CN1480553A - 挤压浸渗复合材料制备与零件成形一体化方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明是一种挤压浸渗复合材料制备与零件成形一体化方法及设备，该方法是将粉末填充到模腔中，然后再挤压金属液体，使金属液体渗入粉末之中，金属液体的温度低于粉末的熔点，当渗入粉末中的金属液体冷却凝固之后，即获得由复合材料构成的与模腔形状、尺寸相同的零件；该设备由压力机、模具、送粉装置、供液装置、抽真空装置相互连接而成。本发明工艺流程少，设备占地面积小，生产效率高，材料利用率高，适合自动化大批量生产，可生产大型零件，便于制造复杂形状零件，可制取致密的多组元材料。本发明制备的复合材料零件精度高，显微组织细小均匀，具有重复性，孔隙率含量可达到与致密材料相同的程度，减少了铸造组织可能出现的缺陷。

Description

挤压浸渗复合材料制备与零件成形一体化方法及设备

(一)技术领域

本发明涉及复合材料制备与机械零件的制造技术领域，具体是指一种挤压浸渗复合材料制备与零件成形一体化方法及设备。

(二)背景技术

目前，合金的制造方法是将构成合金材料的各种成分金属熔化进行液态混合，通过搅拌的方法使混合金属液成分尽量均匀，采用加入变质剂的方法增加结晶形核的数量，达到使晶粒细化的目的。由于液体金属整体上由液态变成固态，必须经历形核、结晶、晶粒长大的过程，而形核的位置和数量具有很大的随机性，显微组织难以控制，铸造的普遍缺陷如缩松、缩孔、偏析、粗晶、晶粒尺寸不均等组织缺陷难以避免。

复合材料铸造的方法主要有液体金属中加入陶瓷粉末颗粒搅拌铸造的方法、熔体浸渗铸造法，挤压铸造法和流变铸造法。液体中加粉末颗粒搅拌铸造的方法是通过机械在坩锅开口上方搅拌使金属液中产生涡流从而引入粉末颗粒，这种方法的不足之处是当粉末颗粒尺寸小于10μm时，无法通过搅拌的方法使粉末进入金属液体中，另外粉末无法均匀分布在基体材料中，显微组织不具有重复性。熔体浸渗工艺方法是在压制圆柱体的模具中，将金属液体浸渗进入多孔的粉末圆柱体预制块中，然后再将圆柱体加工成零件，这种方法存在一个金属液与粉末的湿润性问题，以及效率较低。挤压铸造法是先用机械搅拌法制备复合浆料，然后将液体复合浆料倒入挤压模，用液压机给浆料施加一定的压力条件下凝固成形，这种方法制备的复合材料性能比搅拌铸造方法有所改善，但粉末仍无法均匀分布在基体材料中。流变铸造法是对处于固液两相区的熔体施加强烈的搅动形成低粘度的半固态浆料，同时引入粉末颗粒，利用半固态浆液的触变特性分散增强相，在一定压力下充型凝固成形。上述几种复合材料制备的方法都无法使粉末在基体材料中均匀分布，粉末材料在复合材料中所占比例较小，显微组织不具有重复性，因而复合材料性能的稳定性和可靠性无法得到保证。铸造制备复合材料方法的缺点：一方面增强体颗粒越细，相应材料的比力学性能越高，另一方面越细的颗粒团聚现象越严重，导致普通铸法难以获得材料的最优性能。

粉末冶金烧结复合材料制备方法通过粉末压制或注射制成形，然后在一定的温度进行烧结。通过物质原子的扩散，实现颗粒之间的固结，烧结时间长。如铁基粉末成形零件一般在1080℃烧结两小时，能耗较高，生坯在烧结时难免产生变形，导致影响零件的精度。对于纳米晶粉末，在烧结过程中晶粒很容易长大，以致难于保持纳米晶的性质。由于粉末烧结材料内含有大量的孔隙，材料不连续，后续机械加工性能差。

