專(zhuān)利名稱(chēng)：短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料產(chǎn)品多孔預(yù)成型體制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)械零件制造工藝技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料產(chǎn)品多孔預(yù)成型體制備方法。
背景技術(shù)：
纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是近二十年來(lái)現(xiàn)代復(fù)合材料領(lǐng)域發(fā)展與應(yīng)用比較迅速的一個(gè)分支，它與顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料相比具有較好的塑性與韌性。長(zhǎng)徑比L/D一般在10～100之間的短纖維的價(jià)格較低，來(lái)源廣，產(chǎn)品用途廣泛，競(jìng)爭(zhēng)力也較強(qiáng)。
制造纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的一種最具實(shí)用性與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的方法是，將短纖維增強(qiáng)相先預(yù)制成具有一定的機(jī)械強(qiáng)度且空間孔隙結(jié)構(gòu)比較均勻的成型構(gòu)件，然后將其預(yù)熱到足夠的溫度，迅速移入成型模具中，注入作為基體相的合金熔體并通過(guò)陽(yáng)模向熔體施加70～150Mpa壓力，迫使液態(tài)的基體相滲入增強(qiáng)相成型構(gòu)件的孔隙中，使之相互充分熔接而凝固，形成所要求的零件毛坯。這種制作方法被稱(chēng)為擠壓鑄造法。另一種方法是將充分預(yù)熱的予構(gòu)件浸漬到具有設(shè)定特性的基體金屬熔體中，利用多孔予構(gòu)件的毛細(xì)作用，將液體金屬引入增強(qiáng)相間隙中實(shí)現(xiàn)兩相復(fù)合成型，即液態(tài)金屬浸滲法。第三種是采用所謂真空——?dú)鈮簼茶T法，先將增強(qiáng)相予構(gòu)件置入成型模的模腔，經(jīng)加熱并抽真空，然后用氣體壓力將作為基體相的金屬熔體壓入模腔使之迅速冷卻成型。
上述短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料產(chǎn)品的多孔預(yù)成型體，通常應(yīng)用干纖維加壓制氈法實(shí)現(xiàn)預(yù)構(gòu)件毛坯的制作，再通過(guò)高溫?zé)Y(jié)提高孔隙率和強(qiáng)度。其主要存在的技術(shù)問(wèn)題是1、制氈工作壓力大，動(dòng)能消耗高；2、毛坯孔隙分布均勻性差；3、高溫?zé)Y(jié)造孔費(fèi)時(shí)冗長(zhǎng)；4、燒結(jié)造孔過(guò)程中，微小孔隙會(huì)發(fā)生被封閉的反向效應(yīng)；5、與4相應(yīng)的情況會(huì)造成在隨后的復(fù)合工藝過(guò)程中基體金屬無(wú)法進(jìn)入被封閉的微孔中而導(dǎo)致產(chǎn)品中存在孔洞缺陷并降低產(chǎn)品的力學(xué)性能；6、難于制得高質(zhì)量多組元增強(qiáng)相預(yù)構(gòu)件。
在上述任一種纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法中，如何預(yù)制一個(gè)增強(qiáng)纖維在空間排布比較均勻、又具有足夠機(jī)械強(qiáng)度、便于加熱，是有待于解決的技術(shù)問(wèn)題。移位和浸滲基體金屬相時(shí)不致解體的增強(qiáng)相預(yù)構(gòu)件是十分重要的。