特种铸造技术在金属基复合材料制造中的应用及发展

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材料工程
JOURNAL OF MATERIALS ENGINEERING 1999年 第2期 No.2 1999

特种铸造技术在金属基复合材料 制造中的应用及发展
赵浩峰　韩世平 ［摘要］　讨论了金属基复合材料制造中的特种铸造技术如搅融铸造、挤压铸造、气 压铸造、离心铸造、真空铸造、熔模铸造、

喷铸、反应合成铸造、连续铸造及定向凝 固等技术的应用、特点及发展。这些技术一方面极大推动了复合材料的应用和发展， 同时也为本身的发展注入了新的内容。 关键词　金属基复合材料　特种铸造　新工艺新技术

Development and Application of Special Casting Techniques in Production of MMCs
Zhao Haofeng　Han Shiping　 (Taiyuan University of technology) ［Abstract］　This paper deals with application and development of special casting techniques such as stiring casting, squeez casting, gas pressing casting, centrifugal casting, suction pouring investment casting, spray casting, continuous casting and directional solidifing in production of MMCs. These techniques are filled with new contents while they promote the application of MMCs. Keywords　metal matrix composites　special casting　new techniques and technology

　1　前言
　　金属基复合材料(MMCs)特别适用于汽车、飞机及多种高速机械。MMCs的铸造成 形法是一种将液态合金或金属渗入增强物之间的成形方法，由于它具有制造成本低的 优点，在80年代初就大量发展起来［1］。但是MMCs的铸造成形面临许多困难，如液 态金属与增强物不润湿，存在较大的比重差，增强物加入后改变了金属的铸造性能， 传统的盐精炼、造渣不能应用，以及复合材料熔体粘度增大［2，3］。由于 这些问题使 常规铸造方法如普通砂型或金属型的重力铸造难以满足新材料的生产要求。因此，近 年来发展了许多MMCs的特种铸造成形技术。

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2　搅融铸造技术
　　这是一种利用合金在固液温度区间经搅拌得到的流变性质，将非长纤维增强材料 搅入半固态熔液中，依靠半固态金属的粘结性阻止增强材料因重差上浮而形成复合材 料的方法。英国Loughborough技术大学在研究石墨增强铝硅合金用于生产汽车发动机 铸件和轴承的可能性时采用了这种方法［4］。由于石墨的加入使浆液的粘度增大，必 须增加相应的剪切力，因此他们重点研究了增强物加入量与剪切速度的关系。李昊等 ［5］人从理论上分析了搅拌铸造金属复合材料热力学和动力学机制。他们认为，颗粒 进入熔体的动力在于涡流表面径向的压力下降，而颗粒在熔体内部的混合必须经过颗 粒团破碎和单个颗粒扩散两个过程。而颗粒均匀化的机制可由剪切细分化、轴向循环 流动能力、速度波动及剪切均匀化等几个方面解释。文献［6］介绍用这种方法生产 Zr-Al27-Cu3基的Al2O3纤维增强复合材料。搅拌器安在一个钢制压力容器内，其外部带 有冷却水套。容器内安放坩埚。操作时将基体金属及增强物加入坩埚，然后加热使金 属熔化成液体。在搅拌时再均匀地将部分增强物撒在液体上，然后靠容器外的冷却管 将液体温度降到某一温度，使金属中的固相达到一定比例后再与剩余的液体混合。浇 注时将充型管插入到搅拌过的浆液中，在7×105～106Pa压力下将浆液压入铸锭模。陶 杰等人［7］用该法研制SiCp增强锌基复合材料。在研制中发现，SiCp体积含量增加或 SiCp粒径减小，复合材料的硬度增加，耐磨性提高。松下润二［8］用SiC增强Al-5%Cu 合金。他们是在搅拌器下部安置了冷却槽以控制金属的温度。操作时合金以5℃/min冷 速冷却，搅拌器转速为250r/min，固相初晶的比例控制在40%左右。另外，结晶硅、石 墨增强锌基复合材料也能用这种方法制造［9，10］。在石墨及陶瓷颗粒向液态金属输送 时，可采用吹雾化氮气的陶瓷管插入金属液体中，将增强颗粒直接送到液体内部 ［11］。 　　搅融铸造的优点是能获得增强物均匀分布的复合材料，但这种方法只限于有固液 相温度区间的基体合金材料，另外在制作时对温度的控制要求十分严格。