机械零件成形的方法主要有：机械加工方法、金属粉末冶金方法、铸造方法、锻造方法。

机械加工方法：以生产齿轮为例，插齿工序繁多，磨损刀具，产生大量的切屑，材料利用率低。通过热处理提高性能，但仍不耐磨，而且热处理过程中易变形，影响零件尺寸精度。(目前大规模采用的方法)大多采用钢材，比重大。金属陶瓷复合材料机械加工性能很差，根本无法车、铣、磨、刨。铝合金机加工后表明处理生成Al₂O₃薄膜，陶瓷层很薄，难以保证零件的耐磨性。

金属粉末冶金方法：对生坯的单位面积压力很大，受设备吨位的限制，无法生产大型零件。零件中残留大量孔隙，烧结过程零件变形，精度受影响，要求粉末分布均匀，否则烧结变形很大。大多为铁基材料，通过高压力致密化，一般600Mpa左右，模具磨损严重，密度7.0左右。烧结温度高、时间长，能耗高，需气体保护烧结炉。压完之后把生坯卸出模具、包装生坯、搬运入炉过程中都有废品的产生。

铸造方法生产的零件一般不耐磨，存在凝固收缩，尺寸精度不高。

锻造方法只能生产毛坯，必须后续机加工，精度较低，钢材变形抗力大，模具磨损严重，模具寿命低。

(三)发明内容

本发明的目的就是为了解决上述现有技术中存在的不足之处，提供一种挤压浸渗复合材料制备与零件成形一体化方法及设备。该方法是通过金属液体渗入较高熔点粉末的方法制备出复合材料的同时，在模具型腔中成形出精密形状尺寸的零件。

本发明所述的一种挤压浸渗复合材料制备与零件成形一体化方法，其特征是，它包括如下步骤和工艺条件：将粉末填充到模腔中，然后再挤压金属液体，使金属液体渗入粉末之中，金属液体的温度低于粉末的熔点，当渗入粉末中的金属液体冷却凝固之后，即获得由复合材料构成的与模腔形状、尺寸相同的零件。

为了更好地实现本发明，所述模腔中的气体在挤压浸渗过程中，通过阳模与阴模之间的缝隙排出，或者将模腔置于真空室中进行工作；可以先将金属液输入模腔中，然后再将粉末送入模腔，粉末存在于金属液体之上，在阳模挤压过程中，金属液从粉末下部逆重力方向渗入粉末之中。

本发明所述的一种挤压浸渗复合材料制备与零件成形一体化设备，其特征是，它由压力机、模具、送粉装置、供液装置、抽真空装置相互连接而成，其相互连接关系为，模具安装在压力机的工作台上，供液装置通过管道与模具的模腔相连通，抽真空装置通过管道也与模具的模腔相连通，送粉装置与模具的模腔相连接。

为了更好地实现本发明，一套模具中可以具有一个或多个模腔和一个或多个阳模，在一次操作循环工作中，制造出多个零件。

在本发明中，粉末是指尺寸小于1mm离散颗粒的集合体；粉末可以是陶瓷粉末、金属粉末、非金属粉末等；复合材料是指由两种或两种以上的异质、异形、异性的材料复合形成的材料，包括合金；基体材料可以是单种物质，也可以是复合物质；粉末可以是单种粉末，也可以是多种粉末，粉末的形状可以是颗粒状、片状、针状、纤维状、树枝状、不规则形状等；硅及硅合金属于金属的范畴。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1.本发明制备的金属陶瓷零件耐磨，制备的铝合金陶瓷零件比重轻，制备的金属陶瓷零件材料成本低；模具所受压力小，模具寿命高；粉末较松，浸渗速度较快，对粉末分布的均匀程度要求降低，由于粉末一直保持固态，不随合金液凝固收缩，也无烧结时的变形，为最终成形，因而精度高。

