鑄造法製備顆粒增強金屬基複合材料工藝

發佈時間： 06 / 18 2021 作者：網站編輯訪問：11352

金屬基複合材料是具有分散在金屬或合金基體中的特殊第二相的多相材料。具有特殊物理機械性能的第二相大大提高了材料的強度、硬度、耐磨性、耐熱性等性能。因此，這個第二階段也稱為強化階段。增強相通常分為顆粒增強相和纖維（晶須）增強相。由於增強材料的價格和復合技術等原因，澆注法製成的複合材料大部分是顆粒增強的。

近年來，顆粒增強複合材料的製備方法在加入增強體的物理方法上不斷改進，並發展了增強體的原位反應合成方法。

鑄造法製備顆粒增強金屬基複合材料工藝

無論採用何種鑄造複合方法，要想成功製備出性能優良、質量穩定的複合產品，都必須在技術上解決以下問題：

①根據材料的不同要求選擇合適的基體和增強體，
②提高基體熔體對增強體的潤濕性，
③控制增強體在基體中的合理分佈，
④解決了增強顆粒對基體熔體粘度的影響導致的鑄造成型工藝問題。

本文就上述顆粒增強金屬基複合材料鑄件製備技術中存在的問題進行總結，以期促進顆粒增強複合材料的生產。

增強體選擇：基體的性能、增強體以及增強體與基體的良好結合決定了複合材料的性能，因此應根據基材的類型和復合材料的性能要求合理選擇增強體. 選擇增強材料時，應考慮增強材料的彈性模量、拉伸強度、硬度、熱穩定性、密度、熔點、價格等因素。同時，增強體與基體之間的線膨脹係數和化學反應性應匹配。宣稱。以鋁為主要成分的基體，常用的增強材料有石墨、Al2O3、SiC、TiC、Al3Ti、TiB、Al3Zr等。以鋼為基體的複合材料的研究不如鋁成熟基複合材料，常用的增強材料比較成熟。較少，主要有WC、VC、TiC、TiN、Al2O3、SiC等。在選擇增強體類型後，增強體的尺寸及其在基體中的體積分數也應通過實驗確定。
提高增強體/基體潤濕性的方法：提高基體熔體對增強體的潤濕性，有利於減少增強體的團聚，有利於提高基體/增強體界面的結合強度，提高複合材料的整體性能。換句話說，它還有助於增強基體中的均勻分佈。通常採用以下措施來提高基體熔體對增強體的潤濕性。
增強體表面塗層處理：通過化學鍍或氣相沉積等方法在增強體表面塗覆某種金屬或化合物，可有效提高基體熔體對增強體的潤濕性。研究表明，石墨表面的鍍銅和Al2O3顆粒表面的TiN氣相沉積，有效地提高了基體對增強顆粒的潤濕性。
附加表面活性劑：據報導，在鋁熔體中加入石墨或矽粉的同時加入鎂塊，可以提高鋁液對增強體的潤濕性。近年來的研究也表明，除Mg外，Ca、RE、鹼金屬元素以及VI族和VIa族元素均具有提高鋁液對Al2O3、SiC等增強材料潤濕性的作用。
增強體的熱處理：熱處理去除增強體顆粒表面的油和水，可以增加增強體的表面能，增加熔體對增強體的潤濕性。有人用熱處理過的石墨粉製備了石墨/鋁複合材料，沒有鍍銅。熱處理方法為：將石墨粉加熱至600℃左右，8小時活化表面，然後冷卻，再加熱至200℃後加入鋁液除去水分。也有人採用加熱增強體的方法來提高增強體與基體的潤濕性來生產複合材料。
熔體的高能超聲處理：有人對熔體進行高能超聲處理製備了SiC/ZA27複合材料。研究認為，高能超聲在熔體中傳播時產生的空化效應清潔了增強顆粒的表面，增加了顆粒的表面張力，同時降低了熔體的表面張力，顯著提高碳化矽顆粒與 ZA27 熔體之間的關係。潤濕性。
增強體原位反應合成：應用原位反應合成技術製備含有增強顆粒的母合金，然後將該母合金加入基體熔體製備複合材料技術成為複合材料研究的熱點最近幾年。原位反應合成法通常是在母合金中加入一些純金屬、合金、化合物或鹽類物質，通過添加劑之間或添加劑與母合金成分之間的化學反應得到增強。由於增強體是原位反應生成的，表面清潔無污染，熱穩定性好，很好地解決了基體熔體對增強體潤濕性問題，增強體與基體相非常牢固地結合了更好的加固效果。一些科學家將鋁、鈦和碳粉按一定比例混合，然後壓成小塊。小塊在高溫擴散爐中真空燒結得到TiC/Al中間合金，並由中間合金製備TiC/2618複合材料。材料。其他人也通過原位反應合成成功製備了增強顆粒分佈均勻、性能優異的複合材料。
增強體分佈控制技術：控制增強體在基體中的分佈，充分發揮基體的有效強化作用，是製備滿足一定性能要求的複合產品的根本保證。
增強劑分佈不均勻的控制方法：對於耐磨/減磨材料，要求工作面具有較高的抗磨性能，其餘部分具有較好的綜合力學性能，以保證工作面得到有效支持。

