專利名稱：金屬復(fù)合材料及其制備與成型方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及復(fù)合材料制備成型技術(shù)，特別涉及一種金屬復(fù)合材料及其制備與成型方法與裝置。
背景技術(shù)：
一般復(fù)合材料鑄造方法主要有攪拌鑄造法、擠壓鑄造法、流變鑄造法和熔體浸滲鑄造法。攪拌鑄造法是指在液體金屬中加陶瓷粉末顆粒進行攪拌鑄造的方法，其具體過程是通過機械在坩鍋開口上方攪拌使金屬液體產(chǎn)生渦流從而引入粉末顆粒，這種方法的不足之處是當(dāng)粉末顆粒尺寸較小(如小于10μm)時，無法通過攪拌的方法使粉末進入金屬液體中，另外由于粉末無法均勻分布在基體材料中，所以顯微組織不具有重復(fù)性。擠壓鑄造法是先用機械攪拌法制備復(fù)合漿料，然后將液體復(fù)合漿料倒入擠壓模，用液壓機給漿料施加一定的壓力條件下凝固成形，這種方法制備的復(fù)合材料性能比攪拌鑄造法有所改善，但粉末仍無法均勻分布在基體材料中，由于液體金屬整體上由液態(tài)變成固態(tài)，必須經(jīng)歷形核、結(jié)晶、晶粒長大的過程，而形核的位置和數(shù)量具有很大的隨機性，顯微組織難以控制，鑄造的普遍缺陷如縮松、縮孔、偏析、粗晶、晶粒尺寸不均等組織缺陷難以避免。流變鑄造法是對處于固液兩相區(qū)的熔體施加強烈的攪動形成低粘度的半固態(tài)漿料，同時引入粉末顆粒，利用半固態(tài)漿液的觸變特性分散增強相，在一定壓力下充型凝固成形。上述幾種復(fù)合材料制備方法都無法使粉末在基體材料中均勻分布，粉末材料在復(fù)合材料中所占比例較小，顯微組織不具有重復(fù)性，因而復(fù)合材料性能的穩(wěn)定性和可靠性無法得到保證。目前鑄造方法的缺點一方面增強體顆粒越細(xì)，相應(yīng)材料的比力學(xué)性能越高，另一方面越細(xì)的顆粒團聚現(xiàn)象越嚴(yán)重，導(dǎo)致普通鑄法難以獲得材料的最優(yōu)性能。熔體浸滲工藝方法能使粉末在基體材料中均勻分布，具有明顯的優(yōu)勢，專利號為ZL92106222.2的中國發(fā)明專利，描述了一種將陶瓷粉末預(yù)熱之后，在壓力大于20MPa的條件下進行浸滲，然后快速冷卻凝固，再重熔振動攪拌，最后將復(fù)合的原材料澆鑄，這種方法是將浸滲獲得的復(fù)合的原材料冷卻之后重熔，并且需振動攪拌，工藝過程較多，而且浸滲前沒有抽真空，粉末材料吸附的氣體沒有排除掉，影響粉末與金屬的結(jié)合界面，從而影響所制備的零件或材料的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種金屬復(fù)合材料的制備方法。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種由上述方法制備的金屬復(fù)合材料。
本發(fā)明的又一目的在于提供一種上述金屬復(fù)合材料的成型方法。
本發(fā)明的再一目的在于提供一種上述金屬復(fù)合材料的成型裝置。
本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)本金屬復(fù)合材料的制備方法包括如下步驟和工藝條件將熔點相對較高的金屬或非金屬粉末材料A(以下簡稱“粉末材料A”)與熔點相對較低的金屬材料B(以下簡稱“金屬材料B”)放置在一起加熱，通過抽真空排除粉末之間的氣體，當(dāng)加熱溫度高于金屬材料B的熔化溫度，同時低于粉末材料A的熔化溫度時進行保溫，當(dāng)較低熔點的金屬材料熔化成浸滲液體后，保溫的同時，在浸滲液上施加氣體壓力使浸滲液體滲入粉末材料，獲得固液共存的復(fù)合材料；此固液共存的復(fù)合材料即是本發(fā)明所提供的金屬復(fù)合材料。
