CN1248808C - 带有复合层的零件的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了带有复合层的零件的一种制造方法。在这种方法中，将表面牢固地焊有金属颗粒的复合预制件，放入模子中。然后将熔化的第二种金属浇入其中，液体金属流过并覆盖了金属颗粒，然后冷却。这个过程就产生了一个零件，其母体是第二种金属，通过机械咬合金属颗粒的方法，在表面上包覆了第一种金属。典型的情况是第一种金属是高熔点高强度金属，例如钢；第二种金属是低熔点低强度但重量轻的金属，例如铝。
Description
技术领域
本发明涉及一种零件的制造方法，特别是一种带有复合层的零件的制造方法。
背景技术
为了减轻汽车重量提高燃料效率，最近几年汽车工业已经大大地增加了铝在汽车中的应用。为了进一步减轻汽车重量，汽车中更多的钢铁零部件需要被铝零部件所替代。铝及其合金有许多优良性能，但是不耐磨和不耐高温限制了铝及其合金的更广泛应用。为了解决这些问题，已经发明了各种制造重量轻的复合零件的方法。这些复合零件是由陶瓷强化的铝基复合材料(MMC)或者称为陶瓷金属复合材料制造的。在这些方法中，将熔化的铝与陶瓷粉末混合，浇进铸模以生产零件，或者将熔化的铝渗入一个多孔陶瓷毛坯中以生产零件。铝基MMC的确改善了耐磨性能，但也带来了其它的问题。铝基MMC非常脆，加入10-15％(体积百分比)的陶瓷粒子的铝基MMC，其塑性约降低90％，结果整体铝基MMC比较容易突然脆断。如果这样的材料用于制造安全可靠性要求高的零部件，例如刹车盘或刹车鼓，就可能带来严重的索赔问题。另外铝基复合材料很难机加工，铝基MMC中的碳化硅或三氧化二铝很快将刃具磨钝。另外铝基MMC刹车盘不能很好地承受由摩擦而产生的热，造成在摩擦面上产生粘接磨损和塑变磨损。另外铝基MMC材料也很贵。
美国专利5,183,632揭示了一种制造铝刹车盘的方法。这种铝刹车盘带有铝复合材料摩擦面。此铝复合材料摩擦面由铝和陶瓷粉末混合，加温加压粘合到铝刹车盘母体上。
美国专利5,224,572揭示了一种制造轻刹车盘的方法。这种刹车盘磨擦表面带有陶瓷涂层。
美国专利5,884,388揭示了一种制造带有耐磨磨擦面的铝零件的方法。这种耐磨磨擦面是由铝与不锈钢的混合材料用电弧热喷涂方法涂上去的。
美国专利申请2001/0045332A1揭示了一种钛或者铝刹车盘的制造方法。这种刹车盘带有不锈钢耐磨表面，不锈钢是用铜焊在铝的表面上的。
日本专利申请JP-A No.H9-42339揭示了一种铝刹车盘的制造方法。这种铝刹车盘带有合金钢耐磨面，此耐磨面是由爆炸法与铝母体焊接上的。
技术方案
本发明揭示了带有复合层的零件的一种制造方法。在这种方法中，将表面牢固地焊有金属颗粒的复合预制件，放入模子中，然后将熔化的第二种金属浇入其中。液体金属流过并覆盖了金属颗粒，然后冷却。这个过程就产生了一个零件，其母体是第二种金属，通过机械咬合的方法，在表面上包覆了第一种金属。典型的情况是第一种金属是高熔点高强度金属，例如钢；第二种金属是低熔点低强度但重量轻的金属，例如铝。
下面的详细描述与插图对本发明的目的，特征及优点做了更易于理解的说明。
附图说明
图1.显示了本发明所揭示的机械咬合原理
图2.显示一种用钢复合其顶部的铝活塞的复合结构
具体实施例
将0.5-20mm厚，最好是1-5mm厚的高强度高熔点板材，例如钢板，冲压，切割，弯曲和/或压延，制得一个待复合的备件。或者，待复合的备件也可以用金属铸造，粉末冶金，挤压，锻造，焊接，车削等方法制造。另外待复合的备件也可以用多层金属板制成。多层金属板由本体金属与一种表面材料粘接。表面材料可以是不同的金属，或者是由金属基体与陶瓷，石墨粒子，短纤维或长纤维强化所构成的复合材料。
