CN1494965A - 制造复合金属制品的方法 - Google Patents

Abstract

把低熔点金属材料加工成液相和固相共存的触变态。低熔点金属材料在触变态时，纳米碳材料与该低熔点金属材料混合形成复合材料。把所获得的复合材料供给金属铸造机器，并将处于金属触变态或全熔态的金属喷射注入铸模，使复合材料充满铸模，这样复合材料模铸成复合金属制品。通过上述工艺处理，能够喷射铸造出具有所应用的纳米碳材料性能的复合金属制品。

Description

制造复合金属制品的方法

技术领域

本发明涉及一种通过喷射铸造工艺将含有纳米碳的材料和低熔点金属材料的复合材料制造成复合金属制品的方法。

背景技术

纳米碳材料是一种晶体碳材料，它具有如下性质：它的导热性是铝(Al)、镁(Mg)和其它类似金属的五倍或更高；它具有优异的导电性；而且由于其低摩擦系数，它还具有优异的可滑动性能。因为纳米碳材料非常微小，所以说这种材料适合用于与其它材料进行复合。

在传统方法中，通过混合纳米碳材料和金属粉，再通过挤压和粉碎上述混合物，使其颗粒尺寸达到5μm～1nm而获得复合材料，然后通过热挤压复合材料获得复合制品。上述方法的问题在于，像散热片、防护罩和轴承等电气设备的金属制品，难于通过热挤压将含有晶体碳材料的上述复合材料铸造成型。

发明内容

本发明的目的是，设计用来解决现有技术中的上述问题，提供一种由复合材料制造复合金属制品的新颖方法，该复合材料由纳米碳材料和半熔化低熔点金属材料混合而获得，将含有半熔态低熔点金属或全熔态低熔点金属喷射铸造成复合金属制品，由于复合金属制品所应用纳米碳材料的特性不受到复合金属制品尺寸和形状的限制，所以复合金属制品所要求的作为电子设备零件的性能，例如：高导热性、优异的导电性、出色的可滑动性等等，都会提高，并且复合金属制品都能具有这些性能。

按照本发明的达到上述目标的方法，包括制造含有纳米碳材料和低熔点金属材料的的复合金属制品的方法，包括下述步骤；准备熔化的低熔点金属；将熔化的低熔点金属材料冷却至液相与固相共存的触变半熔态；将纳米碳材料和触变态的低熔点金属材料混合形成复合材料；用具有加热设备的铸造机器将触变态复合材料喷射注入铸模；获得复合金属制品。

按照本发明的供给铸造机器的复合材料，包括半熔态的低熔点金属材料和纳米碳材料。

进一步，按照本发明的供给金属铸造机器的复合材料，包括由颗粒组中选取的固态材料，所述颗粒如小球、碎屑、锭或短棒，含在准备喷射的所述复合材料内的低熔点金属材料被具有加热设备的铸造机器加热为半熔态。

按照本发明的方法，包括制造含有纳米碳材料和低熔点金属材料的复合金属制品的另一方法，包括如下步骤：准备熔化状态的低熔点金属材料；将熔化的低熔点金属材料冷却至液相与固相共存的触变半熔态；将纳米碳材料和触变态的低熔点金属材料混合形成复合材料；用具有加热设备的铸造机器将复合材料喷射注入铸模，此时复合材料中的低熔点金属材料处于全熔态；获得复合金属制品。

按照本发明的供给金属铸造机器的复合材料，包括半熔态的低熔点金属材料和纳米碳材料，而且准备喷射的所述复合材料中的所属低熔点金属材料被具有加热工具的铸造机器加热至全熔态。

按照本发明的准备供给金属铸造机器的复合材料，还包括由颗粒组中选取的固态材料，所述颗粒如小球、碎屑、锭或短棒，含在准备喷射的所述复合材料内的低熔点金属材料被铸造机器加热为全熔态。

本发明提供一种由纳米碳材料和低熔点金属材料制成的复合金属制品，所述复合金属制品包括按照本发明的上述方法所制成的金属制品。

本发明中的低熔点金属材料包括至少一种由下列组成中选取的金属或合金，镁(Mg)，锡(Sn)，铝(Al)，铜(Cu)，铅(Pb)，和锌(Zn)。

进一步，金属铸造机器包括所谓的喷射铸造机器，以及通常称为模铸机器的铸造机器，和其它类似的机器，这些机器通常都被称为金属铸造机器。喷射铸造机器具有喷射设备，喷射设备具有加热筒或者熔化筒，其头部具有喷嘴，喷嘴上设置喷射螺杆或者喷射活塞，机器上还具有铸模，熔化状态或半熔态的铸造材料被喷射螺杆或喷射活塞射入其中，使铸造金属充满铸模。

即使将纳米碳材料与金属材料混合是困难的，这是因为在搅拌过程中由于纳米碳材料在液相金属中的低润湿性而浮到了熔化金属的表面，但是按照本发明，混合获得纳米碳材料和低熔点金属材料的混合物是在液相和固相共存的触变态(半熔态)进行的，这样上面提到的浮到熔化金属表面的现象就被液相(共晶混合物)中产生的球状固相(初结晶)所阻止。因此，纳米碳材料可以通过混合而有效地与低熔点金属材料进行复合。

