CN1485453A - 金属基复合材料增强相预构件的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种金属基复合材料增强相预构件的制备方法，包括下属步骤：(1)配制坯料：将增强相材料5～30％、工业一级尿素或偶氮二甲酰胺或5－苯基四唑27～35％、天然纤维素5％、樟脑粉38～55％研磨成细粉，按体积百分比混合制成混合料，增强相材料是氧化铝或氧化硅或碳化硅或氮化硅或硅酸铝或碳化硼或碳化钛单体颗粒化合物或短纤维化合物，配制粘结剂，混合料与粘结剂配制坯料；(2)压制坯件；(3)脱模自然干燥；(4)焙烧造孔：在200～250℃温度下完成造孔反应，550～680℃焙烧2小时，800～900℃焙烧2小时；(5)烧成：最后升温至1200℃，选其坯料中各组分最低熔点的0.5～0.7值为试烧成温度，烧结2～8小时，随炉缓慢冷至室温。

Description

金属基复合材料增强相预构件的制备方法

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增强相预构件制备方法

背景技术

现时在工业上已获得应用的主要是以AL或AL合金为基体相的金属基复合材料和Mg或Mg合金为基体相的金属基复合材料。以增强相的形态可区分为颗粒增强金属基复合材料，纤维增强金属基复合材料和颗粒与纤维混合增强金属基复合材料；从增强相的化学组成看，多采用氧化铝，氧化硅，碳化硅或它们的混合物以改善材料的耐磨性、耐热性、抗疲劳强度或刚性等。增强相的体积分数多在5～30％之间。应用挤压铸造法，真空——气压浇注法或金属熔体浸渗法制造此类金属基复合材料产品时，都是先将作为强化相的组元粉料或短纤维，运用浆料制坯与烧结工艺或固体粉料压制——烧结与轧制——烧结工艺，先制得一个与被复合产品几何形状与尺寸相一致的增强相多孔结构预制件，随后才以各种方式实现与基体金属相的复合。

浆料制坯——烧结法的主要工艺流程为制备增强粉浆(一种用水或醇等溶液稀释，并加有粘结剂、分散剂调成的混浊液)，将粉浆浇灌到成型模具中，模具可以是金属的，木质的，塑料的，石膏的或纸质等，通过自然蒸发，加压或真空吸滤等方式排除部分多余水份，待坯料具备一定强度后脱模自然干燥，然后经过低温进一步去水，中温烘烤和高温焙烧提高强度，最后在高于一定温度下进行陶瓷化长时间烧结，达到孔隙化和高机械强度。这种方法存在的问题是：(1)在配制增强相浆料时需加入较大量的粘结剂，既起增加予构件强度的作用，又要在制坯过程中起支撑性填料的作用。它们在烧结阶段的残留产物一般会构成增强相的一部分，致使复合材料中的实际增强相体积率难以稳定控制，最终将影响复合材料的物理——力学性能的稳定；(2)为达到灌浆成型性较好，一般溶剂量相应加大，制坯时排水技术繁多，周期较长，生产效率难以适应大批量产品之要求；(3)浆料的工艺性受增强相组元类别、形态、尺寸；粘结剂种类与加入量；浆料PH值；添加剂品种与搭配比例等众多因素的影响，制浆技术难度大，工艺稳定性差，使制坯操作性不理想；(4)坯料的脱水，加热干燥和焙烧要特别仔细和费时，否则会出现塌陷、变形与开裂等废品；(5)最重要的是在陶瓷化烧结阶段，为达到结构孔隙化和足够机械强度，又不增大微小孔隙的封闭问题，必须以较低的温度和长达数十小时的烧结，使预构件成本大幅度提高，成为复合材料推广应用的关键制约因素。粉料压制——烧结法和轧制——烧结法亦有类似缺憾。

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点，提供一种体积分数易控、质地均匀、易操作、工艺流程短、烧结周期短、生产效率高、生产成本低的金属基复合材料增强相预构件的制备方法。

