直接接触反应法制取金属基复合材料的方法技术

本发明专利技术是一种制造颗粒增强金属基复合材料的新工艺。本发明专利技术与目前工艺的主要区别在于采用直接接触反应法生成硬质相，使基体合金的熔炼、压铸与起增强作用的硬质相颗粒的形成同时进行，因而使复合材料的制造工艺大大简化，大幅度地降低了成本。应用本发明专利技术可以制造Ａｌ基合金、Ｚｎ基合金等金属基体的颗粒增强复合材料，其力学性能优良，可以广泛地用于工业制件。（*该技术在2013年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于复合材料领域，涉及到对用于浇铸或者压铸零件用的颗粒增强金属基复合材料的制造工艺的改进。颗粒增强金属基复合材料具有强度高、耐热、耐磨、抗蠕变等优异的力学性能。复合材料中起增强作用的颗粒尺寸越小，所制得的复合材料的综合力学性能就越好。目前制取颗粒增强金属基复合材料的方法有以下三种第一种方法是高能球磨法，适用于尺寸大于1.0μm的颗粒。把颗粒与合金粉末混合均匀，再用粉末冶金的方法制取复合材料。这种方法工艺复杂，成本高。第二种方法是浸渗法。为了保持复合材料的优异性能，增加颗粒与基体金属液的润湿性，美国专利US4444603提出了一种制取颗粒增强金属基复合材料的方法，它是把颗粒的表面涂上一层涂层，由于涂层材料与金属液之间的润湿性较好，使颗粒容易与金属液结合。这种方法适用于尺寸大于1.0μm的颗粒和晶须。由于需要在颗粒的表面涂覆均匀的涂层，使其工艺复杂，成本高。第三种方法是所谓XD法，例如美国专利US4710348所提供的方法以及在下述两篇文章中介绍的方法，《Scripta Metallurgica et Meterialia》，Vol.24，1990，P.183和NASA Contraitor Report 4365，1991。XD法是利用两种能相互反应的元素(例如Ti和B)，把它们扩散到基体金属(例如铝合金)中去，在基体金属晶粒内部发生化学反应生成硬质相颗粒(例如TiB2等)。其技术关键是固溶促进反应。其工艺可分成两个阶段第一阶段是制取坯料，生成硬质相，包括配料-混合-压实-除气-烧结(固相烧结和液相烧结)-坯料;第二阶段是将坯料熔炼-铸造零件或者把坯料加包套后通过挤压、轧制或者模锻制成零件。这种工艺方法在其第一阶段使两种反应物生成硬质相颗粒，在第二阶段将硬质相颗粒分散到金属溶液中去。其工艺复杂，成本高。本专利技术的目的是提供一种工艺简单、成本低廉的、便于推广使用的制造颗粒增强金属基复合材料的方法，该方法不是在复合材料熔炼之前就生成硬质相颗粒，而是在金属熔炼或者压铸过程中使反应物直接反应生成硬质相颗粒并均匀分散在基体溶液中，凝固后即得到in-situ颗粒增强金属基复合材料或者铸件，因而大大简化了工艺过程，降低了成本。本专利技术的另一个目的是改善硬质相颗粒与基体金属溶液之间的润湿性，从而进一步提高复合材料及其铸件的力学性能。本专利技术的技术方案是采用，其特征在于工艺过程包括制取预制块和熔炼浇铸两个阶段(1)制取预制块包括以下步骤(1.1)原料制备预制块由两种可以相互反应生成硬质相的反应物和某一特定的金属元素组成，所说的两种反应物可以是下列组合之一①铝或者铝合金与一种过渡族金属氧化物的组合，例如Al和CuO;Al和ZnO;Al和Cr2O3;②一种金属和一种非金属元素的组合，金属元素包括Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo;非金属元素包括C、B、Si，③两种非金属元素的组合，例如下列组合之一C和B;C和Si等，所说的特定的金属元素可以是下列元素之一Al、Mg、Zn、Cu、Ni、Fe、Cr、Mn和稀土元素，两种反应物的重量比为1∶0.1～0.7，两种反应物的重量与特定金属元素的重量比为1∶0.02～0.95，反应物和金属元素均为粉末状，其粒度范围是10～250μm，(1.2)混合将上述原料粉末放入搅拌机内混合均匀，(1.3)压制成型把混合均匀的原料放入模具中加压，压力范围是200～1000MPa，在室温下压制成型，制成的预制块的三维直线尺寸之和不大于1000mm，(2)熔炼浇铸包括以下步骤(2.1)熔炼将适量的基体合金例如Al-Si、Zn-Al合金等放入加热装置例如坩锅中加热，加热温度为该合金熔点以上200～400℃，(2.2)加预制块将适量的预制块压入合金溶液中并充分搅拌，所加入的预制块中的两种反应物的重量与基体合金重量的比值不大于0.45，(2.3)保温10～60分钟，(2.4)浇铸工件。上述工艺步骤(1.1)中所说的两种反应物的重量比是指前后两种元素(或物质)的重量比，例如铝或者铝合金与过渡族金属氧化物的重量比，或者金属与非金属元素的重量比，或者第一种非金属元素与第二种非金属元素的重量比均为1∶0.1～0.7。需要强调指出，在本专利技术工艺的第一阶段即制取预制块的阶段，是把生成硬质相的各种原料组合在一起，但是反应物之间并没有相互反应生成硬质相。