专利名称：梯度金属复合材料制造设备的制作方法
技术领域：
本分发明属于表面梯度复合材料技术领域，主要涉及一种含有增强相材料的梯度金属复 合材料制造设备及工艺。
背景技术：
梯度复合材料是依据使用要求，选择2种不同性能的材料，采用各种复合技术，使中间 部分的组成和结构连续地呈梯度变化，内部不存在明显的界面，从而使材料性能和功能沿厚 度方向也呈梯度变化的一种新型复合材料。其显著特点是克服了两种材料结合的性能不匹配 问题，使材料的两槲具有不同的功能。该材料現广泛应用于航空工业、航天工业、核能源技 术领域、电子、光学、化学、生物医学和冶金、矿山、电力、石油化工、切削刃具材料、耐 磨材料等工程领域。尤其是高硬度硬质合金或陶瓷颗粒复合在钢铁表面形成的梯度复合材料， 作为抵抗低应力冲击磨埙的耐磨材料更是引起了人们的极大兴趣，并开发出了各种制造工艺， 如热喷涂法、堆焊法、激光熔敖法、化学或物理气相沉积法、自蔓延高温合成法、铸渗法等。 利用铸渗法制造颗粒增强梯度复合材料由于其制造工艺简单，制造成本低廉，所制造的产品 具有优异的力学性能和耐磨性能，较好的性价比而成为目前研究的热点。
文献《铸造技术》杂志(2005年第12期第1093—1095页)中报导了《WCp增强球铁基 复合材料模具的制备及其磨埙性能》，报导中公开了一种铸渗复合材料制造工艺，所述的铸渗 工艺是将WC增强颗粒与粘接剂、熔剂混合后制成膏块后固定在砂型表面上，然后浇注金属 液，增强体中的粘接剂和溶剂在液态金属的高温下使其熔融和气化后形成孔隙，液态金属渗 入并与铸渗材料发生界面反应，从而形成与铸件基体表面熔合为一体。由于界面处扩散渗透， 在铸件表面上形成一定厚度且与基体组织、成分、性能截然不同的合金耐磨覆盖层，该工艺 的主要缺点为(1)合金粉末层膏块制作工艺复杂；(2)膏块安放位置局限性大，且固定困 难；(3)合金化层厚度小(一般小于5鹏)；(4〉涂料中的无机物和有机物在浇注成型后形成 的夹渣和气体也极易残留在合金层表面，使其表面易产生气孔，夹渣、粘砂等铸造缺陷。
文献《铸造技术》杂志(2005年第6期第544—547页)中报导了《消失模铸渗技术的 研究进展》，报导中公开了另一种铸渗工艺，即采用消失模工艺进行铸滲，该工艺是将消失模 真空实型铸造用到表面合金化，其工艺过程为将配制好的合金涂料或膏块粘附在用可发性 聚苯乙烯制成的铸件模型上，在其表面涂刷上一层高透气性酎火材料，烘千后用干砂振动造 型，当金属液充型时，泡末模样和合金化涂料层中的粘接剂在高温下分解气化，所产生的气 体在负压抽力、付压吸力、铁液静压头等的作用下，向合金粉末中的空隙渗入，合金粉末颗粒熔融、分解和扩散，最终与母液金属结合形成表面具有特殊性能的铸件。该工艺简单，操 作方便，型腔处于负压状态和还原性气氛，有利于铸渗过程的进行，有利于去除合金颗粒表 面的氧化模，避免了普通砂型铸渗工艺所存在的缺陷，铸渗的产品质量好，可以铸渗合金层 厚度达10mm厚的产品。该工艺与砂型铸渗工艺相比虽然具有很多优点，但是，消失模铸渗法 也存在着一些缺点，由于造型时是将合金膏块和泡沫塑料模型放在一起，增强体无法在浇注 前进行预热，使其无法制造合金层厚度更厚的复合产品，至使其对于整体冲击磨埙严重且磨 埙在几十mra甚至上百mm厚度才行报废的零件，因复合厚度的限制而就无法胜任了，从而限 制了其应用领域；由于消失模铸渗时其基体材料的冷却速度慢，使其结晶组织粗大，材料的 致密差。
发明内容
本发明的目的在于针对目前已有技术的不足，提供一种工艺简单，产品质量好，成本低，
可以制备大厚度合金层产品的梯度金属复合材料制造设备及工艺。
解决其技术问题的设备方案是该设备有一工作台，在工作台的上面安装有砂箱或铸造
