CN1045049A - 一种在材料制品与铸件之间获得冶金接合的方法 - Google Patents

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斯蒂芬·安东尼·格迪恩
雷纳多·格利罗
伊拉利奥·坦吉利尼
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Abstract

本发明介绍了一种在金属材料制品(或金属基复合材料制品)与金属铸件(或合金铸件)之间形成冶金连接的方法，该方法包括：对制品表面进行表面处理，即使用沉积方法在其表面上沉积一层薄薄的金属(通常该金属与制品和铸件中所含的金属不同)，它能增加铸件和制品金属之间的润湿度及两者之间的热传导系数；以及使用构成上述铸件的金属(或合金)来对放置在铸型中的上述制品四周进行浇注的工序。

Description

本发明涉及一种可在金属材料制品（或金属质复合材料制品）与金属铸件（或合金铸件）之间获得冶金接合的工艺方法，特别是涉及一种通过在静止的（或运动的）机械零件的各个预定部位插入嵌块而使该零件得到加固（或者使两个或两个以上的铸件相互接合在一起）的工艺方法。
从现有技术文献中可知，要在铸件内部形成加固区，基本上可以按照下列两种方法进行：
-    利用铸件与嵌块之间热膨胀系数的不同，使嵌块被凝固的铸件所机械固紧的方法。由这种方法所得到的连接是非冶金型的接合，所得到的组合零件的断面是不连续的，腐蚀介质有可能通过接合的交界面处渗透。
由于嵌块要被铸件材料所包围，因此嵌块不能放置在成品的拐角处。
-    用“压铸”工艺对预制件进行渗透的方法。这种方法不需要使用嵌块，而是使用通常由陶瓷纤维制成並放在适当位置的预制件，利用压铸过程中的高压作用，铸造材料可渗透到该预制件中。使用这种方法得不到铸件与嵌块之间的接合，实际上这是一种制备复合材料的工艺方法。
另一方面，现有技术中，关于一个金属铸件与另一个金属铸件或复合材料制品相接合的工艺方法，都可以使用焊接或钎接工艺来实现。但是，这些工艺方法都需要在铸件（或复合材料制品）产生之后再进行某种加工工序。
本申请人发现，通过对材料制品进行适当的表面处理（或对加固件，或对被连接件），就可以在上述制品和铸件之间得到高强度的冶金接合。
更详细地说，本发明所述的方法可称为“铸焊”，它能满足焊接工序的全部典型要求，即：去除表面的杂质和氧化物，相互连接的材料制品之间的紧密接触和接合等。
但是，这种形式的焊接与其它方法相比有显著的不同，即这种焊接是随着铸造的进行而同时发生的。
此外，某些不容易用其它工艺方法进行接合的金属，也可以使用这种形式的焊接方法来相互接合。
本发明涉及一种可在金属材料制品（或金属基复合材料制品）与金属铸件（或合金铸件）之间获得冶金接合的工艺方法，该方法包括：通过在该制品的表面沉积一层薄薄的金属（该金属通常与制品及铸件中所含的金属不同）的方法来对制品进行表面处理，它可以提高铸件金属对于制品的润湿度，还可以提高两者之间的热传导系数;以及使用构成上述铸件的金属或合金来对放置在铸型中的制品四周进行浇注的工序。
金属材料制品可以由单一金属或金属合金或金属基复合材料组成，它可以是一个用来对承受磨损的静止的或运动的机械零件（如导杆、柱塞、大齿轮等）的预定部位进行加固的嵌块，或者是一个铸件，该铸件与一个或多个铸件相连接，以便构成一个用其它方法不能制成或者很难制成（由于零件的几何形状、材料类型以及成本太高等方面的原因）的复杂形状的零件。
金属复合材料制品和铸件材料可以有不同的成分，其中所含的金属元素最好从包括有铝、锌、铅、镁、铜、锡、铟、银、金、钛等一组元素和它们的合金中选用。
如前所述，该材料制品也可以是一种金属基复合材料，它可以由一种金属相（或者一种合金相）所组成，金属相（或合金相）包围並连接着构成强化物的其它相（粉末或陶瓷纤维等）。
强化物具有很高的机械强度和硬度，金属基体所受到的应力作用在该强化物上，该基体应当具有合适的性能，这些性能起着预定的功用。
