本文關(guān)鍵詞：特種鑄造技術(shù)在金屬基復(fù)合材料制造中的應(yīng)用及發(fā)展，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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

特種鑄造技術(shù)在金屬基復(fù)合材料 制造中的應(yīng)用及發(fā)展
趙浩峰　韓世平 ［摘要］　討論了金屬基復(fù)合材料制造中的特種鑄造技術(shù)如攪融鑄造、擠壓鑄造、氣 壓鑄造、離心鑄造、真空鑄造、熔模鑄造、

噴鑄、反應(yīng)合成鑄造、連續(xù)鑄造及定向凝 固等技術(shù)的應(yīng)用、特點(diǎn)及發(fā)展。這些技術(shù)一方面極大推動(dòng)了復(fù)合材料的應(yīng)用和發(fā)展， 同時(shí)也為本身的發(fā)展注入了新的內(nèi)容。 關(guān)鍵詞　金屬基復(fù)合材料　特種鑄造　新工藝新技術(shù)

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
　　金屬基復(fù)合材料(MMCs)特別適用于汽車(chē)、飛機(jī)及多種高速機(jī)械。MMCs的鑄造成 形法是一種將液態(tài)合金或金屬滲入增強(qiáng)物之間的成形方法，由于它具有制造成本低的 優(yōu)點(diǎn)，在80年代初就大量發(fā)展起來(lái)［1］。但是MMCs的鑄造成形面臨許多困難，如液 態(tài)金屬與增強(qiáng)物不潤(rùn)濕，存在較大的比重差，增強(qiáng)物加入后改變了金屬的鑄造性能， 傳統(tǒng)的鹽精煉、造渣不能應(yīng)用，以及復(fù)合材料熔體粘度增大［2，3］。由于 這些問(wèn)題使 常規(guī)鑄造方法如普通砂型或金屬型的重力鑄造難以滿(mǎn)足新材料的生產(chǎn)要求。因此，近 年來(lái)發(fā)展了許多MMCs的特種鑄造成形技術(shù)。

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萬(wàn)方數(shù)據(jù)

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2　攪融鑄造技術(shù)
　　這是一種利用合金在固液溫度區(qū)間經(jīng)攪拌得到的流變性質(zhì)，將非長(zhǎng)纖維增強(qiáng)材料 攪入半固態(tài)熔液中，依靠半固態(tài)金屬的粘結(jié)性阻止增強(qiáng)材料因重差上浮而形成復(fù)合材 料的方法。英國(guó)Loughborough技術(shù)大學(xué)在研究石墨增強(qiáng)鋁硅合金用于生產(chǎn)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī) 鑄件和軸承的可能性時(shí)采用了這種方法［4］。由于石墨的加入使?jié){液的粘度增大，必 須增加相應(yīng)的剪切力，因此他們重點(diǎn)研究了增強(qiáng)物加入量與剪切速度的關(guān)系。李昊等 ［5］人從理論上分析了攪拌鑄造金屬?gòu)?fù)合材料熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)機(jī)制。他們認(rèn)為，顆粒 進(jìn)入熔體的動(dòng)力在于渦流表面徑向的壓力下降，而顆粒在熔體內(nèi)部的混合必須經(jīng)過(guò)顆 粒團(tuán)破碎和單個(gè)顆粒擴(kuò)散兩個(gè)過(guò)程。而顆粒均勻化的機(jī)制可由剪切細(xì)分化、軸向循環(huán) 流動(dòng)能力、速度波動(dòng)及剪切均勻化等幾個(gè)方面解釋。文獻(xiàn)［6］介紹用這種方法生產(chǎn) Zr-Al27-Cu3基的Al2O3纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。攪拌器安在一個(gè)鋼制壓力容器內(nèi)，其外部帶 有冷卻水套。容器內(nèi)安放坩堝。操作時(shí)將基體金屬及增強(qiáng)物加入坩堝，然后加熱使金 屬熔化成液體。在攪拌時(shí)再均勻地將部分增強(qiáng)物撒在液體上，然后靠容器外的冷卻管 將液體溫度降到某一溫度，使金屬中的固相達(dá)到一定比例后再與剩余的液體混合。澆 注時(shí)將充型管插入到攪拌過(guò)的漿液中，在7×105～106Pa壓力下將漿液壓入鑄錠模。陶 杰等人［7］用該法研制SiCp增強(qiáng)鋅基復(fù)合材料。在研制中發(fā)現(xiàn)，SiCp體積含量增加或 SiCp粒徑減小，復(fù)合材料的硬度增加，耐磨性提高。松下潤(rùn)二［8］用SiC增強(qiáng)Al-5%Cu 合金。他們是在攪拌器下部安置了冷卻槽以控制金屬的溫度。操作時(shí)合金以5℃/min冷 速冷卻，攪拌器轉(zhuǎn)速為250r/min，固相初晶的比例控制在40%左右。另外，結(jié)晶硅、石 墨增強(qiáng)鋅基復(fù)合材料也能用這種方法制造［9，10］。在石墨及陶瓷顆粒向液態(tài)金屬輸送 時(shí)，可采用吹霧化氮?dú)獾奶沾晒懿迦虢饘僖后w中，將增強(qiáng)顆粒直接送到液體內(nèi)部 ［11］。 　　攪融鑄造的優(yōu)點(diǎn)是能獲得增強(qiáng)物均勻分布的復(fù)合材料，但這種方法只限于有固液 相溫度區(qū)間的基體合金材料，另外在制作時(shí)對(duì)溫度的控制要求十分嚴(yán)格。