砂型，在砂箱的上面安装有砂箱盖，在砂箱的任一侧面安装有真空管道，真空管道与控制阀 门和真空泵相连结，在砂箱内模型的外部或在铸造砂型的外部安装有电磁感应加热器，在工 作台上安装有电动振动器，在砂箱或铸造砂型的上部或侧面安装有浇注漏斗，在浇注漏斗的 下面连接有浇注流道，在砂箱或铸造砂型的上部安装有压力机。
解决其技术问题采用的工艺技术方案是首先将增强颗粒或增强短纤维或固体自润滑材 料或含硼自熔合金等具有特殊性能的材料与粘结剂、溶剂混合后或将各种强碳化物、氮化物 形成元素合金粉与碳粉、含氮合金或含氮材料和反应促进剂Al粉、Fe0粉、Cu0粉等与一定
量的溶剂和粘结剂和填充剂一起按一定的比例或按化学反应所需的摩尔配比混合后，将其压 制成所需形状和尺寸的膏块，然后将膏块烘干后固定在聚苯乙烯塑料泡沫模型的所需位置上， 在其上面涂刷一层具有高透气性的耐火材料涂料，烘干后，放入砂箱内，填上铸造干砂，然 后启动电动振动器和真空泵进行真空负压振动造型，或将所压制好的膏块固定在铸造砂型内 的所需位置上，将熔炼好的所需成分的基体金属液倒入浇注钢包内，启动电动振动器和真空 泵对砂箱进行抽真空和振动，启动电磁感应加热器对铸造砂型或砂箱内的膏块进行感应加热，
待达到100—120(TC后浇入基体金属液，泡沫塑料模样和合金膏块中的粘结剂和溶剂遇到高 温金属液产生分解和气化，分解和气化所产生的气体在负压抽力的作用下从耐火材涂层的空 隙中溢出，被真空泵抽出，高温金属液在毛细管力、负压吸力、金属液静压头等的作用下， 向合金粉末的空隙中渗入，合金颗粒产生熔融、分解和扩散或合金粉末在高温下发生化学反应合成所需成分的碳化物或氮化物颗粒，在浇注过程中真空泵和电动振动器不停止对砂箱进 行抽真空和振动，电磁感应加热器继续对合金膏块和基体金属液进行加热保温3—20分钟， 在达到所预定的时间和温度后停止加热和抽真空和振动，增强体最终与基体金属结合，在基 体金属的外表面或内表面或在其表面所需的部位上形成具有抗磨、耐腐蚀、导电或含有自润 滑性能等特殊性能的大厚度的合金层的梯度功能复合材料或铸件产品；为提高复合材料的致 密度，启动压力机对铸型内的金属液进行液态挤压，从而进一步提高复合材料和铸件产品的 质量。增强颗粒为WC、 TiC、 VC、 SiC、 NbC、 BC、 Cr2C和TiN、 BN、 VN、 SiN等高熔点难熔金属 化合物和高碳铬铁合金、钛铁合金等铁合金所制备的颗粒和各种基体的含硼自熔合金粉或在 其自熔合金粉中加入一定含量的WC、 TiC、 VC、 SiC、 NbC、 BC、 Cr2C和TiN、 BN、 VN、 SiN颗 粒的混合粉末和MoS2、 WS2等自润滑材料颗粒，碳化物或氮化物的合成元素合金为Ti、 V、 Nb、 B、 W、 Si、 Cr等合金粉末，增强短纤维为各种氧化物、碳化物、硼化物等。溶剂为硼砂、硼酸、氟硼酸钠、氯化氨等，反应促进剂为A1粉、C粉、CuO粉、FeO粉 等，粘结剂为各种成分的有机粘结剂或无机粘结剂或各种有机和无机粘结剂的混合体。所制备的材料和产品为各种局部要求具有抗磨、耐腐蚀、自润滑、导电等各种特殊性能 的材料，如破碎机锤头、板锤、鄂板、球磨机衬板、轧钢导卫板、导卫辊、各种轧辊和轧辊 辊环、各种缸体、各种泵体、各种刀具、切削刃具、各种轴瓦、闸瓦、闸板和各种轴类、板 类和异型件等复合材料和产品。有益效果采用电磁感应加热工艺可以提高增强体材料和铸型的温度，减少增强体材料对金属液的 激冷，避免了增强体材料二次加热过程中的氧化，提高铸渗层厚度，减少了型外二次加热工 序，提高了生产效率，可以做到增强体的精确定位，由于在铸渗过程中对浇注金属液加热， 提高了金属液的流动性，提高了铸渗能力，促进了金属液向增强体孔隙中的渗透，增加了两 相材料的液固时间，促进液态金属对增强体的侵润时间，从而获得了大厚度的铸渗产品，采 用电磁感应加热工艺可以增加粘结剂等夹杂物和气体的上浮时间，有利于夹杂物的充分上浮， 避免了复合材料内部夹杂和气孔等缺陷的产生，促进了金属液对模型外部的增强相材料的融 熔，提高了两相材料的结合强度，实现了铸渗工艺参数的动态调整，提高了产品质量。
