专利名称：一种亚微米级陶瓷颗粒与铝合金的复合工艺的制作方法
技术领域：
本发明提出用一种亚微米级陶瓷颗粒制造金属基复合材料的复合工艺。
目前在金属基复合材料中，颗粒增强复合材料具有成本低、易二次加工、强度高、塑性好、各向同性等优越性能，越来越受到研究者和使用部门的关注。由强化理论可知，增强相尺寸愈小，强化效果就愈明显，其强塑性愈高，所以人们无不期待着用细小颗粒增强铝合金，以获得高强度、高塑性复合材料。但是随着颗粒尺寸减小其表面积和表面张力随之加大，并且，颗粒之间的间隙也变小，这将使金属流动的毛细管压力变大，与基体金属难以复合，故用目前流行的溶融金属金属搅拌法充其量只能使10μm以上尺寸的颗粒(主要是sic.Al2O3)复合。而压铸法也只能使颗粒尺寸降到3μm左右，用压铸法制备亚微米级(小于1μm)颗粒增强复合材料的方法和成果至今尚未见他人报导，而用5μm以上的大颗粒增强铝合金时，其增强系数(复合材料强度与基体合金强度之比)只能达到1.1～1.5左右，而且塑性极低，一般在0.5％以下。所以制造细小颗粒、组织致密的复合材料有着重要的理论意义和实际应用价值。
本发明的目的是在目前的压铸工艺基础上提出一种新的复合方法，使亚微米级陶瓷颗粒与铝合金良好地复合，获得高强度、高塑性复合材料。
本发明主要方法是在压铸过程中，选择合适的工艺参数，并通过控制压力呈阶跃式变化以使金属溶液脉动地向予制块中渗透，以达到上述目的。
本发明可以在现有的压铸工艺或自排气压铸工艺上实现。
工艺流程为(1)予制块制作将亚微米级细小颗粒直接装入模具型腔之内，紧实装填，达到予定体积率(视颗粒性状不同，一般可为20～55％Vf)
(2)予热将模具放置于电炉中予热至所需温度(例如铝或铝合金为640～720℃)同时基体合金也在另一加热炉中予热达到所需温度(例如铝及铝合金为840～890℃)(3)浇注当模具及金属溶液达到上述所定温度之后，将基体合金直接浇注至模具注腔之内(4)加压加压开始之后，观察压力～时间曲线如图所示最初压力直线上升，然后出现拐点，即金属溶液开始渗透，此时控制加压方式，使其呈阶跃式进给，共进行4～8次操作，每次间隔2—3秒，然后压力继续上升达到设定值(5)保压冷却金属溶液渗入完毕之后压力自然上升至所设定的压力(本实验工艺视颗粒不同设定在55MPa～100MPa之间)在此压力下保压，自然冷却。
(6)脱模，取出试样本发明的积极效果是，首次解决了sic.Al2O3亚微米级颗粒与铝及铝合金的复合技术，从而获得了高强度、高延伸率的复合材料，其强化系数(复合材料强度与基体强度之比)达到2～2.4，室温延伸率可达5～8％，其强度和塑性指标均超过价格昂贵的晶须强化复合材料，为复合材料的应用开辟了新的技述途径。
图1为本发明复合过程中压力随时间的变化曲线实施例1实施步骤(1)颗粒装填颗粒Al2O3、直径0.15μm、干燥后，加压装入模具型腔，型腔体积φ32×50mm，装入31.8克Al2O3颗粒，其体积率为20％(2)予热将装有颗粒的模具在电炉中予热至680℃，基体合金采用6061铝合金在另一电炉中予热至860℃(3)浇注将模具移至纵式压力机上浇注(4)加压及压力控制开始加压，同时观察压力～时间曲线，最初压力上升，当达到25MPa左右时出现拐点，确认为金属溶液开始渗透，此时停止加压3秒，再加压2秒，再停止3秒……共操作4次后继续加压，压力急速上升达到设定值70MPa
(5)保压冷却维持70MPa的设定压力自然冷却至450℃左右，卸载(6)脱模、取出试样试样性能测试结果铸造状态的基体强度，6b＝220MPa；铸造状态的复合材料强度365MPa；在1∶12的挤压比，560℃条件下挤压加工后，试样的拉伸强度为515MPa，延伸率为10.8％实施例2(1)颗粒装填颗粒Al2O3，直径0.15μm、干燥后，按模具型腔体积φ32×50mm装入63.7克，加压装填，体积率为40％(2)予热将装有颗粒的模具在电炉中加热至700℃，基体合金为6061铝合金，予热温度为890℃(3)浇注将模具移至纵式压力机上浇注(4)压力控制开始加压，同时观察压力～时间曲线，最初压力上升当达到30MPa左右时出现拐点，确认为是金属溶液开始渗透，此时控制压力变化，停压-加压……为3秒-2秒间隔共操作5次，然后继续加压，压力上升达到予定值70MPa时保持压力(5)保压冷却在70MPa下维持不变，模具自然