CN1562527A - 金属复合材料及其制备与成型方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种金属复合材料的制备方法，包括如下步骤：将熔点相对较高的金属或非金属粉末材料A与熔点相对较低的金属材料B放置在一起加热，通过抽真空排除粉末之间的气体，当加热温度高于金属材料B的熔化温度，同时低于粉末材料A的熔化温度时进行保温，当较低熔点的金属材料熔化成浸渗液体后，保温的同时，在浸渗液上施加气体压力使浸渗液体渗入粉末材料，获得固液共存的金属复合材料；所述金属复合材料可用铸造、挤压、轧制、定向凝固等工艺成型。本发明制备的金属复合材料成型性能较好，可用于多种成型过程中，生产制备零件、板材、线材、型材等不同的产品，因而其工业应用范围极其广泛，市场前景较广。

Description

金属复合材料及其制备与成型方法及装置

                          技术领域

本发明涉及复合材料制备成型技术，特别涉及一种金属复合材料及其制备与成型方法与装置。

                          背景技术

一般复合材料铸造方法主要有搅拌铸造法、挤压铸造法、流变铸造法和熔体浸渗铸造法。搅拌铸造法是指在液体金属中加陶瓷粉末颗粒进行搅拌铸造的方法，其具体过程是通过机械在坩锅开口上方搅拌使金属液体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较小(如小于10μm)时，无法通过搅拌的方法使粉末进入金属液体中，另外由于粉末无法均匀分布在基体材料中，所以显微组织不具有重复性。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法有所改善，但粉末仍无法均匀分布在基体材料中，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。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。目前铸造方法的缺点：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。熔体浸渗工艺方法能使粉末在基体材料中均匀分布，具有明显的优势，专利号为ZL92106222.2的中国发明专利，描述了一种将陶瓷粉末预热之后，在压力大于20MPa的条件下进行浸渗，然后快速冷却凝固，再重熔振动搅拌，最后将复合的原材料浇铸，这种方法是将浸渗获得的复合的原材料冷却之后重熔，并且需振动搅拌，工艺过程较多，而且浸渗前没有抽真空，粉末材料吸附的气体没有排除掉，影响粉末与金属的结合界面，从而影响所制备的零件或材料的性能。

                          发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种金属复合材料的制备方法。

本发明的另一目的在于提供一种由上述方法制备的金属复合材料。

本发明的又一目的在于提供一种上述金属复合材料的成型方法。

本发明的再一目的在于提供一种上述金属复合材料的成型装置。

本发明的目的通过下述技术方案实现：本金属复合材料的制备方法包括如下步骤和工艺条件：将熔点相对较高的金属或非金属粉末材料A(以下简称“粉末材料A”)与熔点相对较低的金属材料B(以下简称“金属材料B”)放置在一起加热，通过抽真空排除粉末之间的气体，当加热温度高于金属材料B的熔化温度，同时低于粉末材料A的熔化温度时进行保温，当较低熔点的金属材料熔化成浸渗液体后，保温的同时，在浸渗液上施加气体压力使浸渗液体渗入粉末材料，获得固液共存的复合材料；此固液共存的复合材料即是本发明所提供的金属复合材料。

所述固液共存的复合材料中的液态金属冷却成半固态，形成半固态的金属复合材料亦属本发明所提供的金属复合材料。

所述金属或非金属粉末材料A可为钨、铁或合金粉末，二氧化硅、三氧化二铝、氧化镁等陶瓷粉末，或石墨、硅粉末。

金属或非金属粉末材料A为尺寸小于1mm离散颗粒的集合体，其粉末形状可为颗粒状、片状、针状、纤维状、树枝状、不规则形状等。

所述金属或非金属粉末材料A可以是单种材料粉末，也可以是多种材料粉末的混合体。

所述金属材料B可为金属铝、铜、镁、铁、硅、铝合金、铜合金、镁合金、钢等。

上述金属复合材料的成型方法，其特征在于：将固液共存或半固态的金属复合材料输入模具型腔中铸造成型。成型后的产品可以是各种形状的铸件。

上述金属复合材料的另一种成型方法，其特征在于：采用压铸机将固液共存或半固态的金属复合材料输入模具型腔中成型。成型后的产品可以是各种形状的压铸件。

上述金属复合材料的又一种成型方法，其特征在于：将固液共存或半固态的金属复合材料输入挤压铸造模具型腔中成型。成型后的产品可以是各种形状的挤压铸件。

上述金属复合材料的再一种成型方法，其特征在于：将固液共存或半固态的金属复合材料轧制成型。成型后的产品可以是板材、片材、板带材料。

上述金属复合材料的第五种成型方法，其特征在于：将固液共存或半固态的金属复合材料挤压为型材。成型后的产品可以是截面形状不同的各种型材。

在所述金属复合材料成型方法中，将固液共存或半固态的金属复合材料成型时进行定向凝固。

所述定向凝固可在压应力条件下进行。所述压应力可以通过流体(流体可以是液体或半固态的材料)相材料传递到凝固区域，在流体材料凝固过程中，使流体材料在压应力条件下凝固，可以获得更优良的材料组织性能。