2　壓力鑄造、擠壓鑄造及氣壓鑄造成形技術(shù)
　　這三種鑄造技術(shù)適用于顆粒、短纖維及晶須增強(qiáng)復(fù)合材料、長(zhǎng)纖維復(fù)合材料的制 作。使用這類(lèi)方法時(shí)一般要按零件的形狀預(yù)先制得增強(qiáng)物預(yù)制塊。預(yù)制塊可以通過(guò)非 有機(jī)粘結(jié)劑粘結(jié)后預(yù)壓成塊，也可燒結(jié)而成［12］。 2.1　壓力鑄造成形技術(shù) 　　使用壓力鑄造時(shí)，將預(yù)制塊放入帶有分型機(jī)構(gòu)的半型中，合型后在200MPa壓力作 用下使液體迅速充型。這種方法操作簡(jiǎn)單，但由于充型速度高、凝固速度快，極易使 鑄件形成內(nèi)部氣孔缺陷。 2.2　擠壓鑄造成形技術(shù) 　　擠壓鑄造和壓力鑄造的不同點(diǎn)是：將預(yù)熱后的預(yù)制塊放入預(yù)熱的鑄型中，在重力 下澆入液態(tài)金屬或合金，然后在壓頭作用下使液體滲入預(yù)制塊，液態(tài)金屬在壓力下凝 固［13，14］。有人用這種方法制取Al2O3短纖維鋅基復(fù)合材料［15］。日本有人直接將 碳及玻璃顆粒放入鑄型，然后壓頭作用在錫液上使金屬體擠入鑄型［16］。不采用預(yù)制 塊的另一種做法是將機(jī)械攪拌和擠壓結(jié)合起來(lái)。我國(guó)有人用這種方法制取了高質(zhì)量的 鋁/石墨復(fù)合材料及鑄件［17］。在攪拌階段，以400～1000r/min轉(zhuǎn)速攪拌金屬液體，然 后以10～90g/min的速度將石墨粉加入含有鎂0.25～0.50wt%的鋁液中。在擠壓階段，，采
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萬(wàn)方數(shù)據(jù)

