CN103331434A - 在金属中制备超大长径比长深通孔的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于材料制备和加工领域，涉及金属中一种超大长径比长深通孔制备方法。该方法是将按长深通孔的深度、直径、排布方向及分布特征制作的石墨-细长针预制体与金属液在型腔中一同凝固，然后拔出石墨-细长针预制体而在金属中制备出超大长径比长深通孔，制备的通孔直径0.3mm以上，长径比可达1—800。本发明通过使用石墨-细长针预制体可形成不同高度位置直径均一，孔轴向方向可控的直孔，长深通孔的深度、直径、排布方向及分布特征均可控。该方法制备长深通孔方法操作简单、周期短、成本低、易实现工业化，在超大长径比长深通孔制备领域有广阔的发展前景。

Description

在金属中制备超大长径比长深通孔的方法

技术领域：本发明涉及金属中一种超大长径比长深通孔制备方法，属于材料制备和加工领域。

背景技术：在当今航天航空、汽车等领域中以长深通孔为关键结构的零部件的应用越来越多，例如汽车缸体,缸盖中的主轴油孔、曲轴等长深通孔结构。因此对长深通孔的加工技术要求也越来越高，而传统的长深通孔的加工随着孔径尺寸的减小，深度的增加加工难度越来越大。尤其对超大长径比长深通孔的加工更是存在许多挑战。如何实现长深通孔的超大长径比、可控孔、批量化的工艺已成为现代制造加工技术最迫切需要的技术之一。

传统的长深通孔加工方法种类繁多，一般包括机械加工、特种加工两大类。如余祖元等人就曾采用特种加工技术中的电火花与超声波结合技术加工出长径比为29的长深孔，但长径比不大并需要电火花与超声波等相关设备。此外对于较少被应用于长深通孔的铸造方法而言，即便是近几年王向阳等人发明的名为一种铸钢、铸铁件水平铸造方法的专利中提到的长深通孔，其孔直径最小也只能是50mm,长径更是不大。通过上述加工方法及实例不难看出制备带有超大长径比的长深通孔均存在一定的难度，有的不仅加工耗时，增加制备周期并且或多或少都需要某些高精尖配套设备，增加制备成本，在加工应用前景上受到一定限制。

发明内容：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了金属中一种超大长径比长深通孔制备方法，该方法解决了超大长径比长深通孔加工深度、直径、排布方向、孔径分布特征不可控，加工效率低、成本较大的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种在金属中制备超大长径比长深通孔的方法，其特征在于：按以下方法进行操作：

（1）选取需要制备的金属基体材料；

（2）选取与该种金属基体材料浸润性差，即与金属浸润角>90°的石墨涂料；

（3）选取平直的耐高温细长针，该细长针的融化温度要高于金属基体材料的融化温度；

（4）将选取的调好的石墨涂料涂覆在细长针上制作成预制体，烘干备用；

（5）将金属基体材料熔化；

（6）按照长深通孔的深度、直径、排布方向及分布特征要求，将制备好的石墨-细长针预制体排布在熔化的金属基体材料中与熔化的金属基体材料一同在型腔中凝固；

（7）凝固成型后，去除金属基体材料内部的预制体，制备出超大长径比长深通孔。

金属基体材料可选与石墨浸润性差的纯金属或合金，即两者浸润角>90°,金属基体材料优选Al、铝合金,Ag、Sn、Pb、Mg、Cu、Ni、Fe+5%C、Fe+4.3%C、Ni+2.3%C、Co+2.7%C、生铁、球墨铸铁中的一种或多种金属材料。

选取的石墨涂料为普通用石墨涂料或特种石墨涂料，选取的石墨涂料不宜过稀或过稠，调成糊状并可粘附在细长针上保证细长针表面完全被覆盖且与金属的浸润性差（两者浸润角>90°）即可，涂层厚度大约在0.04～0.1mm范围内。

