专利名称：金属基复合材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种复合材料的制备方法，特别是一种金属基复合材料的制备方法。
背景技术：
按增强物的形态，金属基复合材料(MMCs)分为连续纤维增强复合材料和不连续纤维增强复合材料，不连续纤维增强复合材料又分为短纤维增强复合材料和颗粒增强复合材料。
金属基复合材料的早期研究工作主要集中在连续纤维增强物，但连续纤维的成本较高、制备工艺复杂以及切削加工困难，从而限制了它的推广与应用，这导致了非连续增强复合材料，特别是颗粒增强MMCs的出现与发展；国内外对颗粒增强金属基复合材料尤其是铝基复合材料的研究进行了大量的工作，出现了多种制备金属基复合材料的方法如搅拌铸造法、粉末冶金法、熔体浸渗法以及喷射沉积法等；这些方法按金属基体所处状态可分为液态制备工艺、固态制备工艺和液-固态制备工艺。
液态制备工艺通过某种手段如机械搅拌铸造法、熔体浸渗法、离心铸造法、气流喷射分散法、超声辐射分散法及零重力工艺等将增强物引入到金属熔体中。应用较多的是搅拌铸造法和熔体浸渗法。机械搅拌铸造法是通过在熔体中产生涡流引入增强物，引入增强物颗粒尺寸可小到10μm，增强物体积分数可达25％；尽管搅拌法取得了良好的成果，但一些问题如搅拌过程中增强物的偏聚、在液体中的分散、界面反应及体积分数有限等仍然存在，有待进一步解决。
固态制备工艺有粉末冶金法和高能高速法。粉末冶金法是将增强物与微细纯净的金属基体粉末混合均匀后在模中冷压，除气后在真空中加热至固液两相区进行热压，最后挤压成型制得金属基复合材料的方法；其特点是对基体金属种类和增强物类型没有限制，且增强体颗粒在基体内分布均匀，可以制得高体积分数增强相的金属基复合材料，但此法工艺过程及设备复杂，成本较高，不易制备形状复杂的零件。高能高速工艺是通过在短时间内利用高电能和机械能快速固结金属与增强物的混合物，短时快速加热可以控制相转变和显微结构粗化，这是通常PM工艺不可能达到的，其它特点与粉末冶金法相近。
液一固态制备工艺该工艺有半固态搅拌搅拌铸造法、喷射沉积法。半固态搅熔铸造法应用较多，它是靠桨叶旋转产生的机械搅拌作用使处于的半固态合金基体形成的涡流强制引入增强物，在增强物与先凝固的金属晶粒混合均匀后再升温浇铸，凝固后得到金属基复合材料的方法；该法较传统的搅拌铸造法可以减少宏观偏析、降低凝固收缩和成型温度，且陶瓷颗粒在基体内分布均匀。
上述几种工艺中，目前应用较多且可用于工业生产的是搅拌铸造法和粉末冶金法。尽管这两种方法有许多优点，但它们也有不足，主要为搅拌铸造法是利用搅拌金属熔体时产生的涡流引入增强物，而增强物通常与金属熔体的润湿性较差，这一方面需要较长的搅拌时间才能使增强物进入熔体中，且增强物加入量越多，所需搅拌时间长，高温金属熔体氧化严重、夹杂物量增多，且能耗增加，另一方面所加入的增强物收得率较低，不利于材料的有效利用和降低成本；粉末冶金法是将金属基体制成粉末，然后经多道工序制得复合材料，尽管增强物的收得率高达100％，但工艺复杂，所得材料仍有一定孔隙，且成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属基复合材料的制备方法，该法加入增强物所需时间短且收得率高、制得的材料成本低且材料中无孔洞。
实现本发明目的的技术方案为一种金属基复合材料的制备方法，其特征在于将短纤维或颗粒增强物与金属基材料粉末混合均匀，然后将其压制成预制块；再将预制块加入熔融金属熔体中，搅拌均匀后模铸得到金属基复合材料。
本发明所用短纤维长度为100～1000μm或增强物颗粒尺寸为2～100μm；所用的金属基材料粉末尺寸为100μm以下。
本发明的增强物与金属基材粉末的比例为1～4∶1；用混料机将增强物与金属基材料粉末进行混合，不锈钢钢球与粉末的比例为1∶1，混合时间为15～60min。
本发明与现有技术相比，其显著优点是1、工艺简单，增强物易于加入到金属熔体中，且均匀分散于金属熔体中；2、加入金属熔体的增强物收得率通常可达95％以上；3、加入增强物到金属熔体中的时间大大缩短，有效地防止了金属熔体的氧化；4、既适用于长度尺寸100μm～1000μm短纤维增强物，也适用于尺寸为1μm～100μm的颗粒增强物；5、本发明适用于铝、镁、锌、钛、铜、铁等金属及其合金为基的金属基复合材料的制备。
