專利名稱：一種亞微米級(jí)陶瓷顆粒與鋁合金的復(fù)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(jí)陶瓷顆粒制造金屬基復(fù)合材料的復(fù)合工藝。
目前在金屬基復(fù)合材料中，顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料具有成本低、易二次加工、強(qiáng)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(qiáng)化理論可知，增強(qiáng)相尺寸愈小，強(qiáng)化效果就愈明顯，其強(qiáng)塑性愈高，所以人們無不期待著用細(xì)小顆粒增強(qiáng)鋁合金，以獲得高強(qiáng)度、高塑性復(fù)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(dòng)的毛細(xì)管壓力變大，與基體金屬難以復(fù)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(fù)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(jí)(小于1μm)顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的方法和成果至今尚未見他人報(bào)導(dǎo)，而用5μm以上的大顆粒增強(qiáng)鋁合金時(shí)，其增強(qiáng)系數(shù)(復(fù)合材料強(qiáng)度與基體合金強(qiáng)度之比)只能達(dá)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(xì)小顆粒、組織致密的復(fù)合材料有著重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)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(fù)合方法，使亞微米級(jí)陶瓷顆粒與鋁合金良好地復(fù)合，獲得高強(qiáng)度、高塑性復(fù)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(dòng)地向予制塊中滲透，以達(dá)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(shí)現(xiàn)。
工藝流程為(1)予制塊制作將亞微米級(jí)細(xì)小顆粒直接裝入模具型腔之內(nèi)，緊實(shí)裝填，達(dá)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(shí)基體合金也在另一加熱爐中予熱達(dá)到所需溫度(例如鋁及鋁合金為840～890℃)(3)澆注當(dāng)模具及金屬溶液達(dá)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(shí)間曲線如圖所示最初壓力直線上升，然后出現(xiàn)拐點(diǎn)，即金屬溶液開始滲透，此時(shí)控制加壓方式，使其呈階躍式進(jìn)給，共進(jìn)行4～8次操作，每次間隔2—3秒，然后壓力繼續(xù)上升達(dá)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(shí)驗(yàn)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(jí)顆粒與鋁及鋁合金的復(fù)合技術(shù)，從而獲得了高強(qiáng)度、高延伸率的復(fù)合材料，其強(qiáng)化系數(shù)(復(fù)合材料強(qiáng)度與基體強(qiáng)度之比)達(dá)到2～2.4，室溫延伸率可達(dá)5～8％，其強(qiáng)度和塑性指標(biāo)均超過價(jià)格昂貴的晶須強(qiáng)化復(fù)合材料，為復(fù)合材料的應(yīng)用開辟了新的技述途徑。


圖1為本發(fā)明復(fù)合過程中壓力隨時(shí)間的變化曲線實(shí)施例1實(shí)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(jī)上澆注(4)加壓及壓力控制開始加壓，同時(shí)觀察壓力～時(shí)間曲線，最初壓力上升，當(dāng)達(dá)到25MPa左右時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，確認(rèn)為金屬溶液開始滲透，此時(shí)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(dá)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(cè)試結(jié)果鑄造狀態(tài)的基體強(qiáng)度，6b＝220MPa；鑄造狀態(tài)的復(fù)合材料強(qiáng)度365MPa；在1∶12的擠壓比，560℃條件下擠壓加工后，試樣的拉伸強(qiáng)度為515MPa，延伸率為10.8％實(shí)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(jī)上澆注(4)壓力控制開始加壓，同時(shí)觀察壓力～時(shí)間曲線，最初壓力上升當(dāng)達(dá)到30MPa左右時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，確認(rèn)為是金屬溶液開始滲透，此時(shí)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(dá)到予定值70MPa時(shí)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(shí)卸載(6)脫模、取出試樣試樣性能測(cè)試結(jié)果鑄造狀態(tài)時(shí)基體強(qiáng)度6b＝224MPa，鑄造狀態(tài)的復(fù)合材料強(qiáng)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(qiáng)度6b＝710MPa，延伸率2.0％實(shí)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(jī)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(dāng)模具和基體鋁合金均達(dá)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(dāng)達(dá)到28MPa左右時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，確認(rèn)為是金屬溶液開始滲透，隨即控制加壓，使停壓-加壓的時(shí)間間隔為2秒-2秒，共操作4次，然后繼續(xù)加壓達(dá)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(cè)試結(jié)果鑄造狀態(tài)下復(fù)合材料硬度Hv218；拉伸強(qiáng)度6b＝512MPa，在560℃下以1∶12擠壓比擠壓后，材料的拉伸強(qiáng)度6b＝655MPa，延伸率8.2％實(shí)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(jī)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(shí)觀察壓力～時(shí)間曲線，最初壓力上升，當(dāng)達(dá)到27MPa左右時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，確認(rèn)為是金屬溶涂開始滲透，此時(shí)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(dá)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(cè)試結(jié)果平均硬度Hv567實(shí)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(jī)上加熱至640℃，基體合金為6061鋁合金，予熱溫度為870℃(3)澆注當(dāng)模具和基體均達(dá)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(dāng)達(dá)到80MPa左右時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，此時(shí)控制壓力階躍式變化，停壓2秒，加壓3秒，往復(fù)5次，然后繼續(xù)加壓，達(dá)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(cè)試結(jié)果鑄造態(tài)復(fù)合材料硬度Hv676實(shí)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(dāng)模具和基體均達(dá)到上述予定溫度后，將模具移至縱式壓力機(jī)上澆注、加壓(4)壓力控制開始加壓后，在壓力-時(shí)間曲線上觀察到在25MPa左右出現(xiàn)拐點(diǎn)，隨即進(jìn)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(dāng)壓力升到設(shè)定壓力55MPa時(shí)保持壓力，自然冷卻至450℃時(shí)卸載(6)脫模，取出試樣性能測(cè)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(jí)陶瓷顆粒與鋁合金的復(fù)合工藝，其特征在于該工藝按以下步驟實(shí)現(xiàn)(1)首先將亞微米級(jí)陶瓷細(xì)小顆粒直接裝入模具型腔之內(nèi)，緊實(shí)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(shí)基體鋁合金也在另一加熱爐中予熱達(dá)到所需溫度840～860℃。(3)當(dāng)模具及金屬溶液達(dá)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(jìn)行加壓，在金屬溶液向予制塊中滲透時(shí)，控制壓力呈階躍式變化，使金屬溶液里脈動(dòng)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(jí)陶瓷顆粒與鋁合金的復(fù)合工藝，該工藝通過在基體金屬溶液向預(yù)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(dòng)式滲透，以獲得高強(qiáng)塑性、高致密度、高體積率復(fù)合材料。
文檔編號(hào)C22C1/10GK1120594SQ9411726
公開日1996年4月17日 申請(qǐng)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(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)