选取的细长针为钢针、铁针亦或是其它材质的细长针，且保证细长针在水平放置状态下平直并耐高温，耐高温温度由长深通孔金属基体材料熔点决定。

需要使用涂覆石墨的细长针制作石墨-细长针预制体，制作方式为手工或机器制作；制作的石墨-细长针预制体中所包含石墨-细长针的根数、每根石墨-细长针的长度、直径、排布方向、分布特征可根据需求不同自行控制；每根细长针需保证完全被石墨涂料覆盖，每根细长针的石墨涂料层厚度应尽可能的均匀，制成石墨-钢针预制体。

将制作的石墨-细长针预制体与金属液在型腔中一同凝固，所提及的型腔为砂型或金属型。

将制备的石墨-细长针预制体与金属液在型腔中凝固，是先将石墨-细长针预制体放入型腔中，再将金属液浇入型腔中一同凝固；或采用先将金属液注入型腔内，再将石墨-细长针预制体至于注入金属液的型腔中一同凝固；采用的方法为重力铸造、压力铸造、低压铸造、消失模铸造中的一种铸造方法。

去除石墨-细长针预制体的方法是将石墨-细长针预制体直接拔出，采用手动拔出或机械拔出；残留在金属内部的石墨涂料用水溶解去除；拔出后的石墨-细长针预制体若仍具有可操作条件，可重复使用。

本发明的优越性在于解决了金属中一种超大长径比长深通孔微小直径及大深度孔加工难度、加工效率低、成本高的问题。制备出的金属中超大长径比长深通孔直径：0.3mm以上，深径比：1—800。

附图说明：

图1为本发明的工艺流程图；

图2为通过本发明的方法获得的铸件。

具体实施方式：

本方法的总体技术思路是：选取石墨涂料可以是普通石墨涂料也可是特种石墨涂料，石墨涂料必须达到与金属基体不浸润(两者浸润角>90°）并可完全粘附在细长针上的要求。根据欲制备的长深通孔直径及深度选取细长针，细长针在水平放置状态下要保证平直，细长针材质要耐高温，温度需超过金属液熔化温度。制作出预制体：石墨-细长针。预制体采用人工制作或者机器制作而成。制作的石墨-细长针预制体中石墨-细长针的长度、直径、排布方向及分布特征可任意设计。选取熔点高于基体材料的细长针，将石墨涂料通过涂覆的形式粘附在细长针表面，涂覆方式可采用手工涂覆或机械涂覆，石墨涂层的厚度要均匀并保证细长针被石墨涂料完全覆盖。将涂覆好石墨涂料的石墨-细长针制作成石墨-细长针预制体。将制作好的预制体与熔融金属液在型腔中一同凝固，提及的型腔可以是砂型或金属型；采用的方法可为重力铸造、压力铸造、低压铸造、消失模铸造等各种铸造方法。制作的预制体与金属液在型腔中凝固，可先将石墨-细长针预制体放入型腔中，再将金属液浇入型腔中凝固，也可先将金属液注入型腔内，再将石墨-细长针预制体置于注入金属液的型腔中凝固。待凝固成型后可将石墨-细长针预制体直接拔出。对于残留在金属长深通孔内部的石墨涂料可用水溶解去除。制备出金属中一种超大长径比长深通孔。

实施例：

一种在金属中制备超大长径比长深通孔的方法，其特征在于：按以下方法进行操作：

（1）选取需要制备的金属基体材料；

（2）选取与该种金属基体材料浸润性差，即与金属浸润角>90°的石墨涂料；

（3）选取平直的耐高温细长针，该细长针的融化温度要高于金属基体材料的融化温度；

（4）将选取的调好的石墨涂料涂覆在细长针上制作成预制体，烘干备用；

（5）将金属基体材料熔化；

（6）按照长深通孔的深度、直径、排布方向及分布特征要求，将制备好的石墨-细长针预制体排布在熔化的金属基体材料中与熔化的金属基体材料一同在型腔中凝固；

（7）凝固成型后，去除金属基体材料内部的预制体，制备出超大长径比长深通孔。

石墨涂料必须达到与金属基体不浸润的要求，即两者浸润角>90°，并可完全粘附在细长针上。

金属基体材料可选与石墨浸润性差的纯金属或合金，即两者浸润角>90°,如：Al、铝合金,Ag、Sn、Pb、Mg、Cu、Ni、Fe+5%C、Fe+4.3%C、Ni+2.3%C、Co+2.7%C、生铁、球墨铸铁中的一种或多种，亦或是它们的合金，如镍铝合金、铝铁合金，镍钛合金等等。