所述固液共存的復(fù)合材料中的液態(tài)金屬冷卻成半固態(tài)，形成半固態(tài)的金屬復(fù)合材料亦屬本發(fā)明所提供的金屬復(fù)合材料。
所述金屬或非金屬粉末材料A可為鎢、鐵或合金粉末，二氧化硅、三氧化二鋁、氧化鎂等陶瓷粉末，或石墨、硅粉末。
金屬或非金屬粉末材料A為尺寸小于1mm離散顆粒的集合體，其粉末形狀可為顆粒狀、片狀、針狀、纖維狀、樹枝狀、不規(guī)則形狀等。
所述金屬或非金屬粉末材料A可以是單種材料粉末，也可以是多種材料粉末的混合體。
所述金屬材料B可為金屬鋁、銅、鎂、鐵、硅、鋁合金、銅合金、鎂合金、鋼等。
上述金屬復(fù)合材料的成型方法，其特征在于將固液共存或半固態(tài)的金屬復(fù)合材料輸入模具型腔中鑄造成型。成型后的產(chǎn)品可以是各種形狀的鑄件。
上述金屬復(fù)合材料的另一種成型方法，其特征在于采用壓鑄機將固液共存或半固態(tài)的金屬復(fù)合材料輸入模具型腔中成型。成型后的產(chǎn)品可以是各種形狀的壓鑄件。
上述金屬復(fù)合材料的又一種成型方法，其特征在于將固液共存或半固態(tài)的金屬復(fù)合材料輸入擠壓鑄造模具型腔中成型。成型后的產(chǎn)品可以是各種形狀的擠壓鑄件。
上述金屬復(fù)合材料的再一種成型方法，其特征在于將固液共存或半固態(tài)的金屬復(fù)合材料軋制成型。成型后的產(chǎn)品可以是板材、片材、板帶材料。
上述金屬復(fù)合材料的第五種成型方法，其特征在于將固液共存或半固態(tài)的金屬復(fù)合材料擠壓為型材。成型后的產(chǎn)品可以是截面形狀不同的各種型材。
在所述金屬復(fù)合材料成型方法中，將固液共存或半固態(tài)的金屬復(fù)合材料成型時進行定向凝固。
所述定向凝固可在壓應(yīng)力條件下進行。所述壓應(yīng)力可以通過流體(流體可以是液體或半固態(tài)的材料)相材料傳遞到凝固區(qū)域，在流體材料凝固過程中，使流體材料在壓應(yīng)力條件下凝固，可以獲得更優(yōu)良的材料組織性能。
所述定向凝固方法可以包括如下具體步驟及工藝條件其特征在于所述定向凝固包括如下具體步驟及工藝條件(1)將模具預(yù)熱之后，把流體材料從模具上的材料輸入口輸入模腔中；(2)控制模具的局部位置開始冷卻；(3)通過控制局部區(qū)域的溫度，使處于與未凝固流體材料相接觸的模具區(qū)域的流體材料處于過熱狀態(tài)，同時使處于與已凝固的固相材料相接觸的模具區(qū)域的熱量散出，形成有規(guī)律的熱流場，在未凝固的流體材料相和已凝固的固相之間形成溫度由高到低的溫度場，實現(xiàn)流體材料的定向凝固，獲得定向凝固產(chǎn)品。
實現(xiàn)上述定向凝固方法的定向凝固鑄造裝置包括模具，其特征在于所述模具中設(shè)置有空心冷卻通道，空心冷卻通道通過控制閥與冷卻流體供應(yīng)構(gòu)件相連接，控制閥及開關(guān)與控制件相連接。模具中各空心冷卻通道可以單獨設(shè)置；這樣可單獨控制每根空心冷卻通道中冷卻流體(冷卻流體可以是液體，也可以是氣體)的流量及流速，從而可控制模具局部區(qū)域的降溫幅度大小。
