CN1345382A - 金属基复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属基复合材料的制备方法,该复合材料包含基体金属,所述金属在其至少一部分中包含强化填料,该方法的特征包括(1)将至少一种纤维或颗粒状的强化填料和至少一种加速渗透的金属填入铝容器中,(2)将该铝容器在其中具有含氧气体的状态下浸没于包含铝合金或镁－铝合金的基体金属熔体中,(3)将该铝容器溶解于基体金属熔体中,由此使基体金属熔体渗入强化填料中,然后(4)酸化该基体金属熔体。

Description

金属基复合材料的制备方法

发明领域

本发明涉及含铝合金等基体的金属基复合材料的制备方法，特别是通过无压浸入制备金属基复合材料的方法。

现有技术

金属基复合材料是由基体金属和各种强化填料结合起来组成的，所述的基体金属具有诸如强度、延展性、韧性等基本性质。多数情况下，因为它们包含诸如长短陶瓷纤维、陶瓷颗粒等强化填料，同时具有基体金属本身的成型性和导热性以及强化填料的刚性、耐磨性、低热膨胀系数等，所以它们广泛地用于各种应用中，如用作重量日益减轻的运输车辆的部件和需要低热膨胀系数电子元件的线路板等。

在金属基复合材料中，有多种分散强化的复合材料，这些复合材料具有陶瓷等强化填料，该填料分散于如铝、镁等合金基体中。特别是铝合金更广泛地用作复合材料的基体，这是因为它们的重量轻和成本低。

包含如铝合金、镁合金等轻质合金基体的分散强化复合材料，不仅因为轻质合金而重量轻，而且具有多种提高了的性能，如强度、刚性、耐磨性、热膨胀系数、密度、高温强度等，这是因为它们含有强化填料。其性能提高得如何，很大程度上取决于合金组分与强化填料的比例、强化填料的形状和尺寸以及制备分散强化复合材料的方法。

按照惯例，现已存在多种制备包含轻质合金基体的复合材料的方法，而且这些制备方法主要分为粉末冶金法、熔体搅拌法和熔体渗透法。

粉末冶金法包括使粉末状的基体金属与长短纤维、颗粒等强化填料混合，同时将所得到的混合物在室温下模铸成型，然后烧结或热处理所得到的料坯，以制备复合材料。由于粉末冶金法通常包括压模，所以它不适于形状复杂的产品，因而不可避免地指向形状相对简单的产品。此外，由于压模是在高温高压下进行的，因此其缺点是特大型产品的成本高。

熔体搅拌法包括向熔融金属加入强化填料，长时间高速搅拌所得到的混合物以将强化填料分散于基体金属熔体中，由此制备复合材料。尽管该方法可以以较低的成本制备大量的复合材料锭坯，但是提供部分复合的材料是极其困难的。

熔体渗透法包括将熔融金属渗透到强化填料之间的空间，由此制备复合材料。该方法可以制备最终形状复杂的复合材料。但是，譬如将铝合金渗透到SiC颗粒之间的空间，该SiC颗粒必须对铝合金具有良好的润湿性。“良好的润湿性”是液体对固体具有小接触角的特征，这意味着该液体容易在固体表面扩展。但是，由于SiC颗粒对铝合金的可润湿性较差，所以铝合金渗透到SiC颗粒之间的空隙中不能在大气压下自然地发生。也就是说，SiC颗粒受到铝合金熔体的排斥，不能得到均质的复合材料。

熔体渗透法包括加压熔体渗透法和无压熔体渗透法，在加压熔体渗透法中，基体金属熔体在高压下渗透到陶瓷等强化填料的多孔料坯中制得复合材料；在无压熔体渗透法中，基体金属熔体无须压力即可渗透到强化填料的间隙中制得复合材料。

在加压熔体渗透法中，由于铝等轻质合金的熔体是在高压下渗透到强化填料的料坯中，因此可以得到部分复合的材料。例如，日本专利公开6-38968提出一种制备金属-强化填料复合材料的方法，该方法包括将第一金属(如NiO粉末)氧化物碎片与强化填料(如碳化硅晶须)的混合物压模，以形成多孔体，使形成氧化物趋势比第一金属大的第二金属(基体金属)的熔体如铝熔体在压力下渗透到所述的多孔体中。但是，该方法的缺点在于：由于第一金属氧化物碎片与强化填料的均匀混合物通过压模形成多孔体，并通过高压铸造设备使基体金属熔体渗透到多孔体中，所以其缺点是高生产成本。因此，该方法不能在没有压力的情况下制备复合材料，所述的铸造法也限于高压铸造法或离心铸造法。

