CN1212915A

CN1212915A - 铝基复合材料的无压渗透铸造方法

Info

Publication number: CN1212915A
Application number: CN 98113687
Authority: CN
Inventors: 吴树森
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 1998-09-02
Filing date: 1998-09-02
Publication date: 1999-04-07
Anticipated expiration: 2018-09-02
Also published as: CN1060979C

Abstract

铝基复合材料无压渗透铸造方法:高硬度陶瓷颗粒或晶须与氧化铁混合粘接成多孔填料层,放入耐热容器,再将成分为硅5—20%、钙0.1—0.8%、镁0.1—1%的铝合金料置入,在加热炉中升温,渗透速度10—20mm/hr,完成后冷凝可得陶瓷相含量40—60%的复合材料。也可在渗透完成后再添加适量铝合金和锶,通过机械搅拌搅散已渗透部分,获得陶瓷相均匀分布、含量为5—30%的铝基复合材料。

Description

铝基复合材料的无压渗透铸造方法

本发明涉及一种铝基复合材料的铸造方法，通过铝合金熔液渗透多孔的陶瓷材料填料层，获得铝基复合材料。

目前已研究了多种制备铝基复合材料的冶金工艺方法，包括粉末冶金法，液体压力渗透法，真空铸造方法，机械搅拌法，等等。粉末冶金法是将金属相的粉末与增强相的粉末或晶须或纤维一起混合后，通过冷压再烧结，或热压成型。据报道，用本方法制备碳化硅增强铝基复合材料时，用碳化硅晶须时陶瓷相的最大体积分数为25％，而用颗粒时为40％。用粉末冶金法生产复合材料产品受到了许多限制，如只能作形状简单的小件，陶瓷相的体积含量不能超过40％(颗粒)。而且，烧结时收缩不均匀，由于偏折而产生组织不均匀，等等。

由于大多数陶瓷材料与铝合金熔液的润湿性很差，难以将陶瓷颗粒或晶须直接加入到合金熔液中制作复合材料，从而产生了液体金属的压力渗透法。例如，美国专利4,932,099(1990年)，日本专利014441(1983年)及欧洲专利0340957(1989)等。本法通常都是将陶瓷纤维或晶须，利用粘接剂等制作成多孔的预制件，再将预制件放入金属型腔中，利用压铸机等将铝液在高压下渗入预制件中得到复合材料部件。这种方法生产率较高，可较好地克服陶瓷相与金属液润湿性差的问题。但是，存在的问题是渗透较大部件时增强相的体积含量较低；需要制作金属模型，从而增加成本；需要利用特殊的压力设备等。

除了利用压力及在合金液中加入合金元素以帮助渗透外，利用真空也可帮助渗透，如美国专利3,718,441(1973)等。此外，在真空下陶瓷与金属液的润湿性得到改善，可以利用液态搅拌分散、然后铸造的方法生产复合材料。真空法的缺点是增加了真空的设备投资，生产容量也受到限制。

机械搅拌法是利用搅拌液体金属时产生的涡流，以及对陶瓷颗粒的机械作用力，强行将颗粒混入金属液中分散分布，然后浇注成铸锭或铸件，如美国专利4,786,467(1988年)等。在铝合金液中通常加入减小表面张力以改善润湿性的合金元素，如镁、铈、锶等。本方法的问题是机械搅拌时很容易将气体带入金属液中，搅拌时间长，加入陶瓷颗粒的体积含量小，一般不超过20％。若超过20％，则液体的流动性显著下降，将十分难以浇注成形。

综上所述，对于金属基复合材料制备，希望能开发出一种简单、可靠的工艺，而不要依赖于压力，或真空等技术。此外，也希望尽量减少复合材料的机械加工余量，尽量作到净无余量加工。与本发明有关的无压渗透铸造法可以达到这一目的。

渗透是一种自然的物理过程。但是，高温下的渗透却是一个较复杂的过程，受到填料层的孔隙率，填料物的形状，大小，高温液体金属的成份等多种因素的影响。而通常情况下，由于陶瓷增强物与液体金属的润湿较差，不采取特殊的方法，无压渗透也是难以进行的。与无压渗透制备复合材料相关的专利主要是美国Lanxide公司的几个美国专利。首先是White等人1987年5月13日登记，1989年5月9日授权的美国4,828,008号专利，名称为“金属基复合材料”(metal Matrix Composites)。根据该专利，可在高温条件下通过金属液渗透填料层制备复合材料，铝液中至少含3％的镁。渗透时的气氛为氮气加上氩气，氮气含量为50-100％。当渗透完成后，冷却、凝固，得到复合材料。复合材料中陶瓷相的含量可以很高。渗透25mm厚度约需12小时。