只有把预制块压入到合金熔液中或者把合金熔液压铸进加有预制块的铸模中之后，反应物才在熔液中反应生成硬质相，这就是直接接触反应法基本要点，同时也是最大的优点。对于采用浇铸工艺生产的金属基复合材料零件，上述的方法都是适用的。根据同样的专利技术构思，本专利技术提供一种采用压铸工艺生产金属基复合材料的方法采用，其特征在于工艺过程包括制取预制块和熔炼压铸两个阶段(A)制取预制块包括以下步骤(A.1)原料制备预制块由两种可以相互反应生成硬质相的反应物和某一特定的金属元素和有机挥发粘结剂组成，所说的两种反应物可以是下列组合之一①铝或者铝合金与一种过渡族金属氧化物的组合，例如Al和CuO;Al和ZnO;Al和Cr2O3;②一种金属和一种非金属元素的组合，金属元素包括Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo;非金属元素包括C、B、Si，③两种非金属元素的组合，例如下列组合之一C和B;C和Si等，所说的特定的金属元素可以是下列元素之一Al、Mg、Zn、Cu、Ni、Fe、Cr、Mn和稀土元素，两种反应物的重量比为1∶0.1～0.7，两种反应物的重量与特定金属元素的重量比为1∶0.02～0.95，反应物和金属元素均为粉末状，其粒度范围是10～250μm，所说的有机挥发粘结剂是醚类物质，所加入的粘结剂的体积与两种反应物及金属元素的体积之和的比值不小于2，(A.2)混合将上述原料粉末以及粘结剂放入搅拌机内混合均匀，(A.3)压制成型把混合均匀的原料放入模具中加压，压力范围是20～100MPa，在室温下压制成型，制成的预制块的三维直线尺寸之和不大于1000mm，(B)熔炼压铸包括以下步骤(B.1)熔炼将适量的基体合金例如Al-Si、Zn-Al合金等放入加热装置例如坩锅中加热，加热温度为该合金熔点以上200～400℃，(B.2)加预制块将适量的预制块放入压铸工件的模具中，所加入的预制块中的两种反应物的重量与模具所能容纳的基体合金重量的比值不大于0.45，(B.3)保温10～60分钟，(B.4)压铸工件，使用压铸机将合金溶液压铸进模具中去，保压保温时间为10～60分钟。上述工艺步骤(A.1)中所说的两种反应物的重量比是指前后两种元素(或物质)的重量比，例如铝或者铝合金与过渡族金属氧化物的重量比，或者金属与非金属元素的重量比，或者第一种非金属元素与第二种非金属元素的重量比均为1∶0.1～0.7。本专利技术的反应机理和XD法有本质的区别，XD法的反应机理是固熔有助于反应，在一定的温度下，把能起反应的元素固熔到某一金属元素中，经相互碰撞，发生反应，生成硬质相;而本专利技术利用高温下相互接触且能起反应的元素，不需扩散到基体合金中，可直接反应生成硬质相。本专利技术与目前已有技术相比具有如下显著的优点1、工艺简便，成本低廉，便于推广使用。本专利技术的方法把反应物生成硬质相的过程与基体金属(合金)的熔炼合并为一个工艺步骤，使金本文档来自技高网...

【技术保护点】
采用直接接触反应法制取金属基复合材料的方法，其特征在于工艺过程包括制取预制块和熔炼浇铸两个阶段：（１）制取预制块包括以下步骤：（１. １）原料制备：预制块由两种可以相互反应生成硬质相的反应物和某一特定的金属元素组成，所说的两种反应物可 以是下列组合之一：①铝或者铝合金与一种过渡族金属氧化物的组合，例如Ａｌ和ＣｕＯ；Ａｌ和ＺｎＯ；Ａｌ和Ｃｒ↓［２］Ｏ↓［３］；②一种金属和一种非金属元素的组合，金属元素包括Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ；非金属元素包括Ｃ、Ｂ、 Ｓｉ，③两种非金属元素的组合，例如下列组合之一：Ｃ和Ｂ；Ｃ和Ｓｉ等，所说的特定的金属元素可以是下列元素之一：Ａｌ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｎ和稀土元素，两种反应物的重量比为１∶０. １～０. ７，两种反应物的重量与特定金属 元素的重量比为１∶０. ０２～０. ９５，反应物和金属元素均为粉末状，其粒度范围是１０～２５０μｍ，（１. ２）混合：将上述原料粉末放入搅拌机内混合均匀，（１. ３）压制成型：把混合均匀的原料放入模具中加压，压力范围是２００～１０００ＭＰａ ，在室温下压制成型，制成的预制块的三维直线尺寸之和不大于１０００ｍｍ，（２）熔炼浇铸包括以下步骤：（２. １）熔炼：将适量的基体合金例如Ａｌ基合金或者Ｚｎ基合金等放入加热装置例如坩锅中加热，加热温度为该合金熔点以上２００～４００℃， （２. ２）加预制块：将适量的预制块压入合金溶液中并充分搅拌，所加入的预制块中的两种反应物的重量与基体合金重量的比值不大于０. ４５，（２. ３）保温：１０～６０分钟，（２. ４）浇铸工件。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王自东，李春玉，李庆春，张录山，于桂复，夏洋，
申请(专利权)人：航空航天工业部第六二一研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]