专利名称：挤压铸渗烧结工艺生产复合材料及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种表面含有增强相材料的金属基复合材料及双金属复合材料生产工艺，特别是一种挤压铸渗烧结工艺生产复合材料及设备。
背景技术：
中国《铸造》杂志 2002年4月 第51卷 第4期 第205-208页，在《铸造金属基颗粒增强复合材料的研究现状与展望》文章中公开、报导了压力铸造法生产低熔点的有色金属基颗粒增强复合材料，采用上述方法尚未生产出高熔点的黑色金属基颗粒增强复合材料，更未生产出高熔点黑色双金属复合材料及含有硬质相增强的双金属复合材料或含有自润滑材料的复合材料。
发明内容
本发明的目的是要提供一种能生产出高熔点的黑色金属基硬质相增强复合材料，还能生产出高熔点黑色双金属复合材料及含有硬质相增强的双金属复合材料或含有自润滑材料的复合材料的挤压铸渗烧结工艺生产复合材料及设备。
解决其技术问题的设备方案是设备有一底座，底座上连接有下压模，下压模上方有挤压机头，挤压机头上连接有上压模。
上压模和下压模与金属液接触的部位上喷涂耐热材料；在模具的四周设置水冷系统。
在底座和下压模之间连接有多工位浇铸盘，下压模由多个工作型腔组成，在下压模的工作型腔上方有挤压机头和制浆室，制浆室内连接有耐火材料；外部安装有电磁搅拌器。
解决其技术问题采用的工艺技术方案是1、将增强硬质相材料及自润滑材料、自熔合金粉未按比例配制后，或将可形成碳化物的合金元素和一定比例的碳，按化学剂量配比并加入相应含量的低熔点金属材料，放入混料机内，混合均匀，或在混合料中加入粘接剂、熔剂放入混料机中共同进行混合均匀；2、按所需形状和厚度填压成厚度均一、或厚度呈梯度形式的预制块，待自然硬化24小时后，放入烘箱中经200-300度烘干；3、将挤压铸造用模具经200-500度预热后，放在挤压机中，喷涂0.5-2mm厚的耐热涂料，然后经200-300度烘干；4、将已烘干的增强预制件经300-700度预热后，放在模具内所需部位，或者直接将配制好的含有增强相或自润滑材料的混合物、或可形成碳化物的合金元素与碳的混合物、或自熔合金粉未等直接喷涂在已喷涂过耐热涂料的挤压模具内所需部位上，经烘干后，或将硬质合金或其它材料的模环或模块经300-700度预热后，放入下压模内，浇入已精炼好的金属液；或在下压模型腔内的中间部位加入一块1-3mm的金属材料隔板，在金属材料隔板二边分别浇入已精炼好的二种不同成份的金属液体；5、启动挤压机对其进行加压，压力为100-180MPa并保压2-6分钟，使液态金属在压力下渗入到增强相材料的间隙中，并引发高温合成化学反应与金属液形成冶金结合，即可得到所需性能的含有增强相材料的复合材料成品或双金属复合材料或含有增强相及自润滑材料的双金属复合材料成品。
所述的混合物为含有硬质相增强材料和低熔点金属材料加入2-10％的粘结剂和熔剂；或自润滑材料及含有硬质增强相的混合体；或可形成碳化物的合金元素与碳的混合体、或自熔合金粉未。
所述的增强相材料为各种碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等难熔化合物和可形成碳化物的合金元素、自熔合金粉未，其形状为颗粒、纤维、晶须，为改善增强材料与基体金属的润湿性，可采取化学镀或化学气相沉积工艺将增强相材料的表面涂覆一层包覆金属Cu、Ni、TiN等；所述的自润滑材料按工况所需比例配制后为各种软金属类、金属化合物类、无机物类等，其体积分数含量为1-70％；所述的金属基体材料为任何成份的黑色金属、金属间化合物；所述的低熔点金属材料为铝、镁、碳等；所述的硬质合金模环或模块为各种碳化物、氮化物、氧化物等硬质合金或陶瓷材料及各类金属基合金。
所述的粘接剂为有机粘接剂；所述的熔剂为四硼酸钠或氟硼酸钠等。
所用模具材料为球墨铸件、蠕墨铸件、纤维增强陶瓷复合材料。