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)配制坯料

a.制备混合料

将增强相材料、造孔剂甲、造孔剂乙、造孔剂丙研磨成细粉，增强相材料与造孔剂甲、造孔剂乙、造孔剂丙按下述的体积百分比混合制成混合料：

    增强相材料               5～30％

    造孔剂甲                 27～35％

    造孔剂乙                 5％

    造孔剂丙                 38～55％

上述的增强相材料可以是氧化铝或氧化硅或碳化硅或氮化硅或硅酸铝或碳化硼或碳化钛单体颗粒或短纤维，也可以是它们中的任意两种单体颗粒或短纤维的组合物，还可以是它们中的任意一种单体颗粒与短纤维的组合物，每一组分的体积比为5～95％；上述的造孔剂甲为工业一级尿素或偶氮二甲酰胺或5-苯基四唑，造孔剂乙为天然纤维素，造孔剂丙为樟脑粉。

b.配制粘结剂

将坯料量2～5％重量比的10％酚醛树脂酒精溶液或10％聚乙烯醇酒精溶液、与坯料量4～6％重量比的磷酸铝粉粒混合配制成粘结剂。

c.配制坯料

将已制好的混合料放入容器中，然后加入粘结剂用手工工具或搅拌机搅拌，使其混匀制成坯料，装入密闭容器内备用。

(2)压制坯件

在液压机上固定好预构件模具，装填上已制备的坯料，然后施加70～80Mpa压力使之成坯件。

(3)脱模干燥

将已制成的坯件脱模后置于空气中自然干燥2～4小时。

(4)焙烧造孔

经脱模干燥后的坯件送入干燥箱内，在200～250℃温度下完成造孔反应，随后在高温加热炉中550～680℃焙烧2小时，再升温至800～900℃焙烧2小时。

(5)烧成

最后升温至1200℃以上，视增强相类别之不同，选其坯料中各组分最低熔点的0.5～0.7值为试烧成温度，烧结2～8小时，试烧成温度取上限时烧结时间取下限，试烧成温度取下限时烧结时间取上限，随炉缓慢冷至室温。

本发明的混合料中增强相材料与造孔剂甲、造孔剂乙、造孔剂丙的优选体积百分比为：

    增强相材料                   10～25％

    造孔剂甲                     30～35％

    造孔剂乙                     5％

    造孔剂丙                     40～50％

本发明的混合料中增强相材料与造孔剂甲、造孔剂乙、造孔剂丙的最佳体积百分比为：

    增强相材料                   20％

    造孔剂甲                     31％

    造孔剂乙                     5％

    造孔剂丙                     44％

本发明的造孔剂甲细粉是粒度为200～800μm的细粉。本发明的造孔剂乙细粉是粒度为200～800μm的细粉。本发明的造孔剂丙细粉是粒度为20～60μm的细粉。

本发明在预构件制坯时，配入特选的添加剂，使其在坯成型环节，主要起支撑增强相组分的填料功能，保证坯件必要的常温强度，而在随后的焙烧和烧结过程中则起造孔的功能，以形成增强相预构件的多孔相互贯通结构，实现增强相在基体相间的均匀分布，确保金属基复合材料产品之使用性能。本发明与现有的浆料制坯烧结工艺、固体粉料压制烧结轧制烧结工艺相比，具有体积分数易控、质地均匀、易操作、工艺流程短、烧结周期短、生产效率高、生产成本低等优点。

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增强相预构件制备方法如下：

(1)配制坯料

a.制备混合料

将增强相材料、造孔剂甲、造孔剂乙、造孔剂丙研磨成细粉，增强相材料与造孔剂甲、造孔剂乙、造孔剂丙按下述的体积百分比混合制成混合料：

    增强相材料                     20％

    造孔剂甲                       30％

    造孔剂乙                       5％

    造孔剂丙                       45％

上述的增强相材料是氧化铝颗粒或短纤维，造孔剂甲为工业一级尿素，其作用是形成主体生成孔，造孔剂乙为天然纤维素，其作用之一是提高制坯湿强度，作用之二是辅助造孔，造孔剂丙为樟脑粉，其作用是烧结过程中形成孔壁间的孔隙，以制得三维立体相互贯通孔隙结构的高孔隙率多孔体预构件，造孔剂甲细粉的粒度为500μm，造孔剂乙细粉的粒度为500μm，造孔剂丙细粉的粒度为40μm。

