CN1037117C - 铸造金属基复合材料的制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种铸造金属基复合材料的制造方法，金属基复合材料中的金属材料可以是铝、镁、铅、锌、铜或这些金属的合金，增强组元可以是各种陶瓷颗粒如SiC，Si3N4，Al2O3，B4C，BN，其特征在于，工艺过程如下：陶瓷颗粒预热，温度选择在金属材料熔点以上，金属材料熔化，液态金属材料在烧铸前应达到熔点以上50℃-150℃；压力浸渗，压力大于20MPa；快速冷却；重新升温至金属熔化，利用机械搅拌，机械振动，电磁搅拌，超声振荡等方法将增强组元在金属液体中均匀分散；浇铸。本发明使金属与颗粒之间复合情况良好，工艺简单明了，只需用一般设备即可实现，适合工业化生产的需要。
Description
本发明涉及金属基复合材料领域，具体地说就是提供了一种铸造金属基复合材料的制造方法。
金属基复合材料因其性能较基体合金有很大提高，近些年来受到普遍重视，制造金属基复合材料的方法目前大至可分两类，一种为粉末冶金的方法，即将金属或合金粉末与陶瓷粉末均匀混合，压型、浇铸，此种方法因原料特别是金属粉末价格的昂贵，及制造工艺复杂、成本较高，同时由于原料粉颗粒表面的氧化皮，会导致金属基复合材料韧性的降低。另一种方法即为铸造法，为实现陶瓷颗粒与金属的复合通常采用机械搅拌的方式，由于陶瓷颗粒在金属液中的润湿性极差，复合的效果很不理想，于是人们在如何改进陶瓷颗粒润湿性方面做了大量工作，包括在半固态情况下进行搅拌混合及预先对陶瓷颗粒进行处理等，但改进的效果并不明显，最新材料报导，复合的最小颗粒直径为10μm。况且为避免金属液的氧化，整个搅拌过程需在高温真空或保护性气氛下进行，设备要求复杂，不适合工业化生产。
本发明的目的在于提供一种铸造金属基复合材料的方法，既能改善金属与陶瓷材料的复合，又能使设备要求简单，工艺易于实现。从而开发出适合于工业化大生产的金属基复合材料。
本发明提供的方法所制造的金属基复合材料中，金属材料可以是铝、镁、铅、锌、铜或这些金属的合金，增强组元可以是各种陶瓷颗粒如SiC，Si3N4，Al2O3，B4C，BN等。本发明的具体工艺过程如下：
——陶瓷颗粒预热，温度选择在金属材料熔点以上，金属材料熔化，液态金属材料在浇铸前应达到熔点以上50℃-150℃；
——压力浸渗，压力大于20MPa；
——快速冷却；
——重新升温至金属熔化，利用机械搅拌，机械振动，电磁搅拌，超声振荡等方法将增强组元在金属液体中均匀分散；
——浇铸。
陶瓷颗粒预热温度如果很高，则要在保护性气氛下进行，以避免颗粒表面吸附过多的氧，温度一般选择在金属材料熔点以上。为保证流动性，液态金属材料在浇铸前应达到熔点以上50℃～150℃，压力浸渗使金属与颗粒复合的过程，可以用气压也可以用机械压力的办法来实现，压力一般大于20MPa。复合后再快速冷却凝固，以防止可能发生的有害的金属与增强组元之间的化学反应，复合后的材料再重新升温至金属熔化，利用机械搅拌，机械振动，电磁搅拌，超声振荡或其它方法，将增强组元在金属液体中均匀分散，得到成分分布均匀的金属基复合材料，可以直接铸造成各种复合材料零件，也可铸成铸锭，以便以后进行熔化和铸造。金属基复合材料的合金成分及其合量以及增强组元的体积分散可以在压浸复合前确定，也可以在重熔分散或铸锭重熔时，加入金属或合金再行调整。本发明由于采用了压力浸渗的复合方式，复合颗粒的最小尺寸可以达到5μm 。工艺简单明了，用一般设备即可实现，适合工业化生产的需要，下面详述实施例。
实施例1
利用工业纯铝(铝含量大于99.7％)和工业硅配制成含7重量％Si的Al--Si合金。增强组元为工业SiC粉末，平均粒度10μm。利用45吨的液压机进行压力浸渗，压力为20MPa，使用的模具为45号钢制造，内径为80mm。
将Al—7重量％Si合金熔化后升温至740℃，为减少铝熔液中的气体含量的夹杂，利用精炼的方法进行精炼处理。精炼剂为48％KCl+48％NaCl+4％NaF，重量为铝合金的0.5％左右。
200克SiC粉末放入坩锅后，升温至700℃预热。如果预热温度再提高，应通入N2和Ar气保护以避免粉末表面氧化。
模具和上下压头均预热到300℃以上。
将预热后的200克SiC粉末倒入模具中后，倒入650克铝合金液体。液态铝倒入模具后，立即加压，保持压力30秒钟后，取出已经凝固的材料。观察表明，液态铝完整的渗透了SiC粉末，没有气孔和未被渗透的部位，显微结构观察表明，SiC粉末与铝合金间的界面结合十分完好，没有发现反应层和结合不连续现象，局部的SiC颗粒的体积分数最大不超过40％。
将上述复合好的材料表面清洗干净后，重新升温至720℃，待铝合金熔化后，利用机械搅拌的方法，将SiC颗粒在液态铝中分散均匀。搅拌时间约20分，SiC颗粒的分布已相当均匀。上述过程完成后，浇成SiC体积分数约为20％的铸锭。
实施例2
过程如实施例1，但倒入模具中的液态铝合金的量减少到400克。搅拌时，加入480克铝，制成SiC体积分数约15％的铸造复合材料。
实施例3
平均粒度为5μm的工业SiC粉末150克，500克ZL10，其它过程如例1，搅拌时，再加入600克熔化的ZL108合金，制得体积分数约10％的复合材料。
实施例4
将按照上述例3制造的复合材料铸锭重新熔化，熔炼温度730℃，轻微搅拌，利用砂型铸造出平行段直径为5mm，总长60mm的试样，利用石黑型可铸造出8mm的试样，显微结构分析，颗粒分布均匀，最大气孔不超过0.1mm。
Claims (3)
1、一种铸造金属基复合材料的制造方法，金属基复合材料中的金属材料可以是铝、镁、铅、锌、铜或这些金属的合金，增强组元可以是各种陶瓷颗粒如SiC，Si3N4，Al2O3，B4C，BN，其特征在于，工艺过程如下：
——陶瓷颗粒预热，温度选择在金属材料熔点以上，金属材料熔化，液态金属材料在浇铸前应达到熔点以上50℃-150℃；
——压力浸渗，压力大于20Ma；
——快速冷却；
——重新升温至金属熔化，利用机械搅拌，机械振动，电磁搅拌，超声振荡等方法将增强组元在金属液体中均匀分散；
——浇铸。
2、按权利要求1所述的制造方法，其特征在于浇铸时可以直接浇铸成所需的复合材料零部件，也可以浇铸成复合材料铸锭，铸锭可重新熔化后再行铸造。
3、按权利要求1、2所述的制造方法，其特征在于：金属基复合材料的成份及含量可以在压力浸渗复合前确定，也可以在重熔分散或铸锭重熔时，加入金属或合金再行调整。
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