2　压力铸造、挤压铸造及气压铸造成形技术
　　这三种铸造技术适用于颗粒、短纤维及晶须增强复合材料、长纤维复合材料的制 作。使用这类方法时一般要按零件的形状预先制得增强物预制块。预制块可以通过非 有机粘结剂粘结后预压成块，也可烧结而成［12］。 2.1　压力铸造成形技术 　　使用压力铸造时，将预制块放入带有分型机构的半型中，合型后在200MPa压力作 用下使液体迅速充型。这种方法操作简单，但由于充型速度高、凝固速度快，极易使 铸件形成内部气孔缺陷。 2.2　挤压铸造成形技术 　　挤压铸造和压力铸造的不同点是：将预热后的预制块放入预热的铸型中，在重力 下浇入液态金属或合金，然后在压头作用下使液体渗入预制块，液态金属在压力下凝 固［13，14］。有人用这种方法制取Al2O3短纤维锌基复合材料［15］。日本有人直接将 碳及玻璃颗粒放入铸型，然后压头作用在锡液上使金属体挤入铸型［16］。不采用预制 块的另一种做法是将机械搅拌和挤压结合起来。我国有人用这种方法制取了高质量的 铝/石墨复合材料及铸件［17］。在搅拌阶段，以400～1000r/min转速搅拌金属液体，然 后以10～90g/min的速度将石墨粉加入含有镁0.25～0.50wt%的铝液中。在挤压阶段，，采
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用10t油压机，压力为91MPa左右。田中荣一［18］也用此法生产Al2O3颗粒增强锡基复 合材料。李爱华［19］将撑融铸造与挤压铸造结合起来，将重量比为铝合金的3%～6% 的包镍铜石墨粉加入到液固合金浆液中，然后将其迅速挤压成轴承毛坯。搅拌器表面 涂有耐热矾土水泥，转速为400～1500r/min。挤压设备为YA32-100型挤压机，加压速度 为7mm/s。不少人对复合材料的挤压铸造在理论上做了深入探讨。储双杰等［20］在利 用挤压铸造制造碳纤维增强A356复合材料时特别研究了合金的凝固过程。发现在浇注 温度高时其凝固发生在整个浸渗过程之后。由于模具和纤维的激冷作用，初生铝固溶 体相在纤维间隙开始形核并逐渐向纤维表面长大；而共晶硅相则是依附在碳纤维表面 形核及长大。并发现，随凝固冷却速度的降低，共晶硅相的形态由蠕虫状向针状、块 状转变。同样有人在研究CF/Al-4.5Cu复合材料的挤压铸造时，发现初生铝固溶体也是 在纤维间隙形核并向纤维表面长大；而共晶θ相则依附于碳纤维表面形核长大［21］。 由于这种材料的界面结合很强，其断裂特征为脆性断裂。Labib A［22］还研究了冷却速 度(0.1～100℃s－1)对挤压铸造G-SiC增强铝基复合材料凝固组织的影响，发现冷却速度 越大，SiC颗粒的分布越均匀。 2.3　气压铸造及真空压渗铸造成形技术 　　这种方法是在气体压力作用下将金属液体压入增强材料制成的预制型间隙中。 Rohatgi PK［23］用此法生产铝基SiC及Al2O3纤维增强复合材料。用长纤维绕制成预制 型。液体温度在700～800℃范围，铸型预热温度为450～500℃，气体压力为1MPa左 右，比挤压所用压力低得多。所制产品中纤维体积量达40%～60%。文献［24］介绍用 此法制造铅基镀铜碳纤维增强复合材料。事先采用化学镀方法通过CuSO4和HCHO反 应在碳纤维表层镀一层铜，然后将镀铜纤维放入石英管中，再将石英管浸入铝液中保 温2min，然后通过0.49MPa的氮气作用于液态金属表面使液体充入石英管中。该作者还 用化学镀方法制取镀镍碳纤维，并用压力渗入法制取碳纤维增强复合材料［25］。我国 有人采用真空压渗技术生产铝基电子封装复合材料［26］。在真空状态下熔化金属，浇 注时撤去真空，通入气体使液体受压，将液体通过升液管压入上部铸型中的预制型 内。80年代中期Dural-Al基复合材料公司提出了搅拌加气压铸造的新工艺［27］。其工 艺要点是：整个制造过程包括合金熔化、增强剂的加入、搅拌及浇注均处于真空状 态；搅拌器采用多级倾斜叶片，转速提高到2500r/min；保证足够的保压时间，以解决 液体与增强物的结合问题；采用水冷工艺，使合金中的溶质偏析程度减小。这种方法 适合于颗粒增强复合材料的制造。

