CN1239731C - 金属基复合材料局部增强产品预构件的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种金属基复合材料局部增强产品预构件的制备方法，包括：(1)制备浆料：将增强相材料100与天然纤维素1～7、水玻璃3～9、磷酸铝1～7、分散剂水溶液105～123按重量份配制成浆料，增强相材料为氧化铝或氧化硅或碳化硅或氧化硼或氮化硅或石墨单体化合物或为它们的组合物，分散剂水溶液由藻肮酸钠0.5～1%、聚乙烯醇0.5～3%、自来水加至100%制成，或为0.5%浓度的聚丙烯酰胺水溶液；(2)制备坯件：将多孔材料载体浸入浆料，在室温空气中风干硬化；(3)焙烧：将坯件于60～100℃烘烤1～2小时、200℃～220℃烘烤1～2小时、400℃～450℃保温2小时，升温至900℃～1000℃焙烧2～3小时，烧结2～8小时，随炉缓慢冷至室温。

Description

金属基复合材料局部增强产品预构件的制备方法

技术领域

本发明属于机械零件制造工艺技术领域，具体涉及到金属基复合材料局部增强产品预构件的制备方法

背景技术

设计者的一个基本目标是生产出具有性能均匀的低成本产品。对一种产品性能的要求，包括物理性能，化学或力学性能，如热膨胀系数，抗磨擦磨损，耐热，抗蚀和刚性等，就其不同部位而言，可能是显著不同的。到目前为止，设计者基本上仍局限于选用单一材料来满足特定用途的最高标准要求，形成资源利用上的不合理局面。

二十世纪八十年代初，人们发明挤压铸造工艺，亦称液态金属模锻法，能够有效地被用来廉价制造金属基复合材料，实现产品特定部位局部性能获得所希望的增强效果，为合理用材和节约能耗而提出的等寿命设计理想将更快成为现实。

制造金属基复合材料局部增强产品过程中，关键的一环是制作一个既符合技术要求、又便于工艺操作，达到制作周期较短、成本相对低的复合材料预成型件。已知的一些建立在浆料加压或真空抽滤方法基础上的复合材料预构件制作方法，是难于稳定控制复合组分的设定体积率，难于实现复合组分的均匀分布，而且一般地都是制坯阶段周期长，操作环节繁多，致使生产效率低，预构件制作成本高，成为制约金属基复合材料局部增强产品的大批量应用和市场竞争力的主要因素。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述制备方法的缺陷，提供一种工艺过程和操作简易、周期缩短、生产成本低的金属基复合材料局部增强产品预构件的制备方法。

解决上述技术问题所采用的技术方案是该制备方法包括下属步骤：

(1)制备浆料

将增强相材料与天然纤维素、水玻璃、磷酸铝、分散剂水溶液按下述重量份配制成浆料：

增强相材料                                      100

天然纤维素                                      1～7

水玻璃                                          3～9

磷酸铝                                          1～7

分散剂水溶液                                    105～123

上述的增强相材料为氧化铝或氧化硅或碳化硅或氧化硼或氮化硅或石墨单体化合物或为它们的组合物，这些组合物是它们中两个单体化合物的组合物，每一个单体化合物组分可在5％～95％的重量份范围内选取。上述分散剂水溶液的组分及其重量百分配比为：

藻肮酸钠                                        0.5～1％

聚乙烯醇                                        0.5～3％

自来水加至                                      100％

上述的分散剂水溶液或为0.5％浓度的聚丙烯酰胺水溶液。

(2)制备坯件

将聚氨酯或聚苯乙烯或聚乙烯高分子聚合物海棉体浸入浆料，反复施压，使浆料充分而均匀地浸渍多聚氨酯或聚苯乙烯或聚乙烯高分子聚合物海棉体，达到其牢固附着于多孔体三维贯通孔隙结构的表面，在室温空气中风干硬化，制成坯件。

(3)焙烧

将已制作的坯件放入干燥箱内于60～100℃ 温度下烘烤1～2小时去水，随后于200℃-220℃烘烤1～2小时，将坯件放入高温加热炉中升温至400℃～450℃保温2小时使聚氨酯或聚苯乙烯或聚乙烯高分子聚合物海棉体完全灼烧消失，继续升温至900℃～1000℃焙烧2～3小时，根据所采用的增强相材料中选其熔点最低的单体化合物，升温至该单体化合物熔点0.5～0.6倍的温度下烧结2～8小时，随炉缓慢冷至室温，即可备用。