作为无压熔体渗透法的实例，日本专利2801302公开了称做PRIMAX^TM的方法，在该方法中，铝等基体金属无须压力即可渗透到强化填料中，得到金属-强化填料复合材料。具体地，该方法包括将镁粉等渗透加速剂与碳化硅等强化填料的混合物或其预成型体置于非反应容器中；将基体金属邻近于该混合物或其预成型体放置；将二者置于炉子中；在该炉子中充满氮气氛；保持炉子温度为约675-1200℃，熔融的基体金属自然地渗透到强化填料中，由此制得金属-强化填料复合材料。据认为，渗透加速剂的作用是与氮气反应改善强化填料表面的润湿性，由此加快熔融的基体金属向强化填料中自然地渗透。

但是，由于该复合材料是按日本专利2801302的方法在氮气氛中制备的，所以需要具有换气装置的炉子，而且加热温度为约675℃或更高，因此制备这种金属-强化填料复合材料的成本极高，致使该金属-强化填料复合材料难于实用。此外，日本专利2801302仅公开了其中强化填料基本上全部被分散的基体金属-强化填料复合材料的具体例子，没有给出任何部分复合的材料的具体例子。

日本专利2905519提出了一种制备金属基体复合体的方法，该方法包括将SiC粉末等强化填料和镁粉渗透加速剂装填于铜模具中；用铜箔密封铜模具的一端；用氮气置换铜模具中的气体；和将铜模具浸于约750℃的熔融基体金属(如含镁的铝合金熔体)中约1小时，以制备金属基体复合材料。在浸于熔融的铝合金期间，铜模具和铜箔被熔化，结果熔融的铝合金自然地渗透到填料中。

在该方法中，也象日本专利2801302那样，渗透加速剂看似改善强化填料表面的润湿性，加速熔融的铝合金向强化填料自然地渗透，由此制得复合材料。但是，铜模具和铜箔在基体金属熔体中熔化，使基体金属熔体的组成发生了不希望的变化。此外，需要用氮气置换铜模具和铜箔内部气体的装置，且加热温度至少应为约675℃。因此，使得到的金属-强化填料复合材料成本很高，难于使用。另外，日本专利2905519仅公开了获得强化填料基本上全部分散于其中的基体金属-强化填料复合材料的实施例，根本没有公开部分复合的材料的实施例。

US 3364976公开了一种方法，该方法包括将具有至少一个开孔且含有气体(如含氧气和氮气的气体，如空气)的模具浸于基体金属镁的熔体中，所述气体与熔融的镁具有反应活性；使镁熔体与存在于模具孔腔中的氧气和氮气发生反应，在模具内部产生负压的状态；用基体金属熔体通过负压的抽吸作用填充模具。US 3364976进一步公开了本方法适用于Al-Mg合金。

但是，在US 3364976的方法中，可渗透到强化填料中的基体金属基本上限于镁或Al-Mg合金，仅有一个用Al-5％Mg合金熔体制备复合材料的具体实施例。另外，由于强化填料被填充于钢、石墨、玻璃等制成的模具中，而且由于该模具被浸于熔融的基体金属中，因此，当寻求用填料部分强化的复合材料时，模具保留在基体金属和金属-强化填料复合材料之间的范围中，不适于实用。

本发明的目的

因此，本发明的一个目的是提供一种制备金属基复合材料的方法，该方法成本低无须使用氮气，通过在没有压力或相对较低的温度下，使基体金属熔体渗透到强化填料之间的空隙中。

本发明的另一目的是提供一种制备金属基部分复合材料的方法，通过无压渗透使产品部分与强化填料复合。

发明概述

考虑到上述目的，经深入研究，本发明人发现：将纤维状或颗粒状的强化填料和粉末、片状、箔状、板状或块状的加速渗透金属填充于铝容器中；将该容器引入到基体金属熔体中，或者将该容器置于阴模或铸模中；向其中倒入基体金属熔体；并使容器的内部在与外部空气隔绝的状态下与基体金属熔体接触，致使加速渗透的金属与容器中的含氧氮气反应，由此使容器中自然地产生负压状态，以致于基体金属熔体在较低的温度下被吸入容器中并渗入强化填料之间的空隙中，而且无须控制空气和压力。本发明是在此发现的基础上完成的。

