一种制备多功能金属基复合材料铸件的装置的制作方法

本实用新型涉及一种制备多功能金属基复合材料铸件的装置，属于金属材料加工领域，特别是金属基复合材料制备技术领域。

背景技术：

随着科技迅猛发展，对材料的综合性能的要求愈加提高，传统金属材料已渐渐不能满足实际需求，为提升飞行器、汽车等的使用性能，减轻其重量、提高有效载荷、降低能源消耗，具有比强度、比模量高，耐磨性、耐疲劳性、高导热性和低热膨胀系数等特点的金属基复合材料受到极大重视，发展迅速，成为了国内外高新技术领域的重要研究方向之一。

为了满足宇航、航空、先进动力等高技术领域对材料提出的更严苛的要求，多功能复合材料及其部件的研究和制备显得愈加重要。其非均质的特性在特定环境下相比均质复合材料具有非常优异的性能，可以充分发挥各种材质的独特优点，又可以克服各自的缺点。它的出现引起众多领域研究者的重视，并且发展成为当前结构材料研究领域中的重要课题之一，应用前景广阔。

目前多功能复合材料及其部件的制备方法主要包括固固复合法，固液复合法以及液液复合法等，但是这些方法均存在设备结构复杂、制备成本高，材料界面结合差，性能低、质量一致性差等突出问题。因此如何高效制备多功能复合材料部件成为研究重点。

技术实现要素：

为了克服上述技术存在的缺点和问题，本实用新型的目的在于提供一种制备多功能金属基复合材料铸件的装置。

为实现以上目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种制备多功能金属基复合材料铸件的装置，该装置主要由冲头、浇包、浇杯、模具加热器、浇道、上模具、下模具、支撑座、底座和电机构成；浇杯与浇道上端连接，浇包设置于浇杯的侧上方；冲头设置于浇道的上方，可以上下移动进入和移出浇道；模具加热器设置于上、下模具的外周，或镶嵌在模具中，对模具进行加热；上模具和下模具置于支撑座上，支撑座均置于底座上，支撑座与电机衔接，电机通过支撑座带动上模具和下模具旋转。

上述装置中，所述的浇包为两个(含2个)以上，用于盛装不同的熔体，分别置于浇杯正上方的两侧，可通过浇杯向模具内浇入合金液体。

上述装置中，所述的冲头设置于浇道的正上方，冲头与浇道之间可形成间隙配合，间隙很小，约为2-10微米，冲头可以移动进入浇道中，对模具中的合金熔体进行加压。

上述装置中，所述的浇道可以是直浇道，直浇道一端连接浇杯，另一端连接型腔。浇包中的合金液体通过直浇道进入上模具与下模具合模后形成的型腔中。

或者所述的浇道由直浇道和横浇道组成，直浇道一端连接浇杯，另一端连接横浇道，横浇道与型腔连接。浇包中的合金液体通过直浇道进入横浇道，流入型腔中。

或者所述的浇道由直浇道、横浇道和内浇道组成；直浇道一端连接浇杯，另一端连接横浇道，横浇道与内浇道连接，内浇道与型腔连接；浇包中的合金液体通过直浇道进入横浇道，再通过内浇道流入型腔中。

上述装置中，横浇道可以为2-12个，呈均匀分布；内浇道为复数个。

上述装置中，所述的上模具中预留直浇道的位置，所述的上模具的下部和下模具的上部预留横浇道或横浇道和内浇道的位置；所述的直浇道嵌入上模具的预留位置中，所述的横浇道或横浇道和内浇道嵌入上模具与下模具合模后预留的位置中。

上述装置中，所述的浇杯嵌入上模具中直浇道预留位置的上端。

本实用新型的制备多功能金属基复合材料铸件的装置，可为卧式放置，也可为立式放置。

本实用新型的优点：

本实用新型提供了一种高效制备多功能金属基复合材料的装置，装备结构简单，操作方便；铸造工艺简单，流程少，在空气和常压下进行，符合目前社会节能环保的主题。采用该装置制备的复合材料在高离心剪切力和压力作用下，组织结构得到明显改善，晶粒细化明显，颗粒与基体结合良好，其综合性能有了明显提高。本实用新型的装置可用于制备制动毂、刹车鼓等复合材料铸件，制备的多层金属基复合材料之间界面结合好，性能高、质量一致性好，成品率高。

附图说明

图1是本实用新型装置结构示意图。

图2是铝基复合材料制动毂铸件示意图。

主要附图标记说明：

1 冲头 2 浇包

3 浇包 4 浇杯

5 模具加热器 6 浇道

7 上模具 8 下模具

9 支撑座 10 底座

11 电机 12 高强高韧层

13 复合材料耐磨层

具体实施方式

本实用新型可以根据以下实例实施，但不限于此，这些实施例只是为了举例说明本实用新型实施过程，而非以任何方式限制本实用新型的范围，在以下的实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。

如图1所示，本实用新型制备多功能金属基复合材料铸件的装置，主要由以下部分构成：冲头1、浇包2、浇包3、浇杯4，模具加热器5、浇道6、上模具7、下模具8，支撑座9、底座10和电机11构成。冲头1位于浇道6和烧杯4的正上方，可以上下移动进入和移出浇道6。浇杯4固定在浇道6的上方，与浇道6上端连接，浇包为两个，浇包2和浇包3置于浇杯4正上方两侧，可通过浇杯4向模具内浇入合金液体。模具加热器5置于模具的外周(也可镶嵌入模具中)，对模具进行加热；上模具7和下模具8置于支撑座9的上方，上模具7、下模具8、支撑座9均置于底座10上，支撑座9与电机11衔接，电机11通过支撑座9带动上模具7和下模具8旋转。

