CN1739887A - 原位铝基复合材料的低压铸造制备方法 - Google Patents

Abstract

一种铸造技术领域的原位铝基复合材料的低压制备方法，复合材料在惰性气体保护下熔化、搅拌；将液态金属置于密封坩锅中，利用中隔板密封，铸型安装在中隔板上。采用真空环境对复合材料进行除气，然后对密封的坩锅内加压，将液态复合材料在一定的时间内，沿反重力方向压入铸型的型腔，结壳保压一段时间后，迅速提高坩锅内的压力到一定的高压，保持高压，直至铸件凝固完毕后，卸压，取件。本发明将低压铸造的方法应用到原位铝基复合材料零件的制备中，解决了目前铝基复合材料所存在的成型问题，最终成形了高性能的铝基复合材料铸件。

Description

原位铝基复合材料的低压铸造制备方法

技术领域

本发明涉及的是一种铸造技术领域的制备方法，特别是一种原位铝基复合材料的低压铸造制备方法。

背景技术

低压铸造属于特种铸造，就铸造的工艺气压而言，它是介于压力铸造和重力铸造的一种新的浇注工艺，低压铸造的原理是：在装有合金液的坩锅中(坩锅本身为一密封容器)，通入干燥的压缩空气，作用在保持一定浇注温度的合金液面上，造成密封容器内与铸型型腔的压力差，使合金液在较低的充型压力作用下，沿着升液管内孔自上而下地经输液过道、铸型浇口平稳地充入铸型；待合金液充满型腔后，增大气压，使型腔内的合金液在较高的压力作用下结晶凝固；然后卸除密封容器的内的压力，让升液管，输液过道内尚未凝固的合金液依靠自重回落到坩锅中，再经脱模取件而得到所需的铸件。该工艺具有诸多优点，但是就目前来说低压铸造的适用范围主要为合金。

低压铸造的特征是熔体在压力差或电磁力作用下由铸型的底部充填型腔并在一定的压力下凝固。

经对现有技术的文献检索发现，李梅娥等在《铸造》2000，49(7)，418-421上发表的“充型形态对低压铸造薄板铸件凝固过程的影响”，该文中采用低压铸造的方法制备了铝合金薄板铸件，对铝液的低压充型形态，充型后的温度分布和铸件质量的影响进行了研究。对于铝合金低压铸造成形，其充型能力主要取决于基体合金的性质和工艺参数；但是，颗粒增强复合材料是多相材料，因此材料的充型能力不仅取决于基体合金的性质和工艺参数，也取决于颗粒在熔体中的浓度和分布状态。总的趋势是，随着颗粒分布的增加，材料的流动能力降低。螺旋型试样的测试结果为，当体积分数增加到15％时，流动程度减少一半左右。低压铸造的充型过程可用二阶非线性方程描述，具有衰减振荡的动力学特征。由于复合材料熔体和基体合金粘度相差很大，故而表现出不同的流动特征。因此，采用常规的铝合金的成形工艺并不能成形复合材料，尤其是颗粒增强铝基复合材料。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种原位铝基复合材料的低压铸造制备方法，使其首次将低压铸造的方法应用到原位铝基复合材料零件的制备中，用来解决铝基复合材料成形困难的问题，该方法能制备高性能的铝基复合材料铸件。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明在进行低压铸造前，先将原位复合材料放置于密封的坩锅中，加热，待铝基复合材料熔化后，通惰性气体保护，当熔体达到设定浇注温度时，搅拌，然后将铸型安装在中隔板上。抽真空，熔体在真空中保持，然后向密封的坩锅内加压，利用压力将液态金属沿反重力方向压入铸型的型腔(这段时间称为升液时间)；当液态金属进入型腔后，保持压力不变，复合材料液体表面结壳，并保持一段时间，结壳结束后，迅速增加坩锅内的压力到高压，保持高压，使得复合材料在压力下补缩、凝固，直至铸件凝固完毕，卸压，取件。

复合材料在惰性气体下搅拌时间为15-50min，惰性气体为N₂，Ar₂。

设定的熔体浇注温度为：680-750℃；熔体在真空中保持时间为5-40min。

向密封的坩锅内加压，压力为0.2-1atm。升液时间为：5-50s。结壳时保持时间为：1-10s。迅速增加坩锅内的压力到高压(即凝固时的压力)，压力为：1-10atm，凝固保压时间为：1-30min。

颗粒增强铝基复合材料金属液比合金液容易氧化，颗粒的存在使得合金液表面致密的氧化铝薄膜变得稀松，通惰性气体防止其氧化；熔体浇注温度过高，氧化严重，流动性变差，进而充型困难，浇注温度过低，则又会因为复合材料金属液流动性差而很难充填铸型；在真空中保持可以减少合金液体中氢气的含量，这个真空时间过长，同样会因为沉降团聚等原因而影响性能。结壳时保持压力一定的时间，可以使得接近铸型表面的金属液体凝固，而具有一定的强度，这样在后续的高压凝固阶段，不会因为压力增加过快，而损坏铸型。

