專利名稱：形成金屬基復(fù)合材料產(chǎn)品的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過使金屬基復(fù)合材料的坯料壓力成型來形成金屬基復(fù)合材料產(chǎn)品的方法，該產(chǎn)品的部分與部分之間具有不同的陶瓷體積含量。
背景技術(shù)：
存在一種采用金屬基復(fù)合材料來提高產(chǎn)品特定部分的強(qiáng)度的制造方法。例如，日本專利特開2001-316740號(hào)公報(bào)公開了一種制造帶輪的方法，為了獲得強(qiáng)度并降低生產(chǎn)成本，該方法對(duì)要求強(qiáng)度的所有部分使用金屬基復(fù)合材料，而對(duì)不要求高強(qiáng)度的所有其它部分使用普通金屬。下面參照其圖21描述該方法。
圖21中所示的帶輪301具有位于其中央由復(fù)合材料形成的轂302、與轂302一體地形成的鋁合金盤303、以及裝配在盤303周圍的凹槽部305，減震元件304保持在凹槽部305與盤303之間，并且高強(qiáng)度的轂302可承受用于將帶輪301連接到軸上而施加的螺栓緊固力。
該制造帶輪301的方法開始于將復(fù)合材料擠壓成型為柱體，并切削該柱體以形成轂302。然后，將轂302放置在帶輪鑄模中并用熔融鋁合金填注該鑄模。
然而，所述制造帶輪的方法由于需要單獨(dú)制造兩個(gè)部件(即，復(fù)合材料轂302和鋁合金盤303)的步驟而需要大量時(shí)間和勞動(dòng)。形成復(fù)合材料轂302的步驟和鑄造鋁合金盤303的步驟都具有涉及復(fù)雜工作和需要大量時(shí)間及勞動(dòng)的缺點(diǎn)。
在例如日本專利2002-66724號(hào)公報(bào)中公開了一種通過使用金屬基復(fù)合材料制造具有改進(jìn)冷卻特性的復(fù)合材料的方法。該制造方法是這樣一種技術(shù)，其特征在于，在壓力機(jī)中擠壓金屬基復(fù)合材料塊以使金屬基復(fù)合材料中的基體和加強(qiáng)材料彼此分離，由此以缺乏均勻性的方式(pattern)定位加強(qiáng)材料，從而以缺乏均勻性的方式定位的加強(qiáng)材料的導(dǎo)熱性可改善產(chǎn)品的冷卻特性。下面參照?qǐng)D22A、22B和22C描述制造復(fù)合材料的方法。
如圖22A中所示的由復(fù)合材料形成的產(chǎn)品311包括基底部312和形成在基底部312表面上的多個(gè)翼片(fin)313。
首先，由鋁合金315和碳化硅微粒316制造金屬基復(fù)合材料314，并使用制造出的金屬基復(fù)合材料314形成塊料317，如圖22B所示。其次，將塊料317加熱，放置在模318(具有用于翼片的腔室319)中并壓縮。
當(dāng)其如圖22C所示被壓縮時(shí)，鋁合金315流入用于翼片的腔室319中并形成鋁合金翼片313。
然而，根據(jù)所述制造復(fù)合材料的方法，不能將碳化硅微粒適當(dāng)?shù)胤湃胍砥?13中，盡管可以節(jié)省一定量的時(shí)間和勞動(dòng)，但是翼片313僅由鋁合金制成從而強(qiáng)度太低。換言之，不可能使碳化硅分布在翼片313的中央以獲得任何期望的體積含量，結(jié)果，復(fù)合材料的強(qiáng)度不可靠。
因此，期望這樣一種技術(shù)，其便于制造部分與部分之間具有不同的陶瓷體積含量的金屬基復(fù)合材料產(chǎn)品。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種形成金屬基復(fù)合材料產(chǎn)品的方法，其特征在于包括通過混合金屬基體和陶瓷加強(qiáng)材料制備金屬基復(fù)合材料的坯料的步驟；將該坯料加熱到特定溫度的步驟；和在模具組件中使加熱的坯料壓力成型的步驟，從而使坯料可以在成型產(chǎn)品的部分與部分之間具有不同的壓縮比H/h1，以使該成型產(chǎn)品的部分與部分之間具有不同的陶瓷體積含量，其中H為所述坯料在成型之前的高度，而h1為其在成型之后的高度。
當(dāng)使坯料壓力成型時(shí)，其壓縮比因部分而異，以使其部分與部分之間具有不同的成型應(yīng)變度，從而使成型產(chǎn)品的部分與部分之間具有不同的陶瓷體積含量。這有利地使得可便于制造由金屬基復(fù)合材料形成的、且部分與部分之間具有不同的陶瓷體積含量的產(chǎn)品。
所述坯料優(yōu)選地具有因部分而異的高度。這樣，僅閉合模具組件就可使成型產(chǎn)品具有因部分而異的陶瓷體積含量，從而便于進(jìn)行使產(chǎn)品具有因部分而異的陶瓷體積含量的成型工作。
所述壓力成型優(yōu)選采用分離式模具組件。這樣，模具組件的分離部分允許分別進(jìn)行壓力控制，并首先向與期望高陶瓷體積含量的任何產(chǎn)品部分相對(duì)應(yīng)的模具部分施加壓力。然后，向與任何剩余產(chǎn)品部分相對(duì)應(yīng)的任何剩余模具部分施加壓力。這有利地使得可形成陶瓷體積含量彼此不同的多個(gè)產(chǎn)品部分。
所述壓力成型優(yōu)選采用這樣的模具組件，即在其與所述坯料接觸的部分中具有熱絕緣。與對(duì)與坯料接觸的任何部分的導(dǎo)熱性都不進(jìn)行控制的情況相比，這有利地使得可降低材料的陶瓷體積含量在成型產(chǎn)品的表面與深層之間的任何差別。
優(yōu)選采用鋁合金作為所述基體，并且采用氧化鋁聚集體作為所述陶瓷。這樣，由于混合熔融鋁合金和氧化鋁聚集體就足夠了，并且氧化鋁聚集體易于制備，因此易于制備金屬基復(fù)合材料，并且可提高部分與部分之間具有不同的陶瓷體積含量的任何產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。
所述加熱步驟優(yōu)選進(jìn)行為將所述坯料加熱到580℃或更高，以提高金屬基體的流動(dòng)性。


圖1A至1C為表示通過根據(jù)本發(fā)明第一成型方法形成的金屬基復(fù)合材料的第一產(chǎn)品的視圖；圖2A至2I為表示在根據(jù)本發(fā)明第一成型方法中的制造復(fù)合材料的步驟、形成坯料的步驟、加熱坯料的步驟和使坯料壓力成型的步驟的視圖；圖3為表示第一成型方法中的壓縮比與第一產(chǎn)品的陶瓷體積含量之間的關(guān)系的曲線圖；圖4為表示第一成型方法所采用的模具組件的壓力施加速度與第一產(chǎn)品的陶瓷體積含量之間的關(guān)系的曲線圖；圖5A至5D為表示與第一成型方法中不同的制造金屬基復(fù)合材料和形成坯料的步驟的視圖；圖6為表示通過第二和第三成型方法形成的金屬基復(fù)合材料的第二和第三產(chǎn)品的視圖；圖7為表示在根據(jù)本發(fā)明的第二成型方法中在模具組件中放置加熱的坯料的視圖；圖8A至8C示意地表示在第二成型方法中的壓力成型步驟；圖9為表示由第二成型方法形成的產(chǎn)品的中央部分的陶瓷體積含量與其邊緣部分的陶瓷體積含量之間的關(guān)系的曲線圖；圖10A至10C為表示根據(jù)本發(fā)明的第三成型方法的視圖；圖11為表示通過根據(jù)本發(fā)明的第四成型方法形成的金屬基復(fù)合材料的第四產(chǎn)品的視圖；圖12A至12D為表示在根據(jù)本發(fā)明第四成型方法中的壓力成型步驟的視圖；圖13A至13C為表示通過根據(jù)本發(fā)明第五、第六和第七成型方法形成的金屬基復(fù)合材料的第五、第六和第七產(chǎn)品的視圖；圖14A至14C為表示根據(jù)本發(fā)明的第五成型方法所采用的坯料以及在第五成型方法中的壓力成型步驟的視圖；圖15A至15C為表示根據(jù)本發(fā)明第六成型方法所采用的坯料以及在第六成型方法中的壓力成型步驟的視圖；圖16A至16C為表示根據(jù)本發(fā)明第七成型方法所采用的坯料以及在第七成型方法中的壓力成型步驟的視圖；圖17A至17E為表示在采用分離式模具組件的根據(jù)本發(fā)明第八成型方法中的壓力成型步驟、以及由該方法形成的第八產(chǎn)品的視圖；圖18A至18D為表示在根據(jù)本發(fā)明第九成型方法中的壓力成型步驟的視圖；圖19A至19D為表示在根據(jù)本發(fā)明第十成型方法中的壓力成型步驟的視圖；
