專利名稱：一種鑲嵌式復合鑄造方法
技術領域：
本發明涉及鑄造技術領域，具體涉及一種鑲嵌式復合鑄造方法。
背景技術：
隨著交通運輸、通訊器材和航空航天等技術領域的不斷發展，對其中構件的相關材料的要求也越來越高。除了要求材料具有良好的韌性，以抵抗在工作過程中所受的沖擊， 防止部件發生意外斷裂，還要求材料具有高的強度和良好的耐磨性能，以保證構件的使用壽命。但一種材料同時具有高韌性和高硬度這兩種性能在實際生產中是非常難以達到的， 研究表明在基體合金中引入增強相可以大幅度提高基體合金的比強度、比剛度及彈性模量等性能指標，同時賦予基體合金工件優良的耐磨、耐蝕、減振性能和高溫性能。鑲嵌式復合鑄造方法由于工藝簡單、生產成本低，因此在實際生產中得到了廣泛的應用。但現有技術的鑲嵌式復合鑄造方法在制造形狀簡單的構件時比較容易實現，對于制造一些形狀較為復雜的構件時仍然存在不少問題，主要原因為鑲嵌式復合鑄造的增強材料必須以一定的比例、 合適的尺寸及合理的布置方式進行與基材復合，才能使得鑄件達到較高的韌性、強度及耐磨性配合，而現有技術在這方面始終沒能達到這些性能符合要求的指標。另外，現有技術的鑲嵌式復合鑄造方法雖然可以做到以黑色金屬為基材進行復合，但由于增強材料和基材之間的浸潤性差及布置方式不合理等諸多問題，導致鑲嵌式復合鑄造方法還不能實現以有色金屬作為基材進行良好復合，這也進一步限制了鑲嵌式復合鑄造方法的應用范圍。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是克服以上現有技術問題的不足，提供一種基材和增強材料在復合過程中界面結合良好的鑲嵌式復合鑄造方法，用該方法制造的構件能達到較高的韌性、強度及耐磨性，且該方法不僅適用于以黑色金屬作為基材進行復合，也適用于以有色金屬作為基材進行復合。本發明所采用的技術方案為一種鑲嵌式復合鑄造方法，包括以下步驟(1)根據金屬鑄件的基材和需鑄造的結構選擇增強材料的種類并加工形成具有一定幾何形狀的增強單元體。(2)對增強單元體的表面進行預處埋。(3)根據鑲嵌鑄造的位置要求和基材的凝固收縮特性將增強單元體組裝成仿生增強骨架后放置在鑄型中，或直接將增強單元體在鑄型中按設計位置進行放置形成仿生增強骨架，仿生增強骨架的體積與基材體積之比為1 (7 10)。組裝方式一般采用焊接。對于焊接形成的仿生增強骨架，需在定位模具上校正以后再固定到鑄型中。仿生增強骨架在鑄型中的固定方式按照一般型芯的方式固定，也可以用水玻璃黏結劑進行粘接。(4)對安裝有仿生增強骨架的鑄型進行預熱至150 1000°C，預熱的方式為電磁感應加熱或電阻爐內加熱。
(5)在預熱后的鑄型中注入已熔化成液態的基材，液態基材的溫度為高于該基材的熔點50 150°C，使形成鑲嵌式復合鑄件。所述步驟O)中增強單元體在預處理之前先在增強單元體表面加工一些凹槽和/ 或凸臺，凹槽的深度為0. 5 5mm，凸臺的高度為0. 5 5mm，加工之后再進行預處理。所述步驟(1)中基材為黑色金屬或有色金屬。對于基材為有色金屬的鑄造，該鑲嵌式復合鑄造方法還包括一個在步驟( 后的去應力退火處理步驟，退火處理的處理溫度 200 550°C，處理時間1 2小時。所述步驟O)中增強單元體的材料為碳素鋼或合金鋼或硬質合金，增強單元體的形狀為圓棒形或方棒形或條形或片狀或半圓形或筒形。所述步驟(3)中仿生增強骨架的形狀為網狀或魚骨狀或植物根系狀或其他仿生結構。所述步驟(2)中增強單元體表面的預處理為先打磨，接著7%Na0H溶液堿洗，70°C 熱水沖洗，20% H2SO4酸洗，70°C熱水，然后200°C溫度下烘干；或者在增強單元體表面涂覆鋁、銀或陶瓷材料的涂層，涂層厚度為幾十納米到一微米，鋁、銀涂層一般采用化學鍍或電鍍獲得，陶瓷涂層目前主要通過氣相沉積法獲得；或者先毛化處理，接著堿洗，酸洗，然后烘干。所述步驟(3)中鑄型為砂型或金屬型。