复合部件及其制造方法和工具技术

公开了复合部件(10)、制造其的方法(400)和制造其的工具系统(200)。根据一个示例，高压压铸工艺用于制造复合部件(10)，复合部件由具有金属基质相(20)和颗粒相(22)的复合金属材料(12)制成，并且包括内部区域(14)和外部区域(16)，其中，复合金属材料(12)中的颗粒相(22)的平均浓度在外部区域(16)中比在内部区域(14)中高。压模(206)的内表面(206a，206b)可以涂覆有颗粒相(22)(例如，陶瓷基材料)，然后可以将熔融金属基质相(20)(例如，铝基材料)引入到压模(206)中，使得复合部件(10)形成为具有与内部区域(14)相比富含颗粒的外部区域(16)或外层。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】复合部件及其制造方法和工具相关申请的交叉引用本申请要求于2017年6月6日提交的序列号为62/515,589的美国临时专利申请的优先权，其全部内容通过引用明确地合并于此。
本专利技术涉及复合部件，更具体地，涉及使用高压压铸工艺由具有金属基质相(metalmatrixphase)和颗粒相的复合金属材料制成的复合部件。
技术介绍
金属基质复合材料可以包括金属基质相和颗粒相。颗粒相可以包括由设计为例如通过提供增加的强度或硬度来增强成形部件的整体材料性能的材料形成的颗粒。此外，颗粒本身可以为成形部件提供有利的材料性能。颗粒可以直接添加到熔融金属基质材料中，然后例如在高压压铸操作中形成复合部件。然而，通常很难控制颗粒在成形部件中的分布。例如，在铸造过程中，添加到熔融金属基质材料中的颗粒由于在模具的某些区域中的相互吸引而可能积聚，导致在成形部件的某些区域中的不希望的颗粒积聚。此外，当熔融部件凝固时，基体金属基质材料中的颗粒通常被移动的固液界面推动。由于在高压压铸操作中形成的部件倾向于首先在外表面区域凝固，随着固液界面在部件凝固时朝部件的内部移动，颗粒可能积聚在成形部件的内部部分中。结果，与颗粒相关联的有利的材料性能不均匀地分布在成形部件中，并且，至少，很难控制在成形部件中的颗粒放置。因此，需要复合部件，特别是金属基质复合部件以及解决上述缺点的金属基质复合部件的制造方法。
技术实现思路
根据一个方面，提供一种复合部件，包括：复合金属材料，其具有金属基质相和分散在金属基质相中的颗粒相；内部区域；以及外部区域，其至少部分地包围内部区域，其中，复合金属材料中颗粒相的平均浓度在外部区域中比在内部区域中高。根据另一方面，提供一种用于铸造复合部件的工具系统，包括：压模，其具有内表面，压模内表面的至少一部分涂覆有来自颗粒相的颗粒；以及注射器，其配置为将熔融材料注射到压模中，所述熔融材料包括金属基质相；其中，压模配置为将熔融材料凝固成复合部件，并且涂覆有来自颗粒相的颗粒的压模内表面配置为将颗粒分布在复合部件的外部区域中，复合部件的外部区域至少部分地包围复合部件的内部区域。根据另一方面，提供一种在具有压模的工具系统中铸造复合部件的方法，所述方法可以包括以下步骤：用具有多个颗粒的颗粒相涂覆压模的内表面的至少一部分；将具有金属基质相的熔融材料注射到压模中；并且使熔融材料在压模之内凝固以形成由复合金属材料制成、具有至少部分地包围内部区域的外部区域的复合部件，其中，复合金属材料中颗粒相的平均浓度在外部区域中比在内部区域中高。附图说明图1A是制动转子形式的示例复合部件的透视图，制动转子具有主要由金属基质相组成的内部区域以及主要由金属基质相和颗粒相组成的外部区域；图1B是图1A的复合部件的横截面图；图1C是图1A的复合部件的放大横截面图；图2A是可以用于使用高压压铸工艺形成图1A的复合部件的工具系统的示意截面图；图2B是图2A中的工具的示意性截面图，其中在颗粒施加步骤期间压模部分打开；图2C是图2A中的工具的示意性截面图，其中在熔融材料加载步骤期间压模部分关闭；图2D是图2A中的工具的示意性截面图，其中在熔融材料注射步骤的第一阶段期间压模部分关闭；图2E是图2A中的工具的示意性截面图，其中在熔融材料注射步骤的第一阶段结束时压模部分关闭；图2F是图2A中的工具的示意性截面图，其中在熔融材料注射步骤的第二阶段期间压模部分关闭；图2G是图2A中的工具的示意性截面图，其中在熔融材料注射步骤的第二阶段结束时压模部分关闭；图2H是图2A中的工具的示意性截面图，其中在熔融材料凝固步骤期间压模部分关闭；图2I是图2A中的工具的示意性截面图，其中在模具打开步骤期间压模部分打开；图2J是图2A中的工具的示意性截面图，其中在部件移除步骤期间压模部分打开；图3是示出施加到(诸如图2A的工具中的压模部分的)压模部分的内表面的多个颗粒的放大图；以及图4是根据高压压铸工艺形成复合部件的示例方法的工艺流程图，并且可以与图2A的工具一起使用。