圖20為表示通過采用不具有任何熱絕緣的模具組件、采用在與坯料接觸的部分區(qū)域中具有熱絕緣的模具組件以及采用在與坯料接觸的整個(gè)區(qū)域中都具有熱絕緣的模具組件而形成的產(chǎn)品的陶瓷體積含量之間關(guān)系的曲線圖；圖21為表示通過采用根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的復(fù)合材料作為其一部分而形成的帶輪的視圖；以及圖22A至22C為表示根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)制造復(fù)合材料的方法的視圖。
具體實(shí)施例方式
圖1A至1C表示通過根據(jù)本發(fā)明第一成型方法形成的金屬基復(fù)合材料的第一產(chǎn)品。
圖1A中所示的第一產(chǎn)品11為由金屬基復(fù)合材料形成的產(chǎn)品，并且例如用作汽車的部件或者工業(yè)機(jī)器的部件。
第一產(chǎn)品11為具有中央部分12和連接到中央部分12的邊緣部分13的盤狀板材。中央部分12的強(qiáng)度高于邊緣部分13。因而，第一產(chǎn)品11在其邊緣部分13用于任何不要求高強(qiáng)度的部分而其中央部分12用于任何要求強(qiáng)度的部分時(shí)，可確保強(qiáng)度并且還減輕了重量。
h1表示坯料成型后的高度，該高度對(duì)應(yīng)于板材厚度。
第一產(chǎn)品11由由金屬14和陶瓷15組成的金屬基復(fù)合材料制成。
中央部分12為在金屬14中含有大約40％的陶瓷15的部分，如圖1B所示。使用鋁合金作為金屬14。陶瓷15例如為氧化鋁聚集體21。
當(dāng)陶瓷體積含量表示為Vf時(shí)，可獲得的陶瓷體積含量Vf(％)為(陶瓷體積/(基體體積+陶瓷體積))×100。
中央部分12的陶瓷體積含量Vf為Vm1(大約40％)。相應(yīng)的楊氏模量表示為Em1。
圖1C中所示的邊緣部分13為在金屬14中含有大約18％的陶瓷15的部分。
邊緣部分13的陶瓷體積含量Vf為Ve1(大約18％)。相應(yīng)的楊氏模量表示為Ee1，并且楊氏模量Ee1＜Em1。這樣，第一產(chǎn)品11的陶瓷體積含量Vf從其中央部分12向其邊緣部分13逐漸減少。因此，第一產(chǎn)品11的楊氏模量從其中央部分12向其邊緣部分13逐漸降低。
現(xiàn)在參照?qǐng)D2A至2I描述形成上述金屬基復(fù)合材料的第一產(chǎn)品11的第一方法。第一成型方法具有制備復(fù)合材料的步驟、形成坯料的步驟、加熱坯料的步驟以及使坯料壓力成型的步驟。將更具體地依次描述這四個(gè)步驟。
圖2A至2D表示在第一成型方法中制備復(fù)合材料和形成坯料的步驟。
參照?qǐng)D2A，制備復(fù)合材料的步驟通過混合基體和陶瓷而制造金屬基復(fù)合材料。更具體地，采用鋁合金22作為基體。使用按照日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JIS)的A6061作為鋁合金22。使用氧化鋁聚集體21作為陶瓷。
圖2B為圖2A中的部分2B的放大視圖，并且示意地表示聚集體21的顆粒。聚集體21的每個(gè)顆粒都是氧化鋁(Al2O3)顆粒23團(tuán)。聚集體21具有大約50μm的直徑。氧化鋁(Al2O3)顆粒23具有大約1μm的直徑。
也可以采用除氧化鋁(Al2O3)顆粒外的陶瓷。
盡管第一成型方法采用聚集體，然而也可以使用不形成任何聚集體的粉末。
除了陶瓷之外，也可以考慮碳纖維(長(zhǎng)或短纖維)作為加強(qiáng)材料。
首先熔化給定重量的鋁合金22，并且在熔化的鋁合金22中放入給定重量的聚集體21并與其攪拌，如圖2A所示。將攪拌后的鋁合金22放入形狀和大小適當(dāng)?shù)腻V模24(參見圖2C)中并凝固以提供金屬基復(fù)合材料27塊(參見圖2C)。
參照?qǐng)D2C，形成坯料的步驟采用凝固的金屬基復(fù)合材料27塊作為第一坯料31。H表示待擠壓的坯料的高度，D1表示其直徑。
根據(jù)坯料形狀和錠模，可通過例如切削成多個(gè)坯料并且切削成適當(dāng)?shù)男螤顏砑庸そ饘倩鶑?fù)合材料27塊。
圖2D為圖2C中的部分2D的放大視圖，并且示意地表示金屬基復(fù)合材料27。金屬基復(fù)合材料27由鋁合金22和氧化鋁顆粒23的聚集體21組成。
金屬基復(fù)合材料27的陶瓷體積含量Vf表示為Vb(大約23％至24％)。金屬基復(fù)合材料27的楊氏模量表示為Eb。
采用鋁合金22作為基體并采用氧化鋁聚集體21作為陶瓷的第一成型方法不需要大量時(shí)間和勞動(dòng)，這是由于混合熔融鋁合金22和氧化鋁聚集體21就足夠了。氧化鋁聚集體21易于制備。因此，容易制造金屬基復(fù)合材料27，從而可提高部分與部分之間具有不同的陶瓷體積含量的任何產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。
在制備金屬基復(fù)合材料27作為第一坯料31(參見圖2C)之后，開始加熱坯料的步驟。
圖2E至2I表示根據(jù)第一成型方法加熱坯料和擠壓坯料的步驟。
如圖2E所示的加熱坯料的步驟在加熱爐32中在特定溫度條件下加熱第一坯料31。加熱爐32具有爐體33、熱源34、熱電偶35以及根據(jù)來自熱電偶35的信息和預(yù)設(shè)條件來控制熱源34的控制單元36。
作為加熱坯料的步驟的溫度條件所采用的特定溫度為等于或高于鋁合金22的固相線的溫度(例如，根據(jù)日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的A6061為580℃或更高)。
盡管可按照希望選擇坯料加熱溫度的上限，但是考慮到過高溫度可能延長(zhǎng)隨后的凝固步驟、以及多于必需的加熱可能延長(zhǎng)加熱步驟，希望的是基于生產(chǎn)效率和質(zhì)量將其上限設(shè)定為合適的溫度。
在如圖2F所示的擠壓步驟期間，將在加熱步驟中被加熱到580℃或更高的第一坯料31如箭頭a所示放置在模具組件37中，并通過模具組件37安裝于其內(nèi)的壓力機(jī)41的操作而形成為特定形狀。
模具組件37由下模42和上模43組成并具有溫度控制裝置(未示出)。下模42和上模43分別具有平坦的模面44和45。模具組件37為軸向(沿著空白箭頭的方向)壓縮第一坯料31并使坯料31橫向擴(kuò)展的鐓粗類型。圖中所示模具組件37的形狀和結(jié)構(gòu)只是示意性的。
溫度控制裝置可以為任何類型，并且可例如構(gòu)造成依靠流體或電進(jìn)行溫度控制。例如，設(shè)定300℃的溫度。希望保持300℃的模具溫度，但是也可以通過在正常溫度下使用模具組件來進(jìn)行成型，而不為其提供任何溫度控制裝置。
在壓力機(jī)41的操作面板(未示出)中設(shè)定的主要成型條件是壓力P、壓力施加速度Vp和下降行程S。壓力P表示為相對(duì)于坯料的投影面積的表面壓力(kg/cm2)。下降行程S為從模具與坯料接觸的位置到其下限的距離，并且基于通過施加壓力而形成的板材的厚度(在施加壓力后所獲得的坯料的高度h1)。
這樣，使用模具組件37以壓力P、壓力施加速度Vp和特定下降行程向580℃或更高溫度的第一坯料31施加壓力以形成第一產(chǎn)品。
圖2G至2I表示施加在第一坯料31上的壓力。
如圖2G所示，對(duì)于下降行程S1，以壓力P和壓力施加速度Vp在第一坯料31上持續(xù)施加壓力。在走過(cover)下降行程S1的過程中，作為基體的鋁合金22在580℃或更高溫度下其流動(dòng)性提高，在壓力作用下鋁合金22開始破裂，并且還開始橫向向外(向圖中的左、右以及向圖中的前、后)流動(dòng)，如箭頭b所示。另一方面，聚集體21的顆粒很難橫向向外運(yùn)動(dòng)，而是開始向下運(yùn)動(dòng)。
上模43繼續(xù)下降并且當(dāng)其到達(dá)下降行程S2(S2＞S1)時(shí)(如圖2H所示)，第一坯料31的高度從H變?yōu)镠a。在走過下降行程S2期間，鋁合金22穿過聚集體21的顆粒之間而進(jìn)一步橫向向外流動(dòng)。聚集體21通過其顆粒的接觸和碰撞開始?xì)?，并且開始變成更小的聚集體或氧化鋁(Al2O3)顆粒。
