CN113547100A - 一种双金属复合构件的制造方法 - Google Patents

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钟亮
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邵志文
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Abstract

本发明公开了一种双金属复合构件的制造方法,其特征在于包括有以下步骤:(1)通过金属增材制造手段在镶嵌件实心层(101)的至少局部表面制造镶嵌件多孔结构层(102),形成金属镶嵌件(1);(2)将金属镶嵌件(1)固定在铸造模具(4)内,将融化的另一种金属液通过铸造模具(4)的模具浇口(401)浇注到铸造模具(4)内形成金属浇注件(2),其中,部分金属液填充到镶嵌件多孔结构层(102)的孔隙中,并与镶嵌件多孔结构层(102)一起组成双金属过渡区(3)。与现有技术相比,本发明的方法能够做结构复杂产品,且制得的产品双金属界面连接强度高、不易脱连失效。

Description

一种双金属复合构件的制造方法
技术领域
本发明涉及铸造成形技术领域,具体指一种提高界面结合强度的双金属复合构件的制造方法,适用于具有复杂工况要求的零件使用。
背景技术
双金属复合铸造技术将两种不同性能的材料连接在一起,可以在零件的不同部位实现材料的不同性能,将不同材料的优势结合起来,具有很大的应用前景。以汽车、装甲车辆用发动机为例,为了实现节能减排及轻量化的目的,轻质铝合金材料获得广泛应用,为解决铝合金材料强度和耐磨性不足的问题,铝/铁或铝/钢双金属材料被应用于发动机缸体和缸盖等产品中,双金属铸造成为一种具有独特优势的工艺手段。
现有的双金属复合铸造技术,一般是预制表面光滑的金属嵌件,然后将另外一种低熔点的金属复合浇注在一起,实现两种金属在连接界面上形成冶金结合。如专利申请号为CN200910076211.2(公布号为CN101456069A)的发明专利《一种双金属复合锤头的制造方法及锤柄预制件》的背景技术中提到镶铸双金属复合锤头的方法是:首先用一种材料预制锤柄或锤头,然后将预先制造的锤柄或锤头(称为预制件)放入砂型内,重力下浇注另一种液体金属将预制件包覆,铸造成整个锤头。
这种冶金结合的厚度一般在十几到几十微米,连接层厚度较薄,而且连接强度不高,导致双金属零件在后期使用时易发生脱连失效。这是由于双金属的液-固复合浇注过程中两种金属的物理化学性质差异较大,且接触时间短,降温速度快,很难形成有效的熔合区,严重影响两种金属的结合,成为制约双金属复合铸造材料生产和应用的瓶颈。如何使双金属铸件具有良好的结合性能,是双金属复合铸造的研究重点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状,提供一种双金属复合构件的制造方法,该方法能够做结构复杂产品,且制得的产品双金属界面连接强度高、不易脱连失效。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为:一种双金属复合构件的制造方法,其特征在于包括有以下步骤:
(1)根据零件的功能需求,将零件设计成金属镶嵌件与金属浇注件组成,通过金属增材制造手段在镶嵌件实心层的至少局部表面制造镶嵌件多孔结构层,形成金属镶嵌件;
(2)将金属镶嵌件固定在铸造模具内,将融化的另一种金属液通过铸造模具的模具浇口浇注到铸造模具内形成金属浇注件,其中,部分金属液填充到镶嵌件多孔结构层的孔隙中,并与镶嵌件多孔结构层一起组成双金属过渡区,凝固后的金属浇注件与金属镶嵌件通过该双金属过渡区连接到一起,形成一个整体零件,即所需的双金属复合构件。
优选地,所述的金属镶嵌件采用熔点不低于金属浇注件熔点的金属材料制成。
优选地,所述的金属增材制造方法可以为激光选区熔融(SLM)、电子束选区熔融(EBM)、电弧增材制造(WAAM)等。
优选地,所述金属镶嵌件与金属浇注件的结合界面上均布置有所述的镶嵌件多孔结构层,从而保证金属浇注件与金属镶嵌件各个位置的结合界面均有足够大的接触面积。
优选地,所述的镶嵌件多孔结构层为具有一定厚度的三维连通的多孔结构,可以使融化的金属液流入该多孔结构中,形成致密的双金属过渡区。
进一步,所述镶嵌件多孔结构层的厚度可以为等厚度,也可以根据零件强度需求设计为变厚度。
进一步,所述镶嵌件多孔结构层的多孔结构由具有一定直径的连杆组成,该多孔结构可以为规则点阵结构的阵列,也可以为随机性的多面体网状结构。所述镶嵌件多孔结构层的连杆可以为等直径的,也可以从镶嵌件实心层向金属浇注件方向逐渐变细。
优选地,所述金属镶嵌件可以通过浸镀、电镀、气相沉积、磁控溅射等表面处理手段预先在多孔结构层的连杆表面上形成金属浇注件材料的薄膜,以提高浇注过程中金属浇注件与金属镶嵌件两种材料的表面结合能力,有助于形成界面冶金结合。