这样，本发明的制备包含至少部分含有强化填料的基体金属的金属基复合材料的方法包括(1)将至少一种纤维状或颗粒状的强化填料和至少一种加速渗透的金属填入铝容器中；(2)将该铝容器以其中保留含氧的氮气的状态浸没于由铝合金或镁-铝合金制成的基体金属熔体中；(3)将该铝容器在所述基体金属熔体中熔化，以使所述基体金属熔体渗入所述强化填料中，然后(4)固化所述基体金属熔体。

在本发明的优选实施方案中，铝容器被引入坩埚中的基体金属熔体中。在本发明的另一个优选实施方案中，铝容器被预先放置在阴模或铸模空腔中的预定位置，并将基体金属熔体填入所述空腔中。

在本发明的优选实施方案中，用铝箔作为铝容器，并且强化填料与加速渗透的金属的混合物完全被铝箔包裹。在本发明的另一个优选的实施方案中，用带盖的铝罐作为铝容器，并且在将强化填料与加速渗透的金属的混合物填入铝罐之后，用盖子将铝罐密封。

通过将铝容器放在基体金属熔体中的预定位置，可以提供仅预定部分与强化填料复合的金属基复合材料。作为替代，也可以在基体金属熔体渗入强化填料之后，通过搅拌基体金属熔体，使强化填料均匀地分散在基体金属熔体中。

所述含氧的氮气优选为空气。容器的空隙百分数[(含氧氮气的体积/容器的内部体积)×100％]优选为30-70％。

所述加速渗透的金属优选为选自镁、钙、锆以及包含这些金属的合金中的至少一种金属，特别是纯镁或镁合金。同时，所述加速渗透金属的形状优选为选自粉末、片状、箔状、板状或块状中的至少一种。

所述基体金属优选为铝合金或镁-铝合金。基体金属熔体的温度优选为Tm至Tm+40℃，这里Tm为基体金属的液态点。所述强化填料优选由陶瓷、特别是SiC颗粒构成。

附图简述

图1是用于实施例1金属基复合材料制备方法中的设备示意图；

图2是用于实施例4金属基复合材料制备方法中的设备示意图；

图3是用于实施例5金属基复合材料制备方法中的设备示意图；

图4是用于实施例6金属基复合材料制备方法中的设备示意图；

图5是用于实施例7金属基复合材料制备方法中的设备示意图；

图6是实施例1中铝容器内部压力和温度变化的曲线图；而

图7是实施例4中制备的金属基复合材料的基体金属-强化填料复合部分的截面显微照片(X200)。

最佳实施方式的说明

[1]本发明的原理

对于装满强化填料和加速渗透的金属(例如镁)且处于密封状态的铝容器，将该容器保持在基体金属熔体中，通过基体金属熔体的温度使作为加速渗透金属的镁升华，导致铝容器中镁与含氧氮气(例如空气)之间的下列反应，形成氧化物和氮化物并消耗氧气和氮气(空气)：

，和

。因为其中发生此反应的铝容器浸没于基体金属熔体中，不与外部空气相联系，所以没有空气从外部进入，自然在铝容器中产生负压。当铝容器以这种状态在基体金属熔体中熔化时，基体金属熔体就渗入强化填料之间的空隙或间隙，即使基本上不从外部施压。此外，由于所生成的Mg₃N₂对铝熔体具有良好的润湿性，所以当基体金属为铝合金时，加速基体金属熔体的渗透。

铝容器中的气体所包含的氧气与镁的反应活性比氮气高。因此，铝容器中的排空程度在其中的气氛为含氧氮气时比其中的气氛为氮气氛时高。因为本发明使用含氧氮气如空气，所以基体金属熔体的渗入程度比使用氮气的日本专利2905519高，并具有较低的复合体生产成本。

当强化填料为颗粒状时，促使基体金属熔体渗入强化填料颗粒中的压差ΔP由下面的Laplace公式[1]表示： $\mathrm{\ΔP}=\frac{-4\mathrm{\σ}\cos \mathrm{\θ}}{\mathrm{\αD}}---\left(1\right)$

