CN109909448B - 一种泡沫模型的制备方法及制备金属基复合材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种泡沫模型的制备方法及制备金属基复合材料的方法。所述泡沫模型的制备方法包括以下步骤：将有机黏结剂溶于有机溶剂中，得有机黏结剂溶液；将可发性聚苯乙烯珠粒和硬质陶瓷颗粒混合，加入所述有机黏结剂溶液，搅拌均匀，得混合物料；将所述混合物料加入模具中，通入蒸汽，使模腔内的可发性聚苯乙烯珠粒膨胀，得消失模铸造用泡沫模型。采用上述增强颗粒均匀分布其中的消失模模型，采用V‑EPC消失模工艺铸造耐磨件，使得增强颗粒均匀分布于金属基体中，可制备得到整体耐磨性增强的铸件，耐磨性能可达到相应金属耐磨件的2‑2.5倍以上。
Description
技术领域
本发明涉及塑料机械制造技术领域，尤其涉及一种泡沫模型的制备方法及制备金属基复合材料的方法。
背景技术
复合材料是由两种或两种以上材料组成，通常两者性质截然不同，形成性能互补的状态，最终加以优化组合构成的一种材料。按照基体材料的不同，通常将复合材料分为三类，分别为树脂基复合材料(PMC)、金属基复合材料 (MMCs)、陶瓷基复合材料(CMC)。与其他复合材料相比，金属基复合材料凭借其高强度、高弹性模量、良好的高温性能和抗疲劳性能、良好的耐磨性和尺寸稳定性、不吸湿、不老化等优点，成为近年来人们研究的热点。金属基复合材料按照增强相的形态特征大致可分为纤维增强、晶须增强、颗粒增强以及颗粒和短纤维混合增强四种。其中，陶瓷颗粒增强金属基表面复合材料将金属材料的高强韧性和陶瓷颗粒的高硬度有效结合起来，形成整体耐冲击和表面耐磨的高性能材料，因而受到广泛关注。
目前，采用铸渗法制备得到的颗粒增强金属基复合材料仅在复合材料的表面存在增强复合层，因此只有表面的力学性能较好，一旦表面的增强复合层磨损之后，复合材料的力学性能就会大幅下降，造成资源的极大浪费。因此，研制一种可以提高金属基复合材料整体耐磨性的制备方法具有十分重要的意义。
发明内容
针对现有铸渗法制备得到的颗粒增强金属基复合材料仅在表面存在增强复合层，导致复合材料耐磨性较差的问题，本发明提供一种泡沫模型的制备方法及制备金属基复合材料的方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案一是：
一种消失模铸造用泡沫模型的制备方法，所述方法具体包括以下步骤：
步骤一、将有机黏结剂溶于有机溶剂中，得有机黏结剂溶液；
步骤二、将可发性聚苯乙烯珠粒和硬质陶瓷颗粒混合，加入所述有机黏结剂溶液，搅拌均匀，得混合物料；
步骤三、将所述混合物料加入模具中，通入蒸汽，使模腔内的可发性聚苯乙烯珠粒膨胀，冷却固化得消失模铸造用泡沫模型。
相对于现有技术，本发明提供的消失模铸造用泡沫模型的制备方法，利用有机黏结剂将硬质陶瓷颗粒均匀粘附在可发性聚苯乙烯(EPS)珠粒表面，然后将混合均匀的混合物料填满模腔，通过蒸汽使EPS珠粒膨胀，膨胀的EPS 颗粒和硬质陶瓷颗粒相互粘结在一起形成一个无缝隙的整体模型，冷却后便可得到硬质陶瓷颗粒在其中均匀分布的消失模铸造用泡沫模型，并且由于硬质陶瓷颗粒之间以及硬质陶瓷颗粒与EPS珠粒之间黏结剂的存在，可有效避免因浇注金属液的冲刷作用而造成的硬质陶瓷颗粒在铸件中分布不均匀问题的出现，同时还能避免EPS珠粒膨胀过程中硬质陶瓷颗粒从EPS珠粒表面脱落问题的出现。
优选的，所述有机黏结剂为酚醛树脂与松香的混合物，其中，所述酚醛树脂与所述松香的质量比为2-2.5:1。
优选的黏结剂浇注后产气量少，产生的气体可以在短时间内迅速排出，不影响浇注过程的顺利进行，且优选的黏结剂气化后残留物少，不会产生夹渣和气孔缺陷，保证了铸件的力学性能。
优选的，所述有机溶剂为无水乙醇。
优选的有机溶剂可以使酚醛树脂与松香混合黏结剂充分溶解，且无水乙醇易挥发，不影响浇注过程的进行，使得金属浇注液更易充型，同时，选择无水乙醇作为溶剂也不影响EPS珠粒受热膨胀成型，保证了消失模铸造用泡沫模型制备工艺的顺利进行。
