CN114346217A - 一种金属铸件及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属铸件及其制备方法和应用。本发明的金属铸件的制备方法，包括以下步骤：S1.将钨基合金内核固定于压铸模具中，并预热；S2.将铝基合金熔体注射入所述压铸模具中，压铸成型；S3.对步骤S2所得铸件进行热等静压处理。上述制备方法，可将钨基合金和铝基合金完美结合，获取外观、结构和力学性能均非常优异的金属铸件。本发明还提供了上述制备方法制得的金属铸件以及上述金属铸件的应用。

Description

一种金属铸件及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于金属成型技术领域，具体涉及一种金属铸件及其制备方法和应用。

背景技术

在高尔夫、航空航天、汽车，以及其他机械行业中，均不可避免的存在一些特殊的结构，这些结构可能需要满足一定的重量要求和性能要求，大部分还要求具有特定的重心位置。

传统行业中调节重量、重心的方法通常是增加配重。例如高尔夫球杆的杆头上通常会预留设置配重件的位置。通过调节配重件的形状、重量，用户可以调节高尔夫球杆杆头的重量和重心。

根据上述重心调节方法可知，当主体物质尺寸固定时，主体物质和配重的密度之差越大，则重心的可调范围越大。

铝基材料具有优异的外观和适中的强度，且其比重可低至2.2g/cm³，是一种常用的型材；钨基材料的比重可高至18g/cm³；这两种材料的比重差异非常大，若能提供一种钨基材料和铝基材料融合的方法，则可根据实际需求设计、生产出重量、重心可调的型材。

但是铝基材料的汽化温度还略低于钨基材料的熔点，铝和钨之间也难以发生化学结合，因此采用现有的铸造方法难以将两者结合在一起。

发明内容

本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种金属铸件的制备方法，可将钨基合金和铝基合金完美结合，获取外观、结构和力学性能均非常优异的金属铸件。

本发明还提出一种上述制备方法制得的金属铸件。

本发明还提出上述金属铸件的应用。

根据本发明的一个方面，提出了一种金属铸件的制备方法，包括以下步骤：

S1.将钨基合金内核固定于压铸模具中，并预热；

S2.将铝基合金熔体注入所述压铸模具中，压铸成型；

S3.对步骤S2所得铸件进行热等静压处理。

根据本发明的一种优选的实施方式，至少具有以下有益效果：

(1)本发明采用压铸和热等静压处理相结合的方法，可有效提升钨基金属内核和铝基合金外壳之间界面的融合性，避免使用过程中出现开裂、核壳分裂的问题，也提升了所得金属铸件的致密性。

(2)由于钨和铝之间的固溶度很小，同时两者间存在非常大的熔点差(钨约1410℃、铝约710℃)和密度差，因此钨和铝之间难以牢固结合(此处指化学结合)；本发明采用铝熔体包裹固体钨基合金的方法将两者结合在一起，避免了焊接等其他难以实现的结合方式，即通过结构设计，简化了制备方法。

(3)本发明提供的制备方法简单、易行、成熟，因此有利于市场化推广。

在本发明的一些实施方式中，步骤S1中，所述钨基合金内核的密度为7.6～18g/cm³。

在本发明的一些实施方式中，步骤S1中，按重量百分数计，所述钨基合金内核的组分包括：

镍1～38％；

铁2～35％；

余量为钨和难避免杂质。

在本发明的一些实施方式中，步骤S1中，所述钨基合金内核的制备方法包括将所述镍、铁和钨的金属颗粒混合研磨后造粒、成型、脱脂并真空烧结。

在本发明的一些实施方式中，所述金属颗粒的粒径为2～3μm。

在本发明的一些实施方式中，所述研磨的速度为20～30rpm。

在本发明的一些实施方式中，所述研磨的时长为4～8h。

在本发明的一些实施方式中，所述造粒的方法包括：

将所述研磨所得混合物在200-210℃条件下搅拌、预热20-25min；

向预热后的混合物中添加塑胶辅料(高密度聚乙烯(HDPE)、乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)、蜡和硬脂酸(SA)中的至少一种)和聚甲醛树脂；然后升温至230-240℃，保温5-10min；

