CN1739890A - 铝基复合材料的反重力真空吸铸制备方法 - Google Patents

铝基复合材料的反重力真空吸铸制备方法 Download PDF

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Abstract

一种铸造技术领域的铝基复合材料的反重力真空吸铸制备方法。步骤为：(1)在惰性气体保护下，复合材料在坩锅中加热熔化然后搅拌；(2)关闭惰性气体，合上中隔板，抽真空精炼；(3)真空精炼结束后，打开惰性气体，坩锅表面通惰性气体保护，安装升液管、型腔和套筒；(4)上腔抽真空，液态金属在反重力下充型；(5)型腔充满后，保持结壳时间，然后增加下腔惰性气体的压力，复合材料在上腔真空，下腔增压的双重作用下补缩，凝固。本发明采用石英、硅铝系耐火材料制备的熔模模壳，避免了消失模吸铸的弊端，并采纳了下腔加压的凝固的方式。本发明使得铝基复合材料铸件机械性能大大提高，可以成形薄壁、复杂的铝基复合材料铸件，生产效率高，铸件精度高。

Description

铝基复合材料的反重力真空吸铸制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种铸造技术领域的制备方法，特别是一种铝基复合材料的反重力真空吸铸制备方法。
背景技术
铝合金零件的精密铸造方法相对较多，常用的有：重力下充型浇注凝固的金属型铸造、压力铸造和消失模铸造及反重力下充型凝固的低压铸造、差压铸造、熔模吸铸等。反重力铸造是利用压力差反重力地浇注液态金属的方法。为了克服常见的反重力铸造方法的局限性，即：要求铸型具有较好的透气性、要求铸型具有较高的强度；另外，液态下的铝合金与空气接触时极易氧化、吸气，易在铸件中形成大量的氧化夹杂物和气孔，因此铝合金熔化浇注时通常需要附加气体保护。
经对现有技术的文献检索发现，中国专利申请号：02115638，发明名称：“镁、铝合金反重力真空消失模铸造方法及其设备”，该专利对镁、铝合金采用熔模铸造的方法成形。该方法在镁、铝合金的反重力真空消失模铸造时采用消失模模样放入砂箱后，加入型砂，振动紧实；浇注时加保护性气体，浇注炉内通可控压力的惰性气体等方法制备镁、铝合金铸件。但是实践表明消失模铸造对发泡材料、表面耐火涂料、干砂粒度及分布、铸造合金熔点、冶炼温度、浇注温度、浇注速度、铸造箱真空度和抽气速度等工艺参数都有很高的要求，否则就会出现塌砂、夹砂、漏液、积炭、表面拉毛粘砂等缺陷。
颗粒增强金属基复合材料的制备工艺主要包括粉末冶金，喷射铸造，有压或无压浸渗，搅拌复合等。通过搅拌复合后可以直接进行复杂铸件的成形，因此这种方法具有很强的潜力。从原理上说，任何铸造方法都能用于复合材料铸造，但由于复合材料的流动性能不及基体合金，因此复合材料的成形多借助于压力或离心力。颗粒增强复合材料是多相材料，因此材料的充型能力不仅取决于基体合金的性质和工艺参数，也取决于颗粒在熔体中的浓度和分布状态。总的趋势是，随着颗粒分布的增加，材料的流动能力降低。螺旋型试样的测试结果为，当体积分数增加到15％时，流动程度减少一半左右。由于复合材料熔体和基体合金粘度相差很大，故而表现出不同的流动特征。因此采用专利02115638是不能成形铝基复合材料的，至今为止，还没有铝基复合材料反重力真空吸铸成形的资料报导。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的不足和缺陷，提供一种铝基复合材料的反重力真空吸铸制备方法，使其将反重力真空吸铸的方法应用到铝基复合材料零件的制备中。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明采用反重力真空吸铸方法成形铝基复合材料，步骤如下：
(1)在惰性气体保护下，复合材料在坩锅中加热熔化后搅拌；
(2)关闭惰性气体，合上中隔板，抽真空精炼；
(3)真空精炼结束后，迅速通惰性气体保护，在气体保护下安装升液管、型腔和套筒；
(4)上腔抽真空，液态金属在反重力状况下充型；
(5)型腔充满后，保持结壳时间，然后增加下腔惰性气体的压力，复合材料在上腔真空、下腔通惰性气压的双重作用下补缩、凝固。
步骤(1)中，复合材料加热熔化温度为：680-750℃，惰性气体为：N2或Ar2，搅拌时间为：15-50min。
步骤(2)中，铝基复合材料采用抽真空精炼，精炼时间为：5-40min。
步骤(3)中，型腔为透气性好的石英、硅铝系耐火材料制备的熔模模壳。
步骤(4)中，下腔不变，上腔抽真空，液态金属在反重力状况下充型，充型时上腔真空度为：-0.1--0.03MPa。
步骤(5)中，从充型开始到充满型腔的时间为：5-20s，充型后保持的结壳时间为：1-10s，复合材料下腔惰性气体的压力为：0.1-0.5MPa，凝固保压时间为：1-5min。
颗粒增强铝基复合材料金属液比铝合金熔液容易氧化，颗粒的存在使得合金液表面致密的氧化铝薄膜变得稀松，通惰性气体可以防止其氧化；熔体浇注温度过高，氧化严重，流动性变差，进而充型困难，浇注温度过低，则又会因为复合材料金属液流动性差而很难充填铸型；在真空中保持可以减少合金液体中氢气的含量，这个真空时间过长，同样会因为沉降团聚等原因而影响性能，颗粒(包括TiB2，TiC，SiC)在铝基复合材料中都存在沉降和团聚问题，因此需要搅拌。结壳时保持压力一定的时间，可以使得接近铸型表面的金属液体凝固，而具有一定的强度，这样在后续的高压凝固阶段，不会因为压力增加过快，而损坏铸型。采用透气性好，可承受一定压力的石英、硅铝系耐火材料制备的熔模模壳，用于反重力真空吸铸，可以避免消失模真空吸铸带来的一系列问题；采用该方法结合复合材料的成形特点，可实现铝基复合材料的反重力真空吸铸成形。
本发明首次提出了铝基复合材料的真空吸铸制备方法，首次给出了复合材料真空吸铸的工艺参数，解决了目前铝基复合材料所存在的成型问题。采用上腔抽真空的充型方式，可以避免欠铸和氧化夹杂等铸造缺陷；采用有一定强度的石英、硅铝系耐火材料制备的熔模模壳，避免了消失模铸造影响因素多的缺陷，如对发泡材料、表面耐火涂料、干砂粒度及分布、铸造合金熔点、冶炼温度、浇注温度、浇注速度、铸造箱真空度和抽气速度等工艺参数都有很高的要求，并且不会出现塌砂、夹砂、漏液、积炭、表面拉毛粘砂等缺陷。本发明使得铝基复合材料铸件机械性能大大提高，并可适合规模化生产。
具体实施方式
结合本发明的内容提供以下实施例：
实施例1：
将5wt.％TiB2p/ZL109复合材料在680℃熔化，通N2保护，熔化后搅拌15min，合上中隔板，关闭N2，下腔抽真空精炼，精炼时间5min，真空精炼结束后，下腔通N2，保护精炼后的熔体，安装升液管，型腔和套筒，安装完毕后，上腔抽真空，在5s内上腔真空度达到-0.03MPa，保持真空1s，下腔通N2，下腔压力达到0.1MPa，1min后，关闭真空，关闭N2，充型结束，卸开套筒和型腔，取件。制备的材料的T5态力学性能：σb＝355Mpa；σ0.2＝323Mpa；δ＝3.5％；E＝82.1Gpa。
实施例2：
将12wt.％TiCp/ZL101复合材料在750℃熔化，通Ar2保护，熔化后搅拌50min，合上中隔板，关闭Ar2，下腔抽真空精炼，精炼时间40min，真空精炼结束后，下腔通Ar2，保护精炼后的熔体，安装升液管，型腔和套筒，安装完毕后，上腔抽真空，在20s内上腔真空度达到-0.1MPa，保持真空10s，下腔通Ar2，下腔压力达到0.5MPa，5min后，关闭真空，关闭Ar2，充型结束，卸开套筒和型腔，取件。制备的材料的T6态力学性能：σb＝435Mpa；σ0.2＝417Mpa；δ＝1.2％；E＝86.7Gpa。
实施例3：
将(4wt.％TiB2+4wt.％TiC)/ZL114复合材料在720℃熔化，通N2保护，熔化后搅拌30min，合上中隔板，关闭N2，下腔抽真空精炼，精炼时间20min，真空精炼结束后，下腔通N2，保护精炼后的熔体，安装升液管，型腔和套筒，安装完毕后，上腔抽真空，在10s内上腔真空度达到-0.07MPa，保持真空5s，下腔通N2，下腔压力达到0.3MPa，3min后，关闭真空，关闭N2，充型结束，卸开套筒和型腔，取件。制备的材料的T6态力学性能：σb＝383Mpa；σ0.2＝353Mpa；δ＝3.3％；E＝83.8Gpa。