强化物可以由长的或短的陶瓷纤维（三氧化二铝、碳化硅、碳、氮化硼、氧化硅、玻璃等）所组成，或者由陶瓷“晶须”（碳化硅、氮化硅、碳化硼、三氧化二铝）或非金属粉未（碳化硅、氮化硼、氮化硅、碳化硼、二氧化硅、三氧化二铝、玻璃、石墨），或金属纤维（铍、钨、碳化硅-镀覆钨、碳化硼-镀覆钨、钢）所组成。
制备复合材料制品可以有如下几种方法：
-    使强化物散布在处于融熔状态下的全部基体中。
-    使强化物散布在处于未完全凝固状态的全部基体中。
-    粉末冶金。
-    纤维金属化。
-    层压。
-    渗透。
复合材料制品可以直接获得，也可在随后的机械加工后获得。
沉积在金属材料制品或者金属基复合材料制品表面上的金属薄层的厚度范围最好为10-200毫微米。该金属薄层可以与被沉积的金属材料制品及铸件中所含的金属成分不同，它最好是从以下一组元素中选用：金、银、铜、镍、铂、钯、铬、钨、铱、钼、钽、铌、锇、铼、铑、钌和锆。
该金属薄层的沉积最好是用溅射方法或者电化学方法进行。
当然，现有的其它各种可以产生表面镀层的化学或物理方法也可以使用。如“等离子喷涂”法、激光辅助沉积法、热蒸发沉积法、磁控管辅助沉积法、cvd（化学汽相沉积）法等，都是可以实际使用的工艺方法。
通过使用合适的镀层，铸造所用的液体就能够很好地润湿金属制品或者复合材料制品，这样，它就可以很快地把热量传递给金属制品或金属基复合材料制品，洗去制品表面上的氧化层，而与制品直接接合（在金属制品的情况下）或与金属基体直接相接合（在复合材料制品的情况下）。
在材料制品经过了充分的清洗、镀覆並在铸型内部定位以后，就必须调节铸造工序的工艺参数，以保证适量的过热液体完全包围在制品的表面上。
合理地选择制品的位置以及铸型内向下管道（输入管道）和向上管道（输出管道）的形状是很重要的，这样才能保证液态金属在未过冷之前能够完全包住该材料制品，润湿並清洗该材料制品的各个壁面。
总而言之，重要的是能一直控制住下列三个参数：材料制品的预热温度、金属（或合金）的铸造温度及流动状态。这样就可以在材料制品和铸件之间获得优良的冶金接合。
金属制品可以利用已有技术（如重力铸造、压力铸造或“压铸”）来直接获得或再通过其它的后续加工工序以后获得。
为了对本发明作进一步的说明，下面列举了一些实例，但是本发明的内容並不受这些实例的限制。
实例1
-    用含硅量为12%（重量百分比）的铝-硅合金制作嵌块。
-    用溅射方法在嵌块表面上镀覆一层薄薄的金。
-    嵌块和铸型在300℃下预先加热。
-    铸件材料为ZA11C1合金，其成分为（按重量百分比计）11%铝、1%铜、其余为锌。
-    铸件的铸造温度是625℃。
- 铸件的体积大约为200厘米3。
- 熔融的铸造材料是在标准大气下，从离铸型顶面约10厘米的高度处，以缓慢地（10厘米3/秒）的速度通过一个表面积为0.5厘米2的小孔浇入铸型的。
在图1中：
1为石墨铸型;
2为嵌块;
3为浇注液流的流动方向;
4为贮液池。
实验结果：用光学显微镜检查经过抛光和金相腐蚀过的试件横断面可以看出：接合情况极好，难以区分铸件和嵌块之间的交界面（见图2）。在ZA11C1合金内部的铝-硅合金灰色相上没有明显的交界面或者裂纹。
实例2
-    嵌块是一种金属基复合材料，其金属基体为ZA11C1合金（其成分按重量百分比计为：12%的铝，1%的铜，其余为锌），其强化相为碳化硅粉末（占嵌块体积的15%），粉末的平均直径为20微米，该嵌块是通过渗透法而得到的。
-    用溅射方法在嵌块表面镀一层薄薄的金;
-    在300℃下对嵌块和铸型进行预热;
-    铸件材料为ZA11C1合金;
-    铸件的铸造温度是600℃;
- 铸件的体积约为200厘米3;
- 熔融的铸造材料在氩气保护下，从离铸型顶面约10厘米的高度处，通过一个钢管，以足够快的速度（30厘米3/秒）经面积为1厘米2的小孔浇入铸型中。
在图3中：
1为铸型;
2为嵌块;
3为浇注液流的流动方向;
4为贮液池;
5为钢管。
实验结果：与前面所述的实例相同，可以得到极好的接合，这可从图4的显微照片中看出。从该照片可以看到：即使是在高倍显微镜下观察，也没有发现在铸件和复合材料制品嵌块之间的交界面。
