專利名稱：一種非連續(xù)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種非連續(xù)增強(qiáng)鋁復(fù)合材料的制造方法。尤其是對增強(qiáng)材料為碳化硅晶須，碳化硅顆粒、硼酸鋁晶須和氧化鋁短纖維等，基體材料為各種鋁合金和純鋁的非連續(xù)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制造方法。
擠壓鑄造方法是制造非連續(xù)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的一種常用方法。在這種方法中，首先將增強(qiáng)材料制成具有一定形狀和尺寸預(yù)制塊，將預(yù)制塊放入壓鑄模具中，再將熔化的液態(tài)鋁澆入同一模具中，施加一定的壓力，液態(tài)鋁在壓力下滲入預(yù)制塊中并隨后凝固，最后得到非連續(xù)增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料。由于在這種方法中液鋁在高壓下凝固，因此復(fù)合材料中的空隙率較低。通過研究表明，當(dāng)為降低復(fù)合材料中的孔隙率而提高復(fù)合壓力時(shí)，增強(qiáng)體預(yù)制塊要發(fā)生一定的壓縮變形。預(yù)制塊的變形將對復(fù)合材料的制造帶來以下三方面不利因素第一，由于預(yù)制塊的壓縮變形使預(yù)制塊中增強(qiáng)體相對含量提高，這樣就不可能生產(chǎn)出增強(qiáng)體相對含量較低的復(fù)合材料。例如，用一級加壓法在較高壓力下制造碳化硅晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料時(shí)，預(yù)制塊中晶須體積含量為15%，基體合金為LD2(一種鍛造鋁合金)，預(yù)制塊和模具的預(yù)熱溫度為450℃，液態(tài)鋁合金澆鑄溫度為750℃，壓力為30MPa。對所得復(fù)合材料的質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果表明復(fù)合材料的孔隙率為1%，復(fù)合材料的晶須體積含量為20%，說明在壓鑄過程中預(yù)制塊發(fā)生了較大的壓縮變形(大約為30%)。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)晶須預(yù)制塊在擠壓鑄預(yù)制塊的變形將有可能使復(fù)合材料中增強(qiáng)相發(fā)生不均勻分布，如果變形嚴(yán)重，有可能使預(yù)制塊開裂，導(dǎo)致復(fù)合材料不能使用。
為避免或減小預(yù)制塊的變形，常用的方法是降低擠壓鑄造時(shí)的壓力，但由于液態(tài)鋁在凝固前所受的壓力不足，使得制造出的復(fù)合材料的孔隙率較高，強(qiáng)度和塑性較低。例如，在其它參數(shù)與上述實(shí)例相同的情況下，將壓力改為10MPa(計(jì)算結(jié)果表明這時(shí)的滲透壓為5MPa)。對所得復(fù)合材料的質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果表明復(fù)合材料的孔隙率為5%，復(fù)合材料的晶須體積含量為15%，說明在壓鑄過程中雖然預(yù)制塊沒有發(fā)生壓縮變形，但由于液態(tài)鋁合金凝固時(shí)壓力較低，導(dǎo)致復(fù)合材料中孔隙率較大。對這樣的復(fù)合材料進(jìn)行的機(jī)械性能測試結(jié)果表明，其強(qiáng)度和塑性明顯低于壓力為30MPa時(shí)的值(前者的強(qiáng)度和塑性分別為35MPa和0.5%，而后者的分別為55MPa和3%)。
本發(fā)明的目的在于提出一種即能減小增強(qiáng)體預(yù)制塊在擠壓鑄造過程中變形，又能保證所制得的復(fù)合材料具有較低的孔隙率的非連續(xù)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制造方法。