本发明的浆料配比中，增强相材料、天然纤维素、水玻璃、磷酸铝、分散剂水溶液的优选重量份配比为：

增强相材料                                          100

天然纤维素                                          3～5

水玻璃                                              5～7

磷酸铝                                              3～5

分散剂水溶液                                   111～117

本发明分散剂水溶液各组分的优选重量百分配比为：

藻肮酸钠                                       0.6～0.8％

聚乙烯醇                                       1～2.5％

自来水加至                                     100％

本发明的浆料配比中增强相材料、天然纤维素、水玻璃、磷酸铝、分散剂水溶液的最佳重量份配比为：

增强相材料                                     100

天然纤维素                                     4

水玻璃                                         6

磷酸铝                                         4

分散剂水溶液                                   114

本发明的分散剂水溶液各组分的最佳重量百分配比为：

藻肮酸钠                                       0.8％

聚乙烯醇                                       2％

自来水加至                                     100％

本发明的浆料配比中增强相材料、天然纤维素、水玻璃、磷酸铝重量份之和与分散剂水溶液的重量份相等。

本发明与现有的制备方法相比，通过选择不同孔径分布及孔隙率的多孔聚合物海棉体，达到更加有效实现对复合物组元所设定的体积分数要求之控制，从而稳定地保证了复合材料局部增强性能目标；更有效地达到复合物组元在基体金属中的均匀弥散分布，使产品物理——力学性能的均匀一致，要求得到更有效的保证。本发明具有操作简易、周期缩短、成本降低等优点，可在汽车零部件、电子产品零部件、体育健身器械等众多民用产品的制备工艺中广泛推广使用。本发明特别适用于以纯铝或铝合金或纯镁或镁合金为基体的金属基颗粒复合材料或短纤维复合材料局部增强产品。也可适用于锌基合金和铜合金为基体的金属基复合材料局部增强产品。还可适用于应用挤压铸造法或液态合金浸渗法生产整体金属基复合材料的型材和成型产品。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

本实施例的金属基复合材料局部增强产品预构件的制备方法如下：

(1)制备浆料

将增强相材料与天然纤维素、水玻璃、磷酸铝、分散剂水溶液按下述重量份配制成浆料：

增强相材料                                          100

天然纤维素                                          4

水玻璃                                              6

磷酸铝                                              4

分散剂水溶液                                        114

上述的增强相材料为氧化铝，上述分散剂水溶液的组分及其重量百分配比为：

藻肮酸钠                                             0.8％

聚乙烯醇                                             2％

自来水加                                             100％

上述的分散剂水溶液也可以为0.5％浓度的聚丙烯酰胺水溶液。

(2)制备坯件

将聚氨酯高分子聚合物多孔材料载体浸入浆料，反复施压，使浆料充分而均匀地浸渍多孔材料载体，达到其牢固附着于多孔材料载体三维贯通孔隙结构的表面，在室温空气中风干硬化，制成坯件。

(3)焙烧

将已制作的坯件放入干燥箱内于60～100℃温度下烘烤1～2小时去水，随后于200℃～220℃烘烤1～2小时，升温至400℃～450℃保温2小时使多孔材料载体完全灼烧消失，然后将坯件放入焙烧炉中继续升温至900℃～1000℃焙烧2～3小时，根据所采用的增强相材料中选其熔点最低的单体化合物，升温至该单体化合物熔点0.5～0.6倍的温度下烧结2～8小时，烧结温度取上限时烧结时间取下限，烧结温度取下限时烧结时间取上限，随炉缓慢冷至室温，即可备用。