σ：基体金属熔体的表面张力，

θ：基体金属熔体对强化填料的接触角(180＞θ＞0)，

α：常数，而

D：强化填料的粒度。

公式[1]表明，通过改进强化填料颗粒的表面等来提高强化填料对基体金属熔体的润湿性，使基体金属熔体的渗透自然地发生，应当满足条件ΔP＜0，即cosθ＞α。但是，在陶瓷与铝合金熔体的组合中，取得cosθ＞0的条件一般是极其困难的，因为在制备金属基复合材料的一般温度范围中ΔP＞α。当取得ΔP＜0，即cosθ＞0时，公式[1]中的D(强化填料的粒度)越小，则ΔP的绝对值越大，这意味着基体金属熔体的渗透可能性越大。

然而，本发明人证实，强化填料的粒度越大(强化填料之间的空隙越大)，则基体金属熔体的渗透越容易发生。这意味着，本发明的所使用的方法不限于可润湿性的提高。因此，容器中负压的产生极大地有助于基体金属熔体到强化填料的自然渗透。也就是说，在本发明中，通过(a)在容器中与氧气和氮气发生反应在容器中加速渗透的金属产生负压和(b)提高强化填料对基体金属熔体的可润湿性的协同作用，基体金属熔体自然地渗入强化填料中。

[2]材料

(1)强化填料

强化填料可以选自SiC、Al₂O₃、SiO₂、AlN、TiC、TiO₂、ZrO₂、Si₃N₄、硅铝氧氮陶瓷等的陶瓷。强化填料可以长短纤维、颗粒等多种形状使用，而且不同形状的强化填料可以结合起来使用。当强化填料为颗粒形状时，其平均粒度优选为约1-1000μm，更优选为约10-100μm。同时，当其为纤形状时，其纤维直径优选为约0.1-1000μm，更优选为1-100μm。当强化填料分散于基体金属中时赋予基体金属优异的性能，如高刚度和高耐磨性等。

(2)加速渗透的金属

与强化填料混合的加速渗透的金属优选为纯镁或镁合金，尽管也可以使用钙、锆或含这些金属的合金。加速渗透金属的形状优选为选自粉末、片状、箔状、板状和块状中的至少一种。

(3)铝容器

对于铝合金或镁-铝合金的基体金属熔体，优选使用铝容器，因为基体金属熔体不象日本专利2905519那样出现组成变化。尽管铝容器表面存在氧化铝薄膜，该薄膜在基体金属熔体温度下不熔化，但是当加速渗透的金属在容器中被氧化时，该氧化物薄膜则被还原成容易熔化的铝。因此，铝容器在基体金属熔体中形成小孔，以便熔体进入铝容器。

铝容器可以具有任何结构，只要(a)它能够保持强化填料和加速渗透的金属，(b)当浸入基体金属熔体时，其对外部空气而言基本上是密封的，和(c)它能够保持其初始形状，直到铝容器内部达到足够的负压，以使基体金属熔体渗入强化填料中。具体地，该铝容器可以是带盖的圆筒形罐、可密封的囊或能够完全包裹强化填料与加速渗透金属混合物的箔。

在本发明中，由于使用可在基体金属熔体中熔化的铝容器，容器材料不象使用钢模、石墨模、玻璃模等的美国专利3364796那样，在基体金属和复合材料之间不存在边界。

(4)基体金属

能够用于本发明无压渗透法的基体金属优选为铝合金，尽管也可以使用镁-铝合金。对于镁-铝合金，铝的重量百分比优选为1％或更高，更优选为3％或更高，以最大程度地降低由于铝容器的熔化而导致的基体合金的组成变化。

由于用铝容器作为盛装强化填料与加速渗透金属混合物的容器，又由于容器中所盛装的是含氧氮气，本发明不仅利用加速渗透金属的氮化反应，而且还利用了加速渗透金属的氧化反应(放热反应)，致使在较低的基体金属熔体温度下，也能在铝容器中形成小孔。因此，基体金属熔体的温度可基本上为铸造温度。具体地，基体金属熔体的温度优选为Tm至Tm+40℃，这里Tm为基体金属的液态点。由于基体金属熔体可以在这种相对较低的温度下使用，所以该金属基复合材料可以以较低的成本得到。

(5)铝容器中的气氛

为了使容器中的加速渗透金属与氧气和氮气借助于基体金属熔体的温度发生反应，铝容器内部的气氛应该是含有氧气和氮气的气氛。

当氧分压低时，加速渗透金属的氧化反应不足以还原铝容器上的氧化物薄膜，致使铝容器在通常温度的基体金属熔体中难于熔化，使基体金属熔体的渗透几乎不可能发生。因此，氧气应以足够的量存在于铝容器中，以氧化铝容器中的加速渗透金属。