所述定向凝固方法可以包括如下具体步骤及工艺条件：其特征在于：所述定向凝固包括如下具体步骤及工艺条件：(1)将模具预热之后，把流体材料从模具上的材料输入口输入模腔中；(2)控制模具的局部位置开始冷却；(3)通过控制局部区域的温度，使处于与未凝固流体材料相接触的模具区域的流体材料处于过热状态，同时使处于与已凝固的固相材料相接触的模具区域的热量散出，形成有规律的热流场，在未凝固的流体材料相和已凝固的固相之间形成温度由高到低的温度场，实现流体材料的定向凝固，获得定向凝固产品。

实现上述定向凝固方法的定向凝固铸造装置包括模具，其特征在于：所述模具中设置有空心冷却通道，空心冷却通道通过控制阀与冷却流体供应构件相连接，控制阀及开关与控制件相连接。模具中各空心冷却通道可以单独设置；这样可单独控制每根空心冷却通道中冷却流体(冷却流体可以是液体，也可以是气体)的流量及流速，从而可控制模具局部区域的降温幅度大小。

所述的定向凝固铸造装置的模具中设置有传感器，所述传感器与控制件相连接；可以通过传感器采集信息，判断出液态金属凝固过程中的已凝固材料固相区域、结晶区域及液相区域所处的动态位置，从而更精确地控制定向凝固过程。

本发明相对于现有技术具有如下优点和有益效果：

(1)本发明方法制备的金属复合材料中粉末材料在复合材料中的成分比例高，分布均匀，显微组织具有重复性，可以较易控制结构特征，因而可有效克服铸件存在的普遍组织缺陷，如缩松、缩孔、偏析、粗晶、晶粒尺寸不均等问题，因而材料性能良好。

(2)本发明方法制备的金属复合材料成型性能较好，可用于多种成型过程中，生产制备零件、板材、线材、型材等不同的产品，因而其工业应用范围极其广泛，市场前景较广。

(3)本发明提供的金属复合材料成型工艺，特别是定向凝固成型工艺能够始终维持液相材料相连通，不会被已凝固区阻隔断，从而保持补缩通道的畅通，可消除缩松、缩孔等常见铸造缺陷，可用于实现复杂结构大型零件的精密制造，所制备产品组织性能优良。

(4)本发明提供的金属复合材料成型方法与先制备出复合材料后进行机械加工工艺成型的方法相比，本发明将材料制备与成型一体法处理，可以减少制备工艺步骤，较好地节约能源，降低生产成本。

(5)需要的设备及模具结构较简单，生产效率高，适合大批量生产方式。

                        附图说明

图1是本发明实施例1中金属复合材料制备过程的说明简图。

图2是本发明实施例8所用的成形模具的结构示意图。

                        具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本发明金属复合材料的制造设备的结构如图1所示；在图1中，浸渗容器1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10μm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2；把用于熔化浸渗的黄铜块料3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4(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0.01Pa的真空度；加热炉中的加热器7在加热过程中使黄铜块料熔化；当浸渗槽内二氧化硅粉床2上的黄铜块料3全部熔化成液体之后，液体覆盖在粉床2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6；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5向炉内充气，达到炉内设定的1MPa气压9，并进行保压，使二氧化硅粉床2上的黄铜金属液体8浸渗进入二氧化硅粉床2之中；在加热保温保压过程中，黄铜金属液体8浸渗进入二氧化硅粉床2的间隙之中，浸渗槽内的黄铜液面逐渐降低；保温保压进行浸渗，当浸渗结束之后，卸掉炉内气压把浸渗槽从炉中取出，将获得的固液共存的黄铜与二氧化硅的金属复合材料浇铸成型。

实施例2

本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于采用的金属为铸铝块，加热保温的温度为730℃，将获得的固液共存的铝合金与二氧化硅的金属复合材料采用压铸机进行压铸成型。

实施例3

本实施例与实施例二基本相同，不同之处在于将获得的固液共存的铝合金与二氧化硅的金属复合材料冷却到半固态之后输入挤压铸造模具型腔中进行挤压铸造成型。

实施例4

本实施例与实施例二基本相同，不同之处在于将获得的固液共存的铝合金与二氧化硅的金属复合材料输入型材挤压成型模具之后挤压成型材。

实施例5

本实施例与实施例二基本相同，不同之处在于将获得的固液共存的镁合金与二氧化硅的金属复合材料冷却到半固态之后通过挤压注塑机输入模具型腔中进行注塑成型。

实施例6

本实施例与实施例二基本相同，不同之处在于将获得的固液共存的铝合金与二氧化硅的金属复合材料进行连铸连轧，制造成板材。

实施例7

本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于采用的粉末为三氧化二铝与石墨的混合粉末，金属为铸铝块，加热保温的温度为730℃，将获得的固液共存的铝合金与三氧化二铝和石墨的金属复合材料采用压铸机进行压铸成型。

