CN1135390A - 用于制备金属基复合材料制品的消失模铸造法 - Google Patents
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Abstract
本发明将普通的消失模铸造方法加以改造使之用于金属基复合材料制品的制备，关键在于提出了带增强体的泡沫模的制作方法，并采用合适的胶粘剂解决增强体在泡沫及金属液中的定位问题，使增强体在浇注成型过程中不会出现上浮、下沉或团聚等漂移现象，可用于制备各种金属基复合材料制品(无论是连续或非连续增强型的，亦无论是整体增强还是局部增强，而且可直接做成零部件、不需二次加工)使金属基复合材料能实现工业化生产并得到广泛应用。
Description
本发明属于金属基复合材料的制备方法，尤其涉及到铸造方法。
金属基复合材料是一种以金属或合金为基体，以纤维、晶须、颗粒等为增强体的复合材料，由于其所拥有的卓越性能和品质，目前在世界各国已引起广泛重视并期望能够充分应用。但现在已研究出的挤压铸造法、扩散粘接法、粉末冶金法、预制件浸渗法、喷射共沉积法等各种制备方法都是在一定的压力作用下成型，要求制作高质量的金属阴模，成本高、工艺复杂，难以实现大规模的工业化生产，且制备出的材料只能具有简单的形状，较复杂的零部件就难以直接成型，而金属基复合材料本身的高强度又给机械加工带来一定困难，因此限制了它的发展。目前只在航天、航空等尖端领域得到应用。
消失模铸造法是将泡沫塑料制成的零部件模型直接在干砂中造型并浇注，整个铸造系统维持一定的负压，使泡沫模(亦称气化模或消失模)在熔融金属的高温和系统的负压两者共同作用下气化消失，以金属液填充型腔形成铸件。目前该铸造工艺已在铸铁件的生产中得到了广泛的应用。但在金属基复合材料的制备中尚无应用。
本发明的目的在于提供一种用于制备金属基复合材料制品的消失模铸造法，使金属基复合材料的制备能够实现工业化生产且能直接做成所需的零部件。
本发明的解决途径如下：
以现有的普通消失模铸造法为基础，整个工艺过程为：①对制作泡沫模的原材料进行预处理；②泡沫模的固化；③在泡沫模表面涂敷涂料；④对泡沫模进行干砂造型；⑤在负压状态下浇注成型。改进之处就在于第①、②两个阶段与现有的过程有所不同，其中预处理过程按以下步骤进行：a.对泡沫粒子进行预发泡和熟化处理并按所需粒度进行筛选，对按制品的性能要求选取的增强体进行表面活化处理；b.将泡沫粒子和增强体表面涂覆胶粘剂；固化过程则为：将经过预处理并按制品性能要求混合的泡沫粒子和增强体装入泡沫模的固化模腔中进行固化。
本发明的预处理过程还可以是：a.将泡沫粒子制成泡沫薄片，增强体进行表面活化处理；b.将泡沫薄片和增强体表面涂覆胶粘剂；相应的固化过程则为：将经过预处理的泡沫薄片和增强体按制品性能要求分层间隔排列制成泡沫模。
对上述过程而言，本发明进一步提出：其中的胶粘剂为聚乙烯醇缩丁醛和硅酸盐类胶粘剂，或者只有硅酸盐类胶粘剂。
下面对本发明作详细的叙述。
对现有的消失模铸造工艺进行改造、使之可用于制备金属基复合材料制品时，最主要的关键在于解决增强体如何添加的问题以及克服增强体的上浮、下沉或团聚等缺陷，为此本发明提出了将增强体与泡沫共混、制作带增强体的泡沫模来解决增强体的添加问题，并通过选择合适的胶粘剂使增强体在泡沫模中及金属液中定位以克服增强体的上浮、下沉或团聚等缺陷。具体操作过程如下：首先，将经过预发泡和熟化处理的泡沫粒子按所需粒度进行筛选，或预发泡后先筛选再熟化，这里泡沫粒子的粒度与制品所要求的增强体含量(体积比)和直径有关，当增强体含量较小时(小于10％)，泡沫粒子的粒度可以较大(如泡沫粒子与增强体的直径之比可以为10～3∶1)，当增强体含量较大时(10％以上)，泡沫粒子的粒度就应较小，尽量接近增强体的粒度或直径(泡沫粒子与增强体直径之比为2∶1或更小)，增强体亦同时作为制作泡沫模的原料，它的添加量及类型是根据制品本身的性能要求而进行选取，为了提高增强体与金属基体之间的浸润性，对选好的增强体要进行表面活化处理，对于颗粒、晶须、短纤维等非连续型的增强体可以采取在增强体表面涂覆金属层的方法进行处理，对于长纤维、织物等连续型的增强体，可以采取涂覆金属法、溶胶凝胶法或其它方法进行处理；其次，对经过上述处理的泡沫粒子和增强体进行定位处理，即涂覆合适的胶粘剂：对非连续型的增强体而言，泡沫粒子和增强体颗粒等都要先均匀地涂覆上一层有机胶粘剂，它的作用是使泡沫粒子与增强体之间相互粘接，而在浇注过程中它要能够完全气化、不留残余物质，可采用聚乙烯醇缩丁醛、丙烯酸型胶粘剂等有机胶粘剂，然后再均匀地涂覆一层能在100℃以下固化的无机胶粘剂，如硅酸