氮气与铝容器中的加速渗透金属如镁等反应，形成对基体金属熔体具有良好润湿性的氮化物。因为氮化物附着在强化填料的表面，所以基体金属熔体容易渗入强化填料中。

为了使氧气和氮气有效地展示上述功能，铝容器内部的气氛优选为氧分压约10-40％而氮分压约90-60％的含氧氮气。从生产成本考虑，优选用空气作为含氧的氮气。不象日本专利2905519那样，空气使进行气氛控制如氮气置换等使用的设备成为不必要的设备了。例如，如果容器中基本上只充填氮气而不满足此条件，则不发生加速渗透金属的氧化反应(高温放热反应)及所导致的氧化铝薄膜的还原反应，使铝容器不可能熔化。

[3]无压渗透设备及方法

(1)第一实施方案

图1示意性地表示实施本发明的方法所使用的第一套无压渗透设备。该设备包括盛装基体金属熔体的石墨坩埚1，用来保持浸没于基体金属熔体5中包含强化填料2与加速渗透金属3混合物的铝容器4的由不锈钢制成的推压构件6等，与铝容器4相连、用来测量其中压力变化的管7，置于管7另一端的压力传感器8，以及基本上位于铝容器4中心部分的热电偶9。

铝容器4可以是任意形状，只要其内部基本上与外部空气隔绝，特别是箔状的容器、带盖的容器或囊状的容器。例如，可以用商业上得到的铝箔作为本发明的铝容器4，因为当它浸没于基体金属熔体5时与外部空气隔绝。对于带盖的容器，盖子无须固定在容器体上，除非在浸没期间盖子分开。囊状容器是优选的，因为在浸没期间囊的内部不可能与外部空气相通。无论如何，对铝容器的厚度没有特别的限制，除非由于与基体金属熔体接触而发生过早熔化。在实际应用中，铝容器的厚度优选为约1-2000μm，更优选约10-1000μm。

代替将盛装强化填料2与加速渗透金属3的混合物的铝容器4引入基体金属熔体5中，可以将铝容器4预先放置在石墨坩埚1的底部，然后倒入基体金属熔体5。

在用这种设备生产复合材料的一个实施例中，强化填料2与加速渗透金属3的混合物完全被铝箔包裹或被填加在铝罐中，以提供铝容器4。使测量压力的不锈钢管7穿入铝容器4的大体上中心部分，管7的另一端与压力传感器8相连。为了测量铝容器4内部的温度，将热电偶9的一端大体置于铝容器4的中心部分，另一端与温度计(未示出)相连。

将铝熔体5倒入于预定温度加热的石墨坩埚中，向其中慢慢地加入铝容器4。由于铝容器4的空隙中存在大量的空气，所以简单地将其引入到铝熔体5中时，铝容器4趋于漂浮在熔体的表面。这在产生负压时打破铝箔，导致外部空气进入铝容器4，由此不仅阻止了负压的产生，而且还烧掉了作为加速渗透金属3的纯镁。因此，需借助不锈钢推压构件6向下推压铝容器4，以使铝容器4不漂浮在表面。

浸没铝容器4之后，将盛装铝容器4的坩埚1在电炉(未示出)中于620-700℃下加热0.5-5小时。在浸没期间，测量铝容器4中的压力和温度变化，以检测负压的产生。待其中存在铝容器4的铝熔体5部分形成复合结构之后，将复合体在石墨坩埚1中冷却，以得到部分强化的铝基复合材料，其中仅对应铝容器4的部分具有复合结构。

虽然在该实施方案中使用了铝箔，但是也可以将盛装强化填料与加速渗透金属混合物的铝罐预先放置在石墨坩埚1的底部，然后再倒入铝熔体5。

此外，待铝箔或铝罐熔化之后，可以搅拌铝熔体5，以使强化填料2均匀地分散于整个铝熔体5中。下一步，将强化填料2分散于其中的铝熔体5倒入锭模中并固化，以得到其中分散了强化填料2的铝基加强复合材料。

(2)第二实施方案

图2示意性地表示第二种无压渗入设备。该设备包括盛装基体金属熔体的阴模21，盛装强化填料22与加速渗透金属23的混合物的铝容器24。可使用例如圆筒形铝罐作为铝容器24，以增加负压效果。待铝罐填充了混合物之后，将铝罐24装上盖子，以使其与外部空气隔绝。将该铝容器24以使所述盖子不打开的方式置于在预定温度下预热的阴模21中的预定位置。将铝熔体25倒入其中放置了铝容器24的阴模21中，并将阴模21在预定的温度下保存在电炉(未示出)中。下一步，将阴模21从电炉中取出并冷却，得到铝与强化填料的部分复合体。