实例3：
-    嵌块是一种金属基复合材料，其金属基体为铝-硅合金（含13%重量百分比的硅），强化物为碳化硅粉末（占嵌块体积的50%），粉末的平均直径为20微米。该嵌块是通过渗透法而得到的。
-    嵌块和铸型的预热温度为300℃;
-    使用电化学沉积法在嵌块表面镀覆一层铜;
-    铸件材料为铝-硅合金，含硅量为13%（重量百分比）;
-    铸件的铸造温度为650℃;
- 铸件的体积约为200厘米3，熔融的铸造材料通过面积为0.75厘米2的小孔以很缓慢的速度（每秒20厘米3）注入铸型中。
在图5中：
1为铸型;
2为嵌块;
3为浇注液流的流动方向;
4为贮液池。
对多块试样进行的拉伸强度试验结果表明：可以得到极好的连接，其抗拉强度高于200兆帕（MPa），並且试样的断裂不是发生在复合材料的内部就是发生在基体的内部，而决不会发生在交界面处。
实例4：
除下列各项外，实例4与实例1所述方法基本相同。
-    嵌块是一种金属基复合材料，其金属基体由铝-硅合金（其成分按重量百分比计为：12%硅，0.5%的镁，0.3%的锰，其余为铝）及另外添加的镁（2%重量的镁）组成，其强化物为碳化硅粉末（占嵌块体积的52%）;
-    用电化学沉积的方法在嵌块表面沉积一层很薄的铜;
-    嵌块和铸型在270℃下预热;
-    铸件材料为ZA27C2合金，这是一种锌-铝合金，其中含有27%的铝和2%的铜（按重量百分比计）;
-    铸件的铸造温度为560℃;
- 铸件的体积为200厘米3;
- 熔融的铸造材料在标准大气下，从离铸型顶面10厘米的高度处，以很缓慢的速度（10厘米3/秒）通过一个面积为0.5厘米2的小孔注入铸型中。
试验结果表明：铸件与嵌块的接合是极好的。
实例5：
除下述各项外，实例5与实例2所述方法基本相同。
-    嵌块是一种金属基复合材料，其金属基体为ZA27C2合金（按重量百分比，其中含有27%的铝、2%的铜、其余为锌），其强化物为碳化硅粉末（占嵌块体积的50%）;
-    用溅射设备对嵌块进行预定的腐蚀之后，再在该设备内对它进行溅射。从而在嵌块表面上镀覆一层很薄的铜;
-    嵌块和铸型在200℃下进行预热;
-    铸件材料一是种铝-硅合金（按重量百分比计，其中含有：0.36%的铁，0.05%的锰，1.20%的镁，11.6%的硅，1.21%的铜，0.05%的锌，0.02%的钛，1.13%的镍，其余为铝），该材料常常用来制造活塞;
-    铸件的铸造温度为650℃;
- 铸件的体积约为150厘米3;
- 熔融的铸造材料在氮气保护下，通过一个钢管从离铸型顶面60厘米的高度处，以足够快的速度（30厘米3/秒）通过面积约为1厘米2的小孔浇入铸型中。
实验结果表明：嵌块与铸件之间的接合极好。
实例6
除下述各项外，实例6与实例3所述的方法基本相同。
-    嵌块是一种金属基复合材料，其金属基体为铝-硅合金（按重量百分比计，其中含有：0.36%的铁，0.05%的锰，1.2%的镁，11.6%的硅，1.21%的铜，1.13%的镍，0.05%的锌，0.02%的钛）。其强化物是碳化硅粉末（占嵌块体积的30%）。
-    用溅射方法在嵌块的表面镀覆一层薄薄的银。
-    嵌块和铸型的温度是300℃。
-    铸件材料是ZA11C1合金。
-    铸件的铸造温度是650℃。
- 铸件的体积是150厘米3。熔融的铸造材料以相当缓慢的速度（20厘米3/秒）通过表面积为0.75厘米2的小孔进行浇注。
实验结果表明：嵌块与铸件的接合极好。试样的拉伸强度试验结果为：抗拉强度值200兆帕（MPa），断裂发生在铸件的基体材料内部，离开交界面甚远。

Claims (17)