优选的，所述有机黏结剂溶液的浓度为0.08-0.12g/ml。
优选的，所述有机黏结剂溶液与所述可发性聚苯乙烯珠粒的加入体积比为0.008-0.012:1。
黏结剂浓度和用量过低，会导致增强颗粒与EPS珠粒的粘结强度低，易被金属液冲掉，导致增强颗粒不能均匀分散于铸件中；黏结剂浓度和用量过高，则黏结剂气化会产生大量的气体和残渣，导致铸件出现气孔和夹渣缺陷，降低铸件的力学性能。
优选的，所述硬质陶瓷颗粒为碳化钛或碳化硅中的至少一种。
更优选的，所述硬质陶瓷颗粒为碳化钛。
TiC密度小，硬度、弹性模量、断裂韧性、热稳定性、热膨胀系数等都较高，且与金属基体的润湿性好，能很大程度提高材料的耐磨性。
优选的，所述硬质陶瓷颗粒与所述可发性聚苯乙烯珠粒的加入体积比为 0.02-0.1:1。
优选的，所述可发性聚苯乙烯珠粒的粒径为1-2mm。
优选的，所述硬质陶瓷颗粒的粒径为6-25μm。
优选的EPS珠粒和增强颗粒的粒径，以及增强颗粒与EPS珠粒的体积比，可使EPS珠粒表面均匀粘附增强颗粒，且经过有机黏附剂的作用，使得硬质陶瓷颗粒始终处于EPS珠粒与珠粒之间，得到增强颗粒在白模中均匀弥散分布的泡沫模型。
优选的，步骤二中，搅拌速度为120-200r/min，搅拌时间为3-5min。
优选的搅拌速度和搅拌时间，能保证EPS珠粒表面均匀涂覆增强颗粒，同时还可避免增强颗粒从EPS珠粒表面脱落。
优选的，步骤三中，通入蒸汽的温度为110-130℃，蒸汽通入时间为2- 3min。
本发明提供的技术方案二为：
利用上述方法制备的消失模铸造用泡沫模型制备金属基复合材料的方法，所述方法包括如下步骤：
将所述消失模铸造用泡沫模型组装成模样簇；
将所述模样簇烘干后，将模样簇置入铸造涂料(消失模专用涂料)中浸涂，烘干；
将干燥后的模样簇放入消失模铸造砂箱内，振动造型；
在负压条件下，将熔炼至浇注温度的基材金属材料浇注至型腔中，冷却定型后，落砂清理，得颗粒增强金属基复合材料。
本发明提供的金属基复合材料的制备方法，采用将增强颗粒均匀分布在与铸件成品外形一致的消失模内，然后采用浇注一次成型的工艺铸造耐磨件，使得增强颗粒均匀分布于金属基体中，制备得到整体耐磨性增强的铸件；而且负压环境使金属基体材料能完全渗入增强颗粒缝隙中，提高增强颗粒与基体材料的结合性能，同时减少了气孔缺陷，进一步了提高铸件的整体耐磨性能。采用本发明提供的方法制备得到的整体增强性铸件的耐磨性能可达到相应金属耐磨件的2-2.5倍以上。
优选的，浇注系统采用垂直缝隙式浇注系统。
缝隙式浇注系统设计时，金属液经直浇道的底部先进入截面积较大的垂直过道，然后经截面积较小的缝隙内浇道进入型腔。缝隙内浇道的厚度约为铸件壁厚的0.7-1.0倍，前者适用于圆筒形铸件，后者适用于平板形铸件，其宽度约为内浇道厚度的3-4倍，内浇道厚度越大，宽度的倍数越小，其最小值为 10mm，最大值为40mm。垂直过道的直径约是铸件壁厚的3-6倍，壁厚小的取较大的倍数，壁厚较大的取较小的倍数。
本发明中采用垂直缝隙式浇注系统，减少浇注液的冲刷力，同时由于增强颗粒之间黏结剂的存在，避免了增强颗粒在铸件中分布不均匀问题的出现。
优选的，负压度为0.03-0.06MPa。
优选的负压环境可使砂子充入模型空腔时足够紧实而不易变形，从而抵抗液态金属浇注时的冲刷作用；此外，优选的负压环境还可以使金属液快速渗入增强颗粒的缝隙之间，使增强颗粒快速被金属液包围，同时，还能强化金属液浇注时泡沫塑料气化后气体的排出效果，最大限度的减少铸件的气孔、夹渣等缺陷，大大提高铸件的耐磨性能，同时还能避免浇注时金属液反喷或负压吸气问题的出现，保证浇注过程的顺利进行。
本发明提供的颗粒增强金属基复合材料的制备方法，可控性强，操作简便，成品率高，可直接做成各种金属基复合材料零部件，尤其适用于形状复杂的、技术要求高的复合材料铸件，使复合材料的整体增强性能显著提高，具有广阔的应用前景。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种TiC增强高铬铸铁材质盖板的制备方法：