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用10t油壓機(jī)，壓力為91MPa左右。田中榮一［18］也用此法生產(chǎn)Al2O3顆粒增強(qiáng)錫基復(fù) 合材料。李?lèi)?ài)華［19］將撐融鑄造與擠壓鑄造結(jié)合起來(lái)，將重量比為鋁合金的3%～6% 的包鎳銅石墨粉加入到液固合金漿液中，然后將其迅速擠壓成軸承毛坯。攪拌器表面 涂有耐熱礬土水泥，轉(zhuǎn)速為400～1500r/min。擠壓設(shè)備為YA32-100型擠壓機(jī)，加壓速度 為7mm/s。不少人對(duì)復(fù)合材料的擠壓鑄造在理論上做了深入探討。儲(chǔ)雙杰等［20］在利 用擠壓鑄造制造碳纖維增強(qiáng)A356復(fù)合材料時(shí)特別研究了合金的凝固過(guò)程。發(fā)現(xiàn)在澆注 溫度高時(shí)其凝固發(fā)生在整個(gè)浸滲過(guò)程之后。由于模具和纖維的激冷作用，初生鋁固溶 體相在纖維間隙開(kāi)始形核并逐漸向纖維表面長(zhǎng)大；而共晶硅相則是依附在碳纖維表面 形核及長(zhǎng)大。并發(fā)現(xiàn)，隨凝固冷卻速度的降低，共晶硅相的形態(tài)由蠕蟲(chóng)狀向針狀、塊 狀轉(zhuǎn)變。同樣有人在研究CF/Al-4.5Cu復(fù)合材料的擠壓鑄造時(shí)，發(fā)現(xiàn)初生鋁固溶體也是 在纖維間隙形核并向纖維表面長(zhǎng)大；而共晶θ相則依附于碳纖維表面形核長(zhǎng)大［21］。 由于這種材料的界面結(jié)合很強(qiáng)，其斷裂特征為脆性斷裂。Labib A［22］還研究了冷卻速 度(0.1～100℃s－1)對(duì)擠壓鑄造G-SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料凝固組織的影響，發(fā)現(xiàn)冷卻速度 越大，SiC顆粒的分布越均勻。 2.3　氣壓鑄造及真空壓滲鑄造成形技術(shù) 　　這種方法是在氣體壓力作用下將金屬液體壓入增強(qiáng)材料制成的預(yù)制型間隙中。 Rohatgi PK［23］用此法生產(chǎn)鋁基SiC及Al2O3纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。用長(zhǎng)纖維繞制成預(yù)制 型。液體溫度在700～800℃范圍，鑄型預(yù)熱溫度為450～500℃，氣體壓力為1MPa左 右，比擠壓所用壓力低得多。所制產(chǎn)品中纖維體積量達(dá)40%～60%。文獻(xiàn)［24］介紹用 此法制造鉛基鍍銅碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。事先采用化學(xué)鍍方法通過(guò)CuSO4和HCHO反 應(yīng)在碳纖維表層鍍一層銅，然后將鍍銅纖維放入石英管中，再將石英管浸入鋁液中保 溫2min，然后通過(guò)0.49MPa的氮?dú)庾饔糜谝簯B(tài)金屬表面使液體充入石英管中。該作者還 用化學(xué)鍍方法制取鍍鎳碳纖維，并用壓力滲入法制取碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料［25］。我國(guó) 有人采用真空壓滲技術(shù)生產(chǎn)鋁基電子封裝復(fù)合材料［26］。在真空狀態(tài)下熔化金屬，澆 注時(shí)撤去真空，通入氣體使液體受壓，將液體通過(guò)升液管壓入上部鑄型中的預(yù)制型 內(nèi)。80年代中期Dural-Al基復(fù)合材料公司提出了攪拌加氣壓鑄造的新工藝［27］。其工 藝要點(diǎn)是：整個(gè)制造過(guò)程包括合金熔化、增強(qiáng)劑的加入、攪拌及澆注均處于真空狀 態(tài)；攪拌器采用多級(jí)傾斜葉片，轉(zhuǎn)速提高到2500r/min；保證足夠的保壓時(shí)間，以解決 液體與增強(qiáng)物的結(jié)合問(wèn)題；采用水冷工藝，使合金中的溶質(zhì)偏析程度減小。這種方法 適合于顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的制造。

