CN1480551A - 块体金属复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种块体金属复合材料及其制备方法，它是把装有具有较高熔点的粉末材料和具有较低熔点的金属材料的浸渗槽放入加热炉中，抽真空并预热，当炉内的温度高于金属材料的熔化温度，同时低于粉末材料的熔化温度时，进行保温，当金属材料熔化成浸渗液体后，加压，保持恒温恒压，然后使浸渗槽内的材料冷却凝固，即获得块体金属复合材料。本发明无需对浸渗槽及浸渗槽内的材料进行操作，无需在真空环境下浇入金属液，基体材料与粉末之间不存在不湿润的问题；本发明工艺路线简单，浸渗面积大，浸渗速度快，适合大批量生产方式；在本发明中，粉末材料在复合材料中的成分比例高，分布均匀，显微组织特征具有重复性；可生产大尺寸的金属复合材料。

Description

块体金属复合材料及其制备方法

(一)技术领域

本发明涉及复合材料及其制备方法技术领域，具体是指一种块体金属复合材料及其制备方法。

(二)背景技术

目前，合金的制造方法是将构成合金材料的各种成分金属熔化进行液态混合，通过搅拌的方法使混合金属液成分尽量均匀，采用加入变质剂的方法增加结晶形核的数量，达到使晶粒细化的目的。由于液体金属整体上由液态变成固态，必须经历形核、结晶、晶粒长大的过程，而形核的位置和数量具有很大的随机性，显微组织难以控制，铸造的普遍缺陷如缩松、缩孔、偏析、粗晶、晶粒尺寸不均等组织缺陷难以避免。

复合材料铸造的方法主要有液体金属中加入陶瓷粉末颗粒搅拌铸造的方法、熔体浸渗铸造法，挤压铸造法和流变铸造法。液体中加粉末颗粒搅拌铸造的方法是通过机械在坩锅开口上方搅拌使金属液中产生涡流从而引入粉末颗粒，这种方法的不足之处是当粉末颗粒尺寸小于10μm时，无法通过搅拌的方法使粉末进入金属液体中，另外粉末无法均匀分布在基体材料中，显微组织不具有重复性。熔体浸渗工艺方法是在压制圆柱体的模具中，将金属液体浸渗进入多孔的粉末圆柱体预制块中，这种方法存在一个金属液与粉末的湿润性问题，以及材料生产效率较低。挤压铸造法是先用机械搅拌法制备复合浆料，然后将液体复合浆料倒入挤压模，用液压机给浆料施加一定的压力条件下凝固成形，这种方法制备的复合材料性能比搅拌铸造方法有所改善，但粉末仍无法均匀分布在基体材料中。流变铸造法是对处于固液两相区的熔体施加强烈的搅动形成低粘度的半固态浆料，同时引入粉末颗粒，利用半固态浆液的触变特性分散增强相，在一定压力下充型凝固成形。上述几种复合材料制备的方法都无法使粉末在基体材料中均匀分布，粉末材料在复合材料中所占比例较小，显微组织不具有重复性，因而复合材料性能的稳定性和可靠性无法得到保证。铸造方法的缺点：一方面增强体颗粒越细，相应材料的比力学性能越高，另一方面越细的颗粒团聚现象越严重，导致普通铸法难以获得材料的最优性能。

粉末冶金烧结复合材料制备方法通过粉末压制或注射制成形，然后在一定的温度进行烧结。通过物质原子的扩散，实现颗粒之间的固结，烧结时间长。如铁基粉末成形零件一般在1080℃烧结两小时，能耗较高，生坯在烧结时难免产生变形，导致影响零件的精度。对于纳米晶粉末，在烧结过程中晶粒很容易长大，以致难于保持纳米晶的性质。由于粉末烧结材料内含有大量的孔隙，材料不连续，后续机械加工性能差。

(三)发明内容

本发明的目的就是为了解决上述现有技术中存在的不足之处，提供一种块体金属复合材料及其制备方法。该方法能使粉末均匀的分布在复合材料中，制备出显微组织晶粒细小均匀，显微组织特征具有良好的重复性，且具有良好后续机械加工性能的金属复合材料。

本发明所述的一种块体金属复合材料的制备方法，其特征是，它包括如下步骤和工艺条件：把装有具有较高熔点的粉末材料和具有较低熔点的金属材料的浸渗槽放入加热炉中，抽真空并预热，当炉内的温度高于金属材料的熔化温度，同时低于粉末材料的熔化温度时，进行保温，当金属材料熔化成浸渗液体后，向炉内充气加压，保持恒温恒压，然后使浸渗槽内的材料冷却凝固，即获得块体金属复合材料。

本发明所述的一种块体金属复合材料，就是通过上述方法制备而成的。

在本发明中，粉末是尺寸小于1mm离散颗粒的集合体；复合材料是指由两种或两种以上的异质、异形、异性的材料复合形成的材料，包括合金；基体材料可以是单种物质，也可以是复合物质；粉末可以是单种粉末，也可以是多种粉末，粉末的形状可以是颗粒状、片状、针状、纤维状、树枝状、不规则形状等；硅及硅合金也属于金属的范畴。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1.本发明在真空环境内，无需对浸渗槽及浸渗槽内的材料进行操作，无需在真空环境下浇入金属液；由于是真空压力浸渗，基体材料与粉末之间不存在不湿润的问题。

