制备金属基复合材料的方法及由该方法生产的产品技术

本发明专利技术涉及一种制备金属基复合材料的新方法及由该方法生产的产品。这种方法的主要特点是：在常压下的空气气氛里，通过熔融金属或合金与可渗性材料或自支撑体以及它们中所含的空气和渗透剂的相互接触及反应，改善了金属液体的润湿性，使前者能自发渗入填料或自支撑体内部，形成所需复合材料。特别是为避免渗透剂引起的氧化燃烧，采用了足够低的金属液体温度，在其自发渗入填料后可较快凝固。由本方法制成的复合材料中含有不连续的由空气与金属和渗透剂反应生成的氧化物和氮化物相。（*该技术在2010年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及制备金属基复合材料的一种新方法及由该方法生产的产品，这种方法的主要特点是在空气气氛下，使熔融金属与填料或自支撑体及其空气以及渗透剂相接触，待自发渗入填料或支撑体内部后，较快凝固形成金属基复合材料的过程。金属基复合材料具有增强相的部分刚性和耐磨性以及金属基体的延伸性和韧性，此外还可能具有很轻的比重和优异的高温性能，已经发展了许多制造金属基复合材料的方法，比如加压浇铸，真空浇铸，粉末冶金，半固态铸造，在增强相上涂敷润湿剂再加入金属液体的方法等等，这些方法都有各自的局限性，或者是工艺复杂，需要特殊设备，或者成本太高或者效果不理想，因此长期以来一直希望找到一种简单、方便而且效果良好的制备。美国专利849，171(White and al.)和美国未决专利141，624(Michel k，and al.)以及中国未决专利1030445，1042486，1042487，1042488，1042490，1042491，1042492，1042495，1042498，1042499，101293，1033987，1034688都涉及了一种新的方法，它是在一种特殊的渗透气氛下，向熔融态的金属(比如铝合金)提供一种可渗透的材料(比如陶瓷材料、晶须等)，并且将一种所谓渗透增强剂前体(在金属为铝的情况下，这种前体可选自镁、钙、锶中的任一种或几种)或渗透增强剂(由增强剂前体与渗透气氛或金属反应生成的物质)加到金属或填料中，也可以加到金属与填料之间，总之是要让金属、增强剂前体或者增强剂、填料相接触，这样通过它们与渗透气氛的反应改善了金属与填料的润湿性，使前者自发向后者内部渗透，而不需要外部加压或抽真空，当渗透到所需厚度时，降低温度使之固化，即可得到嵌有该填料的金属基复合材料，其中含有不连续的反应产物(如氧化铝)。这种方法最重要的条件是对于所选定的金属基体，必须配以一定的渗透增强剂前体或增强剂以及相应的渗透气氛。这是不能随意改动的。比如对于铝或铝合金，渗透增强剂前体必须是镁、钙、和锶中的一种，渗透气氛的组成必须是以氮气为主，其余为非氧化性气体。这种自渗透方法的优点是显而易见的，较之于加压浇铸，不需要特殊设备，较之于粉末冶金烧结，增强相的体积分数可以更高，较之于半固态法材料性能更好等等，但由于需要一整套附属设备以提供所需配比、压力和流速的气体，以及充填气体的特殊加热炉、输送气体的管道及控制装置，用时还要考虑防止气体外溢或氧化性气体(如空气)混入的措施，比如在中国专利公开号CN1033987A中所提出的第一最佳实施例中就指出，“...石墨舟26及装载物在石墨真空炉中加热，炉内有流速为1.5升/分的10%的氮气，加热过程如下，5小时内以恒定速率升温至865℃，在865℃保温20小时，然后在3小时内以恒定速率降温至环境温度...”在长达28小时的时间内以1.5升/分的速率通气，熔化仅为2时×1/2时的铝合金块，因而此方法在能源和设备的消耗上也是很不经济的。为了更清楚说明问题，再引用前述各专利中对所谓渗透气氛的定义和解释中国专利CN1033987A，权力要求“第1条(b)，提供一种气体，它包括大约10%至100%体积的氮气余为非氧化气体...”，说明书第7页“...在含有10%(至少约5%)100%体积的氮其余为非氧化气体的气氛中接触...”。中国专利CN1030445A，权力要求书“第1条(b)，含有约10-100%体积氮气，其余为非氧化性气体的存在下...”