优选地,所述金属镶嵌件在浇注前可以进行预热处理,以提高金属液在浇注过程中的流动性,使金属液更好地充填进镶嵌件多孔结构层中。
优选地,所述的铸造模具可以为砂型模具,也可以为金属型模具,其中砂型模具可以根据零件的复杂程度选择砂型3D打印方法或普通模具翻制方法来制作。浇注方法可以选用重力铸造、低压铸造、压铸等铸造手段。
与现有技术相比,本发明的优点在于:通过在镶嵌件实心层的表面制造镶嵌件多孔结构层,浇注时部分金属液会填充到镶嵌件多孔结构层的孔隙中,并与镶嵌件多孔结构层一起组成可控的双金属过渡区,使双金属形成机械咬合和界面冶金的双结合,可以提高两种金属的结合强度,同时扩大了双金属的接触面积,可提高其导热效率,适用于成形结构复杂的铸件。
附图说明
图1为本发明双金属复合构件的制造方法浇注完成后脱模前整个装备的剖视图;
图2为图1制得的双金属零件的剖视图。
图中:1金属镶嵌件,2金属浇注件,3双金属过渡区,4铸造模具,101镶嵌件实心层,102镶嵌件多孔结构层,401模具浇口。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1和图2所示,根据零件的功能需求,将双金属零件设计成金属镶嵌件1与金属浇注件2组成。其中金属镶嵌件1采用不锈钢或模具钢制成,金属浇注件2采用铝合金制成。
该零件通过以下双金属复合构件的制造方法制成:
(1)金属镶嵌件1包含镶嵌件实心层101和镶嵌件多孔结构层102,其中镶嵌件多孔结构层102位于金属镶嵌件1与浇注金属件2的结合界面上,通过激光选区熔融(SLM)技术在镶嵌件实心层101的一侧表面制造镶嵌件多孔结构层102获得上述金属镶嵌件1,本实施例中,镶嵌件多孔结构层102为具有一定厚度的三维连通的多孔结构,该多孔结构由具有一定直径的连杆组成;
(2)根据零件的结构特征,通过砂型3D打印或模具翻制的手段制得铸造模具4;
(3)将金属镶嵌件1进行表面铝合金浸镀处理,使镶嵌件多孔结构层102的连杆表面包裹一层薄的铝合金层。
(4)将金属镶嵌件1预热到100~500℃之间,并固定在铸造模具4内,利用重力铸造的方式将融化的铝合金通过模具浇口401浇注到铸造模具4内,部分铝合金液填充到镶嵌件多孔结构层102的孔隙中,并与镶嵌件多孔结构层102一起组成双金属过渡区3,使凝固后的金属浇注件2与金属镶嵌件1通过双金属过渡区3连接到一起,形成一个整体零件。
上述具体实施方式为本发明的优选实施例,并不能对本发明进行限定,其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双金属复合构件的制造方法,其特征在于包括有以下步骤:
(1)通过金属增材制造手段在镶嵌件实心层(101)的至少局部表面制造镶嵌件多孔结构层(102),形成金属镶嵌件(1);
(2)将金属镶嵌件(1)固定在铸造模具(4)内,将融化的另一种金属液通过铸造模具(4)的模具浇口(401)浇注到铸造模具(4)内形成金属浇注件(2),其中,部分金属液填充到镶嵌件多孔结构层(102)的孔隙中,并与镶嵌件多孔结构层(102)一起组成双金属过渡区(3),凝固后的金属浇注件(2)与金属镶嵌件(1)通过该双金属过渡区(3)连接到一起,形成一个整体零件。
2.根据权利要求1所述的双金属复合构件的制造方法,其特征在于:所述的金属镶嵌件(1)采用熔点不低于金属浇注件(2)熔点的金属材料制成。
3.根据权利要求1所述的双金属复合构件的制造方法,其特征在于:所述的金属增材制造方法为激光选区熔融、电子束选区熔融、电弧增材制造中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的双金属复合构件的制造方法,其特征在于:所述金属镶嵌件(1)与金属浇注件(2)的结合界面上均布置有所述的镶嵌件多孔结构层(102)。
5.根据权利要求1所述的双金属复合构件的制造方法,其特征在于:所述的镶嵌件多孔结构层(102)为具有一定厚度的三维连通的多孔结构。
6.根据权利要求5所述的双金属复合构件的制造方法,其特征在于:所述镶嵌件多孔结构层(102)为等厚度或变厚度结构。
7.根据权利要求5所述的双金属复合构件的制造方法,其特征在于:所述镶嵌件多孔结构层(102)的多孔结构为规则点阵结构的阵列或随机性的多面体网状结构。
8.根据权利要求1所述的双金属复合构件的制造方法,其特征在于:所述金属镶嵌件(1)的表面通过浸镀、电镀、气相沉积或磁控溅射处理。
9.根据权利要求1所述的双金属复合构件的制造方法,其特征在于:所述金属镶嵌件(1)在浇注前进行预热处理。
10.根据权利要求1至9中任一权利要求所述的双金属复合构件的制造方法,其特征在于:所述的铸造模具(4)为砂型模具或金属型模具,所述的浇注方法为重力铸造、低压铸造或压铸。
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