所述的定向凝固鑄造裝置的模具中設(shè)置有傳感器，所述傳感器與控制件相連接；可以通過傳感器采集信息，判斷出液態(tài)金屬凝固過程中的已凝固材料固相區(qū)域、結(jié)晶區(qū)域及液相區(qū)域所處的動態(tài)位置，從而更精確地控制定向凝固過程。
本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點和有益效果(1)本發(fā)明方法制備的金屬復(fù)合材料中粉末材料在復(fù)合材料中的成分比例高，分布均勻，顯微組織具有重復(fù)性，可以較易控制結(jié)構(gòu)特征，因而可有效克服鑄件存在的普遍組織缺陷，如縮松、縮孔、偏析、粗晶、晶粒尺寸不均等問題，因而材料性能良好。
(2)本發(fā)明方法制備的金屬復(fù)合材料成型性能較好，可用于多種成型過程中，生產(chǎn)制備零件、板材、線材、型材等不同的產(chǎn)品，因而其工業(yè)應(yīng)用范圍極其廣泛，市場前景較廣。
(3)本發(fā)明提供的金屬復(fù)合材料成型工藝，特別是定向凝固成型工藝能夠始終維持液相材料相連通，不會被已凝固區(qū)阻隔斷，從而保持補縮通道的暢通，可消除縮松、縮孔等常見鑄造缺陷，可用于實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)大型零件的精密制造，所制備產(chǎn)品組織性能優(yōu)良。
(4)本發(fā)明提供的金屬復(fù)合材料成型方法與先制備出復(fù)合材料后進行機械加工工藝成型的方法相比，本發(fā)明將材料制備與成型一體法處理，可以減少制備工藝步驟，較好地節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本。
(5)需要的設(shè)備及模具結(jié)構(gòu)較簡單，生產(chǎn)效率高，適合大批量生產(chǎn)方式。


圖1是本發(fā)明實施例1中金屬復(fù)合材料制備過程的說明簡圖。
圖2是本發(fā)明實施例8所用的成形模具的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
實施例1本發(fā)明金屬復(fù)合材料的制造設(shè)備的結(jié)構(gòu)如圖1所示；在圖1中，浸滲容器1采用鋼板制作的可盛裝液體的容器槽，液體盛于槽內(nèi)不會外漏，將平均粒徑為10μm的二氧化硅粉末鋪在浸滲槽的底部達(dá)一定厚度，并振動搖實二氧化硅粉末，形成粉床2；把用于熔化浸滲的黃銅塊料3置于粉床之上；將裝有二氧化硅粉末和黃銅塊料的浸滲槽放入加熱爐中4(加熱爐可以密閉抽真空，也可以密閉向內(nèi)充氣，承受一定的氣壓)，封閉爐門之后抽真空，達(dá)到0.01Pa的真空度；加熱爐中的加熱器7在加熱過程中使黃銅塊料熔化；當(dāng)浸滲槽內(nèi)二氧化硅粉床2上的黃銅塊料3全部熔化成液體之后，液體覆蓋在粉床2之上，爐內(nèi)溫度設(shè)定為1150℃，停止抽真空，關(guān)閉抽真空的管道閥門6；在加熱保溫過程中，爐內(nèi)溫度維持在1150℃，打開壓縮氣體控制閥5向爐內(nèi)充氣，達(dá)到爐內(nèi)設(shè)定的1MPa氣壓9，并進行保壓，使二氧化硅粉床2上的黃銅金屬液體8浸滲進入二氧化硅粉床2之中；在加熱保溫保壓過程中，黃銅金屬液體8浸滲進入二氧化硅粉床2的間隙之中，浸滲槽內(nèi)的黃銅液面逐漸降低；保溫保壓進行浸滲，當(dāng)浸滲結(jié)束之后，卸掉爐內(nèi)氣壓把浸滲槽從爐中取出，將獲得的固液共存的黃銅與二氧化硅的金屬復(fù)合材料澆鑄成型。