Claims (9)

1、一种铝基复合材料反重力真空吸铸制备方法，其特征在于，步骤如下：
(1)在惰性气体保护下，复合材料在坩锅中加热熔化后搅拌；
(2)关闭惰性气体，合上中隔板，抽真空精炼；
(3)真空精炼结束后，迅速通惰性气体保护，在气体保护下安装升液管、型腔和套筒；
(4)上腔抽真空，液态金属在反重力状况下充型；
(5)型腔充满后，保持结壳时间，然后增加下腔惰性气体的压力，复合材料在上腔真空、下腔通惰性气压的双重作用下补缩、凝固。
2、根据权利要求1所述的铝基复合材料的反重力真空吸铸制备方法，其特征是，步骤(1)中，惰性气体为：N2或Ar2。
3、根据权利要求1或者2所述的铝基复合材料的反重力真空吸铸制备方法，其特征是，步骤(1)中，复合材料加热熔化温度为：680-750℃。
4、根据权利要求1或者2所述的铝基复合材料的反重力真空吸铸制备方法，其特征是，步骤(1)中，搅拌时间为：15-50min。
5、根据权利要求1所述的铝基复合材料的反重力真空吸铸制备方法，其特征是，步骤(2)中，铝基复合材料采用抽真空精炼，精炼时间为：5-40min。
6、根据权利要求1所述的铝基复合材料的反重力真空吸铸制备方法，其特征是，步骤(3)中，型腔为石英、硅铝系耐火材料制备的熔模模壳。
7、根据权利要求1所述的铝基复合材料的反重力真空吸铸制备方法，其特征是，步骤(4)中，上腔抽真空，液态金属在反重力状况下充型，充型时上腔真空度为：-0.1--0.03MPa。
8、根据权利要求1所述的铝基复合材料的反重力真空吸铸制备方法，其特征是，步骤(5)中，从充型开始到充满型腔的时间为：5-20s，充型后保持的结壳时间为：1-10s。
9、根据权利要求1或者8所述的铝基复合材料的反重力真空吸铸制备方法，其特征是，步骤(5)中，复合材料下腔惰性气体的压力为：0.1-0.5MPa，凝固保压时间为：1-5min。
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