專利名稱：一種亞微米級陶瓷顆粒與鋁合金的復合工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提出用一種亞微米級陶瓷顆粒制造金屬基復合材料的復合工藝。
目前在金屬基復合材料中，顆粒增強復合材料具有成本低、易二次加工、強度高、塑性好、各向同性等優(yōu)越性能，越來越受到研究者和使用部門的關(guān)注。由強化理論可知，增強相尺寸愈小，強化效果就愈明顯，其強塑性愈高，所以人們無不期待著用細小顆粒增強鋁合金，以獲得高強度、高塑性復合材料。但是隨著顆粒尺寸減小其表面積和表面張力隨之加大，并且，顆粒之間的間隙也變小，這將使金屬流動的毛細管壓力變大，與基體金屬難以復合，故用目前流行的溶融金屬金屬攪拌法充其量只能使10μm以上尺寸的顆粒(主要是sic.Al2O3)復合。而壓鑄法也只能使顆粒尺寸降到3μm左右，用壓鑄法制備亞微米級(小于1μm)顆粒增強復合材料的方法和成果至今尚未見他人報導，而用5μm以上的大顆粒增強鋁合金時，其增強系數(shù)(復合材料強度與基體合金強度之比)只能達到1.1～1.5左右，而且塑性極低，一般在0.5％以下。所以制造細小顆粒、組織致密的復合材料有著重要的理論意義和實際應用價值。
本發(fā)明的目的是在目前的壓鑄工藝基礎(chǔ)上提出一種新的復合方法，使亞微米級陶瓷顆粒與鋁合金良好地復合，獲得高強度、高塑性復合材料。
本發(fā)明主要方法是在壓鑄過程中，選擇合適的工藝參數(shù)，并通過控制壓力呈階躍式變化以使金屬溶液脈動地向予制塊中滲透，以達到上述目的。
本發(fā)明可以在現(xiàn)有的壓鑄工藝或自排氣壓鑄工藝上實現(xiàn)。
工藝流程為(1)予制塊制作將亞微米級細小顆粒直接裝入模具型腔之內(nèi)，緊實裝填，達到予定體積率(視顆粒性狀不同，一般可為20～55％Vf)
(2)予熱將模具放置于電爐中予熱至所需溫度(例如鋁或鋁合金為640～720℃)同時基體合金也在另一加熱爐中予熱達到所需溫度(例如鋁及鋁合金為840～890℃)(3)澆注當模具及金屬溶液達到上述所定溫度之后，將基體合金直接澆注至模具注腔之內(nèi)(4)加壓加壓開始之后，觀察壓力～時間曲線如圖所示最初壓力直線上升，然后出現(xiàn)拐點，即金屬溶液開始滲透，此時控制加壓方式，使其呈階躍式進給，共進行4～8次操作，每次間隔2—3秒，然后壓力繼續(xù)上升達到設(shè)定值(5)保壓冷卻金屬溶液滲入完畢之后壓力自然上升至所設(shè)定的壓力(本實驗工藝視顆粒不同設(shè)定在55MPa～100MPa之間)在此壓力下保壓，自然冷卻。
(6)脫模，取出試樣本發(fā)明的積極效果是，首次解決了sic.Al2O3亞微米級顆粒與鋁及鋁合金的復合技術(shù)，從而獲得了高強度、高延伸率的復合材料，其強化系數(shù)(復合材料強度與基體強度之比)達到2～2.4，室溫延伸率可達5～8％，其強度和塑性指標均超過價格昂貴的晶須強化復合材料，為復合材料的應用開辟了新的技述途徑。


圖1為本發(fā)明復合過程中壓力隨時間的變化曲線實施例1實施步驟(1)顆粒裝填顆粒Al2O3、直徑0.15μm、干燥后，加壓裝入模具型腔，型腔體積φ32×50mm，裝入31.8克Al2O3顆粒，其體積率為20％(2)予熱將裝有顆粒的模具在電爐中予熱至680℃，基體合金采用6061鋁合金在另一電爐中予熱至860℃(3)澆注將模具移至縱式壓力機上澆注(4)加壓及壓力控制開始加壓，同時觀察壓力～時間曲線，最初壓力上升，當達到25MPa左右時出現(xiàn)拐點，確認為金屬溶液開始滲透，此時停止加壓3秒，再加壓2秒，再停止3秒……共操作4次后繼續(xù)加壓，壓力急速上升達到設(shè)定值70MPa
(5)保壓冷卻維持70MPa的設(shè)定壓力自然冷卻至450℃左右，卸載(6)脫模、取出試樣試樣性能測試結(jié)果鑄造狀態(tài)的基體強度，6b＝220MPa；鑄造狀態(tài)的復合材料強度365MPa；在1∶12的擠壓比，560℃條件下擠壓加工后，試樣的拉伸強度為515MPa，延伸率為10.8％實施例2(1)顆粒裝填顆粒Al2O3，直徑0.15μm、干燥后，按模具型腔體積φ32×50mm裝入63.7克，加壓裝填，體積率為40％(2)予熱將裝有顆粒的模具在電爐中加熱至700℃，基體合金為6061鋁合金，予熱溫度為890℃(3)澆注將模具移至縱式壓力機上澆注(4)壓力控制開始加壓，同時觀察壓力～時間曲線，最初壓力上升當達到30MPa左右時出現(xiàn)拐點，確認為是金屬溶液開始滲透，此時控制壓力變化，停壓-加壓……為3秒-2秒間隔共操作5次，然后繼續(xù)加壓，壓力上升達到予定值70MPa時保持壓力(5)保壓冷卻在70MPa下維持不變，模具自然冷卻至500℃時卸載(6)脫模