b.配制粘结剂

将坯料量3％重量比的10％酚醛树脂酒精溶液、与坯料量5％重量比的磷酸铝粉粒混合配制成粘结剂；

c.配制坯料

将已制好的混合料放入容器中，然后加入粘结剂用手工工具或搅拌机搅拌，使其混匀制成坯料，装入密闭容器内备用；

(2)压制坯件

在液压机上固定好预构件模具，装填上已制备的坯料，然后施力70～80Mpa压力使之成坯件；

(3)脱模干燥

将已制成的坯件脱模后置于空气中自然干燥2～4小时；

(4)焙烧造孔

经脱模干燥后的坯件送入干燥箱内，在200～250℃温度下完成造孔反应，随后在高温加热炉中550～680℃焙烧2小时，再升温至800～900℃焙烧2小时；

(5)烧成

最后升温至1200℃以上，视增强相类别之不同，选其坯料中各组分最低熔点的0.5～0.7值为试烧成温度，烧结2～8小时，试烧成温度取上限时烧结时间取下限，试烧成温度取下限时烧结时间取上限，随炉缓慢冷至室温。

实施例2

在本实施例的配制坯料工艺步骤中，所用的原料及其体积百分比为：

    增强相材料                  30％

    造孔剂甲                    27％

    造孔剂乙                    5％

    造孔剂丙                    38％

上述的增强相材料是氧化铝颗粒或短纤维，造孔剂甲为工业一级尿素，造孔剂乙为天然纤维素，造孔剂丙为樟脑粉，造孔剂甲细粉的粒度为200μm，造孔剂乙细粉的粒度为200μm，造孔剂丙细粉的粒度为20μm。粘结剂采用坯料量2％重量比的10％酚醛树脂酒精溶液、与坯料量4％重量比的磷酸铝粉粒混合配制成。配制坯料的工艺步骤以及其他工艺步骤与实施例1相同。

实施例3

在本实施例的配制坯料工艺步骤中，所用的原料及其体积百分比为：

    增强相材料                  5％

    造孔剂甲                    35％

    造孔剂乙                    5％

    造孔剂丙                    55％

上述的增强相材料是氧化铝颗粒或短纤维，造孔剂甲为工业一级尿素，造孔剂乙为天然纤维素，造孔剂丙为樟脑粉，造孔剂甲细粉的粒度为800μm，造孔剂乙细粉的粒度为800μm，造孔剂丙细粉的粒度为60μm。粘结剂采用坯料量5％重量比的10％酚醛树脂酒精溶液、与坯料量6％重量比的磷酸铝粉粒混合配制成。配制坯料的工艺步骤以及其他工艺步骤与实施例1相同。

实施例4

在以上实施例1～3的配制坯料工艺步骤中，所用的增强相材料为氧化硅单体颗粒或短纤维，也可以是碳化硅单体颗粒或短纤维，也可以是氮化硅单体颗粒或短纤维，也可以是硅酸铝单体颗粒或短纤维，也可以是碳化硼单体颗粒或短纤维，还可以是碳化钛单体颗粒或短纤维，其体积百分比与相应的实施例相同。造孔剂甲是偶氮二甲酰胺，也可以是5-苯基四唑，偶氮二甲酰胺或5-苯基四唑的体积百分比与相应的实施例相同。造孔剂乙、造孔剂丙的体积百分比与相应的实施例相同。粘结剂采用10％聚乙烯醇酒精溶液与磷酸铝粉粒混合配制成，10％聚乙烯醇酒精溶液、磷酸铝粉粒与坯料量的重量比与相应的实施例相同，其配比关系与相应的实施例相同。配制坯料的工艺步骤以及其他工艺步骤与实施例1相同。

实施例5

在以上实施例1～4的配制坯料工艺步骤中，所用的增强相材料为氧化铝、氧化硅、碳化硅、氮化硅、硅酸铝、碳化硼、碳化钛单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的组合物，这些组合物是七种单体颗粒化合物中任意两种单体颗粒化合物的组合、可以是七种单体短纤维化合物中任意两种单体短纤维化合物的组合、还可以是七种单体颗粒化合物中任意一种单体颗粒化合物与七种单体颗粒化合物中任意一种单体短纤维化合物的组合，在这些组合物中，氧化铝单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的体积百分比为50％，氧化硅单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的体积百分比为50％，碳化硅单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的体积百分比为50％，氮化硅单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的体积百分比为50％，硅酸铝单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的体积百分比为50％，碳化硼单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的体积百分比为50％，碳化钛单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的体积百分比为50％。造孔剂甲、造孔剂乙、造孔剂丙的体积百分比与相应的实施例相同，所用的粘结剂与相应的实施例相同。配制坯料的工艺步骤以及其他工艺步骤与实施例1相同。