1、一种可在金属材料制品(或金属基复合材料制品)与金属铸件(或合金铸件)之间获得冶金接合的方法，该方法包括：通过在该制品的表面上沉积一层薄薄的金属(该金属通常与制品及铸件中所含的金属不同)的方法来对制品进行表面处理，它可以提高铸件金属与制品之间的润湿度，还可以提高两者之间的热传导系数；以及使用构成上述铸件的金属(或合金)来对放置在铸型中的制品四周进行浇注的工序。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所说的制品是一种金属件或者是一种合金件。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所说的制品是一种用来加强铸件的嵌块。
4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所说的制品是一个与其它铸件相接合的铸件。
5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所说的制品和铸件的金属是从包括铝、锌、铅、镁、铜、锡、铟、银、金、钛等一组金属元素以及它们的合金中选出来的。
6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所说的金属基复合材料制品中加有由长的（或短的）陶瓷纤维所组成的强化物，该陶瓷纤维材料可从三氧化二铝、碳化硅、氮化硼、二氧化硅或玻璃中选出。
7、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：金属基复合材料中加有由陶瓷“晶须”所组成的强化物，该陶瓷“晶须”可以从碳化硅、氮化硅、碳化硼、三氧化二铝等材料中选出。
8、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：金属基复合材料制品中，加有由非金属粉末所组成的强化物，该非金属粉末材料可从碳化硅、氮化硼、氮化硅、碳化硼、二氧化硅、三氧化二铝、玻璃或石墨中选出。
9、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：金属基复合材料制品中，加有由金属纤维所组成的强化物，该金属纤维材料可从铍、钨、碳化硅-镀覆钨、碳化硼-镀覆钨或钢中选出。
10、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：制品表面沉积的薄层金属是从包括金、银、铜、镍、铂、钯、铬、钨、铱、钼、钽、铌、锇、铼、铑、钌和锆等一组金属元素中挑选出来的。
11、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：该金属薄层的沉积是用溅射方法实现的。
12、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：该金属薄层的沉积是用电化学沉积方法实现的。
13、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：该金属薄层的沉积是用“等离子喷涂”、激光辅助沉积、热蒸发沉积、磁控管辅助沉积或CVD（化学汽相沉积）方法来实现的。
14、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：该铸件是用重力铸造、压力铸造或“压铸”方法所产生的。
15、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：该金属制品可以用重力铸造、压力铸造或“压铸”的方法直接获得或再经过其后的加工工序而获得。
16、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：该金属复合材料制品可以用将强化物散布在处于熔融状态的全部基体中或者将强化物散布在处于未完全凝固状态的全部基体中的方法来获得，也可以用粉末冶金、纤维金属化、层压或者渗透等方法来获得，此外，可能还需要进行机械加工。
17、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：沉积在制品表面上的金属薄层的厚度在10-200毫微米的范围内。
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