所述上模進(jìn)一步繼續(xù)下降，并且一到達(dá)限定其下限的下降行程S3，就形成第一產(chǎn)品11，如圖2I所示。
在走過下降行程S3的過程中，鋁合金22繼續(xù)向外流動(dòng)，聚集體21的顆粒在壓力作用下破裂并變成更小的聚集體或氧化鋁(Al2O3)顆粒，并且?guī)缀跛羞@些顆粒都留在由第一坯料31的中央部分形成的第一產(chǎn)品11的中央部分12中，而其余的顆粒被向外流動(dòng)的鋁合金22推動(dòng)并橫向向外(沿著箭頭c、c的方向)流動(dòng)。結(jié)果，第一產(chǎn)品11的中央部分12的陶瓷體積含量Vf上升到Vm1(大約40％)并表現(xiàn)出楊氏模量Em1，而第一產(chǎn)品11的邊緣部分13的陶瓷體積含量Vf降低到Ve1(大約18％)并且表現(xiàn)出楊氏模量Ee1。
與金屬基復(fù)合材料27(參見圖2D)的陶瓷體積含量Vb相比，第一產(chǎn)品11從其邊緣部分13到其中央部分12的陶瓷體積含量為Ve1＜Vb＜Vm1。
當(dāng)壓縮比表示為Rh時(shí)，對(duì)于第一產(chǎn)品11的形狀而言，壓縮比Rh為其中央部分12的壓縮比，或近似為坯料加工前后其直徑D1(參見圖2C)的尺寸比。中央部分12的壓縮比Rh表示為Rh＝H/h1，例如為6.8。除了中央部分12之外的部分的壓縮比Rh，或者邊緣部分13的壓縮比Rh表示為Rh＝0/h1，或者不設(shè)置其壓縮比。
因此，根據(jù)第一成型方法，第一產(chǎn)品11的壓縮比Rh從其中央部分12到其邊緣部分13而不同。
圖3為表示通過第一成型方法的壓縮比與第一產(chǎn)品的陶瓷體積含量之間關(guān)系的曲線圖。橫軸表示所述中央部分的壓縮比Rh，而縱軸表示陶瓷體積含量Vf。成型條件為由相對(duì)于坯料的投影面積的表面壓力表示的650kg/cm2的壓力P、大約130mm/sec的壓力施加速度Vp、580℃或更高的加熱溫度以及300℃的模具溫度。
●表示第一產(chǎn)品11的中央部分12的陶瓷體積含量Vf。
○表示第一產(chǎn)品11的邊緣部分13的陶瓷體積含量Vf。
中央部分12的陶瓷體積含量Vf與壓縮比Rh的增加基本成比例地增加。邊緣部分13的陶瓷體積含量Vf與壓縮比Rh的增加基本成比例地減少。
換言之，邊緣部分13的陶瓷體積含量Vf隨著中央部分12的陶瓷體積含量Vf的增加而減少。因而，控制壓縮比Rh可以控制陶瓷體積含量Vf。
在本發(fā)明的成型方法中，壓縮比Rh設(shè)定在1至10的范圍內(nèi)。優(yōu)選地設(shè)定為2或更大。壓縮比為2或更大使得易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的陶瓷體積含量Vf的逐漸減少或增加。
壓縮比Rh小于2使得難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的陶瓷體積含量Vf的逐漸減少或增加。
主要是在坯料為圓柱體形狀時(shí)，如果壓縮比Rh超過10，則很可能任何加熱到等于或大于固相線的溫度(例如，根據(jù)JIS A6061的580℃或更高)的坯料在放置在模具組件中時(shí)可能會(huì)破裂或崩潰，從而導(dǎo)致產(chǎn)品成型失敗。然而，存在形成為使得即使在壓縮比Rh大于10時(shí)也不破裂或崩潰的坯料，從而可為這些坯料選擇大于10的壓縮比Rh。
圖4為表示第一成型方法采用的壓力施加速度與第一產(chǎn)品的陶瓷體積含量之間的關(guān)系的曲線圖。橫軸表示壓力施加速度Vp，而縱軸表示陶瓷體積含量Vf。成型條件為由相對(duì)于坯料的投影面積的表面壓力表示的650kg/cm2的壓力P、6.8的壓縮比Rh、580℃或更高的加熱溫度以及300℃的模具溫度。
●表示第一產(chǎn)品11的中央部分12的陶瓷體積含量Vf。
○表示第一產(chǎn)品11的邊緣部分13的陶瓷體積含量Vf。
中央部分12的陶瓷體積含量Vf與壓力施加速度Vp的增加基本成反比地減少，并且隨后坯料的陶瓷體積含量停止變化。
邊緣部分13的陶瓷體積含量Vf與壓力施加速度Vp的增加基本成比例地增加，并且隨后坯料的陶瓷體積含量停止變化。
這表明如果壓力施加速度Vp較高，則鋁合金橫向流動(dòng)的速度也高，從而氧化鋁聚集體21不能停留，而是隨著鋁合金的流動(dòng)橫向運(yùn)動(dòng)。
因而，控制壓力施加速度Vp可以控制陶瓷體積含量Vf。
在本發(fā)明的成型方法中，壓力施加速度Vp設(shè)定在5到300mm/sec的范圍內(nèi)。
如果壓力施加速度Vp低于5mm/sec，則混合于中央部分12的基體中的加強(qiáng)材料(例如，陶瓷或者碳纖維)的體積含量(陶瓷體積含量Vf)幾乎不會(huì)有任何增加。
如果壓力施加速度Vp超過300mm/sec，則在中央部分12或邊緣部分13的體積含量(陶瓷體積含量Vf)中幾乎沒有任何變化。
因而，控制壓力施加速度Vp或壓縮比Rh可使得陶瓷體積含量Vf從第一產(chǎn)品11的中央部分12到其邊緣部分13逐漸減少(傾斜)，同時(shí)使得第一產(chǎn)品11能夠以期望的形狀形成。
下面參照?qǐng)D5A至5D描述與參照?qǐng)D2A至2D所描述的制備復(fù)合材料和形成坯料的步驟不同的步驟。
首先將聚集的氧化鋁粉末和鎂(Mg)的粉末混合物51及鋁合金52放置在用于制備鋁基復(fù)合材料的裝置54的氣氛爐(atmosphere furnace)55中，如圖5A所示。附圖標(biāo)記53表示控制單元。
然后，通過真空泵56抽空氣氛爐55，從而可將氧從氣氛爐55除去。真空泵56在達(dá)到一定真空度時(shí)停止，并且從其瓶57如箭頭d1所示向氣氛爐55供應(yīng)氬氣(Ar)58。然后，通過加熱線圈59開始如箭頭d2所示對(duì)粉末混合物51和鋁合金52加熱。
氣氛爐55的溫度上升(自動(dòng)地)，同時(shí)由溫度傳感器61檢測(cè)。當(dāng)達(dá)到一定溫度(例如，大約750℃至大約900℃)時(shí)，鋁合金52熔化。同時(shí)，粉末混合物51中的鎂(Mg)進(jìn)行揮發(fā)。由于在氣氛爐55中氬氣(Ar)58環(huán)境占主要優(yōu)勢(shì)，因此鋁合金52或鎂(Mg)沒有氧化。
接著，通過氮?dú)?N2)62使氣氛爐55中的壓力上升，粉末混合物51中的聚集的氧化鋁粉末通過氮化鎂64的作用而減少，從而允許熔融鋁合金52穿過粉末混合物52以提供金屬基復(fù)合材料65，由此提供鋁基復(fù)合坯料66，如圖5B所示。
更具體地，將氮?dú)?2如箭頭d4所示供應(yīng)到氣氛爐55中，同時(shí)通過真空泵56從中去除氬氣58。此時(shí)，施加高壓(例如，大氣壓+大約0.5kg/cm2)。用氮?dú)?2凈化氣氛爐55。
當(dāng)氣氛爐55充滿氮?dú)?2的氣氛時(shí)，氮?dú)?2通過與鎂(Mg)反應(yīng)而形成氮化鎂(Mg3N2)64。由于氮化鎂64減少了氧化鋁，因此改善了氧化鋁的潤(rùn)濕性(wettability)。結(jié)果，熔融鋁合金52在聚集的氧化鋁顆粒當(dāng)中穿過。氧化鋁52的凝固完成了鋁基復(fù)合坯料66。
圖5C中所示的鋁基復(fù)合坯料66(以下簡(jiǎn)稱為“坯料66”)是通過使鋁合金52穿過粉末混合物51而獲得的產(chǎn)品。
如果需要，可以通過NC(數(shù)控)車床67將坯料66切削成特定外徑，如圖5D所示。
圖2A至2D和圖5A至5D中所示的制備復(fù)合材料和形成坯料的步驟只是示例性的，并且不排除制備根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合材料的任何其它方法。
圖6表示分別通過第二和第三成型方法形成的金屬基復(fù)合材料的第二和第三產(chǎn)品，以下將進(jìn)行描述。第二產(chǎn)品68為用于盤式制動(dòng)器的制動(dòng)盤。第三產(chǎn)品71為具有U形截面的部件，例如用于盤式制動(dòng)器的卡鉗，并且在圖10A中詳細(xì)地示出。
包括制動(dòng)盤的第二產(chǎn)品68包括形成在其中央的緊固部分72、鄰接緊固部分72形成的柱形連接部分73、以及鄰接連接部分73的上端形成且徑向向外伸出的凸緣形滑動(dòng)部分74。
