專利名稱：：強化低熔點鑄造金屬部件的方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種方法和使用該方法制造的部件，即該方法使用施加或分散到模鑄件的預定部分的高熔點纖維或粉末來強化低熔點鑄造金屬部件。
背景技術：
：鋁和鎂合金常用于制造工業(yè)產品。盡管這些合金有許多用途，它們不能用于高強度和高磨損應用，除非將鋁芯和由更高強度的材料例如鋼制造的鑄件接合在一起制造兩個部件。一個好的例子是鋁塊發(fā)動機需要鋼套。為了提高純金屬性質，通過將不同金屬添加到基體金屬，并且在原子尺度上產生金屬間組成物和相位來制造合金。然而，對于鋁和鎂以及它們的合金而言，在許多應用中具有的強度和耐磨性不足，盡管它們的低密度和相對低的熔點是非常有吸引力的特征。強化鋁和鎂合金的已知技術是將陶瓷添加到這些合金。陶瓷并不在原子尺度上與合金混合；它們只是在宏觀尺度上強化這些合金。添加陶資的合金存在的問題是它們極難加工的事實。并且由于鑄件幾乎從來不會是最終形狀，它們僅僅適合于不需要精加工的一些應用。將陶資添加到熔融鋁和鎂以增加機械性質和耐磨性在本領域中是已知的。陶瓷強化鋁存在的問題是在鑄造之后極難加工部件。另外，陶瓷強化合金并不具有良好的延展性。典型的技術是U.S.4586554，其公開了一種方法，該方法被提供用于通過壓模鑄造形成纖維強化輕金屬鑄件。纖維模具被引入輔助模具中，并且輔助模具被加熱到高于輕金屬的熔點的最佳溫度。輔助模具然后過盈配合地插入壓模鑄造模具中，所述壓模鑄造模具對應于輔助模具的外部輪廓并且在壓力下填充有輕金屬。纖維模具可以可選地借助于暫時有機粘結劑被穩(wěn)固，當輔助模具被加熱時所述暫時有機粘結劑分解。需要一種方法，其使用施加或分散到模鑄件的預定部分的高熔點纖維或粉末來強化低熔點鑄造金屬部件。
發(fā)明內容本發(fā)明的主要方面提供了一種使用施加或分散到模鑄件的預定部分的高熔點纖維或粉末來強化低熔點鑄造金屬部件的方法。通過本發(fā)明的以下描述和附圖將指出或顯而易見本發(fā)明的其它方面。本發(fā)明包括一種強化低熔點鑄造金屬部件的方法，所述方法包括準備具有熔點的熔融金屬材料；將具有比所述熔融金屬材料的熔點更高的熔點的強化材料混合到所述熔融金屬材料中；將所述熔融金屬材料澆注到模具中；對所述強化材料施加力導致所述強化材料占據(jù)所述模具的預定部分并且由此占據(jù)所述鑄造金屬部件的預定部分；和固化所述熔融金屬材料。包含在說明書中并且形成說明書的一部分的附圖與描述一起用于說明本發(fā)明的原理。圖1是第一方法的透視圖。圖2是磁性模具的透視圖。圖3是磁性模具的透視圖。圖4是成品部件的透視圖。圖5是離心模具的透視圖。圖6是電樞機的透視圖。圖7是成品部件的透視圖。圖8是使用重力分離形成的部件的側視圖。圖9是顯示將粉末或纖維施加到模具的透視圖。圖IO是帶有澆注金屬的模具的透視圖。圖ll是成品部件的透視圖。圖12是帶有在澆注之前施加的纖維或粉末的磁性模具的透視圖。圖13是被填充模具的透視圖。圖14是成品部件的透視圖。圖15是兩步模具的透視圖。圖16是芯體被去除的兩步模具的透視圖。圖17是兩步模具的透視圖。圖18是圍擋模具的透視圖。圖19是帶有圍擋的模具的透視圖。圖20是成品部件的透視圖。