具体实施方式本文提供可以由复合金属材料形成的复合部件(也称为金属基质复合部件或金属基质部件)以及用于制造所述复合部件的方法和工具的示例性图示。复合金属材料包括金属基质相和颗粒相。根据一个示例，金属基质相包括铝基材料，其中铝是所述材料在重量基础上的最大单一成分，而颗粒相包括一个或多个陶瓷基材料，其中陶瓷是所述材料在重量基础上的最大单一成分。颗粒相可以通过下文进一步描述的各种方式被引入到金属基质相中，由此产生复合金属材料并促进复合部件中的有利的材料性能。可以用于生产由具有铝基金属基质相和陶瓷基颗粒相的复合金属材料制成的复合部件的方法的示例包括不同的铸造方法，例如高压压铸。根据一个示例，公开了一种高压压铸方法，其设计为以如下方式将颗粒相引入到金属基质相中：颗粒倾向于集中在复合部件的外部区域中，而不是部件的内部区域。通过将来自颗粒相的颗粒集中在复合部件的外部区域或外层中，所述部件可以更好地展现由颗粒提供的一些材料特性，如改进的耐磨性、导电性、导热性、抗氧化性、强度等。相比之下，在上述高压压铸工艺中，由于在部件凝固过程中熔融基本金属(moltenbasemetal)首先沿熔融材料接触模具表面的部件的外部冷却的趋势，在被引入到模具中之前直接添加到熔融基本金属中的颗粒将倾向于在复合部件的内部区域之内积聚。在这种情况下，颗粒经常通过固-液前锋向部件内部的移动被带入到部件的内部中。这种颗粒的移动可以导致颗粒在部件的内部之内在晶界上的不成比例的聚集或集中，由此削弱基本金属结构。此外，降低复合部件的外部区域或外层中的颗粒浓度通常使颗粒的材料性能的影响最小化。在本文提供的各种示例中，来自颗粒相的颗粒以如下方式被引入到复合金属材料中：使所述颗粒不成比例地集中在复合部件的外部区域或外层中，而不是部件的内部区域。还提供了示例，其中来自颗粒相的颗粒被定向或特别施加到外部区域的某些部分或区段，例如在复合部件的高应力区域处。因此，颗粒相可以均匀地分布在复合部件的外部区域，或者可以不均匀地分布，使得颗粒的浓度被选择性地定位于复合部件的需要某些颗粒材料特性的局部区域中(例如，复合部件需要增加的耐磨性或耐腐蚀性的区域中的颗粒浓度)。根据非限制性示例，使用高压压铸方法使来自颗粒相的颗粒集中在复合部件的外部区域中的一种方法是，首先在模具的内表面涂覆颗粒，然后将熔融金属基质相注射到涂覆的模具中。当熔融金属基质相在涂覆的模具或压模空腔之内凝固时，形成与复合部件的内部区域相比富含颗粒的外部区域或外层。在这个实施例中，外部区域比内部区域具有更高的颗粒浓度。涂覆模具的内表面的一些示例包括喷涂颗粒、轧制颗粒或通过使用一薄层含颗粒材料在原位施加颗粒，以列举一些可能性。可以使用其他颗粒施加技术来代替。可以用于制造复合部件(如本文所述的)的工具的示例包括具有注射器和模具的高压压铸工具，至少一部分内部本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合部件(10)，包括：/n复合金属材料(12)，所述复合金属材料具有金属基质相(20)和分散在所述金属基质相中的颗粒相(22)；/n内部区域(14)；以及/n外部区域(16)，所述外部区域至少部分地包围所述内部区域(14)，其中，所述复合金属材料(12)中颗粒相(22)的平均浓度在所述外部区域(16)中比在所述内部区域(14)中高。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170606 US 62/515,5891.一种复合部件(10)，包括：
复合金属材料(12)，所述复合金属材料具有金属基质相(20)和分散在所述金属基质相中的颗粒相(22)；
内部区域(14)；以及
外部区域(16)，所述外部区域至少部分地包围所述内部区域(14)，其中，所述复合金属材料(12)中颗粒相(22)的平均浓度在所述外部区域(16)中比在所述内部区域(14)中高。