注意到纖維增強(qiáng)相的體積分?jǐn)?shù)通常僅為百分之幾至百分之二十左右這樣較小的份額，以及纖維態(tài)原材料通常都呈現(xiàn)自然結(jié)塊聚團(tuán)的狀況，尋求簡(jiǎn)便有效的增強(qiáng)相予構(gòu)件的制備方法，關(guān)系到復(fù)合材料質(zhì)量水平和質(zhì)量穩(wěn)定性，也關(guān)系到產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，是金屬基復(fù)合材料在更廣闊的非軍需行業(yè)獲得大規(guī)模應(yīng)用的重要前提。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服上述制備方法的缺點(diǎn)，提供一種短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料產(chǎn)品多孔預(yù)成型體制備方法。
解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是它包括下述步驟(1)制備漿料將聚丙烯酰胺、天然纖維素、水玻璃、水加入到容器中，用攪拌機(jī)攪拌至均勻溶解，再加入增強(qiáng)相材料、短纖維材料，用攪拌機(jī)攪拌制成漿料，靜置1小時(shí)。
增強(qiáng)相材料、短纖維材料、聚丙烯酰胺、天然纖維素、水玻璃、水按下述的重量份配比混合制成漿料增強(qiáng)相材料 100短纖維材料 40～100聚丙烯酰胺 0.8～3天然纖維素 4.2～8水玻璃 7～12水 200～500上述的增強(qiáng)相材料是氧化鋁顆粒，也可以是硅酸鋁顆?；蜓趸桀w粒或氮化硼顆?；蛱蓟桀w粒。上述的短纖維材料是硅酸鋁短纖維，也可以是氧化鋁短纖維或氧化硅短纖維或碳短纖維。
(2)預(yù)脫水將制備好的漿料用孔徑小于增強(qiáng)相粒子的濾網(wǎng)包扎，置于離心機(jī)或壓力機(jī)內(nèi)，用離心法或加壓濾水法，脫去50％以上的水，制成糊狀漿料。
(3)制作坯件將預(yù)脫水后的糊狀漿料加入預(yù)構(gòu)件成型模具內(nèi)，加30～50Mpa壓力制成坯件。
(4)自然干燥將已制備的坯件脫模后，在室溫下自然干燥。
(5)焙燒將經(jīng)干燥的坯件放入焙燒爐內(nèi)，在200℃燒結(jié)3小時(shí)，再升溫至1200℃燒結(jié)8小時(shí)，制成預(yù)構(gòu)件。
本發(fā)明漿料組分中增強(qiáng)相材料、短纖維材料、聚丙烯酰胺、天然纖維素、水玻璃、水的優(yōu)選重量份配比為增強(qiáng)相材料100短纖維材料50～80聚丙烯酰胺1～2.5天然纖維素5～7水玻璃7～10水300～400本發(fā)明漿料組分中增強(qiáng)相材料、短纖維材料、聚丙烯酰胺、天然纖維素、水玻璃、水的最佳重量份配比為增強(qiáng)相材料100短纖維材料70聚丙烯酰胺2天然纖維素6水玻璃8水350本發(fā)明的短纖維材料的長(zhǎng)徑比L/D為10～100。
本發(fā)明應(yīng)用灌漿法制作出質(zhì)地均勻的增強(qiáng)相預(yù)構(gòu)件毛坯，并使此毛坯在低溫焙燒階段可發(fā)生造孔效應(yīng)，進(jìn)而縮短高溫?zé)Y(jié)時(shí)間，避免微孔封閉現(xiàn)象，其結(jié)果是既可降低予構(gòu)件制作成本，又可提高予構(gòu)件質(zhì)量，從而更好保證纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料最終產(chǎn)品的性能。解決了干態(tài)壓氈法無(wú)法解決的高質(zhì)量、短纖維多元增強(qiáng)相預(yù)構(gòu)件的制作技術(shù)難題，為纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料產(chǎn)品的推廣應(yīng)用增加了有效的技術(shù)措施。