實施例2本實施例與實施例一基本相同，不同之處在于采用的金屬為鑄鋁塊，加熱保溫的溫度為730℃，將獲得的固液共存的鋁合金與二氧化硅的金屬復(fù)合材料采用壓鑄機進行壓鑄成型。
實施例3本實施例與實施例二基本相同，不同之處在于將獲得的固液共存的鋁合金與二氧化硅的金屬復(fù)合材料冷卻到半固態(tài)之后輸入擠壓鑄造模具型腔中進行擠壓鑄造成型。
實施例4本實施例與實施例二基本相同，不同之處在于將獲得的固液共存的鋁合金與二氧化硅的金屬復(fù)合材料輸入型材擠壓成型模具之后擠壓成型材。
實施例5本實施例與實施例二基本相同，不同之處在于將獲得的固液共存的鎂合金與二氧化硅的金屬復(fù)合材料冷卻到半固態(tài)之后通過擠壓注塑機輸入模具型腔中進行注塑成型。
實施例6本實施例與實施例二基本相同，不同之處在于將獲得的固液共存的鋁合金與二氧化硅的金屬復(fù)合材料進行連鑄連軋，制造成板材。
實施例7本實施例與實施例一基本相同，不同之處在于采用的粉末為三氧化二鋁與石墨的混合粉末，金屬為鑄鋁塊，加熱保溫的溫度為730℃，將獲得的固液共存的鋁合金與三氧化二鋁和石墨的金屬復(fù)合材料采用壓鑄機進行壓鑄成型。
實施例8本實施例與實施例二基本相同，不同之處在于將獲得的固液共存的鋁合金與二氧化硅的金屬復(fù)合材料采用壓鑄機進行壓鑄成型，在冷卻過程中模具中的冷卻系統(tǒng)使鑄件定向凝固。
本實施例所使用的模具如圖2所示，模塊10和模塊11由鎖?？?2鎖緊，組合成鑄型，材料輸入澆口套13，在模具的壁內(nèi)都相間排列設(shè)置有空心冷卻通道14，空心冷卻通道14通過控制閥與冷卻液供應(yīng)構(gòu)件相連接，模具中設(shè)置有溫度傳感器15，所述溫度傳感器15緊貼在靠近型腔模壁的位置。
本定向凝固鑄件的制備過程具體如下首先給模具預(yù)熱到620℃，然后通過壓鑄機將過熱到730℃的固液共存的鋁合金與二氧化硅的金屬復(fù)合材料經(jīng)材料輸入澆口套13進入型腔，并排出型腔內(nèi)的氣體，直至材料充滿型腔；分布在模塊10、模塊11及澆口套13上的溫度傳感器15能夠測出各個部位的溫度；可單獨控制每根空心冷卻通道中冷卻液的通斷及供液量的大小。冷卻過程開始時，首先給模具最底下的空心冷卻通道14通冷卻水，使材料從最底部開始凝固，凝固面不斷由下向上移動，通過獲得的各部位的溫度信息判斷結(jié)凝固所處的位置，依次使分布在與已凝固材料相接觸的模具區(qū)域的空心冷卻通道通冷卻水，也就是當(dāng)凝固面在高度線16的位置時，高度線16以下位置的空心冷卻通道都通冷卻水，高度線16以上位置的空心冷卻通道都不通冷卻液；隨著凝固面不斷由下向上移動，對空心冷卻通道14的冷卻實行動態(tài)的控制；當(dāng)凝固面達(dá)到高度線17的位置后，模具內(nèi)的鑄件已完全形成，給所有的空心冷卻通道通冷卻水，模具冷卻達(dá)設(shè)定溫度之后，打開模具，取出鑄件。在材料凝固過程中，能夠始終保證凝固面與液態(tài)材料輸入口之間通過液體材料相連通，材料能夠連續(xù)不斷地向凝固面補充由于液體材料凝固和溫度降低造成的凝固收縮、液態(tài)收縮、固態(tài)收縮所需的材料，不會出現(xiàn)凝固面和材料輸入口之間被凝固了的材料隔斷的情況。
權(quán)利要求