有益效果由于采用了上述方案，本发明与现有技术相比具有下列优点(1)排除了对增强相材料与金属的复合有重要影响的润滑性、反应性、密度差等因素的影响，可以制取单一或多种增强相复合材料或含自润滑材料的复合材料，其增强相材料品种范围广；(2)由于在压力下铸渗烧结增强相复合材料，因而可制取增强相材料在钢中分布均匀，含有率高，且厚度较厚的复合材料和双金属复合材料；(3)生产工艺简单，灵活性强，适用范围广，成本低；(4)采用挤压铸渗烧结工艺所制取的颗粒增强复合材料，其增强相与基体合金的界面纯净，无吸附气体的氧化膜，二者的相容性好，结合牢固；(5)所生产的制品具有组织致密，晶粒度小，表面光洁，尺寸精度高和金属材料利用率高，可以解决高合金含量材料中的元素偏析难题，且可明显提高质量，可以生产复合轧辊辊环、导卫辊、滑动导卫、耐磨板、双金属轴瓦、挖掘机斗齿、破碎机锤头等耐磨材料。
图1为本发明第一实施例的结构图。
图2为本发明第二实施例的结构图。
图3为本发明第三实施例的结构图。
图4为本发明第四实施例的结构图。
图5为本发明第五实施例的结构图。
图6为本发明第六实施例的结构图。
图7为本发明第七实施例的结构图。
图8为本发明第八实施例的结构图。
图9为本发明第九实施例的结构图。
图10为本发明第十实施例的结构图。
图11为本发明第十一实施例的结构图。
图12为本发明第十二实施例的结构图。
图13为本发明第十三实施例的结构图。
图14为本发明第十四实施例的结构图。
具体实施例方式
实施例1图1中，设备有一底座8，底座8上连接有下压模7，下压模7为带型芯的下压模7，下压模7上方有挤压机头1，挤压机头1上连接有上压模2，上压模2为空心上压模，上压模2和下压模7上涂覆有耐热涂料5，在下压模2外围放置有增强相预制块4，在下压模7的型芯与增强相预制块4之间浇铸钢液6，下压上压模2，即可制得复合材料。
首先根据产品的性能和工况要求选择相应的一种或数种难熔化合物颗粒、或其短纤维晶须等增强相材料、或可形成碳化物的合金元素和一定比例的碳，其配比按化学剂量配比并加入相应含量的低熔点材料(镁、铝等)、自润滑材料按工况需要比例配制后，放入混料机进行混合均匀，或在混合料中加入4％粘接剂、2％熔剂放入混料机中共同进行混合均匀，而后按所需形状和厚度填压成厚度均一、或厚度呈梯度形式的预制块，待自然硬化24小时后，放入烘箱中经200度烘干备用，将挤压铸造用模具经300度预热后，放在挤压机头和挤压机座中，然后在上压模和下压模的工作部位上喷涂一层0.5-2mm厚的耐热涂料，待耐热材料干燥后，将已烘干的增强预制件经500度预热后，放在模具内的所需部位，或者直接将配制好的含有增强相或自润滑材料的混合物直接喷涂在已喷涂过耐热涂料的挤压模具内所需部位上，经200度烘干后，浇入已精炼好的金属液，启动挤压机对其进行加压，其压为为160Mpa，并保压5分钟，使液态金属在压力下渗入到增强相材料的间隙中，利用金属液的高温热量在增强预制件中产生巨大的热流密度，使增强相材料在金属液熔合下发生一定熔化、熔解、扩散，并与金属液形成冶金结合，同时引发增强预制件材料中所含有的强碳化物形成元素和碳的合金粉及低熔点组合材料发生高温合成化学反应，即可制得在所需部位上含有一定厚度的增强相材料的复合材料，复合材料为增强相材料、自润滑材料；或者二种材料的混合物。
通过调整工艺参数，可生成单元式多元增强体，并可控制其含量和分布，通过不断施加的挤压力，使其达到快速烧结和致密化，并使其结晶凝固，然后取出铸件，进行机械加工、热处理，即可得到所需性能的复合材料成品。
实施例2图2中，在下压模7中心部位放置有增强相预制块4，在下压模7的型芯与增强相预制块4之间浇铸钢液6，制成内径带有增强相材料的复合材料。其它与实施例1同，略。
实施例3图3中，上压模9为实芯模，下压模10为凹模，在下压模10内腔的外部放置增强相预制块4，在增强相预制块4内浇铸钢液6，即可制得外层含有增强相材料或自润滑材料或其混合物的复合材料。其它与实施例1同，略。
实施例4图4中，上压模9为实芯模，下压模10为凹模，在下压模10内的底面放置增强相预制块4，在下压模10内浇铸钢液6，即可制成平面含有混合物的板材复合材料。其它与实施例1同，略。
