，则这里不需要进行预置体和镶嵌体的植入，而在步骤4）中进行；如果预置体、镶嵌体材质的熔点低于陶瓷零件蜡坯的高温烧结温度，则在本步骤按照零件设计和加工要求进行预置体和镶嵌体的预置和镶嵌；

这里，把陶瓷零件预制体按照一定间隙放入浸渗模，保证零件陶瓷预制体表面与浸渗模具之间留出适当间隙，这些空隙为用于覆盖金属基陶瓷复合材料零件加工面而填充浸渗金属的间隙，对于不需要再进行加工的面，则不需要留间隙；

9）将装配体放入浸渗炉中，按照传统浸渗法进行金属浸渗，完成后脱去浸渗模具，得到金属基陶瓷复合材料零件精铸坯；

10）对金属基陶瓷复合材料零件精铸坯按照金属传统加工工艺进行粗加工、 热处理、半精加工、表面处理、精加工和超精加工，制造出具有高精度尺寸和高表面质量的金属基陶瓷复合材料零件。

下面通过一个零件的加工过程来进一步说明本发明的实施方式。

如图2所示，将经过铸造模具铸型、脱蜡、高温预烧结后的陶瓷零件预制体相1放置在铸造模具之前，先在陶瓷零件预制体相1中预置预置体相5，然后放置入浸渗模相4中进行浸渗，得到包覆于预置预置体相5外周的、浸渗在陶瓷零件预制体相1中的浸渗金属相2，脱去浸渗模相4，得到由陶瓷相1、预置体相5和浸渗金属相2构成了金属基陶瓷精铸坯；然后在金属基陶瓷精铸坯上按照进行零件加工面3的要求进行金属基陶瓷复合材料零件的加工。

本发明打破零件设计、零件加工、材料制造的界限，采取跨行业的方式，把零件的设计和加工思想融合到材料的制造过程中去，得到的具有加工工艺性的零件精铸坯，然后进行传统工艺加工，以此降低零件后续机械加工的高精度、超高精度加工及保证加工表面质量的困难。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书所确定的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种金属基陶瓷复合材料零件的制造方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

1）根据金属基陶瓷复合材料零件设计要求，利用传统的金属基陶瓷复合材料的浸渗制备方法进行材料试样制备；

2）对材料试样进行性能检测，如果不满足金属基陶瓷复合材料零件材料性能要求，则重新进行试样制备；如果满足金属基陶瓷复合材料零件材料性能要求，则进行铸造模具和浸渗模制造；

3）根据金属基陶瓷复合材料零件形状和后期加工要求设计、制造铸造模具；

4）将填料加入到铸造模具中，并进行预置、镶嵌，然后进行铸型，制成陶瓷零件蜡坯，脱去铸造模；

5）对陶瓷零件蜡坯采取辅料填埋、脱蜡、高温烧结，制成陶瓷零件预制体；

6）对陶瓷零件预制体进行尺寸检测，如果合格，则进行下一工序；如果不合格，则对铸造模具进行修配、打磨、校正、检测，重复步骤4）-6）；

7）按照金属基陶瓷复合材料零件形状和后期加工要求设计、制造浸渗模，浸渗模分为主件浸渗模具和配件预置体、镶嵌体和工艺芯；

8）把陶瓷零件预制体按照一定间隙和浸渗模进行装配，并植入工艺芯、预置体和镶嵌体，得到装配体；

9）将装配体放入浸渗炉中，按照传统浸渗法进行金属浸渗，完成后脱去浸渗模具，得到金属基陶瓷复合材料零件精铸坯；

10）对金属基陶瓷复合材料零件精铸坯按照传统金属加工工艺进行粗加工、热处理、半精加工、表面处理、精加工和超精加工，即得金属基陶瓷复合材料零件成品。

2.根据权利要求1所述的金属基陶瓷复合材料零件的制造方法，其特征在于，所述步骤4）中填料为陶瓷粉和成型剂石蜡按照一定的比例混合而成。

3.根据权利要求1所述的金属基陶瓷复合材料零件的制造方法，其特征在于，所述步骤4）中对铸造模具进行预置、镶嵌，是在预置体、镶嵌体材质的熔点高于陶瓷零件蜡坯的高温烧结温度的条件下，在填料加入到铸造模具中后，根据零件设计和加工要求在陶瓷零件蜡坯上相应位置设置预置体、镶嵌镶嵌体。

4.根据权利要求1所述的金属基陶瓷复合材料零件的制造方法，其特征在于，所述步骤7）中浸渗模配件预置体、镶嵌体的制作，是在预置体、镶嵌体材质的熔点低于陶瓷零件蜡坯的高温烧结温度的条件下，把其作为浸渗模的配件进行制作。

5.根据权利要求3或4所述的金属基陶瓷复合材料零件的制造方法，其特征在于，所述镶嵌体的材质根据零件设计要求确定，形状大小根据零件设计和加工要求确定；所述预置体与金属基陶瓷复合材料零件中的孔腔结构形状相同，预置体体积小于金属基陶瓷复合材料零件孔腔体积，预置体的材质根据零件设计要求确定。

6.根据权利要求1所述的金属基陶瓷复合材料零件的制造方法，其特征在于，所述工艺芯的材质和形状大小根据零件的后期加工要求确定。

7.根据权利要求1所述的金属基陶瓷复合材料零件的制造方法，其特征在于，所述步骤5）中辅料填埋，辅料为三氧化二铝或者金刚石粉。

8.根据权利要求1所述的金属基陶瓷复合材料零件的制造方法，其特征在于，所述脱蜡分为低温熔蜡和高温脱蜡过程，低温熔蜡温度为80～150℃，高温脱蜡温度为500～600℃。

9.根据权利要求1所述的金属基陶瓷复合材料零件的制造方法，其特征在于，所述高温烧结温度低于陶瓷的瓷化温度50～150℃，陶瓷的瓷化温度在1200～2000℃。

10.根据权利要求1所述的金属基陶瓷复合材料零件的制造方法，其特征在于，所述陶瓷零件预制体按照一定间隙放入浸渗模，所述间隙为用于覆盖金属基陶瓷复合材料零件加工面而填充浸渗金属的间隙。

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