尽管在该实施方案中使用了带盖铝罐，但是也可以通过将其开口紧靠阴模21的内壁放置铝罐24而将其密封，而无须加盖。

除如图2所示使用小片状的加速渗透金属23之外，还可以使用平板状(图3)、条状(图4)或块状(图5)的加速渗透金属。此外，在本实施方案中，可以用湿砂模、壳模、气体硬化模如CO₂模、自硬化模等代替具有空腔的阴模。

将参照下面的实施例对本发明进行更详细的说明，其目的不是将本发明限定于这些实施例。

实施例1

将2kg的SiC颗粒(GC：#240，平均粒度：58μm)在160℃下加热2小时并充分干燥。将所得到的干燥SiC颗粒与40g片状纯镁(得自Chuo Kosan K.K.，纯度99.8％，商品名：CM30)均匀混合，得到混合粉末。用容器形状的商品铝箔(厚度：15μm)4将该混合粉末完全包裹住。如图1所示，使用不锈钢管7测量铝箔容器4内部的压力变化，其一端基本上置于铝容器的中心部分，另一端与压力传感器8相连。同时，使用热电偶9测量铝箔容器4中的温度，其一端基本上置于铝箔容器4的中心部分，另一端与温度计相连。

将8kg的铝熔体(JIS AC4CH合金)倒入被加热约500℃的石墨坩埚1(#60)中。倒入温度为620-700℃。如图1所示，将铝箔容器4静静地浸没于石墨坩埚1的铝熔体5中。为了防止铝箔容器4漂浮，用不锈钢制成的推压构件6向下推动铝箔容器4。浸没之后，将铝箔容器4在电炉(未示出)中于650℃下保持1小时。

在铝箔容器4浸没之后加热1小时的同时，测量压力和温度的变化。结果见图6。图6证实，当浸没于铝熔体时，即使是铝箔容器4也与外部空气隔绝，在其中也产生负压。

虽然在1小时之后铝熔体5在铝容器4浸没的部分变成复合材料，但仍需将铝熔体5在电炉中加热至700℃，同时用搅拌器(未示出)充分地搅拌，以使SiC颗粒2在电炉中均匀地散布在铝熔体5中。去渣之后，将其倒入锭模(未示出)。之后，使铝熔体5在锭模中冷却，并取出固化的铝合金。这样整个基体金属都变成SiC颗粒强化的铝基复合材料。

尽管在该实施例中将铝箔容器4浸没于倒入石墨坩埚1的铝熔体5中，也可以通过预先将铝箔容器4置于石墨坩埚的底部，然后再将铝熔体5倒入石墨坩埚1中，来得到SiC颗粒强化的铝基复合材料。

实施例2

按与实施例1相同的方法得到由SiC颗粒均匀强化的铝基复合材料，只是将混合粉末(SiC颗粒：2kg，片状镁：40g)装填于商业上可得到的圆筒形铝罐(厚度：1mm，内径：100mm，高度：115mm)中，并用盖子将该铝罐密封，而不是用铝箔来包裹。

实施例3

重复实施例1，只是使用20g干燥的SiC颗粒(GC：#240，平均粒度：58μm)与0.4g片状纯镁(得自Chuo Kosan K.K.，纯度99.8％，商品名：CM30)的均匀混合粉末，并在铝熔体渗入SiC颗粒之后使石墨坩埚1(#60)中的铝熔体在不搅拌的情况下冷却，以制备由SiC颗粒部分强化的铝基复合材料，该复合材料仅在铝箔容器4浸没的部分具有复合结构。

尽管在该实施例中铝箔容器4浸没于装填在石墨坩埚1中的铝熔体5中，但也可以通过下述方法得到SiC颗粒强化的铝基复合材料，该方法包括将铝箔容器4预先放置在石墨坩埚1的底部和将铝熔体5倒入石墨坩埚1中。此外，用商业上可得到的带盖铝罐(厚度：0.5mm，内径：17mm，高度：40mm)代替铝箔，同样可以得到由SiC颗粒部分强化的铝基复合材料。