具體實施例方式本發(fā)明提供了一種方法和使用該方法得到的產品，該方法使用混合到主金屬材料(hostmetalmaterial)內的不銹鋼纖維或粉末或其它高熔點合金纖維和/或粉末強化鋁、鎂、鋅或錫鑄件或任何其它低熔點金屬鑄件的耐用性和/或強度強化。它也包括一種通過將強化粉末或材料混合到熔融金屬中，隨后通過外力例如磁力、離心力或重力從熔融金屬分離纖維/粉末強化低熔點合金的方法。該方法包括主金屬合金的使用，強化纖維或粉末被添加到所述主金屬合金中以形成金屬基質混合物。金屬基質混合物包括機械性能強化合金。當混合物被鑄造成產品時，它將具有強化的機械強度(例如拉伸、壓縮、疲勞、彎曲等)和更高的耐磨性。在這里公開的該方法可以用于制造高強度、耐磨損的鋁鏈輪，而不需要硬鉻鍍層或陶瓷涂層?？傮w而言，所公開的方法優(yōu)于涂層，原因是涂層通常通過機械結合或化學鍵合組成，所述機械結合或化學鍵合沒有使用本發(fā)明的方法制造的部件那么牢固，原因是在本發(fā)明中在層之間不需要"鍵合"，因此部件基本上是一個件的。本發(fā)明的方法包括以預定方式從熔融主金屬基質材料中分開或分離纖維和/或粉末的機械或其它手段。這可以包括向心力、重力、磁力或靜電荷的使用。通過使用這些手段意味著，在熔融階段，纖維和/或粉末在部件的外層(或其它預期位置)中的集中可以被操縱和增加。這在特定的預定位置提高了部件的機械性質，在表面或其它位置上賦予了更高強度和/或更高耐磨性，而不會增加整個部件中的纖維利用，由此減小了成本和重量。在該方法期間，纖維或粉末不一定如在純混合過程中希望的那樣均勻地分布于金屬基質。粉末或纖維選擇性地集中在期望強化耐用性或強度的區(qū)域。在鑄造過程期間進行金屬纖維和/或粉末的集中。金屬基質可以包括鋁、鎂、鋅或錫或它們的兩個或以上的組合。纖維和粉末包括具有比金屬基質更高的熔點的金屬材料，這些金屬材料包括不銹鋼、合金鋼、低碳鋼或與熔融鋁、鎂、鋅或錫相比具有很高熔點的其它材料。純鐵的熔點為1537°C。純鋁的熔點為66(TC，并且純鎂的熔點為650°C。純鋅的熔點為420°C，并且純錫的熔點為232。C。由于材料的熔點的差異，不銹鋼纖維或粉末并不在熔融金屬基質中熔化，而是在纖維或粉末界面處形成包括鐵和主金屬的組合物的金屬間邊界層中熔化。通常，在鑄造之前以及有時取決于部件設計在鑄造之后，攪動熔化物(模內攪動)，以防止纖維或粉末在熔融主金屬基質中下沉，因為鐵的密度是鋁或鎂的密度的大約三倍。攪動可以簡單地通過機械裝置或通過磁力進行。鑄造通常在閉合模具中進行，有時在壓力下(即在壓模鑄造中)進行。這有助于更好地填充模具。纖維的百分比、纖維的大小和形狀和纖維的材料組成(合金)可以取決于部件的所需性能而變化。典型的混合物將具有在大約5%到500/。(體積比)的范圍內的纖維或粉末含量，纖維的尺寸為大約l微米到10mm的長度以及大約1微米到l.Omm(1-1000微米)的橫截面直徑。該橫截面可以是任何形狀，但是為了簡單起見，它被認為是基本圓形的。盡管給出僅作為例子，尺寸的范圍將允許容易壓模鑄造強化合金。粉末的尺寸也可以在大約l微米到1亳米的范圍內變化，但是并不限于該范圍。對于不進行壓模鑄造，例如砂型鑄造、金屬型鑄造等的合金，纖維和粉末的尺寸可以在長度和直徑上更大。選擇粉末、纖維或兩者的組合是為了獲得成品部件的預期性質。在部件的選定富集區(qū)域中，纖維/粉末的百分比可以高達95%,但是并不限于該數(shù)值。