CN1036180C - 铸造金属陶瓷表面复合材料及其生产工艺 - Google Patents
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Abstract
铸造金属陶瓷表面复合材料及其生产工艺属金属基复合材料及其生产工艺。本发明解决了用普通铸造方法使金属基体表面与陶瓷复合，一次成型为产品的问题。本发明的生产工艺为：将陶瓷材料粉碎成颗粒，按比例、组分、依顺序加料混合，预热砂型，将混合料浆喷刷到砂型表面发泡，形成相互联通的发泡层，合箱静置，将金属基体熔化浇涛成型。本发明简化了生产工艺过程，能一次成型得到最终产品，能提高金属表面的耐磨、耐热等性能，且节约材料。本发明用于黑色与有色金属陶瓷表面复合材料的生产。
Description
本发明属铸造金属基复合材料及其生产工艺。
目前与之密切相关的技术是采用压铸法(松原弘美，“粒子分散强化型复合材料的制造方法”，日本专利JP59-145742)生产陶瓷颗粒增强的铝基复合材料。这种方法的工艺过程是首先将陶瓷粉末制成多孔的成型体，均匀地放入铸型中浇铸金属，随后通过500-1000大气压的压力使金属液体浸入多孔的成型体。凝固后再进行轧制或挤压，使多孔成型体碎裂呈颗粒状分散在金属之中，从而获得整体复合的陶瓷颗粒增强的铝基复合材料。该方法在复合过程中需加压，复合后还需轧制或挤压，原材料需再加工才能成为最终产品，因此工艺过程复杂。
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种铸造金属陶瓷表面复合材料及其生产工艺，使铸造金属和陶瓷的复合及其产品的成型在浇铸凝固过程中一次完成，省掉了加压及后续加工过程，直接获得内部为金属基体，表层为金属陶瓷复合层的产品，能提高金属表面的耐磨、耐冲刷、耐热性能，节约金属材料。
为了实现上述发明目的，本发明的技术方案是：首先混料，同时将砂型预热，然后将混合好的浆料喷刷到砂型表面发泡，发泡处理后合箱静置，同时将金属熔化，然后用常压普通铸造方法浇铸成型。
本发明所用原材料由混合剂、无机粘接剂、有机粘接剂、发泡剂、增强剂、金属基体材料组成。其中采用水作为混合剂，比例为10-60％wt，硼酸、硼酸钠中的任一种作为无机粘结剂，比例为1-10％wt，采用工业糖浆、酚醛树脂、环氧树脂、甲基纤维树脂中任一种作为有机粘结剂，比例为1-10％wt；采用烷基磺酸钠或烷基磺酸钾或氨基甲酸乙脂作为发泡剂，比例为1-10％wt，选用工业SiO2、Al2O3、MgO、SiC、Si3N4、AlN和ZrO2中任一种陶瓷粉末做增强剂，比例为30-80％wt。金属基体材料采用铸铁、或铸钢、或铸造铝合金、或铸造铜合金。
在所用材料中，应对选定的一种陶瓷材料粉碎成粒度0.01-1mm的粉末，烷基磺酸钠或烷基磺酸钾或氨基甲酸乙脂为市售20-80％wt的水溶液；工业糖浆为工业所用比重2-4g/cm3的液体。其它各种物质纯度为90％-99.99％。
混料在搅拌桶中通过电机以500-2000转/分的速度带动购买的搅拌器进行。加料顺序依次为混合剂、无机粘结剂、有机粘结剂、发泡剂和增强剂，每种物质加入后搅拌5-10分钟再添加入下一种物质，直到最后陶瓷粉末在混合液中呈悬浮状态(搅拌桶底部无沉淀)。
砂型预热在80℃-200℃进行6-14小时。
对预热后的铸造砂型的表面喷刷发泡。喷刷发泡是通过搅拌器上的喷嘴，用压力为(1-10)公斤/mm2的压缩空气，以(1-5)公斤/分的流量将混合的浆料喷刷到预热后的铸造砂型表面，通过有机物的燃烧挥发及发泡剂的作用，在泥芯表面形成2-8mm厚的多孔陶瓷层。多孔陶瓷层中的孔洞应均匀分布，并相互联通，孔洞尺寸大小应控制在0.5-2mm之间。
本发明最终产品的表面为铸造金属陶瓷复合材料，基体为铸造金属，该铸造金属为有色金属或其合金，黑色金属或其合金。复合层与基体之间无分离界面，该金属由基体到表面连续过渡。复合层中陶瓷颗粒均匀分布，含量为10％-70％wt。
本发明与背景技术相比具有以下优点：
(1)、本发明提出的表面浸渗复合工艺使铸造金属与陶瓷在金属表面复合，而不是整体复合。在铸造金属表层(如图2)，由于陶瓷颗粒的强化作用，使铸造金属表面的耐磨、耐冲刷和耐热等性能提高。因此，对于只要求材料表面性能的场合，可大大节约金属材料。
(2)、本发明采用常压普通铸造方法实现金属与陶瓷的复合，避免了其它方法中的加压等其它复杂工艺过程，简化了生产工艺过程。
(3)、通过普通铸造方法可使铸造金属与陶瓷的复合与产品的成型一次完成，直接获得带有铸造金属陶瓷复合层的各种尺寸的最终产品，而不再进行后续加工而直接使用。而采用其它方法，铸造金属与陶瓷复合后，往往需要后续加工才能使用。
图1为本发明的工艺流程图。
图2为亚共晶灰口铸铁与SiO2表面复合材料的组织形态。
下面予以说明：实施例1：