2.本发明与机械加工方法比，工艺流程少，设备占地面积小，生产效率极高，而且少、无切屑加工，材料利用率高；与金属粉末冶金法比，模具所受压力小，可以生产大型零件，或者在一个阴模上布置多个模腔实现一模多件；与烧结方法比，能耗少，节能；适合自动化大批量生产。

3.本发明制备的产品显微组织细小均匀，显微组织特征具有重复性，无大量残留孔隙，孔隙率含量可达到与致密材料相同的程度；产品在压应力条件下凝固，减少了铸造组织可能出现的缺陷。

4.本发明的设备承受的力减小，弹性变形小，有利于精密成形，便于制造复杂形状零件，可制取致密的多组元材料。

(四)附图说明

图1是本发明设备的结构示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明做进一步地详细说明。

实施例一

如图1所示，本发明所述的一种挤压浸渗复合材料制备与零件成形一体化设备由压力机1、模具2、送粉装置3、供液装置4、抽真空装置5相互连接而成，其中，模具2安装在压力机1的下横梁10工作台上，供液装置4通过管道与模具2的模腔相连通，抽真空装置5通过管道也与模具2的模腔相连通，送粉装置3与模具2的模腔相连接。其中，压力机1由上缸6、上横梁7、活动横梁8、下缸9、下横梁10、导柱11以及操作控制面板12组成。模具2由齿轮阴模13、抽真空控制阀14、上齿轮阳模15、液体输入控制阀16、冷却管道17、模具加热器18、下齿轮阳模19及模架20组成。送粉装置3由送粉靴21、粉末加热器22、保温层23、粉末输送软管24、料仓25及支架26组成。送料靴21贴在齿轮阴模13口上表面往复滑动，实现定量供粉。供液装置4由金属熔化加热器27、金属熔化加热室28、阀门29和30、管道加热器31、保温层32组成，阀门29和30之间可储存定量的金属液，实现金属液的定量供应，供液装置4通过金属液体传输管道33与模腔相连通。抽真空装置5由真空泵34、真空管道35、真空罐36、真空表37、真空阀38、接头39、过滤器40组成，抽真空装置5通过管道41与模腔相连通，可以在装粉之后抽真空，也可以在模腔中注入金属液之后抽真空。

本实施例应用时，将平均粒径50μm的三氧化二铝粉末与平均粒径10μm的三氧化二铝粉末按质量6∶4在混料罐中充分混合，然后将混合好的三氧化二铝粉末在加热炉中预热至500℃，再装入料仓25中，粉末沿粉末输送软管24在自重的作用下落入送粉靴21，包在耐热软管外的加热器22可将管内的粉末预热保温，有一气缸推动送粉靴21在齿轮阴模13的面上来回滑动，当送粉靴21下开口在齿轮阴模13上开口之上时，靴内的粉末在重力作用下掉落在由带有芯杆的下齿轮阳模19与齿轮阴模13的内壁构成的模腔中，粉末填充满模腔的空间与齿轮阴模13上表面平齐。送粉靴21离开齿轮阴模13口后，上齿轮阳模15对模腔中的粉末进行压制，使之达到一定的致密度。然后上齿轮阳模15向上回退一定距离，上齿轮阳模15下表面与齿轮阴模13内壁及下齿轮阳模19上表面形成一封闭空间。接着打开齿轮阴模上抽真空控制阀14，开动真空泵34，对模腔抽真空，使模腔内的真空度达到0.1Pa。接着打开齿轮阴模13上液体输入控制阀16，通过供液装置4，向模腔中输入定量的精炼过滤的ZL106铝合金浸渗液。由于模具2也通过模具2上的加热器18预热达到400℃，输入模腔中的ZL106铝合金液在加热室28加热至760℃，不会立即凝固。接着上齿轮阳模15下行，挤压模腔中的ZL106铝合金液，使之浸渗进入下面的三氧化二铝粉末生坯中。当上齿轮阳模15达到设定的位置之后，保持一定的压力的同时，在冷却管道17中通冷却水，使渗入三氧化二铝粉末中的铝合金液冷却凝固。最后齿轮阴模13下拉，上齿轮阳模15上行脱出齿轮阴模13，下齿轮阳模19将齿轮零件卸出齿轮阴模13。