在模具涂層過程中，施加在模具上的富集層可以使一些鋁粉末與它混合，以保證它在鑄造之后熔化并且產生均勻富集層。典型纖維包括:<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>圖l是第一方法的透視圖。為了在磁力、離心力、靜電力或重力分離纖維或粉末之前防止主金屬基質IO在模具表面21上固化，模具20被預加熱，并且熔融合金被過度加熱(比熔點更熱)。這允許在開始固化過程之前分離不銹鋼纖維/粉末。施加于金屬基質材料的所需過熱為大約250°C。然后允許冷卻澆注的金屬基質材料。一旦被冷卻到周圍環(huán)境狀態(tài)，鑄造強化部件從模具20被取下。不同于如圖1中所示簡單地混合強化粉末或纖維，可以使用各種過程實現(xiàn)纖維或粉末材料選擇性分散到金屬基質的預定部分。這些包括分離過程，其中纖維或粉末與主金屬基質合金混合，并且然后通過使用磁力移動到期望位置或集中，所述磁力導致纖維或粉末移動到部件中的期望位置(一個或多個)。應當注意的是，實際上鑄造模具被閉合，并且熔融金屬通常在壓力下通過澆口注入模具。為了便于圖解和解釋，在該說明書中附圖顯示了頂部敞開模具。圖2是磁性模具的透視圖。模具20由電磁體22圍繞。在澆注之前，主金屬基質材料IO與強化纖維或粉末混合。主金屬基質合金被過度加熱，并且模具20被預加熱以防止材料10的過早固化。過熱和預熱為大約25(TC,其高于主合金熔點。然后纖維和粉末在鑄造中通過電磁體或永磁體22的力被移動到期望位置。圖3是磁性模具的透視圖。在熔融金屬基質材料被澆注到模具中之后，磁體被開啟。在電磁場的影響下，纖維或粉末11朝著模具20的表面21被吸引。這導致纖維或粉末的集中在部件的外部區(qū)域，例如在皮帶嚙合鏈輪的外磨損(齒)表面顯著增加。圖4是成品部件的透視圖。纖維11在部件的外部區(qū)域集中在齒102處，在那里期望由纖維提供強化的強度和耐磨特性。在不需要強化耐磨和強度的地方，僅僅存在非強化金屬材料IOI。在一個備選方法中，纖維或粉末可以在澆注熔融金屬之前直接被施加到模具上。圖12是帶有在澆注之前所施加的纖維或粉末的磁性模具的透視圖。首先，電磁體22被開啟。然后纖維或粉末ll被以期望深度和濃度噴涂到模具20上。電磁力將纖維或粉末排列并且保持在模具中的期望位置。主合金然后被澆注到模具20中。主合金允許圍繞由電磁體固定就位的纖維流動。在一個備選實施例中，靜電荷被應用于模具20。靜電荷然后將纖維或粉末固定就位在模具上，直到主合金被澆注和固化。在該實施例中，模具20由導電金屬材料制造。圖13是被填充模具的透視圖。在該備選過程中，沒有纖維或粉末混合到主合金101中，一旦在模具中纖維就與熔融金屬組合。圖14是成品部件的透視圖。強化部分IIO被布置在部件的外部區(qū)域，在那里需要期望的強化耐磨性和強度。在一個備選方法中，離心力可以用于將纖維或粉末移動到部件中的期望位置(一個或多個)。圖5是離心模具的透視圖。包含纖維或粉末的金屬基質材料10被加熱到熔化狀態(tài)并且被澆注到模具10中。再次地，在該過程期間，主金屬基質合金必須被過度加熱，并且模具被預加熱以防止過早固化。一旦模具20被填充，蓋23通過緊固件24或夾子被附連。該組件然后附連到電樞30。圖6是電樞機的透視圖。速度旋轉。