亚共晶灰口铸铁——SiO2表面复合材料的制取(按重量百分比加料)
按照上述工艺流程配料组分采有粒度为0.5mmSiO2陶瓷粉末68％，硼酸2％，工业糖浆6％，烷基磺酸钠6％，水18％，按前述加料顺序加料、混料[1]，生产过程的工艺参数采用每种物质加入后均以1000转/分搅拌混合5分钟，砂型预热[2]为砂型在150℃预热10小时，将混合后的料浆喷刷发泡[3]，喷刷时，压缩空气压力5公斤/mm2，喷料流量3公斤/分，将混合材料浆喷刷到预热后的铸造砂型表面，形成厚度为2-5mm，孔洞尺寸为0.5-2mm，均匀分布，且相互连通的多孔陶瓷层合，合箱静置[4]20分钟，铸铁熔化[5]后的浇铸[6]温度为1250℃。
按此工艺参数浇铸后可在铸铁表面获得2-5mm厚的金属陶瓷复合层。该复合层所含SiO2陶瓷颗粒的重量百分比为30-60％，复合层中金属的显微硬度为HV260，高于基体金属的显微硬度，复合层在850℃的热疲劳性能为基体的2倍。实施例2：
在铸造铝合金ZL101(A1-7％Si)表面制备Al2O3陶瓷颗粒增强的金属陶瓷复合层。
按照提出的工艺流程，其配料组分采用粒度为0.5mm的Al2O3陶瓷粉末60％，硼酸4％，工业糖浆9％，烷基磺酸钠8％，水19％。生产过程的工艺参数采用每一种物质加入后，均以1000转/分搅拌速度。搅拌混合5分钟，砂型在150℃预热12小时，喷刷时，压缩空气压力4公斤/mm2，喷料流量2.5公斤/分，将混合材料浆喷到预热后的铸造砂型表面，形成厚度为2-5mm孔洞尺寸为0.5-2mm均匀分布，且相互连通的多孔陶瓷层。合箱后静置20分钟，浇铸温度720℃。
按此工艺参数可在Al-7％Si铝合金表面获得厚度为4mm的复合层，其耐磨性为基体金属的3倍。实施例3：
在铸造铜合金(ZQSn6-6-3)表面制备Al2O3增强的金属陶瓷复合层。
除浇铸温度采用1100℃，其余配料成份和工艺参数与实施例2相同，浇铸后可在铜合金表面获得4mm厚的金属陶瓷复合层。
Claims (3)
1、一种铸造金属陶瓷表面复合材料的生产工艺，包括将所需陶瓷材料粉碎成粒状，按比例混料和对铸造砂型预热，合箱静置，浇铸成型，其特征在于：
(1)所述陶瓷颗粒粒度为0.01-1mm；
(2)所述按比例混料是指按以下组分、重量百分比，顺序依次进行：
水 10-60％
硼酸或硼酸钠 1-10％
工业糖浆或环氧树脂或
酚醛树脂或甲基纤维树脂 1-10％
烷基磺酸钠或烷基磺酸
钾或氨基甲酸乙脂 1-10％
SiO2或Al2O3或MgO或SiC
或Si3N4或AlN或ZrO2陶瓷粉末 30-80％
上述每种物质加入后，均以搅拌速度为500-2000转/分，搅拌5-10分钟，再加入下一物质，直至陶瓷粉末在混合液中呈悬浮状态；
(3)将铸造砂型在80-200℃进行6-14小时预热，然后在预热后的铸造砂型的型腔表面喷刷发泡，喷刷发泡通过搅拌器上的喷嘴，用(1-10)公斤/mm2的压缩空气，以(1-5)公斤/分的流量将混合料浆喷刷到预热后的铸造砂型表面，通过有机物的燃烧挥发及发泡剂的作用，在泥芯表面形成厚度为2-8mm，孔洞尺寸为0.5-2mm，均匀分布，且相互联通的多孔陶瓷层。
2、根据权利要求1所述的铸造金属陶瓷表面复合材料的生产工艺，其特征在于亚共晶灰口铸铁——SiO2表面复合材料的生产工艺为：
(1)、把SiO2陶瓷材料粉碎成粒度为0.5mm的粉末；
(2)、按以下组分，重量百分比，顺序依次加料；
水 18％
硼酸 2％
工业糖浆 6％
烷基磺酸钠 6％
SiO2陶瓷粉末 68％
上述每种物质加入后，均以1000转/分的搅拌速度，搅拌5分钟，再加入下一种物质，直至SiO2陶瓷颗粒在混合液中呈悬浮状态；
(3)、用5公斤/mm2的压缩空气，以3公斤/分的喷料流量，将混合材料浆喷刷到预热后的铸造砂型表面，形成厚度为2-5mm，孔洞尺寸为0.5-2mm，均匀分布，且相互连通的多孔陶瓷层。
3、根据权利要求1所述的铸造金属陶瓷表面复合材料的生产工艺，其特征在于铸造铝合金ZL101(Al-7％Si)或铸造铜合金(ZQSn6-6-3)均与Al2O3陶瓷表面复合材料生产工艺为：
(1)、把Al2O3陶瓷材料粉碎成粒度为0.5mm粉末；
(2)、按以下组分，重量百分比，顺序依次加料；
水 19％
硼酸 4％
工业糖浆 9％
烷基磺酸钠 8％
Al2O3陶瓷粉末 60％
上述每种物质加入后，均以1000转/分的搅拌速度，搅拌5分钟，再加入下一种物质，直至Al2O3陶瓷粉末在混合液中呈悬浮状态；
(3)、用4公斤/mm2的压缩空气，以2.5公斤/分喷料流量将混合材料浆喷刷到预热后的铸造砂型表面，形成厚度为2-5mm，孔洞尺寸为0.50-2mm，均匀分布，且相互联通的多孔陶瓷层。
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