实施例2

在本实施例的制浆工艺步骤中，所采用的原料及其重量份比为：

增强相材料                                          100

天然纤维素                                          1

水玻璃                                              3

磷酸铝                                              1

分散剂水溶液                                        105

上述的增强相材料为氧化铝，上述分散剂水溶液的组分及其重量百分配比为：

藻肮酸钠                                            0.5％

聚乙烯醇                                            0.5％

自来水加至                                          100％

上述的分散剂水溶液也可以为0.5％浓度的聚丙烯酰胺水溶液。其它工艺步骤与实施例1相同。

实施例3

在本实施例的制浆工艺步骤中，所采用的原料及其重量份比为：

增强相材料                                         100

天然纤维素                                         7

水玻璃                                             9

磷酸铝                                             7

分散剂水溶液                                       123

上述的增强相材料为氧化铝，上述分散剂水溶液的组分及其重量百分配比为：

藻肮酸钠                                           1％

聚乙烯醇                                           3％

自来水加至                                         100％

上述的分散剂水溶液也可以为0.5％浓度的聚丙烯酰胺水溶液。其它工艺步骤与实施例1相同。

实施例4

在本实施例的制浆工艺步骤中，所采用的原料及其重量份比为：

增强相材料                                         100

天然纤维素                                         1

水玻璃                                             9

磷酸铝                                           7

分散剂水溶液                                     117

上述的增强相材料为氧化铝，上述分散剂水溶液的组分及其重量百分配比为：

藻肮酸钠                                         0.5％

聚乙烯醇                                         3％

自来水加至                                       100％

其它工艺步骤及其配比与的实施例1相同。

实施例5

在本实施例的制浆工艺步骤中，所采用的原料及其重量份比为：

增强相材料                                      100

天然纤维素                                      7

水玻璃                                          9

磷酸铝                                          1

分散剂水溶液                                    117

上述的增强相材料为氧化铝，上述分散剂水溶液的组分及其重量百分配比为：

藻肮酸钠                                        1％

聚乙烯醇                                        0.5％

自来水加至                                      100％

其它工艺步骤及其配比与的实施例1相同。

实施例6

在本实施例的制浆工艺步骤中，所采用的原料及其重量份比为：

增强相材料                                      100

天然纤维素                                      7

水玻璃                                          3

磷酸铝                                          7

分散剂水溶液                                    117

上述的增强相材料为氧化铝，上述分散剂水溶液的组分及其重量百分配比为：

藻肮酸钠                                           1％

聚乙烯醇                                           0.5％

自来水加至                                         100％

其它工艺步骤及其配比与的实施例1相同。

实施例7

在以上实施例1～6的制浆工艺步骤中，所采用的增强相材料为氧化硅，也可采用碳化硅，也可采用氧化硼，还可采用氮化硅或石墨，其重量份配比与相应的实施例相同。其它工艺步骤及其配比与相应的实施例相同。

实施例8

在以上实施例1～6的制浆工艺步骤中，所采用的增强相材料为氧化铝、氧化硅、碳化硅、氧化硼、氮化硅、石墨的组合物，这种组合物是它们中任意两个单体化合物的组合物，在这些组合物中，氧化铝的重量份为50、氧化硅的重量份为50、碳化硅的重量份为50、氧化硼的重量份为50、氮化硅的重量份为50、石墨的重量份为50。其它工艺步骤及其配比与相应的实施例相同。

实施例9

在以上实施例1～6的制浆工艺步骤中，所采用的增强相材料为氧化铝与氧化硅的组合物，也可以是氧化铝与碳化硅的组合物、与氧化硼的组合物、与氮化硅的组合物，还可以是氧化铝与石墨的组合物，在这些组合物中氧化铝的重量份为5，其它化合物的重量份为95。其它原料的配比和工艺步骤与相应的实施例相同。

实施例10

在以上实施例1～6的制浆工艺步骤中，所采用的增强相材料为氧化硅与氧化铝的组合物，也可以是氧化硅与碳化硅的组合物、与氧化硼的组合物、与氮化硅的组合物，还可以是氧化硅与石墨的组合物，在这些组合物中氧化硅的重量份为5，其它化合物的重量份为95。其它原料的配比和工艺步骤与相应的实施例相同。

实施例11

在以上实施例1～6的制浆工艺步骤中，所采用的增强相材料为碳化硅与氧化铝的组合物，也可以是碳化硅与氧化硅的组合物、与氧化硼的组合物、与氮化硅的组合物，还可以是碳化硅与石墨的组合物，在这些组合物中碳化硅的重量份为5，其它化合物的重量份为95。其它原料的配比和工艺步骤与相应的实施例相同。

实施例12

在以上实施例1～6的制浆工艺步骤中，所采用的增强相材料为氧化硼与氧化铝的组合物，也可以是氧化硼与碳化硅的组合物、与氧化硅的组合物、与氮化硅的组合物，还可以是氧化硼与石墨的组合物，在这些组合物中氧化硼的重量份为5，其它化合物的重量份为95。其它原料的配比和工艺步骤与相应的实施例相同。

