CN108580852B - 点阵材料增强AlFe复合铸件结合界面的方法 - Google Patents

点阵材料增强AlFe复合铸件结合界面的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种点阵材料增强AlFe复合铸件结合界面的方法，包括如下步骤：(1)在铁基材料的结合表面采用选区激光熔化技术制备Fe基点阵材料；(2)采用化学除油—酸洗钝化—热浸镀锌工艺对点阵材料表面进行处理；(3)将铁基材料固定在铸型中，将铝合金浇注进铸型，在铸造过程中进行超声振荡处理，以实现AlFe之间的牢固结合。不同于传统的平面之间的结合方式，本发明结合强度高，不易脱落，实现了AlFe之间的牢固结合，另外，本发明不需复杂设备，参数易于控制。

Description

点阵材料增强AlFe复合铸件结合界面的方法
技术领域
本发明涉及结合界面强化技术，尤其涉及一种点阵材料增强AlFe复合铸件结合界面的方法。
背景技术
铝作为地壳中含量极其丰富的金属，因其较小的密度、良好的耐蚀性和成形性等优点，被广泛应用在航空航天、交通运输和建筑机械等领域，其应用量在现代工业生产中仅次于钢铁，对国民经济的发展起着尤为重要的作用。钢是现今工业中应用最广的金属材料，铁基材料是现今工业中应用最广的结构材料，具有优良的强度、耐磨性以及较低的成本。
铝合金和铁基材料二者性能互补性很强，在某些环境中二者的复合结构能够在保留各自性能特点的同时克服单一材料性能上的不足，可以有效地降低结构件重量，实现节能、环保，且有助于进一步拓宽铝合金的应用领域。
对于AlFe的液固复合铸造，其可靠连接受制于Al、Fe弱反应低互溶问题：Al和Fe熔点相差大，这两种金属很难同时处于熔融态。二者相互溶解度极小。
专利CN106523674A公开了具有铸铁插入件的铝差速器壳体，该壳体由轻量铝铸造而成,该轻量铝重约是以前已用于制造此类壳体的铁的重量的三分之一。在显著的载荷和磨损位置处,例如用于与两个空转锥齿轮相关联的短轴的安装部,铁质插入件铸造到壳体中。专利CN1598277公开了整体铸造铁制汽缸套而形成的内燃机用汽缸体，在铝合金汽缸体中整体铸入有铁制汽缸套,包入该缸套外周部的铝铸造部上设置有供以固定上述汽缸体的螺栓孔。因此,连接该螺栓孔周边部和缸套外周部的连接部为宽大厚壁的连接铸造部,该宽大厚壁的连接铸造部上设置有减重部,由此达到包入缸套外周部的铝铸造部壁厚的均匀化。专利CN107150115A公开了一种铝合金基体发动机铸铁缸套复合铸造成型工艺，包括制备蜡模，制备石膏模，型壳焙烧，工装定位，熔炼铝合金，浇铸成型及拆模等七个步骤。这些方法适应一些特殊结构的零件，产品形状与尺寸受限制。
发明内容
针对现有技术中存在的AlFe结合强度不足的缺陷，本发明提供了一种点阵材料增强AlFe复合铸件结合界面的方法，该方法在铁基材料结合表面利用选区激光熔化技术制备Fe基点阵材料，然后利用液固复合铸造工艺实现铁基材料与铝合金的结合。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
点阵材料增强AlFe复合铸件结合界面的方法，包括如下步骤：
(1)在铁基材料的结合表面采用选区激光熔化技术制备Fe基点阵材料；
(2)采用化学除油—酸洗钝化—热浸镀锌工艺对点阵材料表面进行处理；
(3)将铁基材料固定在铸型中，将铝合金熔体浇注到铸型内，在铸造过程中进行超声振荡处理,以实现AlFe之间的牢固结合。
作为本发明的一种优选方案，钝化处理工艺的硝酸水溶液中硝酸体积比为25％～45％，时间36～45min。
作为本发明的另一种优选方案，超声振荡工艺参数为：超声振荡频率40～42kHz，输出功率80～120W，振荡时间30～65s。
作为本发明的一种改进方案，点阵材料结构类型为金字塔型或四面体型。
作为本发明的进一步改进方案，点阵材料结构参数为：杆长0.8～2.5mm，杆径0.4～1.2mm，杆间夹角30～60°。