本發(fā)明采用的壓鑄設(shè)備為一般的液壓機(jī)，發(fā)明的基本過程和工藝參數(shù)如下第一、制造出具有一定形狀尺寸和增強(qiáng)體相對含量的預(yù)制塊，增強(qiáng)體可以為碳化硅晶須，碳化硅顆粒，硼酸鋁晶須和氧化鋁短纖維。
第二、將預(yù)制塊放入模具中，進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為300～550℃。將鋁合金或純鋁熔化。
第三、將液態(tài)鋁澆入模具中，施加第一級壓力。第一級壓力為5～20MPa，保壓時(shí)間為5～15sec/cm，其中cm為預(yù)制塊高度或滲透距離的長度單位。
液態(tài)鋁滲入預(yù)制塊的過程為第一過程，將這一過程中的壓力過程為第一級壓力。預(yù)制塊的變形是在第一過程中發(fā)生的，受第一級壓力的控制，因此為減小預(yù)制塊的變形，第一級壓力應(yīng)盡可能小，但應(yīng)大于預(yù)制塊的臨界滲透壓。預(yù)制塊的臨界滲透壓取決于增強(qiáng)體的形狀和尺寸、預(yù)制塊中增強(qiáng)體的相對含量、液態(tài)鋁的合金成分以及滲透前沿液態(tài)鋁的溫度。
第一級壓力加壓時(shí)間取決于預(yù)制塊的高度(滲透距離)，第一級壓力加壓時(shí)間一定要保證第一過程全部完成。
第四、將壓力提高至第二級壓力，壓力大小為50～100MPa，保壓時(shí)間為30～90sec/kg，其中kg為復(fù)合材料重量單位。
液態(tài)鋁的凝固過程為第二過程，將這一過程中的壓力稱為第二級壓力。第二級壓力的大小是決定復(fù)合材料中孔隙率大小的主要因素，因此為降低復(fù)合材料中的孔隙率，第二級壓力應(yīng)盡可能高。
第二級壓力的加壓時(shí)間應(yīng)保證第二過程全部完成，即液態(tài)鋁全部凝固。
用以上兩級加壓鑄造工藝可以制造出預(yù)制塊變形量小于2%，復(fù)合材料中孔隙率小于1%的非連續(xù)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。
用這種兩級加壓擠壓鑄造方法的非連續(xù)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的工藝方法適合于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)，并且制造出的復(fù)合材料性能好并且穩(wěn)定。因此用這種方法制造出的非連續(xù)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料可用于制造很多要求重量輕并且強(qiáng)度和剛度高、耐磨、耐熱(一般在500℃以內(nèi))或尺寸穩(wěn)定的構(gòu)件。例如飛機(jī)中的隔板或支架，衛(wèi)星中用的鏡筒、凸輪、反射鏡或一些支架。制導(dǎo)用的陀螺以及陀螺支架，另外還有發(fā)動(dòng)機(jī)用的活塞、連桿以及剎車片等。
為了證明本項(xiàng)新工藝的有效性，列舉如下四個(gè)實(shí)例實(shí)施例1晶須預(yù)制塊的形狀為筒形，外徑尺寸為φ70，內(nèi)徑尺寸為φ30，高度為120(單位均為mm)。預(yù)制塊中晶須體積含量為15%，基體合金為LD2，預(yù)制塊和模具的預(yù)熱溫度為450℃，液態(tài)鋁合金澆鑄溫度為750℃，第一級壓力為5MPa，保壓時(shí)間為30秒；第二級壓力為50MPa，保壓時(shí)間為90秒。對所得復(fù)合材料的質(zhì)量檢測結(jié)果表明復(fù)合材料中的孔隙率為0.5%，復(fù)合材料的晶須體積含量為15%，說明在壓鑄過程中預(yù)制塊沒有發(fā)生壓縮變形，并且由于液態(tài)鋁合金凝固時(shí)壓力較高，導(dǎo)致復(fù)合材料中孔隙率較低，經(jīng)測試其楊氏彈性模量為110～130GPa，抗拉強(qiáng)度為500～800MPa，300℃下的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到200～400MPa。