将添加塑胶辅料和聚甲醛树脂的混合物密炼、挤出并切成粒料。

在本发明的一些实施方式中，所述金属颗粒、塑胶辅料和甲醛树脂的重量比为90:8～9:1～2。

所述脱脂的方法为硝酸酸解，目的是去除部分聚甲醛树脂，避免在所述真空烧结中，聚甲醛树脂裂解形成的碳对所述钨基合金内核品质的影响。

在本发明的一些实施方式中，所述真空烧结的恒温温度为800～1420℃。

在本发明的一些实施方式中，所述真空烧结的升温速度为100～150℃/h。

在本发明的一些实施方式中，所述真空烧结的降温为自然降温，不进行人工干涉。

在本发明的一些实施方式中，所述真空烧结的真空度≤0.1Pa。

本发明的一些实施方式中，步骤S1中，所述预热的温度为300～400℃。

在本发明的一些实施方式中，步骤S1中，所述固定的方法包括采用铝合金线固定所述钨基合金内核。

在本发明的一些实施方式中，铝合金线的成分与所述铝基合金外壳的成分相同。

由于所述熔体进入所述压铸模具后，会发生降温，因此所述铝合金线会存在一定时间再发生熔化或不发生熔化，起到固定所述钨基合金内核的相对位置的作用；未与所述铝基合金外壳完全融合的铝合金线，可在所述热等静压处理步骤中实现完全融合。

本发明的一些实施方式中，步骤S2中，按重量百分数计，所述铝基合金熔体的成分包括：

锌6～8％；

镁1.8～2.3％；

铜0.8～1.3％；

钪0.01～0.1％；

锆0.1～0.2％；

钒0.1～0.3％；

余量为铝和杂质。

在本发明的一些实施方式中，所述铝基合金熔体中的杂质包括硅、铁、锰、铬和钛中的至少一种。

在本发明的一些实施方式中，按占所述铝基合金熔体的质量百分数计，所述硅的含量≤0.05％。

在本发明的一些实施方式中，按占所述铝基合金熔体的质量百分数计，所述铁的含量≤0.08％。

在本发明的一些实施方式中，按占所述铝基合金熔体的质量百分数计，所述锰的含量≤0.05％。

在本发明的一些实施方式中，按占所述铝基合金熔体的质量百分数计，所述铬的含量≤0.05％。

在本发明的一些实施方式中，按占所述铝基合金熔体的质量百分数计，所述钛的含量≤0.05％。

在本发明的一些实施方式中，按占所述铝基合金熔体的质量百分数计，所述杂质的总量≤0.1％。

虽然所述杂质是需要尽量避免的，但是微量的钛和铬具有细化晶粒的作用；微量的铁和锰结合后，锰可以促进含铁相(铁铝化物)的球形化，进而提升所述铝基合金熔体冷却后形成的铝基合金的强度；所述硅可以和镁形成强化相，提升强度。