冷却至500℃时卸载(6)脱模、取出试样试样性能测试结果铸造状态时基体强度6b＝224MPa，铸造状态的复合材料强度6b＝582MPa，用1∶12的挤压比，570℃温度下挤压加工后，挤压材料的拉伸强度6b＝710MPa，延伸率2.0％实施例3(1)颗粒装填颗粒Al2O3、直径0.15μm，干燥后，按模具型、型腔体积φ32×50mm，装入44.8克，体积率为30％(2)予热将模具置于设有加热炉的纵式压力机上，模具温度为650℃，基体合金为6061铝合金，予热温度为880℃(3)浇注当模具和基体铝合金均达到设定温度后开始浇注(4)压力控制开始加压，在压力-压头行程曲线上观察可知，当达到28MPa左右时出现拐点，确认为是金属溶液开始渗透，随即控制加压，使停压-加压的时间间隔为2秒-2秒，共操作4次，然后继续加压达到设定压力70MPa，保压(5)保压冷却在设定压力70MPa下自然冷却至500℃，卸载(6)脱模，取出试样试样测试结果铸造状态下复合材料硬度Hv218；拉伸强度6b＝512MPa，在560℃下以1∶12挤压比挤压后，材料的拉伸强度6b＝655MPa，延伸率8.2％实施例4(1)颗粒装填颗粒Al2O3、直径0.35μm，干燥后，按模具型腔体积φ32×50mm，加压装入88克，体积率为55％(2)予热将模具设置在纵式压力机上的电炉中予热至640℃，基体合金为6061铝合金，予热温度为880℃(3)浇注模具与基体合金到温后开始浇注(4)加压及压力控制开始加压，同时观察压力～时间曲线，最初压力上升，当达到27MPa左右时出现拐点，确认为是金属溶涂开始渗透，此时控制压力阶跃式变化，停压2秒，加压3秒……循环5次后继续加压，压力急速上升达到设定值90MPa(5)保压冷却维持90MPa的设定压力，模具自然冷却至500℃卸载(6)脱模，取出试样试样性能测试结果平均硬度Hv567实施例5(1)颗粒装填颗粒sic，直径0.09μm，干燥后加压装入尺寸为φ31.5×50mm的模具型腔内，加压装入31.2克，体积率为25％(2)予热将模具置于设有加热炉的纵式压力机上加热至640℃，基体合金为6061铝合金，予热温度为870℃(3)浇注当模具和基体均达到设定温度后，开始浇注(4)压力控制开始加压，在压力-压头行程曲线上观察可知，当达到80MPa左右时出现拐点，此时控制压力阶跃式变化，停压2秒，加压3秒，往复5次，然后继续加压，达到设定压力100MPa。
(5)保压冷却在设定压力100MPa下自然冷却至480℃；卸载(6)脱模，取出试样试样测试结果铸造态复合材料硬度Hv676实施例6(1)颗粒装填颗粒Al2O3、直径0.15μm，型腔尺寸为φ32×50mm，加压装入44.8克，体积率为30％(2)予热模具连同装填好的颗粒在电炉中加热到720℃，基体为1070工业纯铝，予热温度为890℃(3)浇注当模具和基体均达到上述予定温度后，将模具移至纵式压力机上浇注、加压(4)压力控制开始加压后，在压力-时间曲线上观察到在25MPa左右出现拐点，随即进行阶跃式压力控制，停压2秒，加压2秒，循环5次(5)保压冷却继续加压，当压力升到设定压力55MPa时保持压力，自然冷却至450℃时卸载(6)脱模，取出试样性能测试结果试样纵断面上的平均硬度Hv208
权利要求
1.一种亚微米级陶瓷颗粒与铝合金的复合工艺，其特征在于该工艺按以下步骤实现(1)首先将亚微米级陶瓷细小颗粒直接装入模具型腔之内，紧实装填。(2)然后将模具放置于电炉中予热至所需温度640～700℃，同时基体铝合金也在另一加热炉中予热达到所需温度840～860℃。(3)当模具及金属溶液达到上述所定温度之后，将基体合金直接浇注至模具注腔之内。(4)浇注后进行加压，在金属溶液向予制块中渗透时，控制压力呈阶跃式变化，使金属溶液里脉动式渗入。(5)保压冷却，在设定压力下保压自然冷却至450～500℃，卸载。(6)最后脱模，取出试样。
全文摘要
本发明提出一种亚微米级陶瓷颗粒与铝合金的复合工艺，该工艺通过在基体金属溶液向预制块中渗入阶段，控制压力呈阶跃式变化，使金属溶液呈脉动式渗透，以获得高强塑性、高致密度、高体积率复合材料。
文档编号C22C1/10GK1120594SQ9411726
公开日1996年4月17日 申请日期1994年10月14日 优先权日1994年10月14日
发明者武高辉 申请人:哈尔滨工业大学