在待复合的备件(1)的某个部位均匀或按一定的图案涂上粘接剂，最好是有机的，例如树脂，树胶，动物胶，糊精，聚丙烯，纤维素，酚醛或者聚氨基甲酸脂。做为另一种可供选择的方法，粘接剂可以混入添加剂，这些添加剂可以由金属和碳粉组成，粉末的粒度是0.1至500μm，最好是25-147μm。粘接剂与添加剂的比例可上至1∶10，但最好是在50∶1与10∶1之间，或者最好是在1∶1至1∶6之间。
将规则或不规则形状的金属粒子粘在涂了胶的待复合的备件的表面上(5)。所说的规则或不规则形状包括球形，柱形，多边形，椭圆形，T字型，工字型，L字型，V字型，螺钉，锥形，[字型，以及其它能够产生机械咬合的各种形状。直径为0.5至20mm均匀尺寸的金属球的使用效果很好。这些金属球(2)随机或按一定图案粘在涂有胶的表面上(5)。做为另一种可供选择的方法，胶也可以涂在金属粒子(2)的表面上。待复合的备件的表面(5)可涂也可不涂胶。金属粒子的间距最好是粒子直径的1.5至10倍。作为另一种可供选择的方法，金属粒子(2)单层粘在整个涂有胶的表面上(5)。作为另一种可供选择的方法，金属粒子(2)以多层方式粘在涂有胶的表面上(5)。每层粒子之间涂有胶，将各层粒子粘在一起。
待复合的备件)包括粘接剂和粒子，一起装入炉中。在高温下，粘接剂或许金属粒子的一部份，以及待复合的备件的表面材料(5)，共同形成了瞬间金属液体。这瞬间金属液体构成了粒子缩颈(3)(图1)。由于金属缩颈处元素的原子扩散到周围的地区，金属缩颈在高温下又变成了固体。金属缩颈(3)的横断面直径小于金属粒子直径，最好是金属粒子直径的1/3至2/3。冷却以后，金属粒子(2)就通过金属缩颈(3)焊在了待复合的备件(1)的表面上。作为另外一种可供选择的方法，粘接剂本身在高温下变成了液体，构造了金属缩颈，冷却以后，金属缩颈就成了固体。作为另外一种可供选择的方法，多层金属粒子(2)与涂了胶的表面(5)粘接在待复合的备件表面上，形成了一个多孔层。这些粒子在炉中加热时由出现的瞬间液体粘合在一起。冷却以后，这个多孔金属层就由凝固的瞬间金属液体牢固地与薄件(1)粘接在一起了。多孔层的孔洞是互相联通的。
作为另一种可供选择的方法，可以用前面所述方法先制造一个牢固地粘有金属粒子的预制件，然后通过切割的方法同时制造出多个小预制件。这些小预制件就可以用来作为复合预制件。
在加热过程中，通过控制炉内气氛也可以对待复合的备件进行碳化和氮化处理。在炉内加热过程中，还可以进行退火，正火，淬火和回火的热处理。
复合预制件可以进一步弯曲，冲压，压延，以及焊接制成所需要的形状。金属粒子也可以受压使之变形以便更好地机械咬合。复合预制件也可以经由化学蒸镀，物理蒸镀，热喷涂，电镀，喷涂，刷或浸沾的方法施加涂层。另外复合预制件也可以用火焰，激光表面硬化或离子束进一步处理。
复合预制件然后放入砂型或金属模具中，将第二种金属(4)(图1)熔化，浇入砂型或金属模子中就形成了带有复合层的零件。通常使用的潮模砂铸造，金属模铸造，挤压铸造，造芯下芯，精密铸造，失模铸造等都可以在本发明中使用。虽然冶金粘接可能存在，但是第一种金属的表面，其中包括粒子(2)的表面，缩颈(3)和复合预制件的表面(5)，主要是通过机械咬合与第二种金属机体粘接的。这种机械咬合可以是第二种金属咬住粒子的缩颈，或是渗入多孔层中的孔洞中。如有必要这样制成的零件可以经过机械加工，以生产出最终的成品。这种成品具有所要求的尺寸精度以及优良的表面工作性能。
为了进一步改善使用性能，工作表面可以用喷砂，钻孔，开槽，或其它机加工方法使之粗糙。为了进一步改善表面性能，关键表面还可以用化学蒸镀，物理蒸镀，激光表面硬化及电子束表面硬化进行表面硬化处理。