四
图1是用本发明制备金属基复合材料的流程示意图。
图2是用本发明制备的碳化硅颗粒增强AZ91D的镁基复合材料金相组织图(400×)。
五具体实施例方式
下面结合图1、图2对本发明作进一步描述。
实施例1结合图1、图2，将本发明用于制备体积含量为10％、颗粒尺寸为12～15μm的碳化硅增强AZ91D镁合金的镁基复合材料，其实施步骤如下第一步按需要购得原料颗粒尺寸为12～15μm的碳化硅粉、粉末尺寸为80～100μm的AZ91D镁合金粉和AZ91D镁合金铸锭；第二步将碳化硅粉与AZ91D镁合金粉按体积比的3∶1配料并放入混料筒内，筒中球料比为1∶1，混料时间为40min；第三步混好的粉料放入尺寸为φ30×60模腔内压制成φ30×30的预制块；第四步将AZ91D镁合金铸锭放入电阻炉中加热到720℃后保温，用叶片浆搅拌(搅拌速度为800r/min)镁合金熔体，同时不断加入预制块；按碳化硅与AZ91D镁合金体积比为1∶9的比例加入预制块；待预制块完全熔化后再保温搅拌10min，然后浇入铸锭模中即得中碳化硅体积含量为10％的镁基复合材料。
附图2即为为实施例1所得镁基复合材料的金相组织照片。
实施例2结合图1、图2，用本发明制备体积含量为20％、颗粒尺寸为3～6μm的碳化硅增强ZL104铝合金的铝基复合材料，其实施步骤如下第一步按需要购得原料碳化硅粉颗粒尺寸为3～6μm、ZL104铝合金合金粉粉末尺寸为80～100μm和ZL104铝合金合金铸锭；第二步将碳化硅粉与ZL104铝合金粉按体积比的2∶1配料并放入混料筒内，筒中球料比为1∶1，混料时间为60min；第三步混好的粉料放入尺寸为φ30×60模腔内压制成φ30×30的预制块；第四步将ZL104铝合金铸锭放入电阻炉中加热到720℃后保温，用叶片浆搅拌(搅拌速度为1200r/min)铝合金熔体，同时不断加入预制块；按碳化硅与ZL104铝合金体积比为2∶8的比例加入预制块；待预制块完全熔化后再保温搅拌15min，然后浇入铸锭模中即得中碳化硅体积含量为20％的铝基复合材料。
权利要求
1.一种金属基复合材料的制备方法，其特征在于将短纤维或颗粒增强物与金属基材料粉末混合均匀，然后将其压制成预制块；再将预制块加入熔融金属熔体中，搅拌均匀后模铸得到金属基复合材料。
2.根据权利要求1所述的金属基复合材料的制备方法，其特征在于其所用短纤维长度为100～1000μm或增强物颗粒尺寸为2～100μm；所用的金属基材料粉末尺寸为100μm以下。
3.根据权利要求1或2所述的金属基复合材料的制备方法，其特征在于增强物与金属基材粉末的比例为1～4∶1；用混料机将增强物与金属基材料粉末进行混合，不锈钢钢球与粉末的比例为1∶1，混合时间为15～60min。
4.根据权利要求1或2或3之一所述的金属基复合材料的制备方法，其特征在于混合均匀的粉末需压制成预制块，预制块所用压制模具形腔形状可以是圆柱形或棱柱形，预制块最大方向尺寸应小于30mm，预制块的压缩比小于0.5。
5.根据权利要求1或4之一所述的金属基复合材料的制备方法，其特征在于预制块加入金属基材熔体的数量由金属基复合材料中所需的增强物量确定，由该方法制备的金属基复合材料中增强物的体积含量在1～60％范围内可调。
6.根据权利要求1或5之一所述的金属基复合材料的制备方法，其特征在于所需的预制块加入金属基材熔体并全部熔化后，再以500～1500r/min的转速搅拌并保温10～30min后进行浇铸。
全文摘要
本发明涉及一种金属基复合材料的制备方法。其步骤是将短纤维或颗粒增强物与金属基材料粉末混合均匀，然后将其压制成预制块；再将预制块加入熔融金属熔体中，搅拌均匀后模铸得到金属基复合材料。本发明工艺简单，增强物易于加入到金属熔体中，且均匀分散于金属熔体中，加入金属熔体的增强物收得率通常可达95％以上，加入增强物到金属熔体中的时间大大缩短，有效地防止了金属熔体的氧化，既适用于长度尺寸100μm～1000μm短纤维增强物，也适用于尺寸为1μm～100μm的颗粒增强物。本发明适用于铝、镁、锌、钛、铜、铁等金属及其合金为基的金属基复合材料的制备。
文档编号C22C49/00GK1760399SQ200410064970
公开日2006年4月19日 申请日期2004年10月15日 优先权日2004年10月15日
发明者颜银标 申请人:南京理工大学