3　离心铸造成形技术
　　这是一种利用离心力将液态金属挤入增强材料间隙而使复合材料成形的方法。松 下润二［28］用此方法制取Al-Si基石墨增强复合材料。他们先将增强颗粒置于坩埚的底 部，再装入固态金属材料。当金属材料熔化后对金属施加离心力，使液体挤入增强颗 粒的间隙中。张震环［29］采用搅拌加离心铸造的方式生产外径为70mm、壁厚为10mm 的铝/石墨复合材料轴瓦。在石墨表面镀有铜衣是为了改善增强颗粒与液体的润湿性。 搅拌速度为960r/min，离心机上的铸型转速为940r/min，内表面重力系数均为25。铸型 为干砂型，铸型的预热温度为50～100℃。离心铸造的结果使轴瓦具有富石墨层和无石 墨层的双层结构，因此具有既耐磨又有好的刚度和强度的综合性能。离心铸造只能生 产筒环类零件。
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4　自渗法、真空吸铸及真空实型铸造成形技术
4.1　自渗法 　　这是利用预制型的毛细作用，将液体引入增强物间隙的方法。液态金属表面的氧 化层是液体自渗入的主要障碍。自渗法的关键是采取诸如加助渗剂的措施破坏金属表 面氧化层，使液态金属能直接和增强物接触［30］。助熔剂的加入方式有两种：一种是 铝合金熔化后直接加入到铝液中；另一种是与增强颗粒混合后加入到模内。后者如配 合加入一定量的铝粉，有利于控制增强相的比例，可获得不同增强相含量的铝基复合 材料［31］。我国也有人通过控制浇注温度、保温时间及保温温度与助渗剂的关系制备 了铝基复合材料［32］。 4.2　真空吸铸成形技术 　　这种方法是将预制型放入铸型中，将铸型一端浸入金属液体中，铸型的另一端接 真空装置，使基体液体吸入铸型中的预制型中。Davis KG［33］在铸型型腔底部铺一层 陶瓷颗粒或陶瓷与合金粉末混合物，并将塑料薄膜铺在颗粒层及铸型上，四周用型砂 压紧，然后底部抽真空。金属液在静动压力和真空吸力作用下渗入陶瓷颗粒，制成表 面复合材料。余昆［34］用此方法制成铝/碳化物复合棒材。他们将CVD碳化硅纤维置 入钢管中，钢管一端用铝塞密封，另一端接真空系统。在真空条件下，将装有纤维的 钢管端部预热到高温，然后将带有铝塞的一端插入金属液体中，使液体吸入管中并渗 入管中的纤维。金属凝固后用硝酸腐蚀掉钢管得到完整的复合棒材。 4.3　真空实型铸造成形技术 　　这是将增强物(纤维或颗粒)预先置入泡沫塑料内，然后把塑料放入铸型中，再抽 真空浇注的一种方法。文献［35、36］介绍了具体方法。其要点是：可发性聚苯乙稀 珠粒100℃，2min，0.1MPa通水蒸气预发泡粒 40℃干燥20～25℃24h熟化；用4%聚乙稀醇缩丁醛酒精将增强物粒子涂在泡沫塑料粒子 上；制好后的塑料膜表面刷快干涂料(50%石英粉+20%铝钒土+30%乙醇+适量聚乙稀醇 缩丁醛)；预制塑料模置于铸型后浇入ZG25钢水后即可得到钢基复合材料。 4.4　失蜡铸造成形技术 　　和真空实型铸造类似，将纤维增强物预先置于蜡液中，制成带有纤维的蜡模；然 后按照常规在蜡模表面撒砂制壳；成壳后将蜡料去除；烘烤后浇注金属液。金属可在 压力下充型，也可在真空吸力下充型［37］。