3　離心鑄造成形技術(shù)
　　這是一種利用離心力將液態(tài)金屬擠入增強(qiáng)材料間隙而使復(fù)合材料成形的方法。松 下潤(rùn)二［28］用此方法制取Al-Si基石墨增強(qiáng)復(fù)合材料。他們先將增強(qiáng)顆粒置于坩堝的底 部，再裝入固態(tài)金屬材料。當(dāng)金屬材料熔化后對(duì)金屬施加離心力，使液體擠入增強(qiáng)顆 粒的間隙中。張震環(huán)［29］采用攪拌加離心鑄造的方式生產(chǎn)外徑為70mm、壁厚為10mm 的鋁/石墨復(fù)合材料軸瓦。在石墨表面鍍有銅衣是為了改善增強(qiáng)顆粒與液體的潤(rùn)濕性。 攪拌速度為960r/min，離心機(jī)上的鑄型轉(zhuǎn)速為940r/min，內(nèi)表面重力系數(shù)均為25。鑄型 為干砂型，鑄型的預(yù)熱溫度為50～100℃。離心鑄造的結(jié)果使軸瓦具有富石墨層和無(wú)石 墨層的雙層結(jié)構(gòu)，因此具有既耐磨又有好的剛度和強(qiáng)度的綜合性能。離心鑄造只能生 產(chǎn)筒環(huán)類(lèi)零件。
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4　自滲法、真空吸鑄及真空實(shí)型鑄造成形技術(shù)
4.1　自滲法 　　這是利用預(yù)制型的毛細(xì)作用，將液體引入增強(qiáng)物間隙的方法。液態(tài)金屬表面的氧 化層是液體自滲入的主要障礙。自滲法的關(guān)鍵是采取諸如加助滲劑的措施破壞金屬表 面氧化層，使液態(tài)金屬能直接和增強(qiáng)物接觸［30］。助熔劑的加入方式有兩種：一種是 鋁合金熔化后直接加入到鋁液中；另一種是與增強(qiáng)顆�；旌虾蠹尤氲侥�(nèi)。后者如配 合加入一定量的鋁粉，有利于控制增強(qiáng)相的比例，可獲得不同增強(qiáng)相含量的鋁基復(fù)合 材料［31］。我國(guó)也有人通過(guò)控制澆注溫度、保溫時(shí)間及保溫溫度與助滲劑的關(guān)系制備 了鋁基復(fù)合材料［32］。 4.2　真空吸鑄成形技術(shù) 　　這種方法是將預(yù)制型放入鑄型中，將鑄型一端浸入金屬液體中，鑄型的另一端接 真空裝置，使基體液體吸入鑄型中的預(yù)制型中。Davis KG［33］在鑄型型腔底部鋪一層 陶瓷顆�；蛱沾膳c合金粉末混合物，并將塑料薄膜鋪在顆粒層及鑄型上，四周用型砂 壓緊，然后底部抽真空。金屬液在靜動(dòng)壓力和真空吸力作用下滲入陶瓷顆粒，制成表 面復(fù)合材料。余昆［34］用此方法制成鋁/碳化物復(fù)合棒材。他們將CVD碳化硅纖維置 入鋼管中，鋼管一端用鋁塞密封，另一端接真空系統(tǒng)。在真空條件下，將裝有纖維的 鋼管端部預(yù)熱到高溫，然后將帶有鋁塞的一端插入金屬液體中，使液體吸入管中并滲 入管中的纖維。金屬凝固后用硝酸腐蝕掉鋼管得到完整的復(fù)合棒材。 4.3　真空實(shí)型鑄造成形技術(shù) 　　這是將增強(qiáng)物(纖維或顆粒)預(yù)先置入泡沫塑料內(nèi)，然后把塑料放入鑄型中，再抽 真空澆注的一種方法。文獻(xiàn)［35、36］介紹了具體方法。其要點(diǎn)是：可發(fā)性聚苯乙稀 珠粒100℃，2min，0.1MPa通水蒸氣預(yù)發(fā)泡粒 40℃干燥20～25℃24h熟化；用4%聚乙稀醇縮丁醛酒精將增強(qiáng)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%鋁釩土+30%乙醇+適量聚乙稀醇 縮丁醛)；預(yù)制塑料模置于鑄型后澆入ZG25鋼水后即可得到鋼基復(fù)合材料。 4.4　失蠟鑄造成形技術(shù) 　　和真空實(shí)型鑄造類(lèi)似，將纖維增強(qiáng)物預(yù)先置于蠟液中，制成帶有纖維的蠟?zāi)＃蝗?后按照常規(guī)在蠟?zāi)１砻嫒錾爸茪�；成殼后將蠟料去除；烘烤后澆注金屬液。金屬可�?壓力下充型，也可在真空吸力下充型［37］。

5　噴鑄成形技術(shù)
　　噴鑄成形是將增強(qiáng)物材料射入霧化的金屬液流中形成沉積復(fù)合物的一種方法。根 據(jù)增強(qiáng)物射入霧化液流的角度不同可分為順應(yīng)式和交叉式兩種［38］。有人采用單管交 叉式噴鑄技術(shù)制造Al2O3，SiC及石墨增強(qiáng)材料［39］。物料進(jìn)入射流的角度為90°，噴 霧壓力為1MPa，噴霧溫度為1350℃，噴霧時(shí)間為8～9s，顆粒供給量為5cm3／s，用這 種方法可制造帶材、管材及棒材［40］。文獻(xiàn)［41］和［42］介紹了用該方法生產(chǎn)Al4wt%Si/SiCp復(fù)合材料并探討了金屬液與陶瓷界面反應(yīng)的機(jī)理。 　　這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能減少增強(qiáng)物與液態(tài)金屬的長(zhǎng)時(shí)間接觸，不易形成脆性化合 物；組織均勻，不會(huì)出現(xiàn)凝固偏析等問(wèn)題。但在應(yīng)用上受到零件形狀的限制。