緊固部分72為將通過多個(gè)螺栓固定到車輛中的驅(qū)動(dòng)軸上的部分。緊固部分72的陶瓷體積含量Vm2大約為40％。
滑動(dòng)部分74具有上、下滑動(dòng)表面75、75，一襯墊(未示出)將壓靠在所述滑動(dòng)表面上以產(chǎn)生摩擦。該摩擦限制制動(dòng)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)。
下面將參照?qǐng)D7和圖8A至8C描述形成金屬基復(fù)合材料的第二產(chǎn)品68的第二方法。稍后將描述形成第三產(chǎn)品71的第三方法。在第二成型方法中制備復(fù)合材料和加熱坯料的步驟與第一方法中的相同，從而不再進(jìn)行描述。
參照?qǐng)D7，在第二成型方法中形成坯料的步驟采用金屬基復(fù)合材料27(參見圖2C)或鋁基復(fù)合坯料66(參見圖5C)，以形成圓柱形的第二坯料77。Hb表示第二坯料77在壓力成型之前的高度，而D2表示其直徑。
將具有580℃或更高溫度的第二坯料77如箭頭e所示放置在模具組件78中，以準(zhǔn)備施加壓力。然后，通過其中安裝有模具組件78的壓力機(jī)41施加壓力以使第二坯料77形成為特定形狀。
模具組件78為具有下模81、上沖模82以及溫度控制裝置(未示出)的閉合組件。模具組件78的形狀和結(jié)構(gòu)只是示意性的。
溫度控制裝置可以是任何類型，例如可以構(gòu)造成依靠流體或電來進(jìn)行溫度控制。例如，設(shè)定300℃的溫度。也可以使用處于正常溫度下的模具組件。
在壓力機(jī)41的操作面板中設(shè)定的主要成型條件為例如大約650kg/cm2的壓力P、大約130mm/sec的壓力施加速度Vp以及47mm的下降行程S。這樣，使用模具組件78以壓力P、壓力施加速度Vp和特定下降行程S向處于580℃或更高的第二坯料77施加壓力以形成第二產(chǎn)品。
圖8A至8C表示在第二成型方法中的壓力施加。
使上沖模82下降以走過下降行程S4，如圖8A所示。第二坯料77的高度從Hb變化到Hc。在第二坯料77的高度變化到Hc的過程中，溫度為580℃或更高的作為基體的鋁合金22在壓力下開始破裂，并且還開始橫向向外(向圖中的左、右以及圖中的前、后)流動(dòng)，如箭頭f所示。另一方面，聚集體21的顆粒保持分散并且停留不動(dòng)，幾乎不橫向運(yùn)動(dòng)。
隨著上沖模82繼續(xù)下降，鋁合金22在聚集體21的顆粒當(dāng)中穿過以進(jìn)一步向外流動(dòng)，如圖8B所示。聚集體21通過其顆粒的接觸和碰撞而開始?xì)?，并且開始變成更小的聚集體或氧化鋁(Al2O3)顆粒。
上沖模82進(jìn)一步繼續(xù)下降，并且當(dāng)?shù)竭_(dá)其下限的下降行程時(shí)，形成第二產(chǎn)品68，如圖8C所示。h1為擠壓后的坯料的高度并對(duì)應(yīng)于板材的厚度。
在走過其下限的下降行程過程中，鋁合金22持續(xù)向外流動(dòng)。聚集體21的顆粒在壓力作用下破裂并變成更小的聚集體或氧化鋁(Al2O3)顆粒，并且?guī)缀跛羞@些顆粒都留在由第二產(chǎn)品68的中央部分所限定的緊固部分72中，而其余的顆粒在鋁合金22向外流動(dòng)時(shí)被鋁合金22推動(dòng)從而橫向向外(沿著箭頭g的方向)流動(dòng)。結(jié)果，由第二產(chǎn)品68的中央部分所限定的緊固部分72使其陶瓷體積含量Vf上升到Vm2(大約40％)，而由第二產(chǎn)品68的邊緣部分所限定的滑動(dòng)部分74使其陶瓷體積含量Vf下降到Ve2(大約18％)。
當(dāng)?shù)诙a(chǎn)品68的壓縮比表示為Rh時(shí)，緊固部分72的壓縮比Rh表示為Rh＝Hb/h1，例如為6.8。不設(shè)置滑動(dòng)部分74的壓縮比Rh。因此，根據(jù)該第二成型方法，第二產(chǎn)品68的壓縮比Rh從其緊固部分72到其滑動(dòng)部分74而不同。
圖9為表示通過第二成型方法形成的產(chǎn)品中央部分的陶瓷體積含量與其邊緣部分的陶瓷體積含量之間關(guān)系的曲線圖。橫軸表示中央部分的陶瓷體積含量Vf?？v軸表示邊緣部分的陶瓷體積含量Vf。成型條件為由相對(duì)于坯料的投影面積的表面壓力表示的650kg/cm2的壓力P、大約130mm/sec的壓力施加速度、580℃或更高的加熱溫度和300℃的模具溫度。
圖9中的曲線圖還表示如參照?qǐng)D1A所述的第一產(chǎn)品11的中央部分12的陶瓷體積含量與其邊緣部分13的陶瓷體積含量之間的關(guān)系。
邊緣部分(滑動(dòng)部分)74的陶瓷體積含量Vf與中央部分(緊固部分)72的陶瓷體積含量Vf的增加基本成比例地減少。
第二產(chǎn)品68(參見圖6)為制動(dòng)盤。該制動(dòng)盤的緊固部分72(參見圖6)的陶瓷體積含量Vf設(shè)定在28％至42％的范圍內(nèi)。
因此，根據(jù)第二成型方法，中央部分(緊固部分)72的陶瓷體積含量Vf設(shè)定在28％至42％的范圍內(nèi)。
如果中央部分(緊固部分)72的陶瓷體積含量Vf小于28％，則在通過螺栓安裝中央部分(緊固部分)72時(shí)給定的螺栓緊固扭矩很可能會(huì)導(dǎo)致緊固部分72翹曲。
如果中央部分(緊固部分)72的陶瓷體積含量Vf超過42％，則這些陶瓷致使可加工性降低并致使生產(chǎn)成本上升。
制動(dòng)盤的邊緣部分(滑動(dòng)部分)74的陶瓷體積含量Vf設(shè)置在15％至25％的范圍內(nèi)。
如果邊緣部分(滑動(dòng)部分)74的陶瓷體積含量Vf小于15％，則硬度和耐磨性出現(xiàn)下降。
如果邊緣部分(滑動(dòng)部分)74的陶瓷體積含量Vf超過25％，則這些陶瓷由于在獲得高精度的工作(例如，磨削或拋光)中需要大量時(shí)間和勞動(dòng)而致使可加工性降低。
圖3中的曲線圖還可認(rèn)為表示通過第二成型方法的壓縮比與第二產(chǎn)品的陶瓷體積含量之間的關(guān)系。圖4中的曲線圖還可認(rèn)為表示第二成型方法采用的壓力施加速度與第二產(chǎn)品的陶瓷體積含量之間的關(guān)系。
下面將參照?qǐng)D10A至10C描述根據(jù)本發(fā)明的第三成型方法。圖10A表示第三產(chǎn)品，而圖10B和10C表示壓力施加的步驟。
參照?qǐng)D10A，第三產(chǎn)品71為具有U形截面的元件，并且包括形成在其中央的第一板部84和從第一板部84的兩個(gè)相對(duì)邊緣以相對(duì)這兩個(gè)邊緣成直角延伸的兩個(gè)第二板部85、85。第二板部85、85均受到力F。附圖標(biāo)記86、86表示各角部，而h3表示壓力成型后坯料的高度，并對(duì)應(yīng)于板厚。
第三產(chǎn)品71在角部86、86處具有比在第二板部85、85的自由端高的陶瓷體積含量Vf，從而用于提高U形元件的強(qiáng)度并減少其重量。
下面將描述形成金屬基復(fù)合材料的第三產(chǎn)品71的第三方法。制備復(fù)合材料和加熱坯料的步驟與第一方法中的相同，因此不再進(jìn)行描述。
第三成型方法中形成坯料的步驟采用金屬基復(fù)合材料27(參見圖2C)或者鋁基復(fù)合坯料66(參見圖5C)來形成第三坯料87，如圖10所示。第三坯料87為形成有預(yù)定寬度和長(zhǎng)度、以及在壓力成型之前坯料高度為Hd的板材。
在壓力成型步驟中，將具有580℃或更高溫度的第三坯料87如箭頭所示放置在模具組件88中，并通過其中安裝有模具組件88的壓力機(jī)41的操作使其形成為特定形狀。模具組件88具有下模91、上沖模92和溫度控制裝置(未示出)。
在壓力機(jī)41的操作面板中設(shè)置的主要成型條件為壓力P、壓力施加速度Vp和下降行程S。這樣，利用模具組件88以壓力P、壓力施加速度Vp和特定的下降行程S向580℃或更高的第三坯料87施加壓力以形成第三產(chǎn)品。
使上沖模92運(yùn)動(dòng)到其行程的下限以完成第三產(chǎn)品71，如圖10C所示。
在對(duì)第三坯料87施加壓力的過程中，鋁合金22在壓力作用下開始破裂并在聚集體21的顆粒當(dāng)中穿過而橫向向外(向圖中的左、右)流動(dòng)，如上所述。
