一种金属基陶瓷复合材料的真空-压力转换铸渗方法及设备与流程

本发明涉及金属基陶瓷复合材料领域，特别是预制体铸渗方法和相关设备。

背景技术：

金属基陶瓷复合材料因其具有优异的性能，在航天，国防，电子等领域得到了飞速发展；随着研究的深入，民用工程中也得到了越来越广泛应用；近年来钢铁基陶瓷复合材料，由于具有良好的耐磨性、耐热性，兼有一定的韧性，抗冲击，不开裂，安全性好，在立磨机辊套，衬板，破碎机锤头等耐磨配件中，得到应用显现出巨大的优越性;然而由于氧化铝陶瓷，zta陶瓷等大部分陶瓷和金属的润湿性很差，稳定制得高质量中大型金属陶瓷复合材料部件还存在一定困难，限制了发展和应用。

预制体铸渗法是取得金属基陶瓷复合材料的一种有效手段，有常压铸渗和真空铸渗，压力铸渗；现有技术中真空-压力铸渗是在真空压力铸渗炉中进行；这种方法一般把金属的熔化和铸型的预热与真空-压力铸渗放在同一罐内，并且加热炉也在罐体中；这使得罐体受热时间长，罐体升温高，一般需对罐体进行水冷，增加了罐体的复杂程度，并且铸型在加热炉内，一般用耐热钢金属铸型，费用很高；兰州理工大学材料学与工程学院的宋文明等人在《压力铸渗法制备金属基复合材料》一文中提到，麻省理工学院相关研究人员，改进后的压力铸渗模型是这类系统的代表；cn1936047a是其中一例，cn102179502b也是一例，这种方式只能用于低熔点的有色合金基陶瓷复合材料部件的制作，且复合部件的尺寸受到限制，不能制作中大型金属基陶瓷复合材料部件；专利cn1295046c将液态金属熔炼坩埚和铸型分成两个密封室，但坩埚仍在加热炉内，为不锈钢材料，坩埚体承受压力，充气加压时坩埚温度较高，强度变低，不能承受较大压力；专利cn102861905a，使用了砂型，解决了金属型在熔化炉内被加热的一些弊端，但加热装置放在砂箱内给实际应用带来很多不便；专利cn100486734c三维网络陶瓷-金属磨擦复合材料的真空-气压铸造方法中的装置，分为上层熔化区和下层铸造区，解决了砂箱被加热到高温，能制造高熔点的钢铁合金基陶瓷复合材料，此方案中，熔化区和铸造区的密封靠金属合金材料完成，金属合金材料熔化很难控制金属液的过热度，并且此金属合金材料熔化后进入金属液中，污染了金属液，分布也不均匀，使基体金属局部成分变化较大，复合材料的性能受到影响；并且加热炉在罐体内，不适宜制作中型以上复合材料部件。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种金属基陶瓷复合材料的铸渗制作方法及设备，以满足高熔点钢铁基陶瓷复合材料及中大型复合材料部件的铸渗工艺，改善复合材料的质量，提高稳定性，可靠性；使钢铁基陶瓷复合材料部件及中大型金属基陶瓷复合材料部件得到生产应用。

由于钢铁基合金材料与氧化铝陶瓷、zta陶瓷等许多类陶瓷的润湿性很差，工艺首先对陶瓷预制体进行表面改性处理；当然根据陶瓷预制体的种类不同，要采取不同的处理方式，方法包括：陶瓷表面涂层，陶瓷表面微观处理，陶瓷表面金属化等方法；而真空-压力铸渗是改善润湿性提高金属陶瓷复合性能的有效手段。

本发明提供一种真空-压力转换铸渗方法及装置，该装置包括：下罐体、上罐体和浇包，真空系统，高压储气罐组和高压空压机组，智能配气控制系统。

本发明的技术方案：

a、预制体进行必要的表面改性处理

b、经过表面表面改性处理并预热的预制体放入预热的砂型中，并固定到需要位置

c、铸型合型锁紧，放入到下罐体中并立即盖好上罐体锁紧密封

d、砂型直浇道与下罐体的上顶和上罐体底部还有浇包底部相连，浇口对正并用石棉绳和胶泥密封

e、上罐体中放入浇包，浇口处用塞杆头密封，浇包预热热到600℃，盖好上罐体上盖锁紧密封

f、下罐体中抽真空到100pa以内

g、向浇包中倒入定量金属液，金属液成分及温度达到工艺要求

h、金属液倒入浇包后立即升高塞杆进行浇注，并马上把上罐体上盖上的浇注孔盖盖好锁紧密封

i、向上罐体内送入压缩空气加压，压力逐渐升高到0.5mpa-3mpa

j、当型腔充满到冒口时，关闭下罐体的真空阀，提升下罐体内压力到3mpa-10mpa，并使下罐体内压力与上罐体内压力一致；压力保持到金属液完全凝固，关闭进气阀，打开排气阀泄压，之后打开下罐体，取出砂箱；复合材料部件降温到200℃以下时开箱，对复合材料部件清理打磨，最后进行热处理，得到成品。