2.本发明工艺路线简单，浸渗速度快，可减轻浸渗液与粉末颗粒之间的化学反应，因为无需在模具中进行，所以工艺过程仍然便于操作，适合大批量生产方式；当采用钢液或硅合金液为浸渗液时，可用耐温陶瓷材料制成浸渗槽，生产陶瓷钢。

3.在本发明中，粉末材料在复合材料中的成分比例高，分布均匀，显微组织特征具有重复性；由于采用浸渗槽而不在模具中进行浸渗，因此可生产大尺寸的金属复合材料；当预制坯摆放在吊篮中，浸渗液可以从坯的各个面渗入预制坯中，浸渗面积大，因而浸渗速度快。

(四)具体实施方式

下面结合实施例，对本发明做进一步地详细说明。

实施例一

浸渗槽采用钢板制作的可盛装液体的容器槽，液体盛于槽内不会外漏，将平均粒径为100μm的二氧化硅粉末铺在浸渗槽的底部达一定厚度，并振动摇实二氧化硅粉末，形成粉床；把用于熔化浸渗的黄铜块料(也可以是铜粉)置于粉床之上；将装有二氧化硅粉末和黄铜块料的浸渗槽放入加热炉中(加热炉可以密闭抽真空，也可以密闭向内充气，承受一定的气压)，封闭炉门之后抽真空，达到10Pa的真空度；加热炉中的加热器在加热过程中使黄铜块料熔化；当浸渗槽内二氧化硅粉床上的黄铜块料全部熔化成液体之后，液体覆盖在粉床之上，炉内温度设定为1150℃，停止抽真空，关闭抽真空的管道阀门；在加热保温过程中，炉内温度维持在1150℃，打开压缩气体控制阀向炉内充气，达到炉内设定的1MPa气压，并进行保压，使二氧化硅粉床上的黄铜金属液体浸渗进入二氧化硅粉床之中；在加热保温保压过程中，黄铜金属液体浸渗进入二氧化硅粉床的间隙之中，浸渗槽内的黄铜液面逐渐降低；保温保压浸渗的时间根据工艺的需要确定，当浸渗结束之后，卸掉炉内气压把浸渗槽从炉中取出，渗入粉床的黄铜液在冷却过程中凝固，即获得以黄铜为三维连通基体、二氧化硅粉末作为增强相均匀分布于复合材料内部的金属陶瓷复合材料。

实施例二

首先在压力机上将三氧化二铝陶瓷粉末压制成预制块坯；然后将三氧化二铝预制块坯摆放在采用耐热钢或石墨制作的吊篮中，吊篮采用横杆将粉末坯块压住，防止粉末预制块浸泡在浸渗液中浮出液面；然后将吊篮放入采用耐热钢制作的浸渗槽中，用垫块垫在吊篮底下，以便浸渗液可以从预制块底部浸渗进入预制块，并用横杆固定吊篮；将用于熔化浸渗的铸铝ZL106合金块料，也可以是铝合金粉末置于浸渗槽内；将盛有三氧化二铝粉末预制块和ZL106块料的浸渗槽放入加热炉中，打开真空控制阀，开动真空泵给炉内抽真空，达到5Pa的真空度，并接通电源加热器对炉内物料加热，炉内设定温度为730℃(加热炉密闭炉门之后，可以对炉内抽真空，也可以向炉内充气，承受一定的气压)；浸渗槽内的铝合金锭料熔化之后，粉末预制块坯被液体包围，炉内达到730℃，保温，停止抽真空，关闭真空管道阀；然后打开充气阀，向炉内充气，达到设定的气压1.2MPa之后进行保压，使铝合金液从预制坯的四周浸渗进入坯体的间隙之中；保温保压浸渗的时间根据工艺的需要确定，当浸渗结束之后，将浸渗槽从炉内取出，把吊绳挂在吊钩上，将吊篮从浸渗槽中吊出，吊篮内的浸渗液会流出进入浸渗槽之中；浸渗进入三氧化二铝粉末预制坯的铝合金液在冷却过程中凝固，即获得以铝合金为三维连通基体、三氧化二铝粉末为增强相均匀分布于复合材料内部的金属陶瓷复合材料。

Claims (2)

1.一种块体金属复合材料的制备方法，其特征是，它包括如下步骤和工艺条件：把装有具有较高熔点的粉末材料和具有较低熔点的金属材料的浸渗槽放入加热炉中，抽真空并预热，当炉内的温度高于金属材料的熔化温度，同时低于粉末材料的熔化温度时，进行保温，当金属材料熔化成浸渗液体后，向炉内充气加压，保持恒温恒压，然后使浸渗槽内的材料冷却凝固，即获得块体金属复合材料。

2.一种块体金属复合材料，其特征是，它就是通过权利要求1所述方法制备而成的。