另一方面，聚集體21通過其顆粒的接觸和碰撞而毀壞并在壓力作用下破裂成更小的聚集體或氧化鋁(Al2O3)顆粒，并且?guī)缀跛羞@些顆粒都留在第一板部84和角部86、86中。結(jié)果，圖10A中所示的第三產(chǎn)品71的第一板部84的陶瓷體積含量為Vf或Vm3(大約40％)，并且角部86、86的陶瓷體積含量Vf大約為37％。其上承受較大力的角部86、86的較高陶瓷體積含量Vf使角部86、86的材料具有高的楊氏模量，并且實(shí)現(xiàn)了U形元件的強(qiáng)度的提高及其重量的降低。
作為第三產(chǎn)品71的邊緣部分的第二板部85、85的陶瓷體積含量為Vf或Ve3(大約18％)。
第三產(chǎn)品71的第一板部84的壓縮比Rh表示為Rh＝Hd/h3。第二板部85、85未設(shè)置任何壓縮比Rh，但為其設(shè)置了必要的板厚。因此，根據(jù)第三成型方法，第三產(chǎn)品71具有從其第一板部84到其第二板部85、85不同的壓縮比Rh。
圖11表示由根據(jù)本發(fā)明的第四成型方法形成的金屬基復(fù)合材料的第四產(chǎn)品94，稍后將描述。
第四產(chǎn)品94為在殼體95中鑄造的柱形元件(例如，氣缸體)，并且具有與凸緣96緊密接觸的板狀表面97(例如，氣缸蓋)。
第四產(chǎn)品94在其面對(duì)凸緣96的外周壁103的一個(gè)端部104與其中央部分105之間具有表示為Vm4的陶瓷體積含量Vf。陶瓷體積含量Vm4高于坯料的陶瓷體積含量Vb(大約23％至24％)，而在接近殼體95的內(nèi)側(cè)101的另一端部106與中央部分105之間的陶瓷體積含量Ve4低于坯料的陶瓷體積含量Vb。這樣，板狀表面97在一個(gè)端部104處形成為使其陶瓷體積含量Vf上升到Vm4。
由于其陶瓷體積含量上升到Vm4，因此板狀表面97的強(qiáng)度足以承受安裝凸緣96而施加的任何螺栓緊固力(軸向力)，并且即使凸緣96通過由螺栓緊固扭矩引起的表面壓力p與其緊密接觸也不會(huì)變形，而且可防止例如任何水壓(液壓流體)或者氣壓(空氣)的泄漏從而維持高壓。
下面將參照?qǐng)D12A至12D描述上述形成第四產(chǎn)品94的第四方法。制備復(fù)合材料和加熱坯料的步驟與在第一方法中的相同，因此不再進(jìn)行描述。
在第四成型方法中形成坯料的步驟采用金屬基復(fù)合材料27(參見圖2C)或鋁基復(fù)合坯料66(參見圖5C)來形成圓柱形的第四坯料107，如圖12A所示。D3表示其直徑，而He表示第四坯料107在壓力成型之前的高度。
在壓力成型步驟中，將具有580℃或更高溫度的第四坯料107如雙點(diǎn)劃線所示放置在模具組件108中，并且通過其中安裝有模具組件108的壓力機(jī)41的操作使其形成為特定形狀。
模具組件108具有下模111、上沖模112和溫度控制裝置(未示出)。使用模具組件108以壓力P、壓力施加速度Vp和特定的下降行程向580℃或更高溫度的第四坯料107施加壓力以形成第四產(chǎn)品。
在向第四坯料107施加壓力的過程中，鋁合金22在聚集體21的顆粒當(dāng)中穿過而向外(沿著箭頭j的方向)流動(dòng)，如上所述，并如圖12B所示。
另一方面，聚集體21通過其顆粒的接觸和碰撞而開始?xì)模⑶议_始分裂成更小的聚集體或氧化鋁(Al2O3)顆粒。
接著，使上沖模112穿過坯料運(yùn)動(dòng)到其行程的下限，如圖12C所示，從而獲得如圖11所示的第四產(chǎn)品94。
在向第四坯料107持續(xù)施加壓力的過程中(參見圖12B)，聚集體21在壓力作用下分裂成更小的聚集體或氧化鋁(Al2O3)顆粒，并且?guī)缀跛械男【奂w或氧化鋁顆粒都留在所述中央部分中，而其余的顆粒在鋁合金22向外流動(dòng)時(shí)被鋁合金22推動(dòng)而橫向向外(向圖中的左、右以及向圖中的前、后)流動(dòng)。結(jié)果，第四產(chǎn)品94的限定其中央部分的一個(gè)端部104(參見圖11)具有表示為Vm4(大約40％)的陶瓷體積含量Vf，而第四產(chǎn)品94的限定其邊緣部分的另一端部106(參見圖11)具有表示為Ve4(大約18％)的陶瓷體積含量Vf。
h4表示坯料在壓力成型之后的高度，例如1mm。當(dāng)上沖模112穿過坯料時(shí)，坯料高度為0mm，但是在將坯料高度設(shè)置為1mm時(shí)，其陶瓷體積含量Vf與所述一個(gè)端部104表現(xiàn)出的陶瓷體積含量Vf幾乎相同，并且第四產(chǎn)品94(參見圖11)具有表示為Rh＝He/h4的壓縮比Rh。其外周壁103未設(shè)置壓縮比Rh，但為其設(shè)置了必要的板厚。
因此，根據(jù)第四成型方法，第四產(chǎn)品94具有從其底部到其外周壁103不同的壓縮比Rh。
打開模具組件108(參見圖12C)，取出第四產(chǎn)品94，如圖12D所示。
接下來的步驟對(duì)放置在模中的第四產(chǎn)品94進(jìn)行鑄造。
這樣，根據(jù)本發(fā)明的成型方法為第一至第四產(chǎn)品11、68、71和94中任一個(gè)的中央部分都設(shè)置壓縮比Rh，以使每個(gè)產(chǎn)品的壓縮比Rh因部分而異，從而第一至第四產(chǎn)品中的每一個(gè)都可具有從其中央部分到其邊緣部分不同的陶瓷體積含量Vf，如關(guān)于第一至第四成型方法中的每一個(gè)所述。由于僅使模具組件閉合就足以形成部分與部分之間具有不同的的陶瓷體積含量的產(chǎn)品，因此容易制造部分與部分之間具有不同的陶瓷體積含量的金屬基復(fù)合材料產(chǎn)品。
圖13A至13C表示通過根據(jù)本發(fā)明的第五、第六和第七成型方法形成的金屬基復(fù)合材料的第五、第六和第七產(chǎn)品。
圖13A中所示的第五產(chǎn)品117具有以與圖1A中所述的第一產(chǎn)品11相反的方式逐漸降低的陶瓷體積含量Vf，并且其陶瓷體積含量Vf從其中央部分122向其邊緣部分123逐漸增加。更具體地，其中央部分122的陶瓷體積含量Vm5為大約18％，而其邊緣部分123的陶瓷體積含量Ve5為大約40％。第五產(chǎn)品117為盤狀板件，其邊緣部分123具有比其中央部分122的陶瓷體積含量Vm5高的陶瓷體積含量Ve5(Ve5＞Vm5)。
當(dāng)對(duì)中央部分122和邊緣部分123的陶瓷體積含量與金屬基復(fù)合材料27(參見圖2C)的陶瓷體積含量Vb進(jìn)行對(duì)比時(shí)，Vm5＜Vb＜Ve5。
當(dāng)中央部分122的楊氏模量為Em5，而邊緣部分123的楊氏模量為Ee5(Ee5＞Em5)時(shí)，當(dāng)對(duì)中央部分122和邊緣部分123的楊氏模量與金屬基復(fù)合材料27(參見圖2C)的楊氏模量Eb進(jìn)行對(duì)比時(shí)，Em5＜Eb＜Ee5。
圖13B中所示的第六產(chǎn)品118具有從其中央部分124到其邊緣部分125逐漸減少的陶瓷體積含量Vf。更具體地，其中央部分124的陶瓷體積含量Vm6為大約28％，而其邊緣部分125的陶瓷體積含量Ve6為大約20％。第六產(chǎn)品118為盤狀板件，其邊緣部分125具有比其中央部分124的陶瓷體積含量Vm6低的陶瓷體積含量Ve6(Ve6＜Vm6)。
中央部分124的陶瓷體積含量Vm6比圖2C中所示的金屬基復(fù)合材料27的陶瓷體積含量Vb高，而邊緣部分125的陶瓷體積含量Ve6與其大致相等。
圖13C中所示的第七產(chǎn)品121具有以與第六產(chǎn)品118(參見圖13B)相反的方式逐漸減少的陶瓷體積含量Vf，并且其陶瓷體積含量Vf從其中央部分126向其邊緣部分127逐漸增加。更具體地，其中央部分126的陶瓷體積含量Vm7為大約20％，而其邊緣部分127的陶瓷體積含量Ve7為大約28％。第七產(chǎn)品121為盤狀板件，其邊緣部分127具有比其中央部分126的陶瓷體積含量Vm7高的陶瓷體積含量Ve7(Ve7＞Vm7)。
中央部分126的陶瓷體積含量Vm7比圖2C所示的金屬基復(fù)合材料27的陶瓷體積含量Vb高，而邊緣部分127的陶瓷體積含量Ve7與其大致相等。
下面將對(duì)分別形成金屬基復(fù)合材料的第五、第六和第七產(chǎn)品117、118和121的第五、第六和第七方法依次進(jìn)行描述。