由本实施例制造的齿轮，三氧化二铝陶瓷粉均匀地分布在零件各个部位，而基体材料与三维联通的ZL106铝合金是由铝合金与陶瓷复合形成的金属基陶瓷复合材料，具有良好的耐磨性能，而且比重较小。凡能通过粉末压制成形的零件都能采用本例所述挤压浸渗法制造，在制造出金属陶瓷材料的同时，成形出具有一定形状和尺寸的零件。挤压浸渗模具的结构形式与常规粉末压制模具的特点类似，也有单向压制、双向压制、浮动压制等形式。在本实施例中，通过金属(或合金)液体挤压渗入陶瓷粉末(或其它种类粉末)之中，金属液凝固之后获得粉末材料均匀分布于基体之中的高性能高质量的复合材料；通过粉末的精确定量供给、金属液的精确定量供给、以及精密的设备及模具，从而实现零件的精密成形。

实施例二

本实施例与实施例一的工艺过程基本相同，不同之处是粉末材料采用将平均粒径50μm的二氧化硅粉末与平均粒径10μm的二氧化硅粉末按质量6∶4混合；在送粉靴21离开齿轮阴模13口后，下齿轮阳模19下行一段距离，然后上齿轮阳模15下行，使上齿轮阳模15下表面与齿轮阴模13内壁及下齿轮阳模19上表面形成一封闭空间。

当零件形状复杂，无法通过送粉靴21使粉末均匀填充在模腔中时，则可采用把粉末输送软管24接在模具2材料输入口上，通过振动模具2，带动粉末输送软管24一起振动，使粉末通过模具上的材料输入口进入封闭模腔，并均匀填充在封闭模腔中，然后再把金属液挤压浸渗进入模腔中的粉末中。

Claims (6)

1.一种挤压浸渗复合材料制备与零件成形一体化方法，其特征是，它包括如下步骤和工艺条件：将粉末填充到模腔中，然后再挤压金属液体，使金属液体渗入粉末之中，金属液体的温度低于粉末的熔点，当渗入粉末中的金属液体冷却凝固之后，即获得由复合材料构成的与模腔形状、尺寸相同的零件。

2.根据权利要求1所述的一种挤压浸渗复合材料制备与零件成形一体化方法，其特征是，所述模腔中的气体在挤压浸渗过程中，通过阳模与阴模之间的缝隙排出，或者将模腔置于真空室中进行工作。

3.根据权利要求1所述的一种挤压浸渗复合材料制备与零件成形一体化方法，其特征是，先将金属液体输入模腔中，然后再将粉末送入模腔，粉末存在于金属液体之上，在阳模挤压过程中，金属液从粉末下部逆重力方向渗入粉末之中。

4.根据权利要求1所述的一种挤压浸渗复合材料制备与零件成形一体化方法，其特征是，在粉末填充到模腔的过程中，通过振动模具，使模具上的输粉管随模具振动，从而使粉末均匀填充在封闭模腔中。

5.一种挤压浸渗复合材料制备与零件成形一体化设备，其特征是，它由压力机、模具、送粉装置、供液装置、抽真空装置相互连接而成，其相互连接关系为，模具安装在压力机的工作台上，供液装置通过管道与模具的模腔相连通，抽真空装置通过管道也与模具的模腔相连通，送粉装置与模具的模腔相连接。

6.根据权利要求5所述的一种挤压浸渗复合材料制备与零件成形一体化设备，其特征是，一套模具中可以具有一个或多个模腔和一个或多个阳模。

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