实施例13

在以上实施例1～6的制浆工艺步骤中，所采用的增强相材料为氮化硅与氧化铝的组合物，也可以是氮化硅与碳化硅的组合物、与氧化硼的组合物、与氧化硅的组合物，还可以是氮化硅与石墨的组合物，在这些组合物中氮化硅的重量份为5，其它化合物的重量份为95。其它原料的配比和工艺步骤与相应的实施例相同。

实施例14

在以上实施例1～6的制浆工艺步骤中，所采用的增强相材料为石墨与氧化铝的组合物，也可以是石墨与碳化硅的组合物、与氧化硼的组合物、与氮化硅的组合物，还可以是石墨与氧化硅的组合物，在这些组合物中石墨的重量份为5，其它化合物的重量份为95。其它原料的配比和工艺步骤与相应的实施例相同。

Claims (4)

1、一种金属基复合材料局部增强产品预构件的制备方法，其特征在于该制备方法包括下述步骤：

(1)制备浆料

将增强相材料与天然纤维素、水玻璃、磷酸铝、分散剂水溶液按下述重量份配制成浆料：

        增强相材料                          100

        天然纤维素                          1～7

        水玻璃                              3～9

        磷酸铝                              1～7

        分散剂水溶液                        105～123

上述的增强相材料为氧化铝或氧化硅或碳化硅或氧化硼或氮化硅或石墨单体化合物或为它们的组合物，这些组合物是它们中两个单体化合物的组合物，每一个单体化合物组分在5％～95％的重量份范围内选取；上述分散剂水溶液的组分及其重量百分配比为：

        藻肮酸钠                          0.5～1％

        聚乙烯醇                          0.5～3％

        自来水加至                        100％

上述的分散剂水溶液或为0.5％浓度的聚丙烯酰胺水溶液；

(2)制备坯件

将聚氨酯或聚苯乙烯或聚乙烯高分子聚合物海棉体浸入浆料，反复施压，使浆料充分而均匀地浸渍聚氨酯或聚苯乙烯或聚乙烯高分子聚合物海棉体，达到其牢固附着于多孔体三维贯通孔隙结构的表面，在室温空气中风干硬化，制成坯件；

(3)焙烧

将已制作的坯件放入干燥箱内于60～100℃温度下烘烤1～2小时去水，随后于200℃～220℃烘烤1～2小时，将坯件放入高温加热炉中升温至400℃～450℃保温2小时使聚氨酯或聚苯乙烯或聚乙烯高分子聚合物海棉体完全灼烧消失，继续升温至900℃～1000℃焙烧2～3小时，根据所采用的增强相材料中选其熔点最低的单体化合物，升温至该单体化合物熔点0.5～0.6倍的温度下烧结2～8小时，随炉缓慢冷至室温，即可备用。

2、按照权利要求1所述的金属基复合材料局部增强产品预构件的制备方法，其特征在于所说的浆料其中增强相材料、天然纤维素、水玻璃、磷酸铝、分散剂水溶液按下述重量份配制成浆料：

        增强相材料                              100

        天然纤维素                              3～5

        水玻璃                                  5～7

        磷酸铝                                  3～5

        分散剂水溶液                            111～117

所说的分散剂水溶液其中各组分及其重量百分配比为：

        藻肮酸钠                               0.6～0.8％

        聚乙烯醇                               1～2.5％

        自来水加至                             100％

3、按照权利要求1所述的金属基复合材料局部增强产品预构件的制备方法，其特征在于所说的浆料其中增强相材料、天然纤维素、水玻璃、磷酸铝、分散剂水溶液按下述重量份配制成浆料：

        增强相材料                              100

        天然纤维素                              4

        水玻璃                                  6

        磷酸铝                                  4

        分散剂水溶液                            114

所说的分散剂水溶液其中各组分及其重量百分配比为：

        藻肮酸钠                                0.8％

        聚乙烯醇                                2％

        自来水加至                              100％

4、按照权利要求1或2或3所述的金属基复合材料局部增强产品预构件的制备方法，其特征在于：所说的浆料配比中增强相材料、天然纤维素、水玻璃、磷酸铝重量份之和与分散剂水溶液的重量份相等。