本發(fā)明與干態(tài)纖維加壓制氈法比較，預(yù)構(gòu)件孔隙結(jié)構(gòu)分布更均勻，作為常溫粘結(jié)劑的天然纖維素可因輔助造孔功能增加予構(gòu)件孔隙率，可縮短依靠高溫長(zhǎng)時(shí)間燒結(jié)造孔的周期1/3～1/2，預(yù)防因高溫長(zhǎng)時(shí)燒結(jié)導(dǎo)致微小孔隙被封閉的負(fù)面效應(yīng)，從而使金屬基復(fù)合材料產(chǎn)品中存在孔洞缺陷，降低該產(chǎn)品的強(qiáng)度與塑性等力學(xué)性能。本發(fā)明適應(yīng)于用加入兩種以上顆粒或纖維或它們的混合物增強(qiáng)相組元，實(shí)現(xiàn)各組元在基體中的均布要求，而干態(tài)纖維壓氈法則無(wú)法解決此操作難點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明不限于這些實(shí)施例。
實(shí)施例1本實(shí)施例的短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料產(chǎn)品多孔預(yù)成型體制備方法如下(1)制備漿料將聚丙烯酰胺、天然纖維素、水玻璃、水加入到容器中，用攪拌機(jī)攪拌至均勻溶解，再加入增強(qiáng)相材料、短纖維材料，用攪拌機(jī)攪拌制成漿料，靜置1小時(shí)。
增強(qiáng)相材料、短纖維材料、聚丙烯酰胺、天然纖維素、水玻璃、水按下述的重量份配比混合制成漿料增強(qiáng)相材料 100短纖維材料 70聚丙烯酰胺 2天然纖維素 6水玻璃 8水 350上述的增強(qiáng)相材料是氧化鋁顆粒，上述的短纖維材料是硅酸鋁短纖維，硅酸鋁短纖維的長(zhǎng)徑比L/D為50。漿料中的天然纖維素既是常溫粘結(jié)劑，也是焙燒時(shí)的造孔劑。而聚丙烯酰胺則起分散劑作用，使各溶質(zhì)及天然纖維素得以充分溶解均勻并不易因重力作用而與溶液分離。
上述的漿料是坯件在低溫焙燒階段可發(fā)生造孔效應(yīng)，縮短高溫?zé)Y(jié)時(shí)間，避免微孔封閉現(xiàn)象，既可降低予構(gòu)件制作成本，又可提高予構(gòu)件質(zhì)量，從而更好保證纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料最終產(chǎn)品的性能。解決了干態(tài)壓氈法無(wú)法解決的高質(zhì)量、短纖維多元增強(qiáng)相預(yù)構(gòu)件的制作技術(shù)難題，為纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料產(chǎn)品的推廣應(yīng)用增加了有效的技術(shù)措施。
(2)預(yù)脫水將制備好的漿料用孔徑小于增強(qiáng)相粒子的濾網(wǎng)包扎，置于離心機(jī)或壓力機(jī)內(nèi)，用離心法或加壓濾水法，脫去50％以上的水，制成糊狀漿料。
(3)制作坯件將預(yù)脫水后的糊狀漿料加入預(yù)構(gòu)件成型模具內(nèi)，加30～50Mpa壓力制成坯件。
(4)自然干燥將已制備的坯件脫模后，在室溫下自然干燥。
(5)焙燒將經(jīng)干燥的坯件放入焙燒爐內(nèi)，在200℃燒結(jié)3小時(shí)，再升溫至1200℃燒結(jié)8小時(shí)，制成預(yù)構(gòu)件。
實(shí)施例2在本實(shí)施例的制備漿料工藝步驟中，所用的原料極其重量份配比為增強(qiáng)相材料 100短纖維材料 40聚丙烯酰胺 0.8天然纖維素 4.2水玻璃 7水 200上述的增強(qiáng)相材料是氧化鋁顆粒，上述的短纖維材料是硅酸鋁短纖維，硅酸鋁短纖維的長(zhǎng)徑比L/D為10。其工藝步驟與實(shí)施例1相同。
實(shí)施例3在本實(shí)施例的制備漿料工藝步驟中，所用的原料極其重量份配比為增強(qiáng)相材料 100短纖維材料 100聚丙烯酰胺 3天然纖維素 8水玻璃 12水 500
上述的增強(qiáng)相材料是氧化鋁顆粒，上述的短纖維材料是硅酸鋁短纖維，硅酸鋁短纖維的長(zhǎng)徑比L/D為100。其工藝步驟與實(shí)施例1相同。
實(shí)施例4在以上實(shí)施例1～3中，所用的增強(qiáng)相材料為硅酸鋁顆粒，也可以是氧化硅顆粒，也可以是氮化硼顆粒，還可以是碳化硅顆粒。上述的短纖維材料是氧化鋁短纖維，也可以是氧化硅短纖維，還可以是碳短纖維。其用量與相應(yīng)的實(shí)施例相同，其工藝步驟與實(shí)施例1相同。