此后，仍是该公司的Aghajanian等人于1988年1月7日登记，1990年6月19日授权的美国4,935,055号专利。该发明为“使用屏障制备金属基复合材料的方法”，即利用石墨或硼化钛颗粒材料作为屏障，可阻断金属液的继续渗透，以制作净无余量加工零件。对于这一专利的改进工艺随后又申请了两项专利。但渗透的工艺方法仍是White等人的发明。

以上几项美国专利存在的问题是：生产率极低，每小时的渗透深度只有2mm左右；需要保护性气体，氮气参与了渗透过程的化学反应，生成化合物；合金液中镁含量较高，使复合材料的性能及应用受到限制。

此外，在至今为止的复合材料的制造中，无论是压力渗透法，机械搅拌法，还是无压渗透法，其复合材料的铸态组织中存在陶瓷颗粒的不均匀分布问题。即陶瓷颗粒总是偏析在晶粒边界，沿边界有较多颗粒聚集，而晶粒之中无颗粒，呈不均匀分布。不均匀分布状态对材料的性能产生许多不利影响，如强度无法提高，韧性下降，耐磨性降低等。

本发明的目的是提供一种工艺简单、渗透效率高、可获得高体积含量增强相的铝基复合材料的无压渗透铸造方法，为此应在填料层中加入助渗剂，并合理控制进行渗透的铝合金成分。本发明另一目的是在增强相体积含量较低的情况下，提供获得陶瓷颗粒均匀分布的铝基复合材料的工艺方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案是一种铝基复合材料的无压渗透铸造方法，将高硬度陶瓷颗粒或晶须粘接形成多孔填料层，放入耐热容器内，再将含镁铝合金锭或液置于其上，在加热炉中升温，渗透完成后冷却凝固即得到铝基复合材料，其特征为：

(1)所述填料层中加有氧化铁作为助渗剂，其重量占陶瓷材料重量的5-12％，

(2)所用粘接剂重量占陶瓷材料重量的30-50％，

(3)用于进行渗透的铝合金成分及重量百分比为：硅5-20％、钙0.1-0.8％、镁0.1-1％，余量为铝，

(4)加热炉温度为800-1000℃，保温20分钟-2小时。

这种无压渗透铸造方法中，所用到的高硬度陶瓷可以是碳化硅或三氧化二铝，所用到的氧化铁助渗剂可以是三氧化二铁或四氧化三铁，所用粘接剂可以是水玻璃。

上述方法的渗透过程可以在空气中进行，也可以在氩气或氮气保护气氛下进行。

用于上述方法进行渗透的铝合金成分及重量百分比可进一步限定为：硅7-15％、钙0.2-0.5％、镁0.2-0.5％，余量为铝，所述加热炉温度可进一步限定为800℃-900℃。

当需要复合材料中要求陶瓷颗粒的体积含量较低时，上述无压铸造方法在渗透完成后，可以再添加适量的铝合金液或锭，通过机械搅拌法将已渗透的部分搅散，获得陶瓷相含量为5-30％的铝基复合材料。

至今为止，复合材料中陶瓷颗粒体积含量较低时，都不能在固相中均匀分布，本发明在前一步骤所述添加适量铝合金液或锭时，加入锶进行变质处理，使得最终所获铝基复合材料诸成分重量百分比中锶含量为0.005-0.3％，钙为0.005-0.5％，从而获得陶瓷颗粒能够进入晶粒内部，而在固相中均匀分布的复合材料。

本发明成功实现了金属液无压渗透制备铝基复合材料。铝合金液中加入的促进渗透的元素少，获得的复合材料中金属间化合物少，材料的性能提高。渗透速度快，每小时可渗透100mm/hr。因此，渗透无需在特殊气氛下进行，简化了工艺和设备，节省了投资。本方法既可以获得陶瓷颗粒含量高达400％复合材料，又可用通过添加金属液进行搅拌铸造的方法，获得低颗粒含量的复合材料。同时，本发明成功地解决了陶瓷颗粒往往在金属基体中偏聚于晶粒边界的问题，实现了颗粒的均匀分布状态，复合材料的强度及韧性大大提高。