本发明首次将低压铸造的方法应用到铝基复合材料零件的制备中，用低压铸造的方法解决了目前铝基复合材料所存在的成型问题。复合材料低压铸造方法克服了由于增强体的引入造成的合金液熔体粘度增大而带来的成型困难，提高了金属液的成型性能。在惰性气体保护下搅拌，避免氧化和吸氢。对复合材料熔体抽真空并保持真空，可以起到除气效果，解决了复合材料常规方法除气时氧化严重的问题，同时保护了基体中的陶瓷颗粒的含量和均匀分散；在金属液态进入型腔之后保持压力不变结壳，使得复合材料金属液对型腔的冲击减少，可以避免因过流引起皮下气孔；在高压下凝固，可以增强凝固补缩能力，避免缩孔，保证了铸件的质量。

具体实施方式

结合本发明的内容提供以下实施例：

实施例1：10wt.％TiB₂颗粒增强ZL109复合材料的制备过程。

将10wt.％TiB₂/ZL109复合材料锭料置入坩锅中熔化，通入N₂进行保护，达到浇注温度750℃时，搅拌15min；搅拌后盖上中隔板，装上铸型，抽真空，真空度为-0.1MPa，并保持真空5min；然后向密封坩锅内加压0.5atm，充填铸型，升液时间25s，充填完成后，结壳保压，时间5s，然后坩锅内压力迅速加到10atm，保压30min卸压、取件。制备出的材料的T5态力学性能：σ_b＝413Mpa；σ_0.2＝389Mpa；δ＝1.3％；E＝94.8Gpa。

实施例2：10wt.％TiB₂颗粒增强ZL101复合材料的制备过程。

将10wt.％TiB₂/ZL101复合材料锭料置入坩锅中熔化，通入N₂进行保护，达到浇注温度680℃时，搅拌50min；搅拌后盖上中隔板，装上铸型，抽真空，真空度为-0.1MPa，并保持真空40min；然后向密封坩锅内加压1atm，充填铸型，升液时间50s，充填完成后，结壳保压，时间10s，然后坩锅内压力迅速加到5atm，保压15min后卸压、取件。制备出的材料的T6态力学性能：σ_b＝370Mpa；σ_0.2＝332Mpa；δ＝1.8％；E＝88.8Gpa。

实施例3：10wt.％TiB₂颗粒增强ZL104复合材料的制备过程。

将10wt.％TiB₂/ZL104复合材料锭料置入坩锅中熔化，通入Ar₂进行保护，达到浇注温度715℃时，搅拌30min；搅拌后盖上中隔板，装上铸型，抽真空，真空度为-0.1MPa，并保持真空20min；然后密封坩锅内加压0.2atm，充填铸型，升液时间5s，充填完成后，结壳保压，时间1s，然后坩锅内压力迅速加到1atm，保压1min后卸压、取件。制备出的材料的T5态力学性能：σ_b＝305Mpa；σ_0.2＝231Mpa；δ＝4.2％；E＝85.1Gpa。

Claims (8)

1、一种原位铝基复合材料的低压铸造制备方法，其特征在于：在进行低压铸造前，先将原位复合材料放置于密封的坩锅中，加热，待复合材料熔化后，通惰性气体保护，当熔体达到设定浇注温度时，搅拌，然后将铸型安装在中隔板上；抽真空，熔体在真空中保持，然后向密封的坩锅内加压，利用压力将液态金属沿反重力方向压入铸型的型腔，这段时间称为升液时间；当液态金属进入型腔后，保持压力不变，复合材料液体表面结壳，结壳结束后，迅速增加坩锅内的压力到高压，保持高压，使得复合材料在压力下补缩、凝固，直至铸件凝固完毕，卸压，取件。

2、根据权利要求1所述的原位铝基复合材料的低压铸造制备方法，其特征是，复合材料在惰性气体下搅拌时间为15-50min，惰性气体为N₂或者Ar₂。

3、根据权利要求1所述的原位铝基复合材料的低压铸造制备方法，其特征是，设定的熔体浇注温度为：680-750℃。

4、根据权利要求1所述的原位铝基复合材料的低压铸造制备方法，其特征是，抽真空，真空度为-0.1MPa，熔体在真空中保持时间为5-40min。

5、根据权利要求1所述的原位铝基复合材料的低压铸造制备方法，其特征是，向密封的坩锅内加压，压力为：0.2-1atm。

6、根据权利要求1所述的原位铝基复合材料的低压铸造制备方法，其特征是，升液时间为：5-50s。

7、根据权利要求1所述的原位铝基复合材料的低压铸造制备方法，其特征是，结壳时保持时间为：1-10s。

8、根据权利要求1所述的原位铝基复合材料的低压铸造制备方法，其特征是，迅速增加坩锅内的压力到高压，压力为：1-10atm，凝固保压时间为：1-30min。