实施例8

本实施例与实施例二基本相同，不同之处在于：将获得的固液共存的铝合金与二氧化硅的金属复合材料采用压铸机进行压铸成型，在冷却过程中模具中的冷却系统使铸件定向凝固。

本实施例所使用的模具如图2所示，模块10和模块11由锁模扣12锁紧，组合成铸型，材料输入浇口套13，在模具的壁内都相间排列设置有空心冷却通道14，空心冷却通道14通过控制阀与冷却液供应构件相连接，模具中设置有温度传感器15，所述温度传感器15紧贴在靠近型腔模壁的位置。

本定向凝固铸件的制备过程具体如下：首先给模具预热到620℃，然后通过压铸机将过热到730℃的固液共存的铝合金与二氧化硅的金属复合材料经材料输入浇口套13进入型腔，并排出型腔内的气体，直至材料充满型腔；分布在模块10、模块11及浇口套13上的温度传感器15能够测出各个部位的温度；可单独控制每根空心冷却通道中冷却液的通断及供液量的大小。冷却过程开始时，首先给模具最底下的空心冷却通道14通冷却水，使材料从最底部开始凝固，凝固面不断由下向上移动，通过获得的各部位的温度信息判断结凝固所处的位置，依次使分布在与已凝固材料相接触的模具区域的空心冷却通道通冷却水，也就是当凝固面在高度线16的位置时，高度线16以下位置的空心冷却通道都通冷却水，高度线16以上位置的空心冷却通道都不通冷却液；随着凝固面不断由下向上移动，对空心冷却通道14的冷却实行动态的控制；当凝固面达到高度线17的位置后，模具内的铸件已完全形成，给所有的空心冷却通道通冷却水，模具冷却达设定温度之后，打开模具，取出铸件。在材料凝固过程中，能够始终保证凝固面与液态材料输入口之间通过液体材料相连通，材料能够连续不断地向凝固面补充由于液体材料凝固和温度降低造成的凝固收缩、液态收缩、固态收缩所需的材料，不会出现凝固面和材料输入口之间被凝固了的材料隔断的情况。

Claims (10)

1、一种金属复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤和工艺条件：将熔点相对较高的金属或非金属粉末材料A(以下简称“粉末材料A”)与熔点相对较低的金属材料B(以下简称“金属材料B”)放置在一起加热，通过抽真空排除粉末之间的气体，当加热温度高于金属材料B的熔化温度，同时低于粉末材料A的熔化温度时进行保温，当较低熔点的金属材料熔化成浸渗液体后，保温的同时，在浸渗液上施加气体压力使浸渗液体渗入粉末材料，获得固液共存的金属复合材料。

2、根据权利要求1所述的金属复合材料的制备方法，其特征在于：所述固液共存的复合材料中的液态金属冷却成半固态，形成半固态的金属复合材料。

3、一种根据权利要求1～2任一项权利要求所制备的金属复合材料。

4、一种金属复合材料的成型方法，其特征在于：将固液共存或半固态的金属复合材料输入模具型腔中铸造成型。

5、一种金属复合材料的成型方法，其特征在于：采用压铸机将固液共存或半固态的金属复合材料输入模具型腔中压铸成型。

6、一种金属复合材料的成型方法，其特征在于：将固液共存或半固态的金属复合材料输入挤压铸造模具型腔中成型。

7、一种金属复合材料的成型方法，其特征在于：将固液共存或半固态的金属复合材料轧制成型。

8、一种金属复合材料的成型方法，其特征在于：将固液共存或半固态的金属复合材料挤压为型材。

9、一种金属复合材料的成型方法，其特征在于：将固液共存或半固态的金属复合材料成型时进行定向凝固。

10、根据权利要求9所述的金属复合材料的成型方法，其特征在于：所述定向凝固包括如下具体步骤及工艺条件：(1)将模具预热之后，把流体材料从模具上的材料输入口输入模腔中；(2)控制模具的局部位置开始冷却；(3)通过控制局部区域的温度，使处于与未凝固流体材料相接触的模具区域的流体材料处于过热状态，同时使处于与已凝固的固相材料相接触的模具区域的热量散出，形成有规律的热流场，在未凝固的流体材料相和已凝固的固相之间形成温度由高到低的温度场，实现流体材料的定向凝固，获得定向凝固产品。