选取的石墨涂料为普通用石墨涂料或特种石墨涂料，选取的石墨涂料不宜过稀或过稠，因为过稀或过稠都不利于石墨-细长针预制体在融化的金属基体材料中的设置。调成糊状的石墨涂料粘附在细长针上保证细长针表面完全被覆盖且与金属的浸润性差（两者浸润角>90°）即可，涂层厚度大约在0.04～0.1mm范围内，并尽可能的均匀，这样形成的空隙的均匀度才能保证。

选取的细长针为钢针、铁针亦或是其它材质的细长针，且保证细长针在水平放置状态下平直并耐高温，耐高温温度由长深通孔金属基体材料熔点决定。

需要使用涂覆石墨的细长针制作石墨-细长针预制体，制作方式为手工或机器制作；制作的石墨-细长针预制体中所包含石墨-细长针的根数、每根石墨-细长针的长度、直径、排布方向、分布特征可根据需求不同自行控制；每根细长针需保证完全被石墨涂料覆盖，每根细长针的石墨涂料层厚度应尽可能的均匀，制成石墨-钢针预制体。

将制作的石墨-细长针预制体与金属液在型腔中一同凝固，所提及的型腔为砂型或金属型。

将制备的石墨-细长针预制体与金属液在型腔中凝固，是先将石墨-细长针预制体放入型腔中，再将金属液浇入型腔中一同凝固；或采用先将金属液注入型腔内，再将石墨-细长针预制体至于注入金属液的型腔中一同凝固；采用的方法可以为重力铸造、压力铸造、低压铸造、消失模铸造等多种铸造方法。

去除石墨-细长针预制体的方法是将石墨-细长针预制体直接拔出，采用手动拔出或机械拔出；残留在金属内部的石墨涂料用水溶解去除；拔出后的石墨-细长针预制体若仍具有可操作条件，可重复使用。

本发明人在以前申请过碳纤维制备长深通孔的方法，本申请与以前的碳纤维制备长深通孔相比较，有以下几点优越性：

在孔径大小及成本方面：如采用碳纤维制备超大长径比长深通孔，当孔径尺寸在0.3mm以上时有的预制体需使用多股纤维来增加孔径尺寸，在成本上随之预制备孔径尺寸的加大而大大增加。而本发明在增大孔径方面采取的是选用不同直径的细长针在细长针表面涂覆一层涂料或多层石墨涂料涂来控制孔径大小。比碳纤维制备长深通孔原材料上每千克至少降低88%的费用，且用过的细长针仍可反复使用，性价比更高。

在工艺方面：碳纤维制备超大长径比长深通孔时有的是采用胶着的方式将纤维粘附在金属丝或是陶瓷管上，若高温时胶水起皮脱落失效会导致纤维与金属丝或陶瓷管紧密接触不良使制孔存在一定失败率。若将石墨直接刷在细长针上即可避免由于耐高温胶的失效带来的成孔率降低。此外，在制备与纤维束直径大小不相近的孔径时，需对纤维束进行合并或是拆分，由于单丝纤维直径只有几微米且切向方向上易断，在纤维束合并或拆分过程中存在很大难度，难以达到此类孔径要求。本发明若制备这类孔径时可直接调整细长针拟定直径或是石墨涂料厚度即可，操作起来更为简单易行。

在选材方面：与高成本碳纤维相比较，石墨涂料的选择范围广泛，普通或特种石墨涂料均可。碳纤维所具备的与金属基体材料浸润性差(浸润角>90°）、化学稳定性良好、耐高温，采用与纤维浸润角>90°的纯金属或合金材料作为金属基体材料等特点均满足。