实施例5图5中，设备的下压模7为带凸槽双开金属模14，在下压模7内放置成凹形槽的增强相块13，锁紧模具，在下压模7内浇铸钢液6，即可制得外部带有凹槽的含有增强相材料或自润滑材料或其混合物的复合材料。其它与实施例1同，略。
实施例6图6中，在设备的下压模7内连接有隔板12，隔板12厚度为1-3mm的金属板，在隔板12外部的下压模7内放置增强相材料4，在下压模7内的隔板12的二边分别浇入二种材料的钢液6和11，其隔板12在液态金属的高温下熔化，并与所浇入的二种金属熔合，即可制得外部含有增强相材料的双金属复合材料。其它与实施例1同，略。
实施例7图7中，在设备的下压模7内连接有隔板12，在隔板12内部的下压模7内芯部位放置增强相材料4，在下压模7内的隔板的二边浇入二种不同的钢液6和11，即可制得芯部含有增强相材料的双金属复合材料。其它与实施例1同，略。
实施例8图8中，设备的下压模为带下凹槽形状的空心下压模，在下压模的中心位置连接有经预热的芯棒17，在下压模内外边缘放置增强相材料4，在下压模内其它部位浇铸钢液6，高温钢液与经过预热的芯棒17相互熔融，达到冶金结合，即可制得带有芯棒的含有增强相材料的双金属复合材料。其它与实施例1同，略。
实施例9图9中，设备的下压模为空心下压模，在下压模的中心位置连接有芯棒17，在下压模内其它部位浇入钢液11，采用液态反应原位合成工艺制成含有硬质相增强颗粒的金属复合材料。其它与实施例1同，略。
实施例10图10中，上压模9为实芯模，下压模7为下凹形模，在下压模7内的底面局部放置增强相预制块4，在下压模7内浇铸钢液10，即可制成平面局部含有硬质增强相材料的复合材料。其它与实施例1同，略。
实施例11图11中，设备有一底座8，底座8上连接有多工位浇铸盘24，在多工位浇铸盘24上连接有下压模7，下压模7型腔内安装有隔板12，在下压模7的上方有挤压机头19和制浆室20，制浆室20内连接有耐火材料；外部安装有电磁搅拌器21，挤压机头19上连接有上压模。金属液进入制浆室20后，在金属液通过制浆室20的过程中，受到制浆室20的冷却，在制浆室20的内壁上首先形成大量的晶体，并在电磁搅拌器21的搅拌作用下游离进入熔体内部，促进内生晶体的形成，当金属液到达制浆室20出口时，其金属液成为含有一定比例的非枝晶近球形颗粒的半固态浆料，然后将其注入至下压模7型腔隔板12的外侧，在下压模7型腔隔板12的内侧浇入另一种金属液，转动多工位浇铸盘24，使模具型腔位于上压模7下方，下压即可制得优质半固态双金属复合材料。其它与实施例1同，略。
实施例12图12中，设备的下压模7型腔内安装有隔板12，在隔板12的二侧分别浇铸黑色金属合金16和有色金属合金15，下压上压模2，即可制得内部含有有色金属或黑色金属合金或外部含有色金属或黑色金属合金的双金属复合材料。
实施例13图13中，在设备的下压模内放置经过预热处理的硬质合金环件或模块25，或者在下压模7内放置经过预热处理的其它材料的环件或模块，向下压模7内浇铸金属液6，高温金属液6与硬质合金材料或者其它材料进行相互熔融，使其达到冶金结合，即可制得含有镶铸硬质合金或者其它材料的双金属复合材料，从而取代了传统的沙型镶铸工艺并节约了材料，其它与实施例1同，略。
实施例14图14中，上压模9为实芯模，下压模10为下凹形模，在下压模10内腔的外侧放置含碳化钨(WC)颗粒或不含碳化钨(WC)颗粒的自熔合金粉未26，并加入一定量的铝(Al)粉或镁(Mg)粉进行混合后压制成预制块，或直接喷涂在已喷涂过耐热涂料的模具内的所需的部位上，然后按照实施例1的工艺实施。使高温金属液在压力下渗入到自熔合金的间隙中，同时利用金属液的高温热量，引发自熔合金粉块内部的铝或镁热反应，使自熔合金粉块达到自反应烧结熔融，即可制得在工件上所需部位上含有自熔合金涂层材料的双金属复合材料。脱模后，可将工件表面涂上一层氧化物或防脱碳涂料后，将其放在高频或中频感应加热器中再进行二次感应重熔，即可制得含有较高厚度的自熔合金涂层材料的双金属复合材料，其它与实施例1同，略。
权利要求
1.一种采用挤压铸渗烧结工艺生产复合材料的专用设备，其特征是设备有一底座，底座上连接有下压模，下压模上方有挤压机头，挤压机头上连接有上压模。