图l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。
具体实施方式
实施例l:在图1中，该设备有一工作台15，在工作台15的上面安装有砂箱6，在砂箱 6的上面安装有砂箱盖4，在砂箱6的任一侧面安装有真空管道10，真空管道10与控制阀门 11和真空泵12相连结，在砂箱6内模型5的外部安装有电磁感应加热器16，在工作台15上 安装有电动振动器14，在砂箱6或砂型6的上部或侧面安装有浇注漏斗2，在浇注漏斗2的 下面连接有浇注流道3。工作开始时，首先将增强颗粒或增强短纤维或固体自润滑材料或含硼自熔合金等具有 特殊性能的材料与粘结剂、溶剂混合后或将各种强碳化物、氮化物形成元素合金粉与碳粉、 含氮合金和反应促进剂Al粉、FeO粉、CuO粉等与一定量的溶剂和粘结剂和填充剂一起按一 定的比例或按化学反应所需的摩尔配比混合后，将其压制成所需形状和尺寸的膏块9，然后 将膏块9烘干后固定在聚苯乙烯塑料泡沫模型5的所需位置上，在其上面涂刷一层具有高透 气性的耐火材料涂料7，烘干后，放入砂箱内6，填上铸造干砂13，然后启动真空泵12和电 动振动器14进行真空负压振动造型,将熔炼好的所需成分的基体金属液1倒入浇注漏斗2内， 启动电磁感应加热器16对安装在砂箱6内的模型5和固定在模型5上的膏块9进行感应加热， 待达到100—120(TC后浇入基体金属液1，泡沫塑料模样5和合金膏块9中的粘结剂和溶剂遇 到高温金属液1产生分解和气化，分解和气化所产生的气体在负压抽力的作用下从耐火材料 涂层7的空隙中溢出，被真空泵12抽出，高温金属液在毛细管力、负压吸力、金属液静压头 等的作用下，向合金膏块9中的合金粉末的空隙中渗入，合金颗粒产生熔融、分解和扩散或 合金粉末在高温下发生化学反应合成所需成分的碳化物或氮化物颗粒，在浇注过程中电磁感 应加热器16继续对合金膏块9和基体金属液1进行加热保温3—20分钟，以提高金属液的流 动性，提高合金膏块9的温度，减少对金属液l的激冷作用，增加液固时间，提高金属液l 的渗透能力和金属液1对增强体的润湿性，促进增强体与金属液之间的扩散反应，提高融合 强度，减少铸造缺陷，提高产品质量，同时真空泵和电动振动器不停止抽真空和振动，以防 止塌砂和金属液的氧化，促进金属液向合金膏块内的渗透，提高复合材料的致密度，改善复 合材料的结晶组织，在达到所预定的时间和温度后停止加热和振动，增强体最终与基体金属 结合，在基体金属的外表面或内表面或在其表面所需的部位上形成具有抗磨、耐腐蚀、导电或含有自润滑性能等特殊性能的大厚度的合金层的梯度功能复合材料8或铸件产品8。实施例2:在图2中，与图1的不同点为合金膏块9固定在在聚苯乙烯塑料泡沫塑料 模型5的中部，重复实施例1的复合工艺即可以制造成在复合材料的中部含有合金层材料的 大厚度的合金层的梯度功能复合材料8或铸件产品8。其它过程及设备与实施例l同，略。实施例3:在图3中，与图1的不同点为合金膏块9固定在在聚苯乙烯塑料泡沫模型5 的整个外表面，重复实施例1的复合工艺即可以制造成在复合材料的整个外表面含有合金层 材料的大厚度的合金层的梯度功能复合材料8或铸件产品8。