实施例6

在本实施例的配制坯料工艺步骤中，所用的增强相材料是氧化铝单体颗粒化合物或单体短纤维化合物与氧化硅单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的组合物，氧化铝单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的体积百分比为5％，氧化硅单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的体积百分比为95％。本实施例所用的增强相材料也可以是氧化铝单体颗粒化合物或单体短纤维化合物与碳化硅单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的组合物、与氮化硅单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的组合物、与硅酸铝单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的组合物、与碳化硼单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的组合物，还可以是氧化铝单体颗粒化合物或单体短纤维化合物与碳化钛单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的组合物，在这些组合物中氧化铝单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的体积百分比为5％，其它单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的体积百分比为95％。其它原料的配比和配制坯料的工艺步骤以及其他工艺步骤与实施例5相同。

实施例7

在本实施例的配制坯料工艺步骤中，所用的增强相材料是氧化硅单体颗粒化合物或单体短纤维化合物与氧化铝单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的组合物，也可以是氧化硅单体颗粒化合物或单体短纤维化合物与碳化硅单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的组合物、与氮化硅单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的组合物、与硅酸铝单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的组合物、与碳化硼单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的组合物，还可以是氧化硅单体颗粒化合物或单体短纤维化合物与碳化钛单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的组合物，在这些组合物中氧化硅单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的体积百分比为5％，其它单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的体积百分比为95％。其它原料的配比和配制坯料的工艺步骤以及其他工艺步骤与实施例5相同。

实施例8

在本实施例的配制坯料工艺步骤中，所用的增强相材料是碳化硅单体颗粒化合物或单体短纤维化合物与氧化铝单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的组合物，也可以是碳化硅单体颗粒化合物或单体短纤维化合物与氧化硅单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的组合物、与氮化硅单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的组合物、与硅酸铝单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的组合物、与碳化硼单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的组合物，还可以是碳化硅单体颗粒化合物或单体短纤维化合物与碳化钛单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的组合物，在这些组合物中碳化硅单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的体积百分比为5％，其它单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的体积百分比为95％。其它原料的配比和配制坯料的工艺步骤以及其他工艺步骤与实施例5相同。

实施例9

在本实施例的配制坯料工艺步骤中，所用的增强相材料是氮化硅单体颗粒化合物或单体短纤维化合物与氧化铝单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的组合物，也可以是氮化硅单体颗粒化合物或单体短纤维化合物与碳化硅单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的组合物、与氧化硅单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的组合物、与硅酸铝单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的组合物、与碳化硼单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的组合物，还可以是氮化硅单体颗粒化合物或单体短纤维化合物与碳化钛单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的组合物，在这些组合物中氮化硅单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的体积百分比为5％，其它单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的体积百分比为95％。其它原料的配比和配制坯料的工艺步骤以及其他工艺步骤与实施例5相同。

实施例10

在本实施例的配制坯料工艺步骤中，所用的增强相材料是硅酸铝单体颗粒化合物或单体短纤维化合物与氧化铝单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的组合物，也可以是硅酸铝单体颗粒化合物或单体短纤维化合物与碳化硅单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的组合物、与氮化硅单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的组合物、与氧化硅单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的组合物、与碳化硼单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的组合物，还可以是硅酸铝单体颗粒化合物或单体短纤维化合物与碳化钛单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的组合物，在这些组合物中硅酸铝单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的体积百分比为5％，其它单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的体积百分比为95％。其它原料的配比和配制坯料的工艺步骤以及其他工艺步骤与实施例5相同。

实施例11

在本实施例的配制坯料工艺步骤中，所用的增强相材料是碳化硼单体颗粒化合物或单体短纤维化合物与氧化铝单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的组合物，也可以是碳化硼单体颗粒化合物或单体短纤维化合物与碳化硅单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的组合物、与氮化硅单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的组合物、与硅酸铝单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的组合物、与氧化硅单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的组合物，还可以是碳化硼单体颗粒化合物或单体短纤维化合物与碳化钛单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的组合物，在这些组合物中碳化硼单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的体积百分比为5％，其它单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的体积百分比为95％。其它原料的配比和配制坯料的工艺步骤以及其他工艺步骤与实施例5相同。

