CN104588617A - 一步制备金属基轻质复合材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一步制备金属基轻质复合材料的方法。它是利用保压渗流和真空吸铸方法，在负压力的作用下使金属液透过多孔陶瓷或石墨板浸入空心球的间隙中，待金属液体完全浸渗之后冷却，最后脱模取出，得到含有封闭泡孔的泡沫金属基复合材料，该空心球体为Al₂O₃空心球、SiC空心球、C空心球或玻化微珠中两种及两种以上不同或相同尺寸的混合空心球。用本发明制备的金属基复合材料孔隙率可达到60％以上而显著降低密度的同时，压缩强度与同类产品相比可提高20-50％，从而实现高强、轻质，具备阻尼减震、隔音降噪、能量吸收等多种功能性，工艺简单、工序少，对空心球颗粒种类及尺寸适应范围广，对基体金属几乎无选择，可制备不同密度的泡沫金属产品。

Description

一步制备金属基轻质复合材料的方法

技术领域

本发明涉及一步制备金属基轻质复合材料的方法。具体是利用一种或一种以上不同尺寸的封闭空心球体填料，制备泡沫结构金属基复合材料的方法，所用空心球无需在模具中制备预制体，而是一步制备金属基轻质复合材料。采用此种方法制备的材料不仅具有优良的压缩性能，同时也可显著降低材料密度，从而达到轻量化目的。

背景技术

金属基复合材料是以金属或合金为基体，并以纤维、晶须、颗粒等为增强体的复合材料，其在力学性能方面为横向及剪切强度较高、韧性及疲劳等综合性能较好，同时还具有导热、导电、耐磨、热膨胀系数小、阻尼性好、不吸湿、不老化和无污染等优点，但也具有造价高、密度大、制备工艺复杂等缺点。例如纤维、晶须等增强体的价格昂贵，制备工艺复杂，导致这类金属基复合材料的应用受到限制，而作为增强体的颗粒增强体价格相对低廉，基体合金可选择的范围宽，并能够采用传统工艺方法制备和二次加工，易于实现批量和大规模生产，具有很好的经济效益。近年来，高强轻质合金材料在航空、航天、汽车、建材等领域的应用越来越广泛，在不显著影响压缩性能的情况下降低金属基复合材料的密度是合金材料轻量化的主要途径。泡沫金属材料是材料轻量化的主要方向，按孔洞的结构分为通孔和闭孔两类，其中闭孔泡沫金属材料具有更好的强度，因其兼具结构材料和功能材料特性而具有广泛用途。

以空心球体填充的金属基复合材料具有轻质、高强度以及良好的缓冲吸能效果等特性。为降低密度的填充体有Al₂O₃空心球、SiC空心球、SiO₂空心球、C空心球、玻璃微珠、粉灰或其混合空心球。基体主要是铝合金，也有镁基、铁基、铜基、钛基、铅基等。根据复合材料的密度控制和空心球可溶入量，复合材料中的空心球体积分数可以达到40％-60％。

经检索发现生产金属基空心球复合材料的方法主要有以下几种：一种是中国专利CN103614586介绍的压力渗流铸造法，其借助外界压力使金属熔体渗流进入空心球间隙，但这种方法无法控制渗流进程、补缩能力差，同时由于压力作用造成铝基体密度增大；一种是粉末冶金法，将基体金属粉末、粘合剂和空心微球均匀搅拌，在一定压力下压制烧结成型，但该工艺过程复杂，空心球强度要求高且受粒径限制；一种是中国专利CN1174895A介绍的搅拌法，其利用铝及其合金为基体，以火电厂废料飞灰作为添加料的铝基复合材料，但这种方法采用机械搅拌装置致使添加料的分布不均匀，使用的飞灰粒径较小且与基体的润湿性较差，这都影响了所制复合材料的性能；还有一种方法是CN102601342A介绍的真空反重力渗流法，其通过抽真空使铸造室形成负压，金属熔体经导流部件进入空心球预制体中冷却，但此方法是以空心球预制体为骨架，金属液作为填料，从而造成压缩性能的降低，且工艺过程复杂。因此，在不影响复合材料压缩性能的前提下寻找降低金属基复合材料密度的方法，形成适用于多种合金的低成本制备方法成为急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种泡沫金属基复合材料的制造方法，它解决了一般空心球金属基复合材料成本高、密度大、制备工艺复杂的问题。用这种方法在降低金属基复合材料密度的同时，可避免其压缩性能的降低。