其它过程及设备与实施例1同， 略。实施例4:在图4中，与图1的不同点为将所制作好的合金膏块9固定在在铸造砂型6 内的所需位置上，将熔炼好的所需成分的基体金属液1倒入浇注漏斗2内，启动电磁感应加 热器16对铸造砂型6和安装在铸造砂型6内的膏块9进行感应加热，待达到100—120(TC后 浇入基体金属液l，高温金属液在毛细管力、金属液静压头等的作用下，向合金膏块9中的 合金粉末的空隙中渗入，合金颗粒产生熔融、分解和扩散或合金粉末在高温下发生化学反应 合成所需成分的碳化物或氮化物颗粒，在浇注过程中电磁感应加热器16继续对合金膏块9和 基体金属液1进行加热保温3—20分钟，以提高金属液的流动性，提高合金膏块9的温度， 提高金属液1的渗透能力，在达到所预定的时间和温度后停止加热，增强体最终与基体金属 结合，在基体金属的外表面或内表面或在其表面所需的部位上形成具有抗磨、耐腐蚀、导电 或含有自润滑性能等特殊性能的大厚度的合金层的梯度功能复合材料8或铸件产品8。其它 过程及设备与实施例l同，略。实施例5:在图5中，与图l和图4的不同点为将所制作好的合金膏块9固定在在铸型6 内的所需位置上，启动电磁感应加热器16对安装在铸型6内的合金膏块9进行感应加热，待 达到100—120(TC后浇入基体金属液，然后启动压力机17将安装在压力机17上的压铸模具 18插入铸型6内进行液态挤压，高温金属液在压力机的压力和毛细管力等的作用下，向合金 膏块9中的合金粉末的空隙中渗入，在浇注和压制过程中电磁感应加热器16继续对合金膏块 9和基体金属液1进行加热保温至压制结束。重复实施例1和4的复合工艺即可以制造成在 基体金属的所需部位上含有增强相材料的大厚度的合金层的梯度功能复合材料8或铸件产品 8。其它过程及设备与实施例1和4同，略。
权利要求1、 一种梯度金属复合材料制造设备，其特征是该设备有一工作台，在工作台的上面安装有砂箱或铸造砂型，在砂箱的上面安装有砂箱盖，在砂箱的任一侧面安装有真空管道，真空管道与控制阀门和真空泵相连结，在砂箱内模型的外部或在铸造砂型的外部安装有电磁感应加热器，在工作台上安装有电动振动器，在砂箱或铸造砂型的上部或侧面安装有浇注漏斗，在浇注漏斗的下面连接有浇注流道，在砂箱或铸造砂型的上部安装有压力机。
2、 根据权利要求1所述的梯度金属复合材料制造设备，其特征是电磁感应加热器的感 应电源为工频感应电源、中频感应电源或高频感应电源。
3、 根据权利要求1所述的梯度金属复合材料制造设备，其特征是模具材料即可以由耐 高温的耐火材料或石墨制作，也可以采用水冷导磁体材料制作，其形状可以是矩形、方形、 长方形、椭圆形、圆形、异型各种几何形状，其结构即可以是整体结构，亦可以是双开合哈 复式结构或组合式结构。
专利摘要一种梯度金属复合材料制造设备及工艺，该设备有一工作台，在工作台的上面安装有砂箱或铸造砂型，在砂箱的上面安装有砂箱盖，在砂箱的任一侧面安装有真空管道和真空泵，在砂箱内模型的外部或在铸造砂型的外部安装有电磁感应加热器，在工作台上安装有电动振动器，在砂箱或铸造砂型的上部或侧面安装有浇注漏斗，在浇注漏斗的下面连接有浇注流道，在砂箱或铸造砂型的上部安装有压力机。使用该设备制造梯度金属复合材料时，减少了型外二次加热工序，避免了增强体的氧化，提高了金属液的铸渗能力，从而获得了大厚度的铸渗产品，实现了铸渗工艺参数的动态调整，提高了两相材料的结合强度。
文档编号B22D19/14GK201132210SQ20072004633
公开日2008年10月15日 申请日期2007年10月11日 优先权日2007年10月11日
发明者刚 丁, 丁家伟 申请人:丁家伟;丁 刚