一种铝基钢空心球增强复合材料制备方法及其模具技术

一种铝基钢空心球增强复合材料制备方法及其模具，模具包括浇口料斗、铸模型腔以及底座；由隔板将铸模型腔分为垂直浇道和样件成型腔；铸模型腔置于底座上，浇口料斗置于铸模型腔的垂直浇道上。制备方法包括以下步骤：装配模具；计算所需钢空心球数量并填充进样件成型腔；设置升温保温程序，熔化铝合金块，加热模具；将熔融的铝合金溶液自浇口料斗浇入垂直浇道，至铝合金溶液完全浸没所有钢空心球后停止浇注，待模具空冷至室温；取出铸件，机加工得到铝基钢空心球增强复合材料样件。本发明专利技术模具可减少金属溶液消耗量，同时缩短铝合金溶液充型时间。采用本发明专利技术方法制备的空心球增强复合材料，具有密度低、球基结合效果好、基质缺陷少的特点。特点。特点。

【技术实现步骤摘要】
一种铝基钢空心球增强复合材料制备方法及其模具


[0001]本专利技术属于空心球增强复合材料
，涉及一种铝基钢空心球增强复合材料制备方法及其模具。

技术介绍

[0002]空心球增强复合材料由空心金属球增强体和固体金属基质构成，均匀排布的空心球使得空心球增强复合材料在压缩载荷作用下能够均匀的变形，并具有各向同性的力学性能，避免了塌陷带的形成和过早失效。其韧性基质的存在促进了球体之间更好的结合，从而提高了材料强度和能量吸收能力。空心球增强复合材料集成了金属泡沫、金属空心球结构和颗粒增强金属基复合材料的特点和优势，其密度小、孔隙率高、比刚度和单位体积吸能大，是一类力学性能优异的结构/功能一体化的新型金属基多孔材料。
[0003]CN108796256A公开了《一种空心球与铝合金基隔声材料的制备方法》，通过将不锈钢空心球随机分布在铝合金粉体内形成预制体，对预制体进行真空热压烧结，制备出复合金属泡沫材料。CN111283174A公开了《一种具有孔隙梯度的金属空心球复合材料》，通过压力铸造法将铝合金溶液填充进模具内预先排列好的金属空心球结构中，制备出金属空心球复合材料。上述两项专利技术所涉及的方法均能够制造出类似空心球增强复合材料，但是通过热压烧结法制备的复合金属泡沫，其基体受基质粉体颗粒大小、压力、温度等多种因素限制，易出现基质烧结强度不足、颗粒度明显等现象。采用压力铸造的方法，会导致部分气体被自上而下流动的金属溶液包裹，形成气阻，致使冷却后金属空心球复合材料的金属基体存在明显缺陷，限制了材料的使用。
专利
技术实现思路