為了獲得圍繞部^的均勻;;，在大約;o秒的時;內速度從1RPM加速到大約3000RPM并且然后保持在最高速度直到部件固化。圖7是成品部件的透視圖。強化材料11被布置在齒102的區(qū)域中，由此強化了部件的強度和耐用性。非強化材料101通過強化材料的徑向向外移動徑向而向內移位。進一步地，基于纖維或粉末和金屬基質的不同重力，可以依靠重力將纖維或粉末移動到部件上的期望位置(一個或多個)。圖8是使用重力分離形成的部件的側視圖。制備了金屬基質材料與期望濃度的纖維或粉末的混合物。再次地，主金屬基質材料被過度加熱并且模具被預加熱以防止過早固化。在該過程期間，更密的粉末或纖維ll朝著模具的底部下沉，由此相應地強化金屬基質材料。當纖維或粉末通過熔融金屬在模具中下沉時，非強化或欠致密強化材料101顯現(xiàn)。必須保持模具被加熱直到出現(xiàn)期望數(shù)量的沉淀物，以防止由快速固化產生的不適當分布。重力分離不能用于需要在所有側面(例如鏈輪)上均勻強化的對稱部件。它適合于諸如活塞和軸這樣的應用，其中一端需要更高耐磨性或更高的強度。對于涂層過程，纖維或粉末使用不同的手段被放置在模具中，并且然后主金屬合金被澆注到模具中。這可以通過用粉末和/或纖維覆蓋模具并且將熔融金屬澆注到模具中實現(xiàn)。熔融金屬材料將穿透纖維或粉末涂層，由此僅僅在成品部件的表面上富集。圖9是顯示粉末或纖維施加到模具的透視圖。用粉末或纖維11覆蓋或涂覆模具20表面可以通過噴涂、刷涂或任何其它合適的方法例如使用噴槍SP實現(xiàn)。例如，粉末和纖維1.1可以與液體懸浮材料例如水、溶劑或任何適當?shù)恼承圆牧匣旌希允估w維或粉末暫時附著到模具表面直到熔融金屬被澆注。粘性材料應當是容易用當與熔融金屬接觸時以產生的極少量或者沒有氣體的方式蒸發(fā)掉的類型。來自懸浮液和粘合劑的任何煙霧從模具被排出。在鑄造期間，熔融金屬填充模具表面上的纖維或粉末材料的孔隙/腔，以產生與部件表面上的主金屬材料混雜的很高濃度的耐用材料層。重要的是，應當注意對于該方法，合金不與纖維或粉末預混合。合金僅僅在鑄造期間與已經施加到模具表面的纖維或粉末混合。圖IO是帶有澆注金屬的模具的透視圖。纖維或粉末ll存在于模具表面上。澆注的金屬材料101(沒有纖維或粉末)混合在纖維或粉末中，然后在模具中冷卻。圖11是成品部件的透視圖。富集金屬基質材料110存在于部件的外表面。非強化材料101存在于部件的內部。在該實施例中，僅僅部件的耐磨表面被強化而不需要強化整個部件。在一個備選方法中，靜電可以用于將噴涂粉末或纖維保持在模具表面上。在該方法中，纖維或粉末以本領域中已知的方式被充電，并且模具被賦予與粉末/纖維相反的電荷，因此當粉末或纖維被噴涂時它附著到模具表面。一個備選方法包括兩(或更多)步模制或鑄造過程。圖15是兩步模具的透視圖。該模具包括模具20和芯體25。腔200布置在模具20與芯體25之間。腔200是高度強化金屬基質材料被澆注的地方。芯體25用作根據(jù)需要將強化材料限制到成品部件的部分的裝置。在兩步過程中，包含纖維和/或粉末的強化金屬基質材料被混合?；旌喜牧先缓蟊贿^度加熱并且被澆注到腔200中并且允許冷卻，由此形成強化層201。一旦^皮冷卻芯體25,皮去除。圖16是去除芯體的兩步模具的透視圖。層201被固化。圖17是兩步模具的透視圖。