盐类或氯镁水泥胶粘剂，它的作用是与增强体颗粒等一起在泡沫粒子周围形成网络状的“骨架”，并在泡沫粒子气化后仍能相互粘结在一起，这样就不会使增强体颗粒等在熔融的金属中上浮、下沉或团聚，亦即起到“化学定位”的作用(而这种“骨架”对金属基体的性能非但无害反而有益)，增强体颗粒等可以和泡沫粒子共混后再涂覆胶粘剂，也可以涂覆胶粘剂后再共混；而对长纤维、织物等连续状态的增强体而言，增强体与泡沫粒子表面只要直接涂覆无机胶粘剂即可，以分别涂覆为宜(因两者的涂覆方式可能不同)；经预处理后的泡沫粒子和增强体就可装入泡沫模的固化模腔中进行固化以制作带增强体的泡沫模：对于制备均匀增强的金属基复合材料制品而言，增强体在泡沫模中亦应处于均匀分布状态，因此只要将混合均匀的泡沫粒子和增强体一起固化即可；对于要求局部增强或各部位性能不同的制品而言，则要根据性能要求(如强度、耐磨性等)把按不同比例混合的泡沫粒子和增强体装入固化模腔的不同位置后进行固化；对于连续增强型的制品，则要将预处理后的泡沫粒子和增强体按制品性能要求在固化模腔中进行分层或间隔排列后再进行固化。
另外，对于连续增强型的制品而言，还可采取薄片定位的方法，即预处理过程为：将泡沫粒子直接做成薄片或做成块状后再切成薄片，此时对泡沫的粒度没有要求，而薄片的厚度则根据增强体在制品中的体积比进行计算，同样可以是均匀分布或局部增强；然后将泡沫薄片和增强体表面都涂覆一层无机胶粘剂，再把两者按制品性能要求进行分层间隔排列后使之固化即可。
根据上述方法制得带增强体的泡沫模后，即可利用原有的消失模铸造法对其进行造型、浇注，即在泡沫模表面涂敷涂料(也称脱模剂)后进行干砂造型，然后在负压状态下浇注成型，就可直接得到所需的金属基复合材料制品。本发明进行了多种类型的试制，现举两例：①金属基体采用ZA4-3锌合金，增强体采用60目的SiC颗粒，表面镀镍，若制备增强体体积含量30％的制品，采用30～40目的PMMA-PS共聚树脂作泡沫粒子，有机胶粘剂为聚乙烯醇缩丁醛，无机胶粘剂为硅酸盐类，制得SiC颗粒增强的ZA4-3复合材料制品；②金属基体采用ZL109铝合金，增强体采用不锈钢纤维织物，厚度为0.15mm，表面经喷砂处理，若制备增强体体积含量为15％的制品，采用厚度为0.425mm的泡沫薄片，无机胶粘剂仍用硅酸盐类，制得不锈钢织物增强的ZL109复合材料制品，所得复合材料(含制品)的各种性能均达到或超过现有其它方法制备的相同金属基复合材料的性能。
综上所述，本发明是在普通的消失模铸造方法的基础上进行改造，利用合适的预处理方法制作出带增强体的泡沫模且增强体在浇注成型过程中不会出现上浮、下沉或团聚等漂移现象，因而使得金属基复合材料制品可以采用消失模铸造法来制备(无论是连续型的或非连续型的增强体，无论是整体增强或局部增强)。这样，由于消失模铸造法本身所具备的优势(如：不要模具、直接成型、成本较低、铸件质量好等)就使金属基复合材料的制备能够进行工业化生产并且是直接做成零部件(不需二次加工)，将会给金属基复合材料的广泛应用创造良好的条件。
Claims (4)
1.一种用于制备金属基复合材料制品的消失模铸造法，其工艺过程为：①对制作泡沫模的原材料进行预处理；②泡沫模的固化；③在泡沫模表面涂敷涂料；④对泡沫模进行干砂造型；⑤在负压状态下浇注成型，其特征在于：对制作泡沫模的原材料进行预处理的过程按以下步骤进行：a.对泡沫粒子进行预发泡和熟化处理并按所需粒度进行筛选，对按制品的性能要求选取的增强体进行表面活化处理，b.将泡沫粒子和增强体表面涂覆胶粘剂；泡沫模的固化过程则为：将经过预处理并按制品性能要求混合的泡沫粒子和增强体装入泡沫模的固化模腔中进行固化。
2.如权利要求1所述的用于制备金属基复合材料制品的消失模铸造法，其特征在于：其中所用的胶粘剂为聚乙烯醇缩丁醛和硅酸盐类胶粘剂。
3.一种用于制备金属基复合材料制品的消失模铸造法，其工艺过程为：①对制作泡沫模的原材料进行预处理；②泡沫模的固化；③在泡沫模表面涂敷涂料；④对泡沫模进行干砂造型；⑤在负压状态下浇注成型，其特征在于：对制作泡沫模的原材料进行预处理的过程按以下步骤进行：a.对泡沫粒子进行预发泡和熟化处理并制成泡沫薄片，对按制品的性能要求选取的增强体进行表面活化处理；b.将泡沫薄片和增强体表面涂覆胶粘剂；泡沫模的固化过程则为：将经过预处理的泡沫薄片和增强体按制品性能要求分层间隔排列制成泡沫模。
4.如权利要求1或3所述的用于制备金属基复合材料制品的消失模铸造法，其特征在于：其中所用的胶粘剂为硅酸盐类胶粘剂。
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