因此，這類需要局部加強的產品，要求加強物分佈在產品工作面附近一定範圍內。常用的方法有以下幾種：

預增強法：預增強法是通過加成法製備表面增強複合材料的主要方法之一。是鑄滲法表面改性技術在復合材料製備中的應用。主要適用於製備耐磨複合製品。具體方法是：在產品需要加強的部位預先以油漆或糊塊的形式進行加強，然後倒入基體合金液中。基體合金液通過毛細管虹吸效應和合金液的壓力滲入增強體的間隙中，固化，形成增強體與基體緊密結合的表面增強複合產品。科學家們對該技術進行了深入研究，認為預增強表面複合技術的關鍵在於：①適當的增強粒徑和基體熔體對增強材料的良好潤濕性； ②粘合劑選擇與塗佈，膏體製備與塗刷工藝，③澆注溫度控制與澆注工藝；本發明具有工藝簡單、成本低、效果好的特點。是目前已經成功應用的一種表面複合技術，具有非常廣闊的應用前景。
離心控制法：根據增強體與基體熔體的比重差異，借助離心力使增強體沿徑向呈梯度偏析分佈的方法稱為離心控制法。梯度複合材料的一個重要發展方向。有人用離心控制的方法製備了石墨梯度分佈的石墨/鋁複合材料。科學家離心鑄造鋁鐵合金，獲得了初生鐵相沿徑向梯度分佈的自生梯度複合鑄管。覆砂金屬離心鑄造鋁鐵合金自生梯度複合材料指出：①隨著增強體數量的增加，增強體徑向分佈梯度逐漸減小，徑向分佈範圍逐漸擴大; 在0～2000r/min範圍內，隨著轉速的增加，鋼筋沿徑向的分佈梯度逐漸增大，徑向分佈範圍逐漸減小。
電磁攪拌控制方法：科學家在凝固過程中對(Mg2Si)20Al80合金熔體施加強交流電磁攪拌，製備出外表面富含Mg2Si的梯度複合材料。據分析，當進行電磁攪拌時，熔融金屬將在交變磁場中受到指向軸線的電磁力。由於增強體（新生的Mg2Si）的電導率低，基本上不受指向軸的電磁力的影響，而施加在熔體上的電磁力比較大，導致增強體周圍的力場不平衡，並且增強體受到遠離軸心的金屬熔體施加的擠壓力沿徑向向外移動，從而得到外表面富集和增強的梯度複合材料。研究指出，電磁攪拌器施加的三相交流電壓越大，液固界面與熔體之間的剪切力越大，初生Mg2Si顆粒越容易被推動到試樣的外表面，且偏析層較厚。
增強體均勻分佈的控制方法：對於整體增強複合材料，增強體在基體中的均勻分佈非常重要。加強對熔體的攪拌是達到鋼筋均質化目的的根本手段。以下是幾種有效的混合方法：
機械攪拌：機械攪拌是最傳統的攪拌熔體的方法。由於攪拌葉片材料的限制，在鋼合金中使用機械攪拌方法的例子很少。注意熔體的機械攪拌： ①合理選擇攪拌葉片的材質和形式：攪拌葉片與熔體直接接觸，容易對合金造成污染。對於有色合金，應使用有色刀片或在鋼刀片上塗上一層外塗層（如一層白土）。並且應根據增強體的顆粒密度選擇葉片旋轉方向。 ②混合好：應適當控制攪拌葉片的浸入深度，以產生穩定的渦流。攪拌棒的晃動或攪拌器葉片不當會增加增強體被熔體排斥的概率，從而使增強體在基體中的分佈變差。 ③攪拌時間：加入增強劑後，攪拌時間應盡可能長，攪拌後等待澆注的時間應盡可能短。美國有“一種將固體顆粒混合成液體的裝置”專利，稱該裝置生產的複合材料“克服了顆粒增強複合材料的常見缺陷，混合時間短，生產率高，低成本。”
氣體攪拌：用外部氣流或熔體反應產生的大量氣體攪拌熔體，也可以達到增強體在熔體中均勻分佈的目的。科學家利用原位反應產生的大量氣體攪動熔體，製備出增強均勻分佈的Al3Zr(p).Al2O3(p)/A356和(TiB2+TiAl3)/AlSi6Cu4複合材料。
高能超聲處理：科學家在 27°C 的 ZA600 合金熔體表面加入 SiC 顆粒，用高能超聲處理熔體 60-90 秒，得到熔體-顆粒懸浮液，整體顆粒分佈（如-cast) 獲得。均勻的 SiCp/ZA27 複合材料。研究認為，高能超聲波在熔體中的有限振幅衰減，使熔體中產生一定的聲壓梯度，形成流體射流，直接離開超聲波變幅桿的端面，在整個熔體中形成。環流（即聲流效應），聲流的速度可達熔體對流速度的10～103倍。聲流在去除增強顆粒表面雜質的同時，也將顆粒送入熔體深處，使其均勻分散。
複合熔體性能特點及成型工藝要點：複合熔體與普通熔體最大的區別是引入了增強體的固體顆粒。由於固體顆粒的引入，複合熔體的粘度會隨著痕量的TiC和TiB2突然顯著增加，導致鋁熔體的粘度突然變化。科學家指出了鑄件形成的理論。液態金屬的粘度對金屬在模具中的流動特性、模具的填充、氣體在液態金屬中的漂浮、金屬的進料等都有顯著的影響。