实施例12

在本实施例的配制坯料工艺步骤中，所用的增强相材料是碳化钛单体颗粒化合物或单体短纤维化合物与氧化铝单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的组合物，也可以是碳化钛单体颗粒化合物或单体短纤维化合物与碳化硅单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的组合物、与氮化硅单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的组合物、与硅酸铝单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的组合物、与碳化硼单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的组合物，还可以是碳化钛单体颗粒化合物或单体短纤维化合物与氧化硅单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的组合物，在这些组合物中碳化钛单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的体积百分比为5％，其它单体颗粒化合物或单体短纤维化合物的体积百分比为95％。其它原料的配比和配制坯料的工艺步骤以及其他工艺步骤与实施例5相同。

Claims (4)

1、一种金属基复合材料增强相预构件的制备方法，其特征在于该制备方法包括下属步骤：

(1)配制坯料

a.制备混合料

将增强相材料、造孔剂甲、造孔剂乙、造孔剂丙研磨成细粉，增强相材料与造孔剂甲、造孔剂乙、造孔剂丙按下述的体积百分比混合制成混合料：

           增强相材料                5～30％

           造孔剂甲                  27～35％

           造孔剂乙                  5％

           造孔剂丙                  38～55％

上述的增强相材料可以是氧化铝或氧化硅或碳化硅或氮化硅或硅酸铝或碳化硼或碳化钛单体颗粒化合物或短纤维化合物，也可以是它们中的任意两种单体颗粒化合物或短纤维化合物的组合物，还可以是它们中的任意一种单体颗粒化合物与短纤维化合物的组合物，每一组分的体积比为5～95％；上述的造孔剂甲为工业一级尿素或偶氮二甲酰胺或5-苯基四唑，造孔剂乙为天然纤维素，造孔剂丙为樟脑粉；

b.配制粘结剂

将坯料量2～5％重量比的10％酚醛树脂酒精溶液或10％聚乙烯醇酒精溶液、与坯料量4～6％重量比的磷酸铝粉粒混合配制成粘结剂；

c.配制坯料

将已制好的混合料放入容器中，然后加入粘结剂用手工工具或搅拌机搅拌，使其混匀制成坯料，装入密闭容器内备用；

(2)压制坯件

在液压机上固定好预构件模具，装填上已制备的坯料，然后施加70～80Mpa压力使之成坯件；

(3)脱模干燥

将已制成的坯件脱模后置于空气中自然干燥2～4小时；

(4)焙烧造孔

经脱模干燥后的坯件送入干燥箱内，在200～250℃温度下完成造孔反应，随后在高温加热炉中550～680℃焙烧2小时，再升温至800～900℃焙烧2小时；

(5)烧成

最后升温至1200℃以上，视增强相类别之不同，选其坯料中各组分最低熔点的0.5～0.7值为试烧成温度，烧结2～8小时，试烧成温度取上限时烧结时间取下限，试烧成温度取下限时烧结时间取上限，随炉缓慢冷至室温。

2、按照权利要求1所述的金属基复合材料增强相预构件的制备方法，其特征在于所说的混合料其中增强相材料与造孔剂甲、造孔剂乙、造孔剂丙按下述的体积百分比混合制成：

      增强相材料                 10～25％

      造孔剂甲                   30～35％

      造孔剂乙                   5％

      造孔剂丙                   40～50％

3、按照权利要求1所述的金属基复合材料增强相预构件的制备方法，其特征在于所说的混合料其中增强相材料与造孔剂甲、造孔剂乙、造孔剂丙按下述的体积百分比混合制成：

      增强相材料                 20％

      造孔剂甲                   31％

      造孔剂乙                   5％

      造孔剂丙                   44％

4、按照权利要求1所述的金属基复合材料增强相预构件的制备方法，其特征在于：所说的造孔剂甲细粉是粒度为200～800μm的细粉；所说的造孔剂乙细粉是粒度为200～800μm的细粉；所说的造孔剂丙细粉是粒度为20～60μm的细粉。