在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，所述铝基合金熔体的温度为700～800℃。

在本发明的一些优选的实施方式中，步骤S2中，所述铝基合金熔体的温度为700～730℃。

在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，所述压铸的压射比压为40～50MPa。

在本发明的一些实施方式中，所述压铸完成后，降温至350～400℃之间时，将所得铸件在保护气氛中转移至所述热等静压处理的仪器内。

在未降温完全时进行转移，并进行热等静压处理，可有效避免所述铝基合金外壳的开裂问题。

在本发明的一些实施方式中，步骤S3中，所述热等静压处理的温度为650～680℃。

在本发明的一些实施方式中，步骤S3中，所述热等静压处理的压力为130～150MPa。

在本发明的一些实施方式中，步骤S3中，所述热等静压处理的时长为5～6h。

在本发明的一些实施方式中，当温度≥250℃时，所述热等静压处理后的降温速度为120～150℃/h。

控制降温温度，可有效避免所述铝基合金外壳的开裂问题。

所述热等静压处理后的缓慢降温过程，也相当于均匀化处理的过程，可有效降低所得金属铸件的脆性。

在本发明的一些实施方式中，所述制备方法在保护气氛中进行。

在本发明的一些实施方式中，所述保护气氛包括氮气和惰性气体中的至少一种。

根据本发明的再一个方面，提出了所述制备方法制得的金属铸件。

根据本发明的一种优选的实施方式，至少具有以下有益效果：

(1)本发明通过设计铝基合金熔体的成分，使所得铝基合金具有优异的抗拉强度、耐腐蚀性能和耐疲劳性能，进一步拓宽了其应用范围，例如可用于制备高尔夫球杆的杆头；具体的：

本发明采用本身强度较高、在凝固过程中热裂问题较小的铝-锌合金作为基体；向其中添加了适量的提升韧性的铜、适量的提升强度的镁、以及细化晶粒提升抗拉强度的钪、锆和钒；此外镁、锌和铝结合后，还可提升耐腐蚀性能。

(2)现代工业中，常用的轻质高强度型材还有钛合金，本发明采用的铝基合金相较于传统的钛合金等材质，价格低廉，易于市场化。

在本发明的一些实施方式中，所述金属铸件包括所述钨基合金内核和包裹所述钨基合金内核的铝基合金外壳。

在本发明的一些实施方式中，所述铝基合金外壳的制备原料为所述铝基合金熔体。

钨基合金的密度较高，根据其具体成分，可调节范围在7.6～18g/cm³之间；铝及金属的密度较小，根据合金成分的不同，密度的可调范围在2.5～2.88g/cm³之间；

也就是说，本发明提供的金属铸件中，包括两种密度范围差异很大的材质，因此可根据需要，设计内核和外壳的重量比例，获取特定密度的金属铸件；还可以通过设计内核在外壳中的相对位置，以及外壳的形状，获取具有特定重心的金属铸件。

在本发明的一些实施方式中，所述铝基合金外壳的抗拉强度为700～880MPa。

在本发明的一些实施方式中，所述铝基合金外壳的抗拉强度为850～880MPa。

所述铝基合金外壳的厚度并不要求均匀，但是为保证强度，最薄处的厚度≥2.5mm。

在本发明的一些实施方式中，所述铝基合金外壳的密度为2.5～2.88g/cm³。

根据本发明的再一个方面，提出了一种高尔夫球杆，制备原料包括所述金属铸件或所述制备方法制得的金属铸件。

在本发明的一些实施方式中，所述金属铸件用于制备所述高尔夫球杆中杆头。

根据本发明的再一个方面，提出了一种所述金属铸件或所述制备方法制得的金属铸件在航天、武器制备、交通运输、医疗器械、金属制备和体育器材领域中的应用。

在本发明的一些实施方式中，所述航天领域包括火箭推进器的喷嘴、火箭和卫星的制备。

在本发明的一些实施方式中，所述交通运输领域包括汽车、飞机和舰船的制造。

在本发明的一些实施方式中，所述汽车的制造包括汽车曲轴和缸筒的制备。

在本发明的一些实施方式中，所述武器制备领域包括枪支和火炮的制备。

在本发明的一些实施方式中，所述金属制备领域包括喷砂机器喷嘴和铸造模具的制备。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