进一步，该复合材料用于铸造材料，并通过喷射入铸模而铸造复合金属制品，复合材料中的作为铸造材料的低熔点金属材料通过铸造机加热至触变态或全熔态。所以，所能制造出的复合金属制品，比较金属铸造机器采用通常工具熔化和混合两种金属并使其喷射充满铸模成形而获得的制品，其纳米碳材料更加均匀的分散并与低熔点金属材料复合。而且，由于复合金属材料制品通过将复合材料喷射充满铸模而制成，所以具有高的铸造精确度。因此，由于制品与由压力铸造的制品不同，不受到形状和尺寸的限制，所以能够容易的铸造出具有高导热性、优异的导电性、低摩擦系数、和其它类似功能的制品。

附图说明

图1为按照本发明的制造含有纳米碳材料和低熔点金属材料的复合金属制品的方法的过程视图；

图2为复合材料的半固态结构视图；

图3为在本发明方法中使用的螺旋形预塑化喷射设备的截面示意图。

具体实施方式

下面介绍制造复合金属制品10的方法，如图1所示，所述制品由以镁合金作为基体材料的金属材料1和作为纳米碳管使用的纳米碳材料2材料准备制成。像市场上可见的纳米碳管一样，所采用的纳米碳管的直径为10nm(0.01μm)，长度为1-10μm。

首先，固态的金属材料1被装入具有加热设备的熔炉3中，并加热至等于或大于金属材料熔化温度(600℃)，使材料1完全熔化至液态。液态金属材料1由熔炉3流过具有冷却设备41的倾斜冷却板4的上表面，流进具有搅拌设备51和加热设备52的混合器5，冷却设备设置在熔炉3的下游，搅拌设备51和加热设备52安装于冷却板的下端。金属材料1由倾斜冷却板4流下的过程中，被冷却至触变态(半固态)，此时为液相(共晶)和球状固相(初结晶)共存的半固态结构。除了倾斜冷却板4其它任何设备都可用于达成触变态。

接着，纳米碳材料2由漏斗供给混合器5，同时通过围绕在混合器外围的加热设备52保持混合器5的温度在570℃左右，触变态的金属材料1和纳米碳材料2通过搅拌刃搅拌相互混合。由于金属材料1的温度在混合器中保持稳定，即固相1a成长时，如图2所示，纳米碳材料2均匀地与围绕在固相1a周围的液相2混合，从而制成由触变态的镁基合金构成的复合材料6。

处于触变态且具有流动性的复合材料6，通过具有自动输送装置的泵7从混合器5中抽出，并作为铸造材料通过管道被直接输送到生产某种产品的、具有串联螺旋形喷射机器8和制品铸模9的金属铸造机器中。由于不必冷却和固化复合材料6也不必将其制成平常的颗粒材料，所以上述直接输送设备能够节省材料成本。

进一步，虽然没有图示，但复合材料6也可以被冷却和固化，形成小球、碎屑或其它类似形状，并作为颗粒铸造材料61而被输送。这种情况下，与直接输送铸造材料的情况相比材料成本会增加。然而，由于材料能够储存，所以不必将铸造机器操控成铸造系统与熔炉3相互并行，材料可以按照产品的数量而任意的供给，因而减少运作成本。

喷射设备8具有喷射螺杆83，螺杆上具有止回阀，喷射螺杆设置于在头部具有喷嘴81的加热筒82内，喷射螺杆83在加热筒82内旋转和前后移动。另外，漏斗84安装于加热筒82后部的供料口上。复合材料6由漏斗84进入加热筒82，被环绕在加热筒82外围的加热设备加热至预定温度，也就是说，在不考虑材料类型的情况下，当复合材料以触变态被喷射注入充满铸模9时，为570℃左右，当复合材料以全熔态被喷射注入时，为600℃或更高。

当复合材料6为固体材料时，例如为颗粒铸造材料61时，材料以触变态喷射，当被设置在加热筒82外围的加热设备熔化时，由螺杆搅拌混合。然而，复合材料6为熔化材料，并由管道直接输送，加热设备只是维持材料的混合和触变态。任何前、后材料都是通过螺杆83的旋转在压力下被送往加热筒82头部。由于在内部压力下螺杆83向后移动，触变态铸造材料被计量(储藏)于加热筒82头部内后，当螺杆83向前移动将触变态材料喷射并充满铸模9。加热筒82的内部空间最好充满惰性气体，以防止氧化。

进一步，当铸造材料6的喷射和充填是在金属的全熔态下进行时，不考虑所供给的材料类型，包含于复合材料6中的被输送进入加热筒82的金属被加热设备和旋转的螺杆完全熔化并混和，并随着螺杆向前运动，材料被喷射注入充满铸模9。当进行喷射和充填处于全熔态的金属时，与处于半熔态的复合材料中的金属相比较，所供给材料的粘性低很多，所以材料具有更好的流动性。因此，即使应用与材料中的金属处于半熔态时相同的喷射速度及其温度，也能够制造具有1.5mm左右壁厚的薄壁的、细小的、诸如具有复杂形状精制产品的复合金属制品，。