與現有技術相比，本發明具有以下顯著優點和有益效果仿生是未來新材料設計與制造潛在的最有效途徑，生物體結構經過20億年物競天擇的優化，幾乎完美無缺。通過對蝴蝶、海生貝殼、竹子及樹根等生物體的結構和靜態學、動力學性能研究發現，生物體所具有的耐磨、抗擠壓、抗裂紋等功能與其強化單元體的形狀、特征尺寸、分布規律和數量有著密切的關系，這是生物經過億萬年的進化優化，逐漸形成與生存環境相適應的特征。結構仿生設計在建筑設計和醫藥衛生等領域有著廣泛的研究和應用，本發明將仿生學原理應用于鑲嵌式復合鑄造領域，制備了增強單元體及仿生增強骨架，實現了增強單元體及仿生增強骨架的合理設計和布置，有效解決了現有技術中難以做到符合要求的增強材料與基材之間的浸潤性、合適比例、合適尺寸及合適布置方式問題，從而使增強材料與基材的液固界面之間產生有效的冶金結合，賦予鑄件優良的綜合力學性能。仿生學原理的應用有效實現了本發明鑲嵌式復合鑄造方法中增強材料與基材的液固界面之間的良好結合，再加上增強單元體表面的凹槽和/或凸臺對界面結合的幫助， 使該鑲嵌式復合鑄造方法不僅能以黑色金屬為基材進行復合，還能以有色金屬作為基材實現增強材料與基材的液固界面之間的良好結合，有效擴大了該鑲嵌式復合鑄造方法的應用范圍。
圖1所示的是本發明一種鑲嵌式復合鑄造方法的實施例1中鑄件垂直于仿生增強骨架的截面示意圖；圖2所示的是本發明一種鑲嵌式復合鑄造方法的實施例2中鑄件垂直于仿生增強骨架的截面示意圖；圖3所示的是本發明一種鑲嵌式復合鑄造方法的實施例3中鑄件垂直于仿生增強
4骨架的截面示意圖。
具體實施例方式以下結合實施例對本發明作進一步具體描述，但不局限于此。實施例1 本實施例為球墨鑄鐵耐磨鑲塊的鑄造。由鑄件形狀和工作應力分布情況選取增強材料為硬質合金，具體型號為YG20，再根據鑄件體積計算增強單元體體積為鑄件體積的1/10，模擬潮間帶貝類體表突起特征并進一步簡化為含有一個圓形單元體的仿生模型，加工成直徑為4mm的圓棒形，圓棒表面有高 0. 5mm的凸臺。用砂紙將YG20硬質合金表面打磨干凈，接著7% NaOH溶液堿洗除油，70°C 熱水沖洗，20% H2SO4酸洗除氧化皮，70°C熱水，然后200°C溫度下烘干。將增強單元體按附圖1所示的方式示布置在鑄型內。將布置好仿生增強骨架的型腔干燥后放置在中頻感應裝置內預熱至800°C，然后把已經處理好的蠕墨鑄鐵鐵液(溫度在1450-1500°C )緩慢倒入型腔中，為防止鑄件冷卻速度過大，將型砂蓋在砂箱上，直至鐵液冷卻成型。在相同的磨損條件下，該仿生鑲嵌式復合鑄件表現出了良好的抗磨損性能，其磨損失重量遠遠小于普通蠕墨鑄鐵試樣，失重量減少5倍以上。實施例2 本實施例為鎂合金氣密性鑄件的鑄造。由鑄件形狀和工作應力分布情況選取增強體材料為碳素鋼，具體型號為Q235鋼， 并加工成直徑為2mm圓棒形。用砂紙將表面打磨干凈，清洗后用化學鍍方法在增強體表面鍍銀，鍍銀層厚約30納米。根據鑄件體積計算增強單元體體積為鑄件體積的1/8，模擬竹纖維沿竹桿壁徑向分布特征將增強單元體按附圖2所示的方式示布置在鑄型內形成仿生增強骨架。然后將干燥后的型腔放置在中頻感應裝置內預熱至450°C，再把已經精煉好的AZ91D鎂合金熔液(溫度在760°C)緩慢倒入型腔中，鑄件冷卻后，打箱將鑄件取出并置于退火爐中去應力退火，退火溫度350°C，退火時間為1小時。檢驗鑄件氣密性達到 6MPaX5min，壓降 0. 5MPa。實施例3 本實施例為鋁合金滑動導軌的鑄造。由鑄件形狀和工作應力分布情況選取嵌增強材料為合金鋼，具體型號為H13鋼， 加工成40mmX20mmX 1. 5mm的片狀作為增強單元體，淬火及回火后將增強單元體模擬植物葉片或蜻蜒、蝴蝶等昆蟲翅膀特征組合成如附圖3所示的仿生增強骨架，然后用砂紙將表面打磨干凈，接著7% NaOH溶液堿洗除油，70°C熱水沖洗，20% H2SO4酸洗除氧化皮，無水乙醇清洗，然后表面鍍鋁，鍍鋁層厚約60納米。根據鑄件體積計算增強骨架體積為鑄件體積的1/6，并將增強單元體布置在鑄型內。將放好增強骨架的型腔干燥后放置在電阻爐內預熱至250°C，然后把已經處理好的ZL104鋁合金熔液(溫度750°C )緩慢倒入型腔中，鑄件冷卻后，打箱將砂型取出并置于退火爐中去應力退火，退火溫度200°C，退火時間為2小時。微觀測試表明鑄件復合層靠近鋼基體一側比較平整，靠近鋁一側呈鋸齒狀分布；耐磨性測試表明在相同的磨損條件下，仿生嵌鑄試樣的磨損失重量比普通ZL104試樣失重量減少5倍。實施例所用的原料，除另有說明外，均為適合鑄造的市售工業品。