材料准备

本例制备了一种高比重钨基合金，具体步骤为：

A1.配料：称取7.31kg的钨粉末、1.88kg的镍粉末、0.81kg的铁粉末混合，得到混合物，混合物的粒径为2～3μm；

A2.干磨：将步骤A1所得混合物干磨(研磨)，速度为30rpm，干磨6h，混合均匀；

A3.混炼造粒：将步骤A2所得混合物在氮气保护下以15rpm的速度搅拌，在200℃条件下预热25min后，添加107.2g的塑胶辅料(HDPE:EVA:蜡:SA的重量比为7:2:2:l)和785g的聚甲醛树脂(POM)，然后升温至230℃并保温10min；POM熔化后放进行密炼；同时开始降温(不再加热)，降温至200℃后继续密炼15min至物料表面均匀光滑，再降温至180℃后通过螺杆挤出并切成粒料；

A4.注塑：将步骤A3所得粒料在注塑机中注塑成直径为2.5cm的球；具体的注塑参数为：注塑机炮筒的温度为180℃(设定值)，射胶压力100Bar(设定值)；

A5.脱脂：在氮气保护下，采用雾化的纯硝酸气催化脱脂，即促进步骤A4所得坯料中80％重量的聚甲醛树脂分解，并排除分解产生的甲醛；

A6.烧结：在石墨炉中真空烧结步骤A5所得材料，恒温温度为1300℃，恒温时长为10h；升温速度为150℃/h，烧结完成后自然冷却至≤70℃后得钨基合金内核。

按照标准文件GB/T 1423-1996提供的方法，测得本例所得钨基合金内核的密度为14土0.1g/cm³。

按照标准文件GB/T230.1-2004提供的方法，测得本例所得钨基合金内核的硬度为HRC25土5。

实施例1

本实施例制备了一种金属铸件，具体过程为：

S1.采用铝合金丝(成分与步骤A2所得熔体的成分相同)将材料准备例制得的钨基合金内核固定于压铸模具中心，采用氩气置换压铸模具内的空气后，预热压铸模具至350℃；其中压铸模具的内壁组成了直径为4.5cm的球；

S2.按照表1中的成分调配原料，并于750℃熔融、精炼、扒渣后，降温至700℃后，将所得熔体压射入步骤S1所得压铸模具中，压铸过程中，压射比压为40MPa；

S3.待步骤S2中铸体冷却至400℃时，在氩气保护下，将其转移至热等静压处理的仪器中，进行热等静压处理，其中温度为655℃，压力为130MPa，恒温时长为5h，恒温结束后，按照140℃/h的冷却速度降温至≤250℃后，自然降温至≤60℃后取出、检验。

实施例2

本实施例制备了一种金属铸件，具体过程与实施例1的区别在于：

铝基合金外壳的成分不同，具体成分如表1所示。

实施例3

本实施例制备了一种金属铸件，具体过程与实施例1的区别在于：

(1)步骤S2中，降温至725℃时开始压铸；

(2)步骤S3中，铸体冷却至355℃时开始热等静压处理；

(3)步骤S3中，热等静压处理的温度为675℃。

对比例1

本对比例制备了一种金属铸件，与实施例1的区别在于：

铝基合金外壳的成分不同，具体成分如表1所示。

对比例2

本对比例制备了一种金属铸件，与实施例1的区别在于：

铝基合金外壳的成分不同，具体成分如表1所示。

对比例3

本对比例制备了一种金属铸件，与实施例1的区别在于：

不进行步骤S3，直接将步骤S2所得铸体自然冷却即得。

对比例4

本对比例制备了一种金属铸件，与实施例1的区别在于：

步骤S3中，待步骤S2所得铸体冷却至室温(约25℃)后再进行热等静压处理。

对比例5

本对比例制备了一种金属铸件，与实施例1的区别在于：

步骤S3中，热等静压结束后，按照180℃/h的冷却速度降温至≤250℃后，再自然降温。

表1实施例1～2以及对比例1～2所用铝基合金外壳的成分(按质量百分数计)