過熱的非強化合金101然后被澆注到由取出芯體25產生的體積中并且允許冷卻。為了第一和第二鑄件焊接在一起，第二鑄造在比"正常"鑄造操作更高的溫度下進行，也就是說用于第二鑄件的材料被過度加熱。取決于模具類型(例如金屬、沙、石墨等)，過熱將高于鑄件材料的熔點100-250攝氏度。該方法包括使用芯體，其中在第一鑄造期間，大部分模具體積對熔融金屬的流動閉合，僅僅在期望的成品部件表面留下敞開的相對窄的層201，在多數(shù)情況下這些通常是外表面。對于第一鑄造澆注，熔融金屬基質材料被澆注到模具中，在其中已經有非常高的粉末濃度。該濃度可以在高達大約95%的粉末或纖維的范圍內，或兩者的組合，高達5%的合金。在第一澆注固化之后，對于第二澆注芯體被去除并且未包含纖維或粉末的非強化的主金屬合金被澆注到以前由現(xiàn)在被去除的芯體占據(jù)的腔中。為了第二澆注完全焊接到固化的高纖維/粉末含量外層，它被過度加熱以導致它部分熔化第一澆注層的表面并且由此將兩次澆注固化在一起。在又一備選方法中，由主金屬合金制造的預制臨時分離圍擋首先被放置在模具中，因此需要富含粉末和/或纖維的強化區(qū)域與部件的其余部分隔離。圖18是圍擋模具的透視圖。該模具包括外部分301和內部分302。腔300布置在內和外部分之間。為了形成圍擋，非強化金屬材料101凈皮澆注到腔300中并且允許冷卻成形圍擋150。圖19是帶有圍擋的模具的透視圖。圍擋150被放置在模具20內。圍擋150的尺寸有利地被確定成產生腔200和腔202。對于該方法，具有高濃度粉末和/或纖維的主金屬基質材料和非強化主合金同時被澆注到它們各自的腔中。高濃度混合物被澆注到腔200中。非強化合金被澆注到腔202中。兩者被過度加熱到足以熔化臨時分離圍擋150的表面，由此將臨時圍擋熔化和焊接到兩個洗注材料，以便產生單件部件。圖20是成品部件的透視圖。圍擋150完全被包含到強化材料201和非強化材料101中。一旦鑄造部件從模具被取下，它通常進一步被處理以產生最終部件尺寸。許多方法可用于實現(xiàn)該結果。除了在鑄造之后使用擠拉模將部件定型成最終尺寸以外，在表面層中帶有高濃度的粉末和/或纖維的部件可以被鍛造、旋壓或用已知的金屬加工方法機械加工以進一步壓實粉末和/或纖維區(qū)域。在一個備選方法中，強化纖維/粉末層可以短暫地暴露于很高的溫度(1100°C-1250°C)以將纖維和/或粉末顆粒燒結在一起。當然，低熔點主金屬材料芯體不能暴露于高燒結溫度，因此感應加熱是快速加熱外層的可接受的方法。在大約70%到95%的纖維和/或粉末材料的范圍內并且剩余部分是主金屬材料的強化層，將看到纖維和/或粉末顆粒的快速燒結。布置在纖維和/或粉末顆粒之間的間隙腔/孔隙中的強化層中的大部分主合金(大約25%到5%的剩余物)將快速熔化和固化。少量的截留主金屬材料可以在該階段中從部件熱析出而沒有任何問題。在該說明書中所述的總體策略，即模具涂層和從熔融金屬基質分離纖維/粉末根據(jù)需要也可以組合以在期望區(qū)域中獲得纖維/粉末的更高濃度。這里所述的強化過程不必僅僅對稱地用于部件，它也可以局限在部件的特定部分上。例如，局部強化或強化可以在具有需要更強或具有更大耐磨性的有限區(qū)域的軸或其它部分上進行，而不是另外地需要在整個部件上執(zhí)行。例如在軸的特定區(qū)域與另一部分振蕩接觸的地方因此需要強化耐磨性。