为了达到上述目的，本发明采用真空吸铸和保压渗流相结合的方式，在真空吸铸充型过程中，型腔内气体稀薄，明显减少了金属液充型过程中的气阻，提高合金液的充型能力，保证合金液的复型能力；在保压条件下，保持浇注过程中混合空心球推积方式不发生显著变化，同时又避免由于压力过大造成的基体密度增大，从而保证密度降低的最大化。同时选用的空心体为Al₂O₃空心球、SiC空心球、C空心球、玻化微珠等等两种及两种以上相同或不同尺寸混合的空心球。本发明的金属基轻质复合材料的制备方法按如下步骤进行：

A，混合空心球的处理：将空心球放入浓度50％质量百分比的氢氟酸中进行酸洗处理，然后在电炉中预热到500-800℃。

B，浇铸前的准备：首先在铸型底部垫一片孔直径为0.2mm，厚度为10mm的多孔陶瓷或石墨板，然后将预处理后的空心球加入到铸型中，加入量约占铸型体积的2/3，在上表层覆盖一片小孔直径为7mm，厚度为20mm的多孔陶瓷或石墨板，然后预热。

C，金属基材料的制备：将熔化后的金属或合金液浇注到铸型中，利用真空吸铸和保压渗流相结合方法，在负压力的作用下使金属液透过多孔陶瓷或石墨板浸入空心球的间隙中，待金属液体完全浸渗之后冷却，后脱模取出多孔铸锭。

D，检测金属基复合材料的性能：取出成型的金属基复合材料，称量计算密度和孔隙度，同时采用压缩试验方法检测其力学性能，与已有方法制备的空心球复合材料的力学性能相比，此方法选用多种不同粒径的混合空心球作为填充料，在保压和真空吸铸的共同作用下，孔隙率可达60％以上，从而最大化地降低材料密度。同时与同类型产品相比，材料的压缩性能可提高20-50％。

上述金属是市售的铝、镁、锌、铜、钛或铁；

上述合金是市售的铝合金、镁合金、锌合金、铜合金、钛合金或铁合金；

上述空心球选自市售的直径为0.5-5.0mm，壁厚为0.2-1.0mm的SiC空心球、Al₂O₃空心球、C空心球、玻化微珠中的两种或两种以上的按任何比例混合的直径相同的混合空心球，或者直径不相同的混合空心球；

上述的真空是以机械泵的方式抽取，抽取时间为30-60min，最终的真空度为0.1-1MPa。

本发明的优点：

1、由于本发明采用真空吸铸和保压渗流相结合的方式，金属液能够充分浸入到空心球空隙中，制备出的泡沫金属孔洞匀称、可控性好，性能近乎于各向同性且无明显缺陷，与同类型产品相比压缩性能可提高20-50％。

2、由于本发明采用两种或两种以上混合空心球，在保证不影响目标产物金属基复合材料压缩性能的前提下，能够最大化地降低复合材料密度，同时工艺流程简单，易实现连续化铸造生产。