2.如权利要求1所述的复合部件，其中，所述金属基质相(20)包括铝基材料或镁基材料中的至少一种。


3.如权利要求2所述的复合部件，其中，所述金属基质相(20)包括铝基材料，所述铝基材料包括铝和重量在0-25％之间的硅，包括0和25％。


4.如权利要求1所述的复合部件，其中，所述颗粒相(22)包括陶瓷基材料。


5.如权利要求4所述的复合部件，其中，所述颗粒相(22)包括陶瓷基材料，所述陶瓷基材料包括氧化物、碳化物、硼化物、氮化物或硅酸盐中的至少一种。


6.如权利要求1所述的复合部件，其中，所述内部区域(14)基本上是无颗粒的，使得所述内部区域(14)中的整体复合金属材料(12)重量的小于大约0.5％是所述颗粒相(22)。


7.如权利要求1所述的复合部件，其中，所述外部区域(16)是富含颗粒的，使得所述外部区域(16)中的整体复合金属材料(12)重量的大于大约5％是所述颗粒相(22)。


8.如权利要求7所述的复合部件，其中，所述外部区域(16)中的颗粒相(22)具有梯度型分布，使得颗粒的浓度在所述复合部件(10)的外表面(24)附近最高，并且朝向所述复合部件(10)的中心进一步降低。


9.如权利要求7所述的复合部件，其中，所述外部区域(16)中的颗粒相(22)具有不均匀的分布，使得颗粒的浓度选择性地位于所述复合部件(10)的需要某些颗粒材料性能的局部区域。


10.如权利要求1所述的复合部件，其中，所述复合部件(10)进一步包括至少部分地位于所述内部区域(14)与所述外部区域(16)之间的边界区域(18)，所述边界区域(18)具有大约0.001-0.1mm的厚度，包括0.001和0.1mm，并且主要由金属间化合物组成，所述金属间化合物包括来自所述内部区域(14)和所述外部区域(16)的成分。


11.如权利要求1所述的复合部件，其中，所述复合部件(10)是包括中心轮毂部分(50)和环形转子部分(52)的制动转子，所述环形转子部分(52)包括所述外部区域(16)，使得所述外部区域(16)中的颗粒相(22)的较高平均浓度增加所述环形转子部分(52)的耐磨性。


12.一种用于铸造复合部件(10)的工具系统(200)，包括：
压模(206)，所述压模具有内表面(206a，206b)，所述压模内表面(206a，206b)的至少一部分涂覆有来自颗粒相(22)的颗粒；以及
注射器(212)，所述注射器配置为将熔融材料(M)注射到所述压模中，所述熔融材料(M)包括金属基质相(20)；
其中，所述压模(206)配置为使所述熔融材料(M)凝固成所述复合部件(10)，并且涂覆有来自所述颗粒相(22)的颗粒的压模内表面(206a，206b)配置为将所述颗粒分布在所述复合部件(10)的外部区域(16)中，所述复合部件(10)的外部区域(16)至少部分地包围所述复合部件(10)的内部区域(14)。


13.如权利要求12所述的工具系统，其中，所述压模内表面(206a，206b)包括第一表面部分和第二表面部分，所述压模第一表面部分涂覆有来自所述颗粒相(22)的颗粒，并且对应于希望有所述颗粒相(22)的材料性能的所述复合部件(10)的第一部分，所述压模第二表面部分未涂覆来自所述颗粒相(22)的颗粒，并且对应于不如所述复合部件(10)的第一部分希望有所述颗粒相(22)的材料性能的所述复合部件(10)的第二部分。


14.一种在具有压模(206)的工具系统(200)中铸造复合部件(10)的方法(400)，所述方法包括以下步骤：
用具有多个颗粒的颗粒相(22)涂覆所述压模(206)的内表面(206a，206b)的至少一部分；
将具有金属基质相(20)的熔融材料(M)注射到所述压模(206)中；并且
使所...

【专利技术属性】
技术研发人员：亚历山大·雷克赫拉，山姆·卡索梅，
申请(专利权)人：示罗产业公司，
类型：发明
国别省市：美国;US