本发明的技术效果是：本发明将选区激光熔化增材制造及点阵材料应用于AlFe液固复合铸造，点阵材料由在空间周期排列的结点和连接结点的杆单元组成，具有高比表面、高孔隙率，结构及功能可设计，具有比金属泡沫和蜂窝材料更高的比强度、比刚度。选区激光熔化可以制造复杂的点阵结构，致密度高，技术成熟。本发明充分利用Fe基点阵材料的高比表面积及与铝合金形成的三维互嵌结构，使得结合界面呈现三维形态，可以大幅度强化结合界面的冶金结合与机械结合作用，实现AlFe液固复合铸造结合界面的可靠连接。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
点阵材料增强AlFe复合铸件结合界面的方法，包括如下步骤：
(1)在铁基材料的结合表面采用选区激光熔化技术制备Fe基点阵材料；
(2)采用化学除油—酸洗钝化—热浸镀锌工艺对点阵材料表面进行处理；
(3)将铁基材料固定在铸型中，将铝合金熔体浇注到铸型内，在铸造过程中进行超声振荡处理,以实现AlFe之间的牢固结合。
其中，钝化处理工艺的硝酸水溶液中硝酸体积比为25％～45％，时间36～45min。超声振荡工艺参数为：超声振荡频率40～42kHz，输出功率80～120W，振荡时间30～65s。点阵材料结构类型为金字塔型或四面体型。点阵材料结构参数为：杆长0.8～2.5mm，杆径0.4～1.2mm，杆间夹角30～60°。
实施例1
点阵材料为304不锈钢，类型为金字塔型，杆长1.5mm，杆径0.4mm，杆间夹角45°。选区激光熔化成型工艺参数：激光功率120W，扫描速率470mm/s，光斑直径60μm，粉层厚度0.025mm，扫描间距80μm，采用逐行扫描方式，制备Fe基点阵材料。
Fe基点阵材料表面处理如下：采用65g/L NaOH，22g/L Na3PO4，23g/L Na2CO3，5g/LNa2SiO3，表面活化剂4mL/L，余为水，进行化学除油；采用110g/L NaOH，60g/L KMnO4，90g/LNa2CO3，余为水，在85℃下进行酸洗，之后采用硝酸体积比25％的硝酸水溶液，温度25℃，时间36min，进行钝化处理。将Fe基点阵材料浸没在镀锌液中30s，同时进行搅拌。
复合铸造工艺参数：铝合金ZL107熔体温度720℃，超声振荡频率40kHz，输出功率90W，振荡时间60s。
实施例2
点阵材料为314不锈钢，类型为四面体型，杆长2mm，杆径0.6mm，杆间夹角45°。选区激光熔化成型工艺参数激光功率150W，扫描速率500mm/s，光斑直径70μm，粉层厚度0.03mm，扫描间距90μm，采用逐行扫描方式，制备Fe基点阵材料。
Fe基点阵材料表面处理如下：采用70g/L NaOH，24g/L Na3PO4，25g/L Na2CO3，7g/LNa2SiO3，表面活化剂6mL/L，余为水，进行化学除油；采用125g/L NaOH，70g/L KMnO4，95g/LNa2CO3，余为水，在86℃下进行酸洗，之后采用硝酸体积比30％的硝酸水溶液，溶液温度50℃，时间45min进行钝化处理。将Fe基点阵材料浸没在镀锌液中40s，同时进行搅拌。
复合铸造工艺参数：铝合金ZL111熔体温度720℃，超声振荡频率42kHz，输出功率90W，振荡时间65s。
检测知，实施例1和实施例2中AlFe界面剪切强度分别可达236MPa和240Mpa。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.点阵材料增强AlFe复合铸件结合界面的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在铁基材料的结合表面采用选区激光熔化技术制备Fe基点阵材料；
(2)采用化学除油—酸洗钝化—热浸镀
锌工艺对点阵材料表面进行处理；
(3)将铁基材料固定在铸型中，将铝合金熔体浇注到铸型内，在铸造过程中进行超声振荡处理,以实现AlFe之间的牢固结合；
钝化处理工艺的硝酸水溶液中硝酸体积比为25％～45％，时间36～45min；
超声振荡工艺参数为：超声振荡频率40～42kHz，输出功率80～120W，振荡时间30～65s；
点阵材料结构参数为：杆长0.8～2.5mm，杆径0.4～1.2mm，杆间夹角30～60°。
2.根据权利要求1所述的点阵材料增强AlFe复合铸件结合界面的方法，其特征在于,点阵材料结构类型为金字塔型或四面体型。
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