3、本发明对基体金属几乎无选择，可以根据需要选择不同的基体金属，孔隙率可以达到60％以上。

4、本发明工序少、对空心球种类及尺寸适应范围广、操作简单，还能实现连铸连轧，从而实现具有机械化和自动化的连续铸造生产，大大提高了生产效率

附图说明

图1是本发明的工艺流程示意图，

图2是本发明的具体实施方式中所用模具的结构示意图。

其中1—保压模具，2—坩埚，3—电阻加热炉，4—大孔多孔陶瓷或石墨，5—空心球，6—真空室，7—小孔多孔陶瓷或石墨抽，8—抽真空***。

具体实施方式

本实施方式选用铝合金为基体金属，选用按任意比例混合的SiC空心球和Al₂O₃空心球5，该空心球的直径均为0.5mm-5mm，SiC空心球与Al₂O₃空心球熔点高、硬度大，可与铝合金充分混合又不显著降低合金材料的压缩性能。

制备方法所用的模具(参阅图2)由保压模具1、坩埚2、电阻加热炉3、大孔多孔陶瓷或石墨板4、真空室6、小孔多孔陶瓷或石墨板7和抽真空***8组成。其制备步骤是：(1)将直径分布在0.5-5mm范围内空心球进行酸洗或300-800℃热处理2-5h；(2)在铸型底部垫一片孔直径0.2mm厚10mm的市售的小孔多孔陶瓷或石墨7，然后将预处理后的空心球加入到铸型中，表层覆盖一片孔直径7mm厚20mm的市售的大孔多孔陶瓷或石墨4，预热并保温在500℃；(3)对保压模具1和铸型在650℃下进行预热处理后，将650-750℃的铝液浇注到铸坯中；(4)打开铸型底部的阀门，用机械泵抽取真空30-60min，待真空度达到约为0.1-1MPa，在负压作用下使金属铝液充分浸入空心球的间隙中；(5)待金属铝液体完全浸渗之后，停止真空***8抽真空并冷却到室温；(6)凝固完毕后脱模取出多孔铸锭。采用此法生产的泡沫铝材料与同类型产品相比，空心球与铝基体的接触面更紧密，孔洞在金属内的分布更均匀，具有更高的抗压强度，同时可根据需要制备不同密度范围的泡沫金属产品。

Claims (1)

1.一步制备金属基轻质复合材料的方法，其特征是：

A，混合空心球的处理：将空心球放入浓度50％质量百分比的氢氟酸中进行酸洗处理，然后在电炉中预热到500-800℃；

B，浇铸前的准备：首先在铸型底部垫一片小孔直径为0.2mm，厚度为10mm的市售的多孔陶瓷或石墨板，然后将预处理后的空心球加入到铸型中，加入量占铸型体积的2/3，在上表层覆盖一片小孔直径为7mm，厚度为20mm的市售的多孔陶瓷或石墨板，然后预热；

C，金属基材料的制备：将熔化后的金属或合金液浇注到铸型中，利用保压渗流和真空吸铸方法，在负压力的作用下使金属液透过多孔陶瓷或石墨板浸入空心球的间隙中，待金属液体完全浸渗之后冷却，最后脱模取出多孔铸锭。

D，检测金属基复合材料的性能：取出成型的金属基复合材料，称量计算密度和孔隙度，同时采用压缩试验方法检测其力学性能，与已有方法制备的空心球复合材料的力学性能相比，此方法选用多种不同粒径的混合空心球作为填充料，在保压和真空吸铸的共同作用下，孔隙率可达60％以上，从而最大化地降低材料密度。同时与同类型产品相比，材料的压缩性能可提高20-50％；

上述金属是市售的铝、镁、锌、铜、钛或铁；

上述合金是市售的铝合金、镁合金、锌合金、铜合金、钛合金或铁合金；

上述空心球选自市售的直径为0.5-5.0mm，壁厚为0.2-1.0mm的SiC空心球、Al₂O₃空心球、C空心球、玻化微珠中的两种或两种以上的按任何比例混合的直径相同的混合空心球，或者直径不相同的混合空心球；

上述的真空是以机械泵的方式抽取，抽取时间为30-60min，最终的真空度为0.1-1MPa。