图1为铝合金渗透后的复合材料金相组织图，其中陶瓷颗粒体积含量为40-60％。

图2为加锶进行变质处理、陶瓷颗粒在固相中均匀分布的复合材料金相组织图。

实施例1：

将100克平均粒度为50μm的碳化硅颗粒，与10克三氧化二铁混合均匀后，用水玻璃作成多孔填料层，放入5号石墨坩埚中，将300克重的铝合金锭放在上面，铝合金锭化学成分为硅5％、钙0.1％、镁1％、余量为铝，升温到950℃，保温0.5小时。

实施例2：

将100克平均粒度为50μm的碳化硅颗粒，与6克三氧化二铁混合均匀后，用水玻璃作成多孔填料层，放入5号石墨坩埚中，将300克重的铝合金锭放在上面，铝合金锭化学成分为硅18％、钙0.8％、镁0.1％、余量为铝，升温到800℃，保温2小时。

实施例3：

将100克平均粒度为40μm的三氧化二铝颗粒与5克四氧化三铁和0.2克镁粉混合均匀后，用水玻璃作成多孔填料层，放入5号石墨坩埚中。将200克铝合金锭放于其上，铝合金锭成分为硅10％、钙0.3％、余量为铝，氩气保护气氛下升温至850℃、保温2小时。

实施例4

将实施例3坩埚中已渗透完成的铝液降温至800℃，添加入铝合金液或锭300克，并加入锶变质，使合金的最终化学成分为硅10％、钙0.12％、锶0.1％、镁0.04％、余量为铝，添加后迅速搅拌，使陶瓷颗粒分散后，浇注。此复合材料的典型微观组织如图2所示，三氧化二铝颗粒在固相中呈均匀分布。

Claims

1．一种铝基复合材料的无压渗透铸造方法，将高硬度陶瓷颗粒或晶须粘接形成多孔填料层，放入耐热容器内，再将含镁铝合金锭或液置于其上，在加热炉中升温，渗透完成后冷却凝固即得到铝基复合材料，其特征为：

(2)所用粘接剂重量占陶瓷材料重量的30-50％，

(4)加热炉温度为800-1000℃，保温20分钟-2小时。

2．如权利要求1所述的无压渗透铸造方法，其特征为所述高硬度陶瓷为碳化硅或三氧化二铝，所述氧化铁助渗剂为三氧化二铁或四氧化三铁。

3．如权利要求1或2所述的无压渗透铸造方法，其特征为所述渗透过程可在氩气或氮气保护气氛下进行。

4．如权利要求1或2所述的无压渗透铸造方法，其特征为所述用于进行渗透的铝合金成分及重量百分比为：硅7-15％、钙0.2-0.5％、镁0.2-0.5％，余量为铝，所述加热炉温度为800℃-900℃。

5．如权利要求3所述的无压渗透铸造方法，其特征为所述用于进行渗透的铝合金成分及重量百分比为：硅7-15％、钙0.2-0.5％、镁0.2-0.5％，余量为铝，所述加热炉温度为800℃-900℃。

6．如权利要求4所述的无压铸造方法，其特征是在渗透完成后，再添加适量的铝合金液或锭，通过机械搅拌法将已渗透的部分搅散，获得陶瓷相含量为5-30％的铝基复合材料。

7．如权利要求5所述的无铸造方法，其特征是在渗透完成后，再添加适量的铝合金液或锭，通过机械搅拌法将已渗透的部分搅散，获得陶瓷相含量为5-30％的铝基复合材料。

8．如权利要求6所述的无压铸造方法，其特征是在所述添加适量铝合金液或锭时，加入锶进行变质处理，使得最终所获铝基复合材料诸成分重量百分比中锶含量为0.005-0.3％，钙为0.005-0.5％。

9．如权利要求7所述的无压铸造方法，其特征是在所述添加适量铝合金液或锭时，加入锶进行变质处理，使得最终所获铝基复合材料诸成分重量百分比中锶含量为0.005％-0.3％，钙为0.005-0.5％。