首先參照?qǐng)D14A至14C描述形成第五產(chǎn)品的第五方法。制備復(fù)合材料和加熱坯料的步驟與第一方法中的相同，因此不再進(jìn)行描述。
在第五成型方法中形成坯料的步驟采用金屬基復(fù)合材料27(參見圖2C)或鋁基復(fù)合坯料66(參見圖5C)來形成第五坯料128，如圖14A所示。第五坯料128為在其中央具有孔132的板狀環(huán)形體131，并且環(huán)形體131的高度(其為壓力成型之前坯料的高度)為Hg。
參照?qǐng)D14B，將具有580℃或更高溫度的第五坯料128如箭頭所示放置在模具組件133中，并通過其中安裝有模具組件133的壓力機(jī)41的操作使其形成為特定形狀。
模具組件133具有下模134、上沖模135和溫度控制裝置(未示出)。使用模具組件133以壓力P、壓力施加速度Vp和特定的下降行程向580℃或更高的第五坯料128施加壓力以形成如圖13A所示的第五產(chǎn)品117。
然后，使上沖模135運(yùn)動(dòng)至其行程的下限，如圖14C所示，從而獲得第五產(chǎn)品117。
更具體地，在向第五坯料128施加壓力的過程中，鋁合金22在壓力作用下開始破裂并在聚集體21的顆粒當(dāng)中穿過而向孔132的中央橫向(向圖中的左、右以及向圖中的前、后)流動(dòng)，如箭頭k所示。
另一方面，聚集體21通過其顆粒的接觸和碰撞而毀壞，并且在壓力作用下破裂成更小的聚集體或氧化鋁(Al2O3)顆粒，并且?guī)缀跛械倪@些顆粒都留在環(huán)形體131中，而不朝向孔132向內(nèi)運(yùn)動(dòng)。結(jié)果，第五產(chǎn)品117的中央部分122的陶瓷體積含量Vf或Vm5為大約18％，而其邊緣部分123的陶瓷體積含量Vf或Ve5為大約40％。
h1表示坯料壓力成型之后的高度，并且對(duì)應(yīng)于第五產(chǎn)品117的板厚。第五產(chǎn)品117的環(huán)形體131的壓縮比Rh為Rh＝Hg/h1。未對(duì)中央部分122設(shè)置壓縮比Rh。
因此，根據(jù)第五成型方法，第五產(chǎn)品117具有從環(huán)形體131至中央部分122不同的壓縮比Rh。
下面參照?qǐng)D15A至15C描述形成圖13B中所示的第六產(chǎn)品的第六方法。制備復(fù)合材料和加熱坯料的步驟與第一方法中的相同，從而不再描述。
在第六成型方法中形成坯料的步驟采用金屬基復(fù)合材料27(參見圖2C)或鋁基復(fù)合坯料66(參見圖5C)來形成第六坯料136，如圖15A所示。第六坯料136具有盤狀部分137和圓柱部分138，該圓柱部分138與盤狀部分137一體地形成并從其中央伸出。盤狀部分137具有厚度t6，圓柱部分138具有高度Hj，該高度為坯料在壓力成型之前的高度。這樣，第六坯料136在其盤狀部分137的厚度t6之上具有通過其圓柱部分138的高度Hj而變化的高度。
參照?qǐng)D15B，將具有580℃或更高溫度的第六坯料136如箭頭所示放置在模具組件141中，并通過其中安裝有模具組件141的壓力機(jī)41的操作使其形成為特定形狀。
模具組件141具有下模142、上沖模143和溫度控制裝置(未示出)。使用模具組件141以壓力P、壓力施加速度Vp和特定的下降行程向580℃或更高溫度的第六坯料136施加壓力，以形成第六產(chǎn)品118(參見圖13B)。
然后，使上沖模143運(yùn)動(dòng)至其行程下限，如圖15C所示，從而獲得第六產(chǎn)品118。
更具體地，在向第六坯料136施加壓力的過程中，其圓柱部分138開始破裂并且在其圓柱部分138中的鋁合金22在壓力作用下在聚集體21的顆粒當(dāng)中穿過而向外(沿著箭頭的方向)流動(dòng)。
另一方面，圓柱部分138中的聚集體21通過其顆粒的接觸和碰撞而毀壞，并且在壓力作用下破裂成更小的聚集體或氧化鋁(Al2O3)顆粒，并且?guī)缀跛械倪@些顆粒都留在圓柱部分138中。結(jié)果，第六產(chǎn)品118的中央部分124的陶瓷體積含量Vf或Vm6為大約28％。其邊緣部分125的陶瓷體積含量Vf或Ve6為大約20％。
h1表示坯料在壓力成型之后的高度，并對(duì)應(yīng)于第六產(chǎn)品118的板厚。第六產(chǎn)品118的中央部分124的壓縮比Rh為Rh＝Hj/h1。其邊緣部分125的壓縮比Rh為Rh＝t6/h1，或大約為1。
因此，根據(jù)第六成型方法，第六產(chǎn)品118具有從其中央部分124到其邊緣部分125不同的壓縮比Rh。
下面將參照?qǐng)D16A至16C描述形成圖13C中所示的第七產(chǎn)品的第七方法。制備復(fù)合材料和加熱坯料的步驟與第一方法中的相同，從而不再進(jìn)行描述。
在第七成型方法中形成坯料的步驟采用金屬基復(fù)合材料27(參見圖2C)或鋁基復(fù)合坯料66(參見圖5C)來形成第七坯料144，如圖16A所示。第七坯料144為在其中央具有圓形凹部146的盤狀件145，并且盤狀件145具有在其凹部146的底部處的厚度t7并具有高度Hk，該高度為坯料在壓力成型之前的高度。這樣，第七坯料144在其凹部146的底部處的厚度t7之上具有通過盤狀件145的高度Hk而變化的高度。
參照?qǐng)D16B，將具有580℃或更高溫度的第七坯料144如箭頭所示放置在模具組件147中，并通過其中安裝有模具組件147的壓力機(jī)41的操作使其形成為特定形狀。
模具組件147具有下模151、上沖模152和溫度控制裝置(未示出)。使用模具組件147以壓力P、壓力施加速度Vp和特定的下降行程向處于580℃或更高的第七坯料144施加壓力，以形成第七產(chǎn)品121(參見圖13C)。
然后，使上沖模152運(yùn)動(dòng)至其行程下限，如圖16C所示，從而獲得第七產(chǎn)品121。
更具體地，在向第七坯料144施加壓力的過程中，盤狀件145開始破裂并且在盤狀件145中的鋁合金22在壓力作用下在聚集體21的顆粒當(dāng)中穿過而向內(nèi)(沿著箭頭的方向)流動(dòng)。
另一方面，聚集體21通過其顆粒的接觸和碰撞而毀壞，并且在壓力作用下破裂成更小的聚集體或氧化鋁(Al2O3)顆粒，并且?guī)缀跛械倪@些顆粒都留下來而不向凹部146運(yùn)動(dòng)。結(jié)果，第七產(chǎn)品121的中央部分126的陶瓷體積含量Vf或Vm7為大約20％，而其邊緣部分127的陶瓷體積含量Vf或Ve7為大約28％。
h1表示坯料在壓力成型之后的高度，并對(duì)應(yīng)于第七產(chǎn)品121的板厚。第七產(chǎn)品121的中央部分126的壓縮比Rh為Rh＝Hk/h1。其邊緣部分127的壓縮比Rh為Rh＝t7/h1，或小于1。
因此，根據(jù)第七成型方法，第七產(chǎn)品121具有從其中央部分126到其邊緣部分127不同的壓縮比Rh。
這樣，由于根據(jù)本發(fā)明的第五、第六或第七成型方法在以部分與部分之間不同的壓縮比Rh形成第五、第六或第七產(chǎn)品時(shí)采用部分與部分之間具有不同高度的第五、第六或第七坯料，因此僅使模具組件閉合就足以形成部分與部分之間具有不同的陶瓷體積含量的第五、第六或第七產(chǎn)品，而在壓力成型之后不會(huì)改變坯料的高度h1，從而使得成型工作比較容易進(jìn)行。
下面將參照?qǐng)D17A至17E描述形成第八產(chǎn)品的第八方法。制備復(fù)合材料和加熱坯料的步驟與第一方法中的相同，因此不再進(jìn)行描述。
參照?qǐng)D17A，在第八成型方法中形成坯料的步驟采用金屬基復(fù)合材料27(參見圖2C)或鋁基復(fù)合坯料66(參見圖5C)來形成第八坯料153。第八坯料153為具有直徑D8和厚度t8的盤狀件。
在第八成型方法中的壓力施加步驟采用分離式模具組件154。分離式模具組件154具有下模155、分離式上沖模156和溫度控制裝置(未示出)。
分離式上沖模156具有安裝在中央的內(nèi)沖模157、位于內(nèi)沖模157外側(cè)的外沖模機(jī)構(gòu)161和設(shè)在內(nèi)沖模157中的鉆孔機(jī)構(gòu)162。
外沖模機(jī)構(gòu)161和鉆孔機(jī)構(gòu)162與液壓?jiǎn)卧?63連接，并根據(jù)來自包含預(yù)設(shè)成型條件的控制單元164的信息進(jìn)行控制。