以上为本发明产品的工业化生产、广泛推广及应用提供了有利条件。根据石墨-细长针预制体中所包含石墨-细长针的根数、每根石墨-细长针的长度、直径、排布方向及分布特征可控性可根据需求进行制备。从而所制得的长深通孔金属基体材料外部形状、尺寸以及内部长深通孔的直径及孔走向均可控制，适用范围极广。可见该方法工艺十分简单并且成本低，在生产过程中无污染、无三废，不造成对环境的危害。

Claims (8)

1.一种在金属中制备超大长径比长深通孔的方法，其特征在于：按以下方法进行操作：

（1）选取需要制备的金属基体材料；

（2）选取与该种金属基体材料浸润性差，即与金属浸润角>90°的石墨涂料；

（3）选取平直的耐高温细长针，该细长针的融化温度要高于金属基体材料的融化温度；

（4）将选取的调好的石墨涂料涂覆在细长针上制作成预制体，烘干备用；

（5）将金属基体材料熔化；

（6）按照长深通孔的深度、直径、排布方向及分布特征要求，将制备好的石墨-细长针预制体排布在熔化的金属基体材料中与熔化的金属基体材料一同在型腔中凝固；

（7）凝固成型后，去除金属基体材料内部的预制体，制备出超大长径比长深通孔。

2.根据权利要求1所述的在金属中制备超大长径比长深通孔的方法，其特征在于：金属基体材料选与石墨浸润性差的纯金属或合金，即两者浸润角>90°,金属基体材料优选Al、铝合金,Ag、Sn、Pb、Mg、Cu、Ni、Fe+5%C、Fe+4.3%C、Ni+2.3%C、Co+2.7%C、生铁、球墨铸铁中的一种或多种金属材料。

3.根据权利要求1所述的在金属中制备超大长径比长深通孔的方法，其特征在于：选取的石墨涂料为普通用石墨涂料或特种石墨涂料，选取的石墨涂料不宜过稀或过稠，调成糊状并可粘附在细长针上保证细长针表面完全被覆盖且与金属的浸润性差（两者浸润角>90°）即可，涂层厚度大约在0.04～0.1mm范围内。

4.根据权利要求1或3所述的在金属中制备超大长径比长深通孔的方法，其特征在于：选取的细长针为钢针、铁针亦或是其它材质的细长针，且保证细长针在水平放置状态下平直并耐高温，耐高温温度由长深通孔金属基体材料熔点决定。

5.根据权利要求1或3所述的在金属中制备超大长径比长深通孔的方法，其特征在于：需要使用涂覆石墨的细长针制作石墨-细长针预制体，制作方式为手工或机器制作；制作的石墨-细长针预制体中所包含石墨-细长针的根数、每根石墨-细长针的长度、直径、排布方向、分布特征可根据需求不同自行控制；每根细长针需保证完全被石墨涂料覆盖，每根细长针的石墨涂料层厚度应尽可能的均匀，制成石墨-钢针预制体。

6.根据权利要求1所述的在金属中制备超大长径比长深通孔的方法，其特征在于：将制作的石墨-细长针预制体与金属液在型腔中一同凝固，所提及的型腔为砂型或金属型。

7.根据权利要求1所述的在金属中制备超大长径比长深通孔的方法，其特征在于：将制备的石墨-细长针预制体与金属液在型腔中凝固，是先将石墨-细长针预制体放入型腔中，再将金属液浇入型腔中一同凝固；或采用先将金属液注入型腔内，再将石墨-细长针预制体至于注入金属液的型腔中一同凝固；采用的方法为重力铸造、压力铸造、低压铸造、消失模铸造中的一种铸造方法。

8.根据权利要求1所述的在金属中制备超大长径比长深通孔的方法，其特征在于：去除石墨-细长针预制体的方法是将石墨-细长针预制体直接拔出，采用手动拔出或机械拔出；残留在金属内部的石墨涂料用水溶解去除；拔出后的石墨-细长针预制体若仍具有可操作条件，可重复使用。

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