如图1所示，浇道6由直浇道和横浇道组成，直浇道一端连接浇杯4，另一端连接横浇道，横浇道的一端与直浇道连接，另一端与型腔连通；浇包中的合金液体通过直浇道进入横浇道，再流入上模具7与下模具8合模后形成的型腔中；横浇道可以为2-12个，呈均匀分布。图1中的浇道6还可以仅为直浇道，直浇道一端连接浇杯4，另一端连接型腔；浇包中的合金液体通过直浇道进入型腔中。或者浇道6还可由直浇道、横浇道和内浇道组成，内浇道可以是多个；直浇道一端连接浇杯4，另一端连接横浇道，横浇道的一端与直浇道连接，另一端通过内浇道与型腔连通；浇包中的合金液体通过直浇道进入横浇道，再通过内浇道流入型腔中。

本实用新型制备多功能金属基复合材料铸件的装置中，冲头1和浇道6(直浇道)的尺寸之间为间隙配合，间隙为2-10微米，冲头1可以移动进入浇道6中，对模具中的合金熔体进行加压。

该装置中，上模具7中预留直浇道的位置，上模具7的下部和下模具8的上部预留横浇道(或横浇道和内浇道)的位置；直浇道嵌入上模具7的预留位置中，横浇道(或横浇道和内浇道)嵌入上模具7与下模具8合模后预留的位置中。浇杯4嵌入上模具7中直浇道预留位置的上端。该装置可为卧式放置，也可为立式放置。

下面以制备复合材料制动毂铸件为例，对本实用新型的装置进行详细说明。

本实施例制备直径450mm规格的复合材料制动毂铸件，该铸件是一个兼具多功能的铸件，外层要求具有高的耐磨性，而内层具有较高的强度和较高的韧性。

根据铸件的上述要求，采用本实用新型的装置，在制动毂外层采用15％(体积含量)SiCp/A357碳化硅颗粒增强铝基复合材料，而在内层采用具有较高强度和韧性的A357铝合金，这样可使制动毂铸件兼具高耐磨性和高强度和高韧性。

采用的具体装备及制备工艺过程如下：

如图1所示，本实用新型的制备高强韧高耐磨铝基复合材料制动毂铸件装置，该装置主要由以下部分构成：冲头1、浇包2、浇包3、浇杯4，模具加热器5、浇道6、上模具7、下模具8，支撑座9、底座10和电机11构成。冲头1位于浇道6的正上方，可以上下移动进入和移出浇道6。2个浇包，浇包2和浇包3置于浇杯4正上方两侧，可通过浇杯4向模具内浇入合金液体。2个浇包放置在浇杯4上方，一个用来盛放碳化硅颗粒增强铝基复合材料熔体，一个用来盛放A357铝合金熔体。模具加热器5置于模具的外周，对模具进行加热；浇道6由1个直浇道和6个横浇道组成，横浇道的一端与直浇道连接，另一端与型腔连通，6个横浇道在同一平面上呈周向均匀分布；浇包中的合金液体通过直浇道进入横浇道，再流入型腔中。上模具7和下模具8置于支撑座9的上方，上模具7、下模具8、支撑座9均置于底座10上，支撑座9与电机11衔接，电机11通过支撑座9带动上模具7和下模具8旋转。

其工艺流程包括如下步骤：

(1)在铸造前，将浇杯4、直浇道和横浇道分别嵌入上、下模具中，将上模具7、下模具8合模，采用模具加热器5，充分加热至300℃。一个浇包2中盛有精炼好的15％SiCp/A357碳化硅颗粒增强铝基复合材料熔体并保温，熔体温度为630℃，另一浇包3中盛有A357铝合金熔体并保温，熔体温度为720℃。

(2)铸造时，打开电机，设定电机初始转数800rpm，从浇包2向浇杯4中倒入SiCp/A357碳化硅颗粒增强铝基复合材料熔体，使复合材料熔体充分离心贴合至型腔外侧形成复合材料层，待复合材料层熔体凝固到590℃时，复合材料层中的复合材料熔体已经处于半固态，此时将浇包3中的A357铝合金熔体浇入浇杯4中，同时逐步提高电机转数到3000转，熔体在离心力作用下与复合材料内侧的复合材料熔体混合，形成A357铝合金层，然后逐渐提高电机转数到6000转，铸件在更大的离心力作用下进行充分充填，待熔体浇注和充填完毕时，关闭电机11，快速下降冲头1，使冲头1挤入浇道6中，然后对冲头1进行加压和保压，加压和保压压力80MPa，保压时间12秒，使金属熔体进行充分充填和凝固，从而获得致密的复合材料制动毂，如图2所示，制动毂外层为复合材料耐磨层13，内层为高强高韧层12。

(3)铸造结束时，将铝基复合材料制动毂从模具中取出，清理上模具7、下模具8，喷涂脱模剂，重复上述流程，进入下一次铸造。

本实施例制备的制动毂外层与内层之间界面结合好，性能高、质量一致性好；同时操作简单、方便。