將具有580℃或更高溫度的第八坯料153如箭頭所示放置在分離式模具組件154中，并通過其中安裝有分離式上沖模156的壓力機(jī)41的操作使其開始成型。
首先使外沖模機(jī)構(gòu)161中的外沖模165如箭頭m所示下降至其下限。然后，通過壓力機(jī)41使分離式上沖模156下降。
使分離式上沖模156下降以使得外沖模165與第八坯料153的邊緣部分166接觸，并且使邊緣部分166形成厚度te，同時(shí)繼續(xù)使壓力機(jī)41下降(沿著箭頭A的方向)，如圖17B所示。同時(shí)，邊緣部分166中的鋁合金22向第八坯料153的中心流動(dòng)，如箭頭n所示。邊緣部分166具有比金屬基復(fù)合材料27(參見圖2c)的陶瓷體積含量高的陶瓷體積含量Vf。邊緣部分166的壓縮比為Rh＝t8/te，例如為6或更大。
接著，開始通過內(nèi)沖模157進(jìn)行成型。
通過壓力機(jī)41使內(nèi)沖模157下降以使第八坯料153的中央部分167形成為凹部形狀，從而使中央部分167可以具有厚度tm，如圖17C所示。外沖模機(jī)構(gòu)161隨著壓力機(jī)41的下降速度而同步地縮回(沿虛線所示的箭頭方向)，從而外沖模165可不向下運(yùn)動(dòng)，而是會(huì)保持不動(dòng)并繼續(xù)壓住邊緣部分166。
壓力成型之后得到的中央部分167的厚度tm基本等于其在壓力成型之前所具有的厚度t8，并且中央部分167的壓縮比Rh為Rh＝t8/tm，或大約為1。在壓力成型之后得到的中央部分167的陶瓷體積含量Vf自然地基本等于第八坯料153的陶瓷體積含量。
接著，通過鉆孔機(jī)構(gòu)162在中央部分167中制造孔。
鉆孔機(jī)構(gòu)162具有如箭頭所示強(qiáng)制進(jìn)入中央部分167中的四個(gè)翼片168，以在該中央部分內(nèi)制作四個(gè)安裝孔169，從而完成第八產(chǎn)品171，如圖17D所示。
當(dāng)四個(gè)翼片168被強(qiáng)制進(jìn)入中央部分167內(nèi)時(shí)，在被翼片168擠壓的部分172中發(fā)生鋁合金22的流動(dòng)和聚集體21的運(yùn)動(dòng)，從而被擠壓的部分172具有高陶瓷體積含量。這為安裝孔169周圍的部分提供了增加的強(qiáng)度。
第八產(chǎn)品171為例如在圖17E中所示的制動(dòng)盤。該制動(dòng)盤在圍繞安裝孔169周圍的部分具有增加的強(qiáng)度，當(dāng)將制動(dòng)盤擰在轂上時(shí)，所述安裝孔承受較大的力。與金屬基復(fù)合材料27(參見圖2C)的強(qiáng)度(楊氏模量Eb)比較，其在安裝孔169周圍被擠壓的部分172的強(qiáng)度更高。
所述第八產(chǎn)品的滑動(dòng)部分173的強(qiáng)度和耐磨性優(yōu)于金屬基復(fù)合材料27(參見圖2C)。
使用分離式模具組件154使得第八產(chǎn)品171具有從其邊緣部分166到其中央部分167不同的壓縮比Rh，從而即使第八坯料153不具有變化的形狀，部分與部分之間的陶瓷體積含量也不同。
現(xiàn)在將給出兩個(gè)示例來描述采用分離式模具組件154的其它成型方法。
根據(jù)第一示例，首先通過內(nèi)沖模157施加壓力以形成具有高陶瓷體積含量的中央部分167，然后通過外沖模機(jī)構(gòu)161施加壓力以形成具有最終形狀的邊緣部分166。該產(chǎn)品在形狀上基本與圖6中所示的第二產(chǎn)品68(制動(dòng)盤)相同。其陶瓷體積含量同樣從其中央部分167向其邊緣部分166逐漸減少。
根據(jù)第二示例，首先通過內(nèi)沖模157施加壓力以形成具有高陶瓷體積含量的中央部分167。然后，通過多個(gè)翼片168制作安裝孔169，同時(shí)因而被擠壓的部分172具有高陶瓷體積含量。最后，由外沖模機(jī)構(gòu)161施加壓力以形成具有最終形狀的邊緣部分166。這使得可在圖8C中所示的第二產(chǎn)品68(制動(dòng)盤)中的安裝孔169周圍形成高強(qiáng)度部分。
使用所述分離式模具組件154使得外沖模165可確定第八坯料153的邊緣部分166的陶瓷體積含量，內(nèi)沖模157可確定第八坯料153的中央部分167的陶瓷體積含量，鉆孔機(jī)構(gòu)162的四個(gè)翼片168可確定因而在中央部分167中制作的四個(gè)安裝孔169周圍被擠壓的部分172的陶瓷體積含量，即使第八坯料153的厚度可能是均勻的也是如此。這樣，可以形成許多與其余部分具有不同陶瓷體積含量的部分。
下面參照?qǐng)D18A至18D描述根據(jù)本發(fā)明的形成金屬基復(fù)合材料的第九產(chǎn)品的第九方法。制備復(fù)合材料、形成坯料以及加熱坯料的步驟與圖7中所示的第二方法中的相同，因此不再進(jìn)行描述。
第九成型方法的特征在于采用具有形成在其一部分上的陶瓷膜的局部熱絕緣模具組件78B。
在圖18A中所示的局部熱絕緣模具組件78B具有下模81B、上沖模82B和溫度控制裝置(未示出)，并且在尺寸上與第二方法所采用的模具組件78(參見圖7)相同。選擇例如合金工具鋼作為用于局部熱絕緣模具組件78B的主體的材料。
下膜81B具有用于接觸坯料而形成的第一、第二、第三和第四模面177、178、179和181。第一模面177具有為了其熱絕緣通過等離子噴涂形成于其上的陶瓷膜182。
陶瓷膜182主要用于熱絕緣并由低導(dǎo)熱性的材料制成。
陶瓷膜182的噴涂材料為氧化鋯(ZrO2)。除了氧化鋯之外，可以考慮將硅酸鋁(Al2O3·SiO2)作為噴涂材料。富鋁紅柱石(3Al2O3·2SiO2)也可用作典型的硅酸鋁。
第九成型方法采用厚度ti為100μm至1000μm的陶瓷膜182。
如果膜厚小于100μm，則膜太薄且熱絕緣特性太低，以至于在將具有給定溫度的坯料77B(參見圖18B)放置在第一模面177上時(shí)，坯料驟冷從而在其表面層中形成厚的淬硬層(例如，深0.5mm)。結(jié)果，產(chǎn)品表面層及其深層(貫穿其厚度的中途)之間在陶瓷體積含量Vf方面具有很大的差異。該差異為最大值與最小值之差。
如果膜厚超過1000μm，則該膜在坯料保持與模具組件接觸的時(shí)間內(nèi)表現(xiàn)最大的熱絕緣特性，并且淬硬層的厚度并未減少。當(dāng)放置具有給定溫度的坯料時(shí)，形成在坯料表面層中的淬硬層的厚度(例如，深0.5mm)沒有變化。這樣，淬硬層的厚度最小。因此，在產(chǎn)品的表面層及其深層(貫穿其厚度的中途)之間陶瓷體積含量Vf的差異不能進(jìn)一步降低。
膜厚ti是完成時(shí)得到的厚度，例如在磨削或拋光之后的厚度，或者該膜厚為500μm。
也可以使用例如陶瓷(硅酸鋁)片材用于熱絕緣，而不依賴于任何噴涂膜。該片材可與所述膜具有相同厚度。
上沖模82B具有用于接觸坯料而形成的第一、第二和第三沖模面183、184和185。第一沖模面183具有為了其熱絕緣通過等離子噴涂而形成于其上的陶瓷膜186。陶瓷膜186與形成在下模81B上的陶瓷膜182相同，因此不再描述。
在第九成型方法中形成坯料的步驟采用金屬基復(fù)合材料27(參見圖2C)或鋁基復(fù)合坯料66(參見圖5C)來形成如圖18B所示的第九坯料77B。第九坯料77B與圖7中所示的第二坯料77相同，并且具有直徑D2和高度Hb。
在壓力施加步驟中，第九坯料77B保持在580℃或更高的溫度，并放置在其上形成有陶瓷膜的局部熱絕緣模具組件78B中，如圖18B所示。操作其中安裝有局部熱絕緣模具組件78B的壓力機(jī)41以開始成型。
在壓力施加步驟中，當(dāng)將第九坯料77B放置在下模81B的陶瓷膜182上時(shí)，陶瓷膜182如箭頭u1和u2所示使第九坯料77B熱絕緣，從而第九坯料77B幾乎沒有淬硬表面層。
使上沖模82B下降以使其陶瓷膜186與第九坯料77B接觸并且在第九坯料77B上施加壓力，如圖18C所示。
在壓力施加步驟中，當(dāng)上沖模82B使其陶瓷膜186與第九坯料77B接觸時(shí)，陶瓷膜186如箭頭u3和u4所示使第九坯料77B熱絕緣，從而第九坯料77B幾乎不具有淬硬表面層。