其中“-”表示。

试验例

本试验例测试了实施例1～3和对比例1～5制备的金属铸件。其中：

密度的测试方法依照标准文件GB/T 1423-1996提供的方法进行；

采用悬挂法测试所得金属铸件的重心；

铝基合金外壳的抗拉强度依照标准文件GB/T228-2002提供的方法进行；

铝基合金外壳的疲劳性能的测试方法为：采用运动速度为50m/s的高尔夫球，击打厚度为2cm的铝基合金板3000次，总的永久变形量≤0.15mm即为通过。

采用目测法检测所得金属铸件的外观。

单独测试铝基合金外壳的性能时，直接将步骤S2中的溶体进行压铸，并采用相同的方法进行热等静压处理，形成标准文件要求的试样形状，其中不包裹钨基合金内核。

上述测试的结果如表2所示。

表2实施例1～3和对比例1～5中所得材料性能

表2结果说明，本发明实施例1～3提供的金属铸件的成分以及制备方法相互配合，所得的球状金属铸件的重心与设计重心相同，说明采用铝基合金线固定钨基合金内核的方法可行、有效，在铝基合金熔体压射进入压铸模具的过程中，钨基合金内核的位置并未发生变化，进一步的说明：采用本发明提供的制备方法，可以获取与设计重心相同的，外壳质地均匀(固定钨基合金内核的材质与铝基合金外壳相同)的金属铸件；所得金属铸件的密度较低，说明可以通过微调钨基合金内核的形状、位置，调整重心位置；同时，所得金属铸件具有优异的抗拉性能、耐疲劳性能和外观性能，因此通过调整内核和外壳的形状、大小后，有望用于高尔夫球杆、航天器件以及汽车等领域。

对比例1与实施例1相比，区别在于铝基合金外壳中缺少了钒，由于钒的作用至少包括细化晶粒，提升抗拉强度，以及降低铝基合金外壳的热膨胀系数等；因此缺少钒之后，所得铝基合金外壳的抗拉强度降低，所得金属铸件外表面也产生了微小裂纹。

对比例2与实施例1相比，缺省了钪，因此明显降低了所得铝基合金外壳的抗拉强度。

对比例3～5中，没有进行热等静压，或者进行过程没有按照参数进行设计，因此所得材料的密度、铝基合金外壳的抗拉强度、疲劳性能以及外观均未通过。

综上，本发明中金属铸件的材质内，制备方法的各步骤内，以及材质和制备方法之间均发生了较为明显的协同作用，综合后，可显著提升所得金属铸件的各项性能。

上面对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (10)

1.一种金属铸件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.将钨基合金内核固定于压铸模具中，并预热；

S2.将铝基合金熔体注入所述压铸模具中，压铸成型；

S3.对步骤S2所得铸件进行热等静压处理。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，按重量百分数计，所述钨基合金内核的组分包括：

镍1～38％；

铁2～35％；

余量为钨和杂质。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述钨基合金内核的制备方法包括将所述镍、铁和钨的金属颗粒混合研磨后造粒、成型、脱脂并真空烧结。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述预热的温度为300～400℃。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，按重量百分数计，所述铝基合金熔体的成分包括：

锌6～8％；

镁1.8～2.3％；

铜0.8～1.3％；

钪0.01～0.1％；

锆0.1～0.2％；

钒0.1～0.3％；

余量为铝和杂质。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述铝基合金熔体的温度为700～800℃；优选地，所述压铸的压射比压为40～50MPa。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述热等静压处理的温度为650～680℃；优选地，所述热等静压处理的压力为130～150MPa；优选地，所述热等静压处理的时长为5～6h；优选地，当温度≥250℃时，所述热等静压处理后的降温速度为120～150℃/h。

8.一种如权利要求1～7任一项所述制备方法制得的金属铸件。

9.一种高尔夫球杆，其特征在于，制备原料包括如权利要求8所述金属铸件或如权利要求1～7任一项所述制备方法制得的金属铸件。

10.一种如权利要求8所述金属铸件或如权利要求1～7任一项所述制备方法制得的金属铸件在航天、武器制备、交通运输、医疗器械、金属制备和体育器材领域中的应用。