實(shí)施例2顆粒預(yù)制塊的尺寸為φ100×50(單位為mm)。預(yù)制塊中晶須體積含量為40%，基體合金為ZL109(為一種鑄造鋁合金)，預(yù)制塊和模具的預(yù)熱溫度為550℃，液壓鋁合金澆鑄溫度為300℃，第一級壓力為20MPa，保壓時(shí)間為40秒；第二級壓力為30MPa，保壓時(shí)間為90秒。對所得復(fù)合材料的質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果表明復(fù)合材料中的孔隙率為0.8%，復(fù)合材料的顆粒體積含量為40%，說明在壓鑄過程中預(yù)制塊沒有發(fā)生壓縮變形，并且由于液態(tài)鋁合金凝固時(shí)壓力較高，導(dǎo)致復(fù)合材料中孔隙率較低。
實(shí)施例3晶須預(yù)制塊的尺寸為φ50×50(單位為mm)。預(yù)制塊中晶須體積含量為20%，基體合金為LC4(為一種超高強(qiáng)度鋁合金)，預(yù)制塊和模具的預(yù)熱溫度為300℃，液態(tài)鋁合金澆鑄溫度為780℃，第一級壓力為15MPa，保壓時(shí)間為30秒；第二級壓力為60MPa，保壓時(shí)間為90秒。對所得復(fù)合材料的質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果表明復(fù)合材料中的孔隙率為0.8%，復(fù)合材料的晶須體積含量為20%，說明在壓鑄過程中預(yù)制塊沒有發(fā)生壓縮變形，并且由于液態(tài)鋁合金凝固時(shí)壓力較高，導(dǎo)致復(fù)合材料中孔隙率較低。
實(shí)施例4晶須預(yù)制塊的尺寸為φ70×50(單位為mm)。預(yù)制塊中晶須體積含量為30%，基體合金為LY12(一種硬鋁合金)，預(yù)制塊和模具的預(yù)熱溫度為500℃，液態(tài)鋁合金澆鑄溫度為780℃，第一級壓力為10MPa，保壓時(shí)間為60秒；第二級壓力為100MPa，保壓時(shí)間為30秒。對所得復(fù)合材料的質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果表明復(fù)合材料中的孔隙率為0.8%，復(fù)合材料的晶須體積含量為30%，說明在壓鑄過程中預(yù)制塊沒有發(fā)生壓縮變形，并且由于液態(tài)鋁合金凝固時(shí)壓力較高，導(dǎo)致復(fù)合材料中孔隙率較低。
權(quán)利要求
1.一種非連續(xù)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制造方法，該方法包括將增強(qiáng)體預(yù)制塊放入壓鑄模具中加熱，將熔化的鋁澆入壓鑄模具中，施加壓力，其特征在于增強(qiáng)體為碳化硅晶須，碳化硅顆粒、硼酸鋁晶須和氧化鋁短纖維，基體為各種鋁合金和純鋁；第一級壓力為5～20MPa，保壓時(shí)間為5～15sec/cm，其中cm為預(yù)制塊高度或滲透距離的長度單位；第二級壓力為50～100MPa，保壓時(shí)間為30～90sec/kg，其中Kg為復(fù)合材料重量單位，從而制得非連續(xù)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于增強(qiáng)體預(yù)制塊放入模具后的預(yù)熱溫度為300～550℃。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于基體為LD2，LY12，ZL109，LC4等鋁合金和純鋁。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用兩級加壓擠壓鑄造法制造非連續(xù)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法，其中第一級壓力選取較小的壓力值，第二級壓力選取較高的壓力值，這種方法既能減小增強(qiáng)體預(yù)制塊在擠壓鑄造過程中的變形，又能降低復(fù)合材料中的孔隙率。
文檔編號B22D19/02GK1104568SQ9312036
公開日1995年7月5日 申請日期1993年11月24日 優(yōu)先權(quán)日1993年11月24日
發(fā)明者耿林, 王德尊, 費(fèi)維棟, 劉均, 姚忠凱 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)