本發明的上述實施例是對本發明的說明而不能用于限制本發明，與本發明的權利要求書相當的含義和范圍內的任何改變，都應認為是包括在權利要求書的范圍內。
權利要求
1.一種鑲嵌式復合鑄造方法，其特征在于包括以下步驟(1)根據金屬鑄件的基材和需鑄造的結構選擇增強材料的種類并加工形成具有一定幾何形狀的增強單元體；(2)對增強單元體的表面進行預處理；(3)根據鑲嵌鑄造的位置要求和基材的凝固收縮特性將增強單元體組裝成仿生增強骨架后放置在鑄型中或直接將增強單元體在鑄型中按設計位置進行放置形成仿生增強骨架， 仿生增強骨架的體積與基材體積之比為1 (7 10);(4)對安裝有仿生增強骨架的鑄型進行預熱至150 1000°C；(5)在預熱后的鑄型中注入已液化成液態的基材，液態基材的溫度為高于該基材的熔點50 150°C，使形成鑲嵌式復合鑄件。
2.根據權利要求1所述的一種鑲嵌式復合鑄造方法，其特征在于所述步驟(2)中增強單元體在預處理之前先在增強單元體表面加工凹槽和/或凸臺，凹槽的深度為0. 5 5mm，凸臺的高度為0. 5 5mm。
3.根據權利要求1所述的一種鑲嵌式復合鑄造方法，其特征在于所述步驟(1)中基材為黑色金屬或有色金屬。
4.根據權利要求3所述的一種鑲嵌式復合鑄造方法，其特征在于對于基材為有色金屬的鑄造，還包括在步驟(5)后的去應力退火處理步驟，處理溫度200 550°C，處理時間 1 2小時。
5.根據權利要求1所述的一種鑲嵌式復合鑄造方法，其特征在于所述步驟(2)中增強單元體的材料為碳素鋼或合金鋼或硬質合金。
6.根據權利要求5所述的一種鑲嵌式復合鑄造方法，其特征在于所述步驟(2)中增強單元體的形狀為圓棒形或方棒形或條形或片狀或半圓形或筒形。
7.根據權利要求1所述的一種鑲嵌式復合鑄造方法，其特征在于所述步驟(3)中仿生增強骨架的形狀為網狀或魚骨狀或植物根系狀或其他仿生結構。
8.根據權利要求1所述的一種鑲嵌式復合鑄造方法，其特征在于所述步驟(2)中增強單元體表面的預處理為先打磨，接著7% NaOH溶液堿洗，70°C熱水沖洗，20% H2SO4酸洗， 70°C熱水，然后20(TC溫度下烘干；或者在增強單元體表面涂覆鋁、銀或陶瓷材料涂層，涂層厚度為幾十納米到一微米；或者先毛化處理，接著堿洗，酸洗，然后烘干。
9.根據權利要求1所述的一種鑲嵌式復合鑄造方法，其特征在于所述步驟(3)中鑄型為砂型或金屬型。
全文摘要
本發明公開了一種鑲嵌式復合鑄造方法，包括根據金屬鑄件的基材和需鑄造的結構選擇增強材料的種類并加工形成具有一定幾何形狀的增強單元體；對增強單元體的表面進行預處理；根據鑲嵌鑄造的位置要求和基材的凝固收縮特性將增強單元體組裝成仿生增強骨架后放置在鑄型中或直接將增強單元體在鑄型中按設計位置進行放置形成仿生增強骨架；對安裝有仿生增強骨架的鑄型進行預熱；在預熱后的鑄型中注入已液化成液態的基材，使形成鑲嵌式復合鑄件。該方法使基材和增強材料在復合過程中界面結合良好，用該方法制造的構件能達到較高的韌性、強度及耐磨性，且該方法不僅適用于以黑色金屬作為基材進行復合，也適用于以有色金屬作為基材進行復合。
文檔編號B22D19/02GK102328062SQ201110294250
公開日2012年1月25日 申請日期2011年9月28日 優先權日2011年9月28日
發明者劉 文, 劉立君, 吳紅兵, 張學昌, 李繼強, 賈志欣 申請人:浙江大學寧波理工學院