1.一種金屬復(fù)合材料的制備方法，其特征在于包括如下步驟和工藝條件將熔點相對較高的金屬或非金屬粉末材料A(以下簡稱“粉末材料A”)與熔點相對較低的金屬材料B(以下簡稱“金屬材料B”)放置在一起加熱，通過抽真空排除粉末之間的氣體，當(dāng)加熱溫度高于金屬材料B的熔化溫度，同時低于粉末材料A的熔化溫度時進行保溫，當(dāng)較低熔點的金屬材料熔化成浸滲液體后，保溫的同時，在浸滲液上施加氣體壓力使浸滲液體滲入粉末材料，獲得固液共存的金屬復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述固液共存的復(fù)合材料中的液態(tài)金屬冷卻成半固態(tài)，形成半固態(tài)的金屬復(fù)合材料。
3.一種根據(jù)權(quán)利要求1～2任一項權(quán)利要求所制備的金屬復(fù)合材料。
4.一種金屬復(fù)合材料的成型方法，其特征在于將固液共存或半固態(tài)的金屬復(fù)合材料輸入模具型腔中鑄造成型。
5.一種金屬復(fù)合材料的成型方法，其特征在于采用壓鑄機將固液共存或半固態(tài)的金屬復(fù)合材料輸入模具型腔中壓鑄成型。
6.一種金屬復(fù)合材料的成型方法，其特征在于將固液共存或半固態(tài)的金屬復(fù)合材料輸入擠壓鑄造模具型腔中成型。
7.一種金屬復(fù)合材料的成型方法，其特征在于將固液共存或半固態(tài)的金屬復(fù)合材料軋制成型。
8.一種金屬復(fù)合材料的成型方法，其特征在于將固液共存或半固態(tài)的金屬復(fù)合材料擠壓為型材。
9.一種金屬復(fù)合材料的成型方法，其特征在于將固液共存或半固態(tài)的金屬復(fù)合材料成型時進行定向凝固。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的金屬復(fù)合材料的成型方法，其特征在于所述定向凝固包括如下具體步驟及工藝條件(1)將模具預(yù)熱之后，把流體材料從模具上的材料輸入口輸入模腔中；(2)控制模具的局部位置開始冷卻；(3)通過控制局部區(qū)域的溫度，使處于與未凝固流體材料相接觸的模具區(qū)域的流體材料處于過熱狀態(tài)，同時使處于與已凝固的固相材料相接觸的模具區(qū)域的熱量散出，形成有規(guī)律的熱流場，在未凝固的流體材料相和已凝固的固相之間形成溫度由高到低的溫度場，實現(xiàn)流體材料的定向凝固，獲得定向凝固產(chǎn)品。
全文摘要
本發(fā)明提供一種金屬復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟將熔點相對較高的金屬或非金屬粉末材料A與熔點相對較低的金屬材料B放置在一起加熱，通過抽真空排除粉末之間的氣體，當(dāng)加熱溫度高于金屬材料B的熔化溫度，同時低于粉末材料A的熔化溫度時進行保溫，當(dāng)較低熔點的金屬材料熔化成浸滲液體后，保溫的同時，在浸滲液上施加氣體壓力使浸滲液體滲入粉末材料，獲得固液共存的金屬復(fù)合材料；所述金屬復(fù)合材料可用鑄造、擠壓、軋制、定向凝固等工藝成型。本發(fā)明制備的金屬復(fù)合材料成型性能較好，可用于多種成型過程中，生產(chǎn)制備零件、板材、線材、型材等不同的產(chǎn)品，因而其工業(yè)應(yīng)用范圍極其廣泛，市場前景較廣。
文檔編號B22D17/30GK1562527SQ200410026490
公開日2005年1月12日 申請日期2004年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月15日
發(fā)明者周照耀 申請人:周照耀