盡管非對稱型僅僅被顯示用于一個過程，即，磁性涂層、局部強化可以用于在該說明書中描述的所有過程。盡管在這里描述了本發(fā)明的形式，本領域的技術人員將顯而易見可以對部件的構造和關系和方法進行變化而不脫離這里所述的本發(fā)明的精神和范圍。權利要求1.一種強化低熔點鑄造金屬部件的方法，其包括制備具有一熔點的熔融金屬材料；將具有比所述熔融金屬材料的熔點更高的熔點的強化材料混合到所述熔融金屬材料中；將所述熔融金屬材料澆注到模具中；向所述強化材料施加力，導致所述強化材料占據(jù)所述模具的預定部分，由此占據(jù)所述鑄造金屬部件的預定部分；和固化所述熔融金屬材料。2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其包括施加磁力。3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其包括施加離心力。4.一種強化低熔點鑄造金屬部件的方法，其包括制備具有一熔點的熔融金屬材料；將具有比所述熔融金屬材料的熔點更高的熔點的強化材料添加到模具；對所述強化材料施加力，導致所述強化材料占據(jù)所述模具的預定部分，由此占據(jù)所述鑄造金屬部件的預定部分；將所述熔融金屬材料澆注到所述模具中；和冷卻所述熔融金屬材料。5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其包括施加磁力。6.根據(jù)權利要求4所述的方法，其包括施加離心力。7.根據(jù)權利要求4所述的方法，其包括對模具表面施加靜電荷。8.—種強化低熔點鑄造金屬部件的方法，其包括制備具有一熔點的熔融金屬材料；將具有比所述熔融金屬材料的熔點更高的熔點的強化材料添加到模具中的預定位置；將所述熔融金屬材料澆注到所述模具中；和冷卻所述熔融金屬材料。9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其包括通過施加磁力將所述強化材料保持在所述模具中的預定位置。10.—種強化低熔點鑄造金屬部件的方法，其包括制備具有一熔點的熔融金屬材料；將具有比所述熔融金屬材料的熔點更高的熔點的預定量的強化材料混合到所述熔融金屬材料中；將所述熔融金屬材料澆注到模具的預定部分中，所述預定部分小于所述模具的總體積；制備具有一熔點的第二熔融金屬材料；將第二熔融金屬材料澆注到模具的其余部分中；和固化所述熔融金屬材料和第二熔融金屬材料。11.根據(jù)權利要求IO所述的方法，其包括在澆注到所述模具的預定部分中期間通過占據(jù)模具的其余部分以將熔融材料排斥在模具的其余部分之外而將所述模具的預定部分與模具的其余部分隔離。全文摘要一種強化低熔點鑄造金屬部件的方法，其包括制備具有熔點的熔融金屬材料；將具有比所述熔融金屬材料的熔點更高的熔點的強化材料混合到所述熔融金屬材料中；將所述熔融金屬材料澆注到模具中；對所述強化材料施加力導致所述強化材料占據(jù)所述模具的預定部分并且由此占據(jù)所述鑄造金屬部件的預定部分；和固化所述熔融金屬材料。文檔編號B22D19/16GK101578149SQ200880002031公開日2009年11月11日申請日期2008年1月3日優(yōu)先權日2007年1月11日發(fā)明者Y·霍賈特申請人:蓋茨公司