实施例4

将20g的SiC颗粒(GC：#240，平均粒度：58μm)在160℃下加热2小时并充分干燥。将所得到的干燥SiC颗粒与0.4g片状纯镁(得自Chuo Kosan K.K.，纯度99.8％，商品名：CM30)均匀混合，得到混合粉末。将该混合粉末装填在与实施例3相同的商业上可得到的圆筒形铝罐24中，并将该铝罐24加上盖子。如图2所示，将该铝罐24放置在约500℃下预热的阴模21空腔中的预定位置。将500g铝合金(Al-6％Si)熔体倒入阴模21。倒入温度为650℃。浸没于铝合金熔体25中的铝容器24基本上与外部空气隔绝，容器的内部处于密封状态。

倒入铝熔体25之后，将阴模21在650℃的电炉(未示出)中保持1.5小时。接着将阴模21从电炉中取出并冷却，得到由SiC颗粒部分强化的铝合金。

将所得到的铝合金在放置盛装SiC颗粒的铝容器24的位置以及其它位置上切开，以通过光学显微镜观察铝合金的结构。图7为一张显微照片(×200)，示出了其中放置了盛装SiC颗粒铝容器24的部分的截面结构。由图7可以看出，铝合金(Al-6％Si)基体(白色部分)很好地渗入了SiC颗粒(黑色部分)之间。另一方面，在没有放置盛装SiC颗粒的铝容器24部分的截面结构中，仅观察到了铝合金基体。上述观察结果证实，由本实施例的方法得到的铝基部分复合的材料，仅在对应于盛装SiC颗粒的铝容器24部分具有复合结构。

实施例5

如图3所示，将0.3mm厚的纯镁平板(得自大板富士公司，纯度99％)33沿着罐24的内壁放置，所述罐24为与实施例3相同的可从商业上得到的圆筒形铝罐。然后将20g在160℃下加热2小时并干燥的SiC颗粒(GC：#240，平均粒度：58μm)装填在纯镁平板33的内部。用盖子关闭铝容器24之后，将其放置预热约500℃的阴模21的空腔中。

将500g的铝合金(AC4CH合金)熔体倒入阴模21的空腔中。倒入温度为650℃。浸没于铝合金熔体25中的铝容器24基本上与外部空气隔绝，容器的内部为密封状态。倒入铝熔体25之后，将阴模21在650℃的电炉(未示出)中保持1.5小时。之后，从电炉中取出阴模21并冷却，得到铝基部分复合材料，其中仅对应于盛装SiC颗粒的铝容器24部分得到强化。

实施例6

如图4所示，将1.0g碎片状的纯镁43(得自Chuo Kosan K.K.，纯度99.8％，商品名：CM30)放置在与实施例3相同的从商业上可得到的圆筒形铝罐24的底部。接着将20g在160℃下加热2小时并干燥的SiC颗粒(GC：#240，平均粒度：58μm)堆放在碎片状的纯镁43上。在不将碎片状纯镁43与SiC颗粒22混合的情况下，将容器24盖上盖子。将铝容器放置在预热约500℃的阴模21中。

将铝合金(AC4CH合金)熔体25按与实施例5相同的方式倒入阴模21中，并在650℃的电炉(未示出)中保持1.5小时。浸没于铝合金熔体25中的铝容器24基本上与外部空气隔绝，容器的内部为密封状态。冷却铝合金熔体25之后，得到铝基部分复合材料，其中仅对应于盛装SiC颗粒的铝容器24部分得到强化。

实施例7

如图5所示，将1.0商业上可得到的块状纯镁53放置在与实施例3相同的从商业上可得到的圆筒形铝罐24的底部。接着将20g在160℃下加热2小时并干燥的SiC颗粒(GC：#240，平均粒度：58μm)堆放在块状纯镁53上。待容器24盖上盖子之后。将其放置在预热约500℃的阴模21的空腔中。

将铝合金(AC4CH合金)熔体按与实施例5相同的方式倒入阴模21中，并在650℃的电炉(未示出)中保持1.5小时。浸没于铝合金熔体25中的铝容器24基本上与外部空气隔绝，容器的内部为密封状态。冷却铝合金熔体25之后，得到铝基部分复合材料，其中仅对应于盛装SiC颗粒的铝容器24部分得到强化。

对比例1

将20g的SiC颗粒(GC：#240，平均粒度：58μm)在160℃下加热2小时并充分干燥。将它们与0.4g片状纯镁(得自Chuo Kosan K.K.，纯度99.8％，商品名：CM30)均匀混合，得到混合粉末。