5　喷铸成形技术
　　喷铸成形是将增强物材料射入雾化的金属液流中形成沉积复合物的一种方法。根 据增强物射入雾化液流的角度不同可分为顺应式和交叉式两种［38］。有人采用单管交 叉式喷铸技术制造Al2O3，SiC及石墨增强材料［39］。物料进入射流的角度为90°，喷 雾压力为1MPa，喷雾温度为1350℃，喷雾时间为8～9s，颗粒供给量为5cm3／s，用这 种方法可制造带材、管材及棒材［40］。文献［41］和［42］介绍了用该方法生产Al4wt%Si/SiCp复合材料并探讨了金属液与陶瓷界面反应的机理。 　　这种方法的优点是能减少增强物与液态金属的长时间接触，不易形成脆性化合 物；组织均匀，不会出现凝固偏析等问题。但在应用上受到零件形状的限制。

6　原位铸造成形技术
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　　这是通过在金属液体中加入能生成强化相的气体或固态物质来形成复合物的一种 方法。该方法的基本原理是根据热力学理论，在合金设计时使生成增强体的反应的吉 布斯自由能变化具有较大的负值［43］。由于过渡族元素的碳化物和氮化物具有极高的 硬度、弹性模量和高温强度，是原位铸造常用的增强体。王自东等人［44］采用熔铸直 接接触反应法制取TiC颗粒增强铝硅复合材料就属于这种类型。加入一些元素例如Si生 成硬质相、并通过适当方法改变其存在形态来强化合金也应是原位铸造成形的一种类 型［45］。一般来讲，通过反应进行复合材料原位成形有三类情况：一是气体与液体进 行反应，如Cu(Al)+N2/O2→Cu［Al］+Al2O3；二是液体与液体，如Cu(Ti)+Cu(B)→Cu +TiB2；三是液体与固体，如Ti+SiC→Ti［Si］+TiC,加盐法也属于这一类，如K2TiF6 +Al→TiAl3＋AlF3+KF［38］。以上式中的Al2O3，TiB2,TiC及TiAl3等均为复合材料中的 强化相，它们在金属凝固时均匀分布在金属基体中，形成了颗粒均布的复合物。我国 有人对直接气-液反应法进行改进，即将C和N元素的混合气体直接注入Al-Ti-Mg合金 中，在电磁搅拌和气动搅拌的条件下，反应生成原位AlN-TiC/Al复合材料。其结构特 点是在基体中形成两种增强体，而每一种增强体具有良好的性能，如TiC具有高硬度、 高强度及高耐磨性的优点，而AlN具有高的热导性及小的热膨胀系数等优点［46］。按 照这种思路和作法，同样可制取非金属自生复合材料［47］。 　　反应合成法的特点是：增强物表面无污染，可避免与基体润湿不良的问题；增强 物的尺寸与分布易于控制；材料的强度、弹性模量等性能易大幅度调整［48］。

7　共晶合金定向凝固复合成形技术及其它铸造技术
　　利用共晶或偏晶合金定向快速凝固、形成纤维状或层片相组织，并通过该系相平 衡图中的临界点的位置来控制增强相的体积含量来制取复合材料也是一种铸造技术 ［49］。采用这种方法生产的复合材料有Al Ni-Al,Al-CuAl,Ni-TaC及Co-TaC等。 3 　　连续铸造技术也叫连续浸渗技术，它是将长纤维穿过液态金属及和熔液相连的模 口，使金属液浸渗入纤维中来形成管材或棒材的方法［50］。这种方法的缺点是容易在 制品中残留气孔以及纤维与基体易受到氧化。为了解决这些问题，目前发展了真空法 和惰性气体保护法。 作者单位：（太原理工大学）

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特种铸造技术在金属基复合材料制造中的应用及发展
作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数： 赵浩峰， 韩世平， Zhao Haofeng， Han Shiping 太原理工大学 材料工程 JOURNAL OF MATERIALS ENGINEERING 1999(2) 13次

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