铸模9由一对开/合分离铸模93所组成，模型93分别连接于固定压盘91和位于未示出的铸造钳装置上的移动压盘92上，模型具有空腔94，空腔的两个内部表面用于成形制品，注入口95位于两空腔94和其所毗邻抵住的喷嘴81的中心。其金属处于半熔态或者全熔态的复合材料，由喷嘴81喷射，经过注入口95充满该二空腔94，从而由镁基合金金属材料1与纳米碳材料2均匀复合的复合材料构成的金属制品10成形。

在上述实施例中，虽然复合金属制品10通过采用串联螺杆喷射设备8喷射铸造，但是也可以通过采用类似用在铸造树脂的螺旋形预塑化喷射设备的喷射设备而提高铸造的效率。

如图3所示，一般构成的螺旋形预塑化喷射设备包括设置成相互并行的熔化/混合设备14和喷射设备17，具有开/关阀19的流动通道18，阀19安装于熔化/混合设备14和喷射设备17之间，使熔化/混合设备14通过通道18与喷射设备17接通。熔化/混合设备14具有熔化/混合筒11，筒内安装有熔化/混合螺杆12，熔化/混合设备14还具有设置在筒11上位于其后部的漏斗13，喷射设备17具有喷射筒15，喷射筒15包括前后可动的安装于其中的喷射活塞16。

因此，在喷射过程中，含有处于触变态的熔化材料的复合材料，只在熔化/混合设备14中混合，并保持触变状态。颗粒铸造材料61也在其中熔化和混合。无论其中的金属处于半熔态还是全熔态，复合材料都在压力下被送到喷射筒15的前部并在熔化或熔化并混合后在该处受压。在铸造材料受压后，流动通道18的开/关阀19关闭。在喷射设备17中，熔化的材料由喷嘴20喷射到铸模9中，并在喷射活塞16向前移动的同时充满铸模。在喷射设备17进行喷射和充入的操作时，被输送到熔化/混合设备14中的铸造材料开始熔化和混合。通过上述操作，其中的纳米碳材料2与金属材料1均匀地复合的复合金属制品10可以被高效地喷射铸成。

当复合材料为类似铸锭和短棒(例如，长300mm直径60mm的镁合金)固体材料时，熔炉(未示出)设置于图1中所示的加热筒8上，或者设置于位于加热筒后部的熔化/混合设备14上，以便于与其连接。铸锭或短棒状的固体材料被熔炉熔化成半熔态，并输送到加热筒8或熔化/混合装置14，使金属在其中保持半熔态或全熔态，然后，由加热筒8或喷射筒15中喷射并充满铸模9。

例：

复合材料(碎屑)

    镁合金(AZ91D)

    纳米碳管(直径：0.01μm，长：1-10μm)

喷射和充填温度(设定温度)

    半熔态    580℃

    全熔态    600℃

喷射速度

    半熔态    200mm/秒

    全熔态    200mm/秒

铸造温度

    半熔态    250℃

    全熔态    250℃

Claims (7)

1.一种制造含有纳米碳材料和低熔点金属材料的复合金属制品的方法，包括以下步骤：

准备熔化的低熔点金属材料；

将熔化的低熔点金属材料冷却至液相与固相共存的触变半熔态；

将纳米碳材料和触变态低熔点金属材料混合形成复合材料；

用具有加热设备的铸造机器将触变态复合材料喷射注入铸模；

获得复合金属制品。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：供给铸造机器的复合材料包括半熔态的低熔点金属材料和纳米碳材料。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：供给金属铸造机器的复合材料包括由颗粒组中选取的固态材料，所述颗粒如小球、碎屑、锭或短棒，含在所述要被喷射复合材料内的所述低熔点金属被具有加热设备的金属铸造机器加热为半熔态。

4.一种制造含有纳米碳材料和低熔点金属材料的复合金属制品的方法，包括以下步骤：

准备熔化的低熔点金属材料；

将熔化的低熔点金属材料冷却至液相与固相共存的触变半熔态；

将纳米碳材料和触变态低熔点金属材料混合形成复合材料；

用具有加热设备的金属铸造机器将复合材料喷射注入铸模，其中所含低熔点金属材料处于全熔态；

获得复合金属制品。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：供给金属铸造机器的复合材料包括半熔态的低熔点金属材料和纳米碳材料，含在所述要被喷射的复合材料内的所述低熔点金属被具有加热设备的金属铸造机器加热至全熔态。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于：供给金属铸造机器的复合材料包括由颗粒组中选取的固态材料，所述颗粒如小球、碎屑、锭或短棒，含在所述要被喷射的复合材料内的所述低熔点金属被金属铸造机器加热至全熔态。

7.一种由纳米碳材料和低熔点金属材料制成的复合金属制品，其特征在于：所述复合金属制品包括由权利要求1-6中任一所述铸造方法所铸造的金属制品。