如图2所示，将混合粉末装填于与实施例3相同的从商业上可得到的圆筒形铝罐24中。将不盖盖的圆筒形铝罐24放置在真空设备(未示出)中，并将真空设备内部的压力降低至约10kPa。然后引入浓度为99％的氮气，直到真空设备的压力达到大气压为止，并将这种循环重复4次，以在圆筒形铝罐24中进行氮气置换。之后，用盖子将铝容器24盖上。将盖铝容器24放置在预热约500℃的阴模21的空腔中。

将500g铝合金(Al-6％Si)熔体倒入阴模21的空腔中。倒入温度为650℃。倒入铝熔体25之后，将其在650℃的电炉(未示出)中保持1.5小时。接着，将其与阴模21一起从电炉中取出并冷却，得到部分复合的铝合金。当该部分复合的铝合金在其中放置了盛装SiC颗粒的铝容器24的部分切开时，发现铝容器24基本上还保留着，没有熔化，可以容易地分离出SiC颗粒。这表明，时于充填氮气的铝容器，不发生镁的氧化放热反应，不能去除铝容器表面的氧化物薄膜，并导致排空程度不足，因此，这也表明，铝容器在650℃的低熔体温度下没有开口，以致于铝合金熔体不能充分地进入SiC颗粒之间。

如上面所详细描述的那样，通过使用本发明的方法，强化填料可以在无压力和无须气氛控制的情况下于较低的温度下被基体金属熔体所浸透。在无须通常所需要的特殊设备的情况下生产金属基复合材料，因此这能够大大地降低生产成本。而且，还可以生产与强化填料部分复合的金属基复合材料。

Claims (15)

1.一种制备金属基复合材料的方法，所述复合材料包含基体金属，所述金属包含至少部分强化填料，该方法包括(1)将至少一种纤维状或颗粒状的强化填料和至少一种加速渗透的金属填入铝容器中；(2)将该铝容器以其中保留含氧的氮气的状态浸没于由铝合金或镁-铝合金制成的基体金属熔体中；(3)将该铝容器在所述基体金属熔体中熔化，以使所述基体金属熔体渗入所述强化填料中，然后(4)固化所述基体金属的熔体。

2.权利要求1的制备金属基复合材料的方法，其中仅所述金属基体的预定部分与所述强化填料复合。

3.权利要求1或2的制备金属基复合材料的方法，其中所述铝容器被引入坩埚中的基体金属熔体中。

4.权利要求1或2的制备金属基复合材料的方法，其中所述铝容器被预先置于阴模或铸模空腔中的预定位置，并将所述基体金属熔体装填于所述的空腔中。

5.权利要求1-4中任一项的制备金属基复合材料的方法，其中用铝箔作为所述的铝容器，而且强化填料与加速渗透的金属的混合物完全被所述铝箔包裹。

6.权利要求1-4中任一项的制备金属基复合材料的方法，其中用带有盖子的铝罐作为所述的铝容器，而且当强化填料与加速渗透的金属的混合物装填至该铝罐之后，用所述的盖子将该铝罐密封。

7.权利要求1-6中任一项的制备金属基复合材料的方法，其中当所述基体金属熔体渗入强化填料之后，搅拌该基体金属熔体以使强化填料均匀地分散于该基体金属熔体中。

8.权利要求1-7中任一项的制备金属基复合材料的方法，其中所述含氧的氮气为空气。

9.权利要求1-8中任一项的制备金属基复合材料的方法，其中所述容器的间隙百分数为30-70％。

10.权利要求1-8中任一项的制备金属基复合材料的方法，其中所述加速渗透的金属为选自镁、钙、锆以及包含这些金属的合金中的至少一种金属。

11.权利要求10的制备金属基复合材料的方法，其中所述加速渗透的金属为纯镁或镁合金。

12.权利要求1-11中任一项的制备金属基复合材料的方法，其中所述加速渗透金属的形状为选自粉末、片状、箔状、板状或块状中的至少一种。

13.权利要求1-12中任一项的制备金属基复合材料的方法，其中所述强化填料是由陶瓷制成的。

14.权利要求13的制备金属基复合材料的方法，其中所述陶瓷为SiC。

15.权利要求1-14中任一项的制备金属基复合材料的方法，其中所述基体金属熔体的温度为Tm至Tm+40℃，这里Tm为所述基体金属的液态点。

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