[0004]本专利技术的主要目的在于，针对现有空心球增强复合材料基质孔隙率大、强度低，球隙间基质填充度低、易产生气孔等问题，提供一种铝基钢空心球增强复合材料制备方法及其模具。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采用的技术手段如下：
[0006]一种空心球增强复合材料制备模具，所述的模具包括浇口料斗1、铸模型腔2以及底座3。所述的底座3为上端开口的方形结构，铸模型腔2置于底座3内，且所述铸模型腔2外侧面不与底座3内侧面接触。所述的铸模型腔2为上下开口的四棱台结构。所述的浇口料斗1设于铸模型腔2上表面一侧，其下部深入铸模型腔2中。所述的铸模型腔2内设施垂直隔板6，隔板6顶部与所述铸模型腔2上表面固连且与浇口料斗1接触，隔板6底部与铸模型腔2下表面留有间隙，该间隙为内浇口7，由隔板6将铸模型腔2分为垂直浇道4和样件成型腔5，其中，浇口料斗1下方的区域为垂直浇道，即浇口料斗1置于铸模型腔2的垂直浇道4上。
[0007]所述的铸模型腔2底部外侧面与底座3内侧面间隙应满足：
[0008][0009]其中，l
b
为底座3内侧面边长，单位mm；l
c
为铸模型腔2底部外侧面边长，单位mm；l
g
为铸模型腔2底部外侧面与底座3内侧面间隙，单位mm。
[0010]所述的铸模型腔2中垂直浇道4与样件成型腔5之间的隔板6距底座3内表面的距离为内浇口高度，内浇口7高度h
b
应满足：
[0011][0012]其中，h
b
为内浇口高度，单位mm；d
hs
为钢空心球直径，单位mm；当所选空心球球径规格不同时，h
b
取值范围按照球径最小的球确定。
[0013]进一步的，所述浇口料斗1、铸模型腔2以及底座3均采用耐高温不锈钢制作，包括316L不锈钢、310S不锈钢及其他牌号耐高温不锈钢。
[0014]进一步的，所述铸模型腔2设有拔模角。
[0015]一种基于上述模具实现的空心球增强复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0016](1)将浇口料斗1、铸模型腔2以及底座3进行装配。
[0017](2)取一定数量的钢空心球填充进步骤(1)已装配的模具样件成型腔5中，为保证铝溶液充分浇满，样件成型腔5上层部分空间不填充钢空心球，即钢空心球的总体积不超过其所占样件成型腔5体积的二分之一，所述空心球数量可由下式估算：
[0018][0019][0020]其中，f
i
表示第i类空心球所占样件成型腔5的体积分数，其中i＝1,2,
…
,k，表示共有k类空心球。n
k
为第k类钢空心球个数；V
k
为第k类钢空心球单个体积，单位cm3；V
c
为样件成型腔5体积，单位cm3。
[0021](3)设置升温及保温程序，将装有铝合金块的坩埚放入熔铝炉中加热熔化；所述升温及保温程序为两阶段升温两阶段保温方式。第一阶段为：从室温升温至400～480℃，保温15～30分钟；第二阶段为：继续升温至720～750℃，保温45～60分钟。
[0022](4)设置升温及保温程序，将装有钢空心球的模具放入马弗炉中加热；所述升温及保温方式与步骤(3)一致。
[0023](5)将装有钢空心球的模具从马弗炉中取出，置于平坦地面。
[0024](6)将装有铝合金溶液的坩埚从熔铝炉中取出后，将熔融的铝合金溶液自浇口料斗1浇入垂直浇道4，直到铝合金溶液完全浸没样件成型腔5中所有钢空心球后停止浇注，等待模具空冷至室温。
[0025](7)将铸件从铸模型腔2中取出，机加工得到铝基钢空心球增强复合材料样件。
[0026]本专利技术空心球增强复合材料制备方法及其模具，具体涉及一种铝基钢空心球增强复合材料制备方法及其模具，与现有技术相比较具有以下优点：
[0027]1)本专利技术模具组件简单、易于加工和装配，样件脱模方便，可重复使用。
[0028]2)本制备方法采用了一种金属溶液自下而上流动的铸造模具，将熔融态的铝合金溶液填充到钢空心球之间，制备出基体为铝合金、增强体为钢空心球的空心球增强复合材料。这种自下而上的浇注填充方法可使液态铝合金溶液充分填充空心球体之间的间隙，同时将空气排出，减少基质缺陷。
[0029]3)本制备方法不受空心球材料和基体材料限制，只要空心球材料熔点高于基体材料熔点即可，所需空心球多采用钢空心球，所需基质为轻质金属，一般多采用铝合金。
[0030]4)本制备方法不受空心球尺寸限制，具有灵活的可设计性以适应不同的应用场景和服役环境。
[0031]5)采用本制备方法及模具制备的铝基钢空心球增强复合材料具有密度小、高压缩平台应力、致密化应变大，吸能性能优异等特性。由于空心球和基体材料选择灵活、胞元尺寸和空心球堆叠方式变化多样，铝基钢空心球增强复合材料性能空间宽广，使其能适应不同的载荷环境和应用需求。
附图说明
[0032]图1是本专利技术模具结构的正三轴测图。
[0033]图2(a)是本专利技术模具结构的右视图，图2(b)是模具右视图中截面A
‑
A的剖视图。
[0034]图3是本专利技术实施例1中获得的ZL101A基SPCC钢空心球增强复合材料样件。
[0035]图4是本专利技术实施例2中获本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空心球增强复合材料制备模具，其特征在于，所述的模具包括浇口料斗(1)、铸模型腔(2)以及底座(3)；所述的底座(3)为上端开口结构，铸模型腔(2)置于底座(3)内，且铸模型腔(2)外侧面不与底座(3)内侧面接触；所述的铸模型腔(2)为上下开口结构；所述的浇口料斗(1)设于铸模型腔(2)上表面一侧，其下部深入铸模型腔(2)中；所述的铸模型腔(2)内设施垂直隔板(6)，隔板(6)顶部与铸模型腔(2)上表面固连且与浇口料斗(1)接触，隔板(6)底部与铸模型腔(2)下表面留有间隙，该间隙为内浇口(7)，由隔板(6)将铸模型腔(2)分为垂直浇道(4)和样件成型腔(5)，其中，浇口料斗(1)下方的区域为垂直浇道；所述的铸模型腔(2)底部外侧面与底座(3)内侧面间隙应满足：其中，l
b
为底座(3)内侧面边长，单位mm；l
c
为铸模型腔(2)底部外侧面边长，单位mm；l
g
为铸模型腔(2)底部外侧面与底座(3)内侧面间隙，单位mm；所述的内浇口(7)高度h
b
满足：其中，h
b
为内浇口高度，单位mm；d
hs
为钢空心球直径，单位mm；当所选空心球球径规格不同时，h
b
取值范围按照球径最小的球确定。2.根据权利要求1所述的一种空心球增强复合材料制备模具，其特征在于，所述浇口料斗(1)、铸模型腔(2)以及底座(3)均采用耐高温不锈钢制作。3.根据权利要求1所述的一种空心球增强复合材料制备模具，其特征在于，所述铸模型腔(2)设有拔模角。4.一种基于权利要求1或2或3所述的模具实...

【专利技术属性】
技术研发人员：亓昌，于晨，杨姝，杨孟欣，
申请(专利权)人：大连理工大学宁波研究院，
类型：发明
国别省市：