在向第九坯料77B施加壓力的過程中，具有580℃或更高溫度的鋁合金22在聚集體21的顆粒當(dāng)中流動(dòng)穿過。更具體地，第九坯料77B僅具有形成在其表面層中的薄淬硬層，并且在其表面層中的鋁合金22未降低流動(dòng)性，而是通過克服所有的小流動(dòng)阻力能夠與在內(nèi)層中的鋁合金22基本相似地橫向流動(dòng)。
使上沖模82B進(jìn)一步降低，并且一到達(dá)其下降行程的下限，則完成第九產(chǎn)品188，如圖18D所示。
在如圖18C所示向第九坯料77B施加壓力的過程中，通過陶瓷膜182和186抑制第九坯料77B的溫度的任何下降，并且緊固部分191在其表面層與內(nèi)層之間的陶瓷體積含量Vf中僅有較小的差別。
形成金屬基復(fù)合材料的第九產(chǎn)品188的方法所采用的局部熱絕緣模具組件78B為這樣的模具組件，其具有形成在下模81B的接觸第九坯料77B的第一模面177上的陶瓷膜182、和形成在上沖模82B的接觸第九坯料77B的第一沖模面183上的陶瓷膜186，如圖18A所示。因此，該局部熱絕緣組件78B的導(dǎo)熱性比不具有任何這樣熱絕緣的任何模具組件都低，并且與任何不控制導(dǎo)熱性的模具組件相比，可減少由金屬基復(fù)合材料形成的任何產(chǎn)品的表面層與內(nèi)層之間的陶瓷體積含量中的任何差別。
下面將參照?qǐng)D19A至19D描述根據(jù)本發(fā)明的形成金屬基復(fù)合材料的第十產(chǎn)品的第十方法。與如圖18A至18D所示的第九方法所采用的相同的部件和材料由相同的附圖標(biāo)記表示，并且不再進(jìn)行描述。第十成型方法的特征在于采用其全部上形成有陶瓷膜的整體熱絕緣模具組件78C。
圖19A中所示的整體熱絕緣模具組件78C具有下模81C、上沖模82C和溫度控制裝置(未示出)。用于整體熱絕緣模具組件78C的主體的材料為例如合金工具鋼。
下模81C具有用于接觸坯料而形成的第一、第二、第三以及第四模面192、193、194和195。第一、第二、第三以及第四模面192、193、194以及195具有為了其熱絕緣通過等離子噴涂而形成于其上的陶瓷膜182。
上沖模82C具有用于接觸坯料而形成的第一、第二以及第三沖模面196、197以及198，并且第一、第二以及第三沖模面196、197以及198具有為了其熱絕緣通過等離子噴涂而形成于其上的陶瓷膜186。
在壓力施加步驟中，相當(dāng)于圖18B中所示的第九坯料77B的第十坯料77C保持在580℃或更高的溫度，并被放置在其全部上形成有陶瓷膜的整體熱絕緣模具組件78C中，并且操作其中安裝有整體熱絕緣模具組件78C的壓力機(jī)41以開始成型。
在如圖19B所示向第十坯料77C施加壓力的過程中，在端部201(在左側(cè)示出)和202(在右側(cè)示出)流出的鋁合金22被陶瓷膜182沿著箭頭u5的方向熱絕緣，并且其溫度下降幾乎不會(huì)引起其流動(dòng)阻力的任何增加。
圖19C表示處于如圖19B所示的壓力成型過程中的第十坯料77C。在其流動(dòng)端部201、202、203以及204處，鋁合金22被形成在整體熱絕緣模具組件78C(如圖19B所示)上的陶瓷膜182和186熱絕緣，并且其溫度下降幾乎不會(huì)引起其流動(dòng)阻力的任何增加。因此，在緊固部分205(如圖19C所示)的兩個(gè)表面層中的鋁合金22如箭頭w所示與在其內(nèi)層中的鋁合金22同樣地流動(dòng)。因此，緊固部分205在其表面層與內(nèi)層之間的陶瓷體積含量Vf中僅有較小的差別。
進(jìn)一步降低上沖模82C，并且其一到達(dá)其下降行程的下限，就完成了第十產(chǎn)品206，如圖19D所示。
在向第十坯料施加壓力的過程中，陶瓷膜182和186抑制在第十坯料的流動(dòng)端部處的任何溫度下降，因此，與不具有任何陶瓷膜182或186的任何模具組件相比，緊固部分205在其表面層與內(nèi)層之間的陶瓷體積含量Vf中具有較小的差別。
圖20是表示根據(jù)本發(fā)明的成型方法由不具有任何熱絕緣的模具組件與由具有熱絕緣的模具組件形成的產(chǎn)品的陶瓷體積含量之間的關(guān)系的曲線圖。橫軸表示模具組件‘未絕緣’、‘局部絕緣’或‘整體絕緣’，而縱軸表示陶瓷體積含量Vf。成型條件為由相對(duì)于坯料的投影面積的表面壓力表示的650kg/cm2的壓力P、大約130mm/sec的壓力施加速度Vp、580℃或更高的坯料加熱溫度、6.8的壓縮比Rh、300℃的模具溫度、以及通過噴涂形成在模具組件上的500μm的陶瓷膜厚。
○表示緊固部分的其中一個(gè)表面層在0.5mm深度處的陶瓷體積含量Vf。
◎表示緊固部分的另一個(gè)表面層在0.5mm深度處的陶瓷體積含量Vf。
●表示緊固部分的內(nèi)層在其厚度中途的深度為4mm處的陶瓷體積含量Vf。
‘未絕緣’是不具有任何熱絕緣的模具組件，并且對(duì)應(yīng)于圖7中所示的模具組件78。
‘局部絕緣’是僅在其與坯料接觸的部分的中央形成有陶瓷膜的模具組件，并且對(duì)應(yīng)于圖18A中所示的模具組件78B。
‘整體絕緣’是在其與坯料接觸的部分的整個(gè)面積上都形成有陶瓷膜的模具組件，并且對(duì)應(yīng)于圖19A中所示的模具組件78C。
由未絕緣的模具組件形成的產(chǎn)品具有28％至42％的陶瓷體積含量Vf，它們之間(在最大值與最小值之間)的差值為14。
由局部絕緣的模具組件形成的產(chǎn)品具有31％至39％的陶瓷體積含量Vf，它們之間的差值減少到8。
由整體絕緣的模具組件形成的產(chǎn)品具有33％至38％的陶瓷體積含量Vf，它們之間的差值進(jìn)一步減少到5。
工業(yè)實(shí)用性通過根據(jù)本發(fā)明的方法形成的金屬基復(fù)合材料產(chǎn)品不僅可應(yīng)用于車輛的制動(dòng)盤，還可應(yīng)用于各種工業(yè)機(jī)器的部件或元件，這是由于它們的部分與部分之間的強(qiáng)度不同。
權(quán)利要求
1.一種形成金屬基復(fù)合材料產(chǎn)品的方法，包括通過混合金屬基體和陶瓷加強(qiáng)材料制備金屬基復(fù)合材料坯料的步驟；將所述坯料加熱到特定溫度的步驟；以及在模具組件中使加熱的坯料壓力成型的步驟，從而使所述坯料可以在成型產(chǎn)品的部分與部分之間具有不同的壓縮比H/h1，以使該成型產(chǎn)品的部分與部分之間具有不同的陶瓷體積含量，其中H為所述坯料在成型之前的高度，而h1為其在成型之后的高度。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述坯料具有因部分而異的高度。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述壓力成型采用分離式模具組件。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述壓力成型采用這樣的模具組件，即在其與所述坯料接觸的部分中具有熱絕緣。
5.如權(quán)利要求1、2、3或4所述的方法，其特征在于，采用鋁合金作為所述基體，并且采用氧化鋁聚集體作為所述陶瓷。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述加熱步驟進(jìn)行為將所述坯料加熱到580℃或更高。
全文摘要
一種成型方法，其中，對(duì)含有通過使鋁合金(22)和陶瓷(15)混合而制備的金屬基復(fù)合材料(27)的坯料(31、66、77、87、107、128、136、144、153、77B、77C)進(jìn)行壓力成型以制造成型物品，該方法包括通過對(duì)成型物品的不同部分使用不同的壓縮比來進(jìn)行壓力成型，其中壓縮比是指坯料在壓力成型之前的高度與坯料在壓力成型之后的高度之比。上述成型方法使得可制造其不同部分具有不同陶瓷體積含量(Vf)的成型物品。
文檔編號(hào)B21J13/02GK1863620SQ20048002872
公開日2006年11月15日 申請(qǐng)日期2004年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月20日
發(fā)明者松浦聰司, 莊子廣人, 越后隆治, 原昌司, 高野拓樹, 豊田裕介, 柴田勝弘, 水上貴博, 柴田博英 申請(qǐng)人:本田技研工業(yè)株式會(huì)社