權(quán)利要求
1.一種短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料產(chǎn)品多孔預(yù)成型體制備方法，其特征在于該制備方法包括下述步驟(1)制備漿料將聚丙烯酰胺、天然纖維素、水玻璃、水加入到容器中，用攪拌機(jī)攪拌至均勻溶解，再加入增強(qiáng)相材料、短纖維材料，用攪拌機(jī)攪拌制成漿料，靜置1小時(shí)；增強(qiáng)相材料、短纖維材料、聚丙烯酰胺、天然纖維素、水玻璃、水按下述的重量份配比混合制成漿料增強(qiáng)相材料 100短纖維材料 40～100聚丙烯酰胺 0.8～3天然纖維素 4.2～8水玻璃 7～12水 200～500上述的增強(qiáng)相材料是氧化鋁顆粒，也可以是硅酸鋁顆?；蜓趸桀w?；虻痤w?；蛱蓟桀w粒；上述的短纖維材料是硅酸鋁短纖維，也可以是氧化鋁短纖維或氧化硅短纖維或碳短纖維；(2)預(yù)脫水將制備好的漿料用孔徑小于增強(qiáng)相粒子的濾網(wǎng)包扎，置于離心機(jī)或壓力機(jī)內(nèi)，用離心法或加壓濾水法，脫去50％以上的水，制成糊狀漿料；(3)制作坯件將預(yù)脫水后的糊狀漿料加入預(yù)構(gòu)件成型模具內(nèi)，加30～50Mpa壓力制成坯件；(4)自然干燥將已制備的坯件脫模后，在室溫下自然干燥；(5)焙燒將經(jīng)干燥的坯件放入焙燒爐內(nèi)，在200℃燒結(jié)3小時(shí)，再升溫至1200℃燒結(jié)8小時(shí)，制成預(yù)構(gòu)件。
2.按照權(quán)利要求1所述的短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料產(chǎn)品多孔預(yù)成型體制備方法，其中增強(qiáng)相材料、短纖維材料、聚丙烯酰胺、天然纖維素、水玻璃、水按下述的重量份配比混合制成漿料增強(qiáng)相材料100短纖維材料50～80聚丙烯酰胺1～2.5天然纖維素5～7水玻璃7～10水300～400
3.按照權(quán)利要求1所述的短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料產(chǎn)品多孔預(yù)成型體制備方法，其中增強(qiáng)相材料、短纖維材料、聚丙烯酰胺、天然纖維素、水玻璃、水按下述的重量份配比混合制成漿料增強(qiáng)相材料100短纖維材料70聚丙烯酰胺2天然纖維素6水玻璃8水350
4.按照權(quán)利要求1所述的短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料產(chǎn)品多孔預(yù)成型體制備方法，所說(shuō)的短纖維材料的長(zhǎng)徑比L/D為10～100。
全文摘要
一種短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料產(chǎn)品多孔預(yù)成型體制備方法，包括下述步驟(1)制備漿料將聚丙烯酰胺0.8～3份、天然纖維素4.2～8份、水玻璃7～12份、水200～500份加入到容器中，用攪拌機(jī)攪拌至均勻溶解，再加入增強(qiáng)相材料100份、短纖維材料40～100份，用攪拌機(jī)攪拌制成漿料，靜置1小時(shí)；增強(qiáng)相材料是氧化鋁顆?；蚬杷徜X顆?；蜓趸桀w粒或氮化硼顆?；蛱蓟桀w粒，短纖維材料是硅酸鋁短纖維或氧化鋁短纖維或氧化硅短纖維或碳短纖維；(2)預(yù)脫水；(3)制作坯件(4)自然干燥(5)焙燒將經(jīng)干燥的坯件放入焙燒爐內(nèi)，在200℃燒結(jié)3小時(shí)，再升溫至1200℃燒結(jié)8小時(shí)，制成預(yù)構(gòu)件。
文檔編號(hào)B22F3/22GK1485457SQ0313444
公開(kāi)日2004年3月31日 申請(qǐng)日期2003年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月30日
發(fā)明者張強(qiáng), 張 強(qiáng) 申請(qǐng)人:張強(qiáng), 張 強(qiáng)