、取出試樣試樣性能測試結(jié)果鑄造狀態(tài)時基體強度6b＝224MPa，鑄造狀態(tài)的復合材料強度6b＝582MPa，用1∶12的擠壓比，570℃溫度下擠壓加工后，擠壓材料的拉伸強度6b＝710MPa，延伸率2.0％實施例3(1)顆粒裝填顆粒Al2O3、直徑0.15μm，干燥后，按模具型、型腔體積φ32×50mm，裝入44.8克，體積率為30％(2)予熱將模具置于設(shè)有加熱爐的縱式壓力機上，模具溫度為650℃，基體合金為6061鋁合金，予熱溫度為880℃(3)澆注當模具和基體鋁合金均達到設(shè)定溫度后開始澆注(4)壓力控制開始加壓，在壓力-壓頭行程曲線上觀察可知，當達到28MPa左右時出現(xiàn)拐點，確認為是金屬溶液開始滲透，隨即控制加壓，使停壓-加壓的時間間隔為2秒-2秒，共操作4次，然后繼續(xù)加壓達到設(shè)定壓力70MPa，保壓(5)保壓冷卻在設(shè)定壓力70MPa下自然冷卻至500℃，卸載(6)脫模，取出試樣試樣測試結(jié)果鑄造狀態(tài)下復合材料硬度Hv218；拉伸強度6b＝512MPa，在560℃下以1∶12擠壓比擠壓后，材料的拉伸強度6b＝655MPa，延伸率8.2％實施例4(1)顆粒裝填顆粒Al2O3、直徑0.35μm，干燥后，按模具型腔體積φ32×50mm，加壓裝入88克，體積率為55％(2)予熱將模具設(shè)置在縱式壓力機上的電爐中予熱至640℃，基體合金為6061鋁合金，予熱溫度為880℃(3)澆注模具與基體合金到溫后開始澆注(4)加壓及壓力控制開始加壓，同時觀察壓力～時間曲線，最初壓力上升，當達到27MPa左右時出現(xiàn)拐點，確認為是金屬溶涂開始滲透，此時控制壓力階躍式變化，停壓2秒，加壓3秒……循環(huán)5次后繼續(xù)加壓，壓力急速上升達到設(shè)定值90MPa(5)保壓冷卻維持90MPa的設(shè)定壓力，模具自然冷卻至500℃卸載(6)脫模，取出試樣試樣性能測試結(jié)果平均硬度Hv567實施例5(1)顆粒裝填顆粒sic，直徑0.09μm，干燥后加壓裝入尺寸為φ31.5×50mm的模具型腔內(nèi)，加壓裝入31.2克，體積率為25％(2)予熱將模具置于設(shè)有加熱爐的縱式壓力機上加熱至640℃，基體合金為6061鋁合金，予熱溫度為870℃(3)澆注當模具和基體均達到設(shè)定溫度后，開始澆注(4)壓力控制開始加壓，在壓力-壓頭行程曲線上觀察可知，當達到80MPa左右時出現(xiàn)拐點，此時控制壓力階躍式變化，停壓2秒，加壓3秒，往復5次，然后繼續(xù)加壓，達到設(shè)定壓力100MPa。
(5)保壓冷卻在設(shè)定壓力100MPa下自然冷卻至480℃；卸載(6)脫模，取出試樣試樣測試結(jié)果鑄造態(tài)復合材料硬度Hv676實施例6(1)顆粒裝填顆粒Al2O3、直徑0.15μm，型腔尺寸為φ32×50mm，加壓裝入44.8克，體積率為30％(2)予熱模具連同裝填好的顆粒在電爐中加熱到720℃，基體為1070工業(yè)純鋁，予熱溫度為890℃(3)澆注當模具和基體均達到上述予定溫度后，將模具移至縱式壓力機上澆注、加壓(4)壓力控制開始加壓后，在壓力-時間曲線上觀察到在25MPa左右出現(xiàn)拐點，隨即進行階躍式壓力控制，停壓2秒，加壓2秒，循環(huán)5次(5)保壓冷卻繼續(xù)加壓，當壓力升到設(shè)定壓力55MPa時保持壓力，自然冷卻至450℃時卸載(6)脫模，取出試樣性能測試結(jié)果試樣縱斷面上的平均硬度Hv208
權(quán)利要求
1.一種亞微米級陶瓷顆粒與鋁合金的復合工藝，其特征在于該工藝按以下步驟實現(xiàn)(1)首先將亞微米級陶瓷細小顆粒直接裝入模具型腔之內(nèi)，緊實裝填。(2)然后將模具放置于電爐中予熱至所需溫度640～700℃，同時基體鋁合金也在另一加熱爐中予熱達到所需溫度840～860℃。(3)當模具及金屬溶液達到上述所定溫度之后，將基體合金直接澆注至模具注腔之內(nèi)。(4)澆注后進行加壓，在金屬溶液向予制塊中滲透時，控制壓力呈階躍式變化，使金屬溶液里脈動式滲入。(5)保壓冷卻，在設(shè)定壓力下保壓自然冷卻至450～500℃，卸載。(6)最后脫模，取出試樣。
全文摘要
本發(fā)明提出一種亞微米級陶瓷顆粒與鋁合金的復合工藝，該工藝通過在基體金屬溶液向預制塊中滲入階段，控制壓力呈階躍式變化，使金屬溶液呈脈動式滲透，以獲得高強塑性、高致密度、高體積率復合材料。
文檔編號C22C1/10GK1120594SQ9411726
公開日1996年4月17日 申請日期1994年10月14日 優(yōu)先權(quán)日1994年10月14日
發(fā)明者武高輝 申請人:哈爾濱工業(yè)大學