6　原位鑄造成形技術(shù)
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　　這是通過(guò)在金屬液體中加入能生成強(qiáng)化相的氣體或固態(tài)物質(zhì)來(lái)形成復(fù)合物的一種 方法。該方法的基本原理是根據(jù)熱力學(xué)理論，在合金設(shè)計(jì)時(shí)使生成增強(qiáng)體的反應(yīng)的吉 布斯自由能變化具有較大的負(fù)值［43］。由于過(guò)渡族元素的碳化物和氮化物具有極高的 硬度、彈性模量和高溫強(qiáng)度，是原位鑄造常用的增強(qiáng)體。王自東等人［44］采用熔鑄直 接接觸反應(yīng)法制取TiC顆粒增強(qiáng)鋁硅復(fù)合材料就屬于這種類(lèi)型。加入一些元素例如Si生 成硬質(zhì)相、并通過(guò)適當(dāng)方法改變其存在形態(tài)來(lái)強(qiáng)化合金也應(yīng)是原位鑄造成形的一種類(lèi) 型［45］。一般來(lái)講，通過(guò)反應(yīng)進(jìn)行復(fù)合材料原位成形有三類(lèi)情況：一是氣體與液體進(jìn) 行反應(yīng)，如Cu(Al)+N2/O2→Cu［Al］+Al2O3；二是液體與液體，如Cu(Ti)+Cu(B)→Cu +TiB2；三是液體與固體，如Ti+SiC→Ti［Si］+TiC,加鹽法也屬于這一類(lèi)，如K2TiF6 +Al→TiAl3＋AlF3+KF［38］。以上式中的Al2O3，TiB2,TiC及TiAl3等均為復(fù)合材料中的 強(qiáng)化相，它們?cè)诮饘倌虝r(shí)均勻分布在金屬基體中，形成了顆粒均布的復(fù)合物。我國(guó) 有人對(duì)直接氣-液反應(yīng)法進(jìn)行改進(jìn)，即將C和N元素的混合氣體直接注入Al-Ti-Mg合金 中，在電磁攪拌和氣動(dòng)攪拌的條件下，反應(yīng)生成原位AlN-TiC/Al復(fù)合材料。其結(jié)構(gòu)特 點(diǎn)是在基體中形成兩種增強(qiáng)體，而每一種增強(qiáng)體具有良好的性能，如TiC具有高硬度、 高強(qiáng)度及高耐磨性的優(yōu)點(diǎn)，而AlN具有高的熱導(dǎo)性及小的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)［46］。按 照這種思路和作法，同樣可制取非金屬自生復(fù)合材料［47］。 　　反應(yīng)合成法的特點(diǎn)是：增強(qiáng)物表面無(wú)污染，可避免與基體潤(rùn)濕不良的問(wèn)題；增強(qiáng) 物的尺寸與分布易于控制；材料的強(qiáng)度、彈性模量等性能易大幅度調(diào)整［48］。

7　共晶合金定向凝固復(fù)合成形技術(shù)及其它鑄造技術(shù)
　　利用共晶或偏晶合金定向快速凝固、形成纖維狀或?qū)悠嘟M織，并通過(guò)該系相平 衡圖中的臨界點(diǎn)的位置來(lái)控制增強(qiáng)相的體積含量來(lái)制取復(fù)合材料也是一種鑄造技術(shù) ［49］。采用這種方法生產(chǎn)的復(fù)合材料有Al Ni-Al,Al-CuAl,Ni-TaC及Co-TaC等。 3 　　連續(xù)鑄造技術(shù)也叫連續(xù)浸滲技術(shù)，它是將長(zhǎng)纖維穿過(guò)液態(tài)金屬及和熔液相連的模 口，使金屬液浸滲入纖維中來(lái)形成管材或棒材的方法［50］。這種方法的缺點(diǎn)是容易在 制品中殘留氣孔以及纖維與基體易受到氧化。為了解決這些問(wèn)題，目前發(fā)展了真空法 和惰性氣體保護(hù)法。 作者單位：（太原理工大學(xué)）

參考文獻(xiàn)
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特種鑄造技術(shù)在金屬基復(fù)合材料制造中的應(yīng)用及發(fā)展
作者： 作者單位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次數(shù)： 趙浩峰， 韓世平， Zhao Haofeng， Han Shiping 太原理工大學(xué) 材料工程 JOURNAL OF MATERIALS ENGINEERING 1999(2) 13次

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