2.根据权利要求1所述的专用设备，其特征是上压模和下压模与金属液接触的部位上喷涂耐热材料；在模具的四周设置水冷系统。
3.根据权利要求1所述的专用设备，其特征是在底座和下压模之间连接有多工位浇铸盘，下压模由多个工作型腔组成，在下压模的工作型腔上方有挤压机头和制浆室，制浆室内连接有耐火材料；外部安装有电磁搅拌器。
4.一种实现挤压铸渗烧结工艺生产复合材料及设备的生产工艺，其特征是1、将增强硬质相材料及自润滑材料、自熔合金粉未按比例配制后，或将可形成碳化物的合金元素和一定比例的碳，按化学剂量配比并加入相应含量的低熔点金属材料，放入混料机内，混合均匀，或在混合料中加入粘接剂、熔剂放入混料机中共同进行混合均匀；2、按所需形状和厚度填压成厚度均一、或厚度呈梯度形式的预制块，待自然硬化24小时后，放入烘箱中经200-300度烘干；3、将挤压铸造用模具经200-500度预热后，放在挤压机中，喷涂0.5-2mm厚的耐热涂料，然后经200-300度烘干；4、将已烘干的增强预制件经300-700度预热后，放在模具内所需部位，或者直接将配制好的含有增强相或自润滑材料的混合物、或可形成碳化物的合金元素与碳的混合物、或自熔合金粉未等直接喷涂在已喷涂过耐热涂料的挤压模具内所需部位上，经烘干后，或将硬质合金或其它材料的模环或模块经300-700度预热后，放入下压模内，浇入已精炼好的金属液；或在下压模型腔内的中间部位加入一块1-3mm的金属材料隔板，在金属材料隔板二边分别浇入已精炼好的二种不同成份的金属液体；5、启动挤压机对其进行加压，压力为100-180MPa并保压2-6分钟，使液态金属在压力下渗入到增强相材料的间隙中，并引发高温合成化学反应与金属液形成冶金结合，即可得到所需性能的含有增强相材料的复合材料成品或双金属复合材料或含有增强相及白润滑材料的双金属复合材料成品。
5.根据权利要求4所述的挤压铸渗烧结工艺生产复合材料，其特征是所述的混合物为含有硬质相增强材料和低熔点金属材料加入2-10％的粘结剂和熔剂；或自润滑材料及含有硬质增强相的混合体；或可形成碳化物的合金元素与碳的混合体、或自熔合金粉未。
6.根据权利要求4所述的挤压铸渗烧结工艺生产复合材料，其特征是所述的增强相材料为各种碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等难熔化合物和可形成碳化物的合金元素、自熔合金粉未，其形状为颗粒、纤维、晶须，为改善增强材料与基体金属的润湿性，可采取化学镀或化学气相沉积工艺将增强相材料的表面涂覆一层包覆金属Cu、Ni、TiN等；所述的自润滑材料按工况所需比例配制后为各种软金属类、金属化合物类、无机物类等，其体积分数含量为1-70％；所述的金属基体材料为任何成份的黑色金属、金属间化合物；所述的低熔点金属材料为铝、镁、碳等；所述的硬质合金模环或模块为各种碳化物、氮化物、氧化物等硬质合金或陶瓷材料及各类金属基合金。
7.根据权利要求4所述的挤压铸渗烧结工艺生产复合材料，其特征是所述的粘接剂为有机粘接剂；所述的熔剂为四硼酸钠或氟硼酸钠等。
8.根据权利要求4所述的挤压铸渗烧结工艺生产复合材料，其特征是所用模具材料为球墨铸件、蠕墨铸件、纤维增强陶瓷复合材料。
全文摘要
一种挤压铸渗烧结工艺生产复合材料及设备，属于复合材料生产工艺。1、将增强硬质相材料及自润滑材料、自熔合金粉末按比例配制后，放入混料机内混合均匀，或在混合料中加入粘接剂、熔剂混合均匀；2、按所需形状和厚度填压成预制块，待自然硬化24小时后，放入烘箱中烘干；3、将挤压铸造用模具预热后，放在挤压机中，喷涂耐热涂料，然后烘干；4、将已烘干的增强预制件预热后，放在模具内所需部位，经烘干后，浇入已精炼好的金属液；5、启动挤压机对其进行加压并保压，使液态金属在压力下渗入到增强相材料的间隙中，即可得到增强相复合材料制品。
文档编号B22D18/00GK1408494SQ0213819
公开日2003年4月9日 申请日期2002年8月28日 优先权日2002年8月28日
发明者丁刚, 孙茂来, 尤显卿, 强颖怀 申请人:丁刚