，说明书第9页“此处提到”其余非氧化性气体“是指除元素氮外的任何气体，该类气体是惰性气体或还原气体，该还原性气体在本工艺条件下不与铝反应，在所使用的气体中，任何氧化性气体(N2除外)都可以杂质形式存在，只要它们不足以将金属氧化到任何重要程度”。中国专利CN1042486A，权利要求书“第2条，根据权利要求1的方法，该方法还包括至少在渗透的一段时间内，提供一种渗透气氛，...。”权利要求书第28条“根据权利要求2的方法，其中的渗透气氛含有选自氧气和氮气的一种气体。”第20条“根据权利要求3的方法，其中的基质金属含铝，渗透增强剂前体至少含一种选自镁、锶和钙的物质，并且渗透气氛含氮气，”说明书第20页“...在此所用的”平衡非氧化性气体“的意思是除构成所说渗透气体之外存在的任何气体，在所用工艺条件下，或者是惰性的或者是基本上不与所述基质金属反应的还原性气体，在所用工艺条件下可能以杂质形式存在于所用气体中的任何氧化性气体应不足以使所用的基质金属氧化到任何显著的程度。”中国专利CN1042488A，权利要求书“第1条...使一种固定的渗透气氛与至少一部分所说的填料联相系...”，第19条“...渗透气氛包括氮气...”。第27条“一种如权利要求1所述的方法，其中的渗透气氛包括选自氧气和氮气中的一种气氛”。第37条“一种如权利要求1，30或34所述的方法，还包括提供氧化剂捕集剂的步骤”。说明书第17页“...预型体的开口端至少部分地被限制或密封以限制流入空腔中的渗透气氛逸出，和/或可以限制任何非渗透气氛(例如，氧化剂)与该空腔相接触...”。还可以举出相关内容的中国或美国专利，在其中也有类似的关于所谓渗透气氛的定义和解释。可以看出，对于铝或铝合金作金属基质，镁作为渗透增强剂前体的情况，渗透气氛主要含氮，其余为惰性或还原性气体，而氧化性气体如氧气只能以杂质形式存在且不足以将金属氧化到任何重要程度，对于有可能混入氧气的情况则应尽可能避免，因此，以空气作渗透气氛是不允许的，(其原因将在后面说明)。本专利技术的目的就是用空气代替特殊气氛以克服后者带来的诸多不便，同时缩短渗透时间和降低渗透温度以节省能源和设备的损耗，并在填料的选择范围和它与金属基体的不良反应上有所改进。本专利技术包括以下内容，计算好所用金属或合金的配比及量，使其熔化后可以进行常规工艺处理，比如，选择Al-Si合金，在普通的石墨坩埚内熔化，然后进行常规除气精炼和变质处理，(这些工艺步骤并非必要)熔化的金属最好在熔点温度下保温待浇，模具可用各种常规方法预制，只要其材料能耐所用金属熔点以上的高温并基本不为其渗透即可，比如可用普通铸造型砂，水玻璃砂或者普通石墨材料，模具最好先烘干除去水分，以免在生成的材料中留下气孔，渗透剂可以为粉状，这时可与已烘干的填料混合均匀再放入具有特定形状的模具内腔，也可以先放入混合均匀的填料，再铺上渗透剂使之先于填料和金属液相接触，渗透剂也可以呈片状，这时最好放于填料表面使之先和金属液相接触。已放入模具内腔的填料和渗透剂的表面最好平整，选用与这些表面形状大小差不多的可熔性缓冲层盖在其上，使缓冲层将先于填料和渗透剂与金属液相接触，对于铝或其合金作金属基质的情况，缓冲层最好选用铝薄板，对于采用自支撑体表面放置渗透剂片或块，自支撑体可以放模内也可放模料堆中，只露出上表面，在自支撑体和渗透剂的表面再盖上缓冲层使之先与金属液接触，而渗透剂则同时或者先于填料和金属液接触，对于将盛装填料的模具或自支撑直接压入金属液体的方法，模具材质可选用可熔性缓冲层的材质，比如对于铝或其铝合金作金属基质的情况，模具可用铝薄板制作，可以有所需复合材料件的形状或尺寸，渗透剂粉可与填料混合均匀后放入模内也可以放在填料外围使本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备金属基复合材料的方法，该方法包括将盛有助渗剂和填料的模或含有助渗剂的预制自支撑体在空气气氛下浸入熔融金属液下，使之自发渗入填料或自支撑体内部形成金属基复合材料的步骤。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：何宗彦，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：51[中国|四川]