為了獲得良好的產品，粘度突然增加的複合熔體的成型過程必須處理以下兩個問題：

①提高熔體的流動性，增加其填充能力；
②防止熔體吸入氣體，加強熔體中氣體的去除。

Manchang Gui等人開發了一種由濾網和澆口組成的真空差壓澆注工藝。複合熔體通過過濾器後直接填充到模具中。金屬液充滿後，直澆道總是有壓力作用，最後凝固，所以可以給鑄件供料。這種鑄造工藝的特點具體表現在：

①基本消除氣源，基本消除澆注過程中產生的氣孔缺陷；
②簡化澆注系統，澆注系統重量和鑄件重量由非真空自由澆注（5-10）：1（0.5～1.5）：1降低；
③克服了複合熔體流動性差的缺點，可澆鑄複雜的薄壁複合鑄件。

Outlook

澆鑄法是製備複合材料最有前途的方法之一。未來的研究應重點關注以下幾個方面：

① 對於黑色金屬基體，根據複合材料的性能要求選擇增強材料；
② 開發更易於實現和工業化生產的製備方法；
③顯著降低複合產品的材料和製造成本；
④研究複合材料的回收再利用技術。

因此，相信鑄造法在耐磨耐熱複合製品的生產中將大有作為。　　

金屬基複合材料是一種特殊的第二相分散在金屬或合金基體中的多相材料。具有特殊物理機械性能的第二相大大提高了材料的強度、硬度、耐磨性、耐熱性等性能。因此，這個第二階段也稱為強化階段。增強相通常分為顆粒增強相和纖維（晶須）增強相。由於增強材料的價格和復合技術等原因，澆注法製成的複合材料大部分是顆粒增強的。

轉載請保留本文出處和地址: 鑄造法製備顆粒增強金屬基複合材料工藝

明和壓鑄公司致力於製造和提供優質和高性能的鑄件（金屬壓鑄件範圍主要包括薄壁壓鑄,熱室壓鑄,冷室壓鑄),圓形服務（壓鑄服務，數控加工,模具製作，表面處理）。任何定制的鋁壓鑄件、鎂或 Zamak/鋅壓鑄件和其他鑄件要求歡迎與我們聯繫。