图2显示了一个铝活塞含有钢顶盖的结构。在相同尺寸和相同测试条件下制动测功仪测试结果表明，用上述方法生产的钢面铝刹车盘具有与铸铁刹车盘同样良好的刹车性能，但是铸铁刹车盘比钢面铝刹车盘重2倍，在一次破坏性高温刹车实验中，钢面铝刹车盘一直工作良好直到轮盘表面温度超过1400°F。
用本发明制造的零件主要着眼于要求重量轻及优良表面性能的应用。这些优良的表面性能包括耐磨，隔热，高工作温度，以及希望的磨擦系数。这些应用包括钢面铝刹车盘，刹车鼓，活塞，齿轮，坦克车履带，以及离合器。潜在的应用还包括钢面镁零件，钢面钛零件，以及其它多组元材料体系。
前面所列举的条件和说明仅仅是为了描述本发明，并不构成限制性条件。列举这些条件和说明完全不代表本发明仅包括所述或所显示的特征，或者其中一部份特征。本发明的范围和限定是由下列专利权申请所决定。
Claims (20)
1.一种制造带有复合层的零件的方法，由下列步骤构成：
a.制备一个复合预制件，这个复合预制件的某个部位由第一种金属和外表面所构成，至少在部分外表面上牢固地粘有许多尺寸介于0.5至20mm的金属粒子；
b.将复合预制件放入模子中；
c.提供熔化了的第二种金属；
d.将熔化了的第二种金属浇入模子中，此液体金属环绕并覆盖了前述金属粒子，然后冷却，就形成了一个由第二种金属制成的零件，在此零件中通过第二种金属与金属粒子的机械咬合，这个零件就带有了第一种金属的复合层。
2.权利要求1的一种制造带有复合层的零件的方法，其特征在于所述的复合预制件是由下列过程制备的：
a.制备一个待复合的备件，这个待复合的备件由第一种金属制成并含有一个待用表面；
b.准备好一种粘接剂；
c.准备好一套尺寸介于0.5至20mm的金属粒子；
d.用粘接剂将金属粒子粘在至少一部份所讲过的待用表面上；
e.将此待复合的备件加热然后冷却，加热和冷却要能够保证使金属粒子与所讲过的待用表面牢固地粘接在一起，这样就制成了一个复合预制件。
3.权利要求2中所讲的方法，其特征是：复合预制件被切割成许多块，并被用做复合预制件。
4.权利要求2中所讲的方法，其特征是：粘接剂中含有金属颗粒。
5.权利要求2中所讲的方法，其特征是：粘接剂中含有碳颗粒。
6.权利要求2中所讲的方法，其特征是：金属粒子是球形的。
7.权利要求2中所讲的方法，其特征是：加热待复合的备件步骤使金属粒子与部份外表面之间形成缩颈。
8.权利要求7中所述的方法，其特征是：缩颈的横断面直径小于金属粒子直径。
9.权利要求2中所述的方法，其特征是：加热步骤包括对待复合的备件进行碳化处理。
10.权利要求2中所述的方法，其特征是：加热步骤包括对待复合的备件进行氮化处理。
11.权利要求2中所述的方法，其特征是：加热步骤包括对待复合的备件进行退火处理。
12.权利要求2中所述的方法，其特征是：加热步骤包括对待复合的备件进行正火处理。
13.权利要求1中所述的方法，其特征是：模子是一个砂模。
14.权利要求1中所述的方法，其特征是：模子是一个金属模。
15.权利要求2所述的方法，其特征是：进一步包括对复合预制件进行机加工的步骤。
16.权利要求2所述的方法，其特征是：进一步包括对复合预制件进一步变形的步骤。
17.权利要求2所述的方法，其特征是：进一步包括对复合预制件的金属粒子加压变形的步骤。
18.权利要求2所述的方法，其特征是：进一步包括给复合预制件上涂层的步骤。
19.权利要求15所述的方法，其特征是：进一步包括给机加工过的复合预制件上涂层的步骤。
20.权利要求1所述的方法，其特征是：进一步包括将带有复合层的零件机加工使其具有要求的形状和要求的表面特征。
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