本方案要解决的问题及有益效果

a、金属液的加热熔化不在真空-压力转换罐内进行，使用砂型制作复合材料部件，复合材料部件尺寸不受熔化炉限制，可制作中大型金属基陶瓷复合材料部件；

b、砂箱不被加热，不承受压力，从而结构简单，一般材质普通砂箱可满足要求，制造费用低；

c、砂型耐热度高，保温性好，有利于金属液对陶瓷界面的浸润，起到很好的复合效果，有利得到高质量的复合材料部件，更适合于钢铁基高熔点金属基陶瓷复合材料部件的制作；

d、预制体在真空状态下铸渗，消除了空气对浸润的不利影响，更有益于金属液对陶瓷的浸润；在一定压力下铸渗，提高铸渗动能，型腔充满后立即施加高压，使预制体内部陶瓷表面微观进一步改善铸渗效果；补缩效果好，组织致密，提高复合材料部件性能；

e、利用外冷铁，吃砂量大小和涂料层厚度及性能控制复合材料部件的凝固顺序，设置保温冒口补缩，结构简单易行，可得到内部无气孔，缩松、缩孔，致密的复合材料部件。

附图说明

图1真空-压力转换铸渗装置

图2罐体中压力变化曲线

图1中1、下罐体2、上罐体3、浇包4、上罐体上盖5、浇注孔盖板6、浇注孔盖板锁紧装置7、塞杆8、电动升降杆9、浇口圈10、上下砂箱11、直浇道12、陶瓷预制体13、型腔14、保温冒口15、16、17密封环18、19、20、21、气体控制阀22、真空罐23、真空泵24、高压储气罐组25、空气压缩机26、智能配气控制系统

图2中a、下罐体内抽真空开始点b、下罐体内抽真空完成点c、下罐体内砂型型腔充型完成点，升高压开始点d、上下罐体高压充气完成点e、上下罐内高压开始保持点f、上下罐内高压保持结束点（凝固完成点）g、上下罐内卸压完成点。

具体实施方式

下面以zta陶瓷颗粒预制体高铬合金铸铁基复合材料部件为例，对本发明的实施进行更详细说明：部件名称，立磨辊套镶条。

按要求制作预制体，在模具中成型，固化，烧结。

将预制体浸入特制的活化剂和含有活性金属元素的浆料中，在超声波振动下，浸渍30秒，提出滤干入窑升烘干，烧结备用。

造砂型，用水玻璃石英砂造型，一型8件，每件设置一个冒口,复合件在下型，冒口在上型。

下砂型预热到600℃，之后，从窑中取出预热的预制体固定在下型中需要位置,上下箱合型，立即把砂型放入下罐体中，砂箱顶部浇口处放入浇口套，浇口套上下面用石棉绳和泥密封，吊入上罐体并锁紧密封；在上罐体中置入浇包，对准浇口，用塞杆密封住浇口；塞杆的升降由电动螺杆操控.浇包提前预热600℃。

下罐体抽真空，上罐体盖上上盖并锁紧密封。

浇包中倒入成分、温度符合要求的高铬合金金属液，并盖上浇注盖板锁紧密封。

下罐体中抽真空到100pa以内，提升塞杆进行浇注，同时上罐体内充入压缩空气逐渐进行加压，下罐体内继续抽真空。

由探测器测得金属液升入冒口后证明充型完成，立即关闭真空阀，进行下罐体加压，并保持上下罐体压力相同。

约20分钟后，冒口液面凝固，整个复合材料部件完全凝固；关闭加压气阀，打开放气阀卸压，待罐内压力与罐外压力一致时打开下罐体取出砂箱。

浇注铸渗过程中，上罐体与下罐体的压力变化工艺曲线见图2，配气系统智能控制。

复合部件在砂型中冷却到200℃以下时，打开砂箱，取出复合部件，清理打磨得到成品,此镶条经二次镶铸，得到立磨辊套。

以上所述实例，只是对本发明的技术方案及设备进行了进一步的详细说明，案例并不用于限制本发明，本发明方案可用于多种陶瓷预制体多种金属基体铸渗法制作多种金属基多种陶瓷复合部件，特别适用于生产中大型金属陶瓷复合材料部件；质量稳定，易于控制，实用性强，成本较低，适于批量生产；凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。