步骤一、称取有机黏结剂溶于无水乙醇中，配成浓度为0.1g/ml的有机黏结剂溶液；
步骤二、量取有机黏结剂溶液20ml，平均粒度为6.5μm的TiC颗粒 250ml和平均粒径为1mm的EPS珠粒2500ml，加入泡沫混合机中，以 120r/min的速度搅拌5min，得混合物料；
步骤三、利用消失模模样专业设备将所述混合物料充型至铸件模具型腔中，通入温度为110℃的蒸汽，通汽时间为3min，通入冷却水使模具冷却，得消失模铸造用泡沫模型；
步骤四、按照设计好的缝隙式浇注系统切割浇道，用消失模专用胶将浇道与所述消失模铸造用泡沫模型粘合；
步骤五，组装成模样簇，烘干后，将模样簇置入消失模专用涂料中浸涂，烘干；
步骤六，将干燥后的模样簇放入消失模铸造砂箱内，振动造型，并抽真空，负压度为0.05MPa；
步骤七，将熔炼至1420℃的高铬铸铁金属液浇注至型腔中，冷却至室温后，进行表面清理打磨，得TiC颗粒增强高铬铸铁材质盖板。
其中，所述有机黏结剂为酚醛树脂和松香的混合物，所述酚醛树脂和松香的质量比为2:1。
上述制备得到的盖板，高铬铸铁基体与TiC颗粒复合较好，铸件表面质量高，TiC颗粒分布均匀于铸件中，TiC颗粒的平均分散系数为2.2，铸件硬度为 HRC64，冲击韧性12J/cm2。
上述平均分散系数的计算过程为：将铸件的金相图片利用Photoshop软件处理并且添面网格，然后将在光学显微镜下试样的考察表面划分成若干方形区域(将金相图片的长边划分为18个格，短边划分为14个格)，测量每个区域中TiC颗粒的面积百分数，算出其平均值S和标准差σ(表示各数值偏离平均值的程度)，以标准差和平均值的比值定义为颗粒分散系数，取n个不同的考察面，然后取其平均值称为颗粒平均分散系数。
实施例2
一种TiC增强高铬铸铁材质护板的制备方法：
步骤一、称取有机黏结剂溶于无水乙醇中，配成浓度为0.08g/ml的有机黏结剂溶液；
步骤二、量取有机黏结剂溶液25ml，平均粒度为13μm的TiC颗粒50ml 和平均粒径为2mm的EPS珠粒2500ml，加入泡沫混合机中，以150r/min的速度搅拌4min，得混合物料；
步骤三、利用消失模模样专业设备将所述混合物料充型至铸件模具型腔中，通入温度为120℃的蒸汽，通汽时间为2min，通入冷却水使模具冷却，得消失模铸造用泡沫模型；
步骤四、按照设计好的缝隙式浇注系统切割浇道，用消失模专用胶将浇道与所述消失模铸造用泡沫模型粘合；
步骤五，组装成模样簇，烘干后，将模样簇置入消失模专用涂料中浸涂，烘干；
步骤六，将干燥后的模样簇放入消失模铸造砂箱内，振动造型，并抽真空，负压度为0.04MPa；
步骤七，将熔炼至1440℃的高铬铸铁金属液浇注至型腔中，冷却至室温后，进行表面清理打磨，得TiC颗粒增强高铬铸铁材质护板。
其中，所述有机黏结剂为酚醛树脂和松香的混合物，所述酚醛树脂和松香的质量比为2.3:1。
经表征，高铬铸铁基体与TiC颗粒复合较好，铸件表面质量高，TiC颗粒分布均匀于铸件中，TiC颗粒的平均分散系数为2.1，铸件硬度为HRC62，冲击韧性11J/cm2。
实施例3
一种SiC增强ZL104铝合金复合材料的制备方法：
步骤一、称取有机黏结剂溶于无水乙醇中，配成浓度为0.12g/ml的有机黏结剂溶液；
步骤二、量取有机黏结剂溶液36ml，平均粒度为23μm的SiC颗粒240ml 和平均粒径为1mm的EPS珠粒3000ml，加入泡沫混合机中，以200r/min的速度搅拌3min，得混合物料；
步骤三、利用消失模模样专业设备将所述混合物料充型至铸件模具型腔中，通入温度为130℃的蒸汽，通汽时间为2min，通入冷却水使模具冷却，得消失模铸造用泡沫模型；
步骤四、按照设计好的缝隙式浇注系统切割浇道，用消失模专用胶将浇道与所述消失模铸造用泡沫模型粘合；
步骤五，组装成模样簇，烘干后，将模样簇置入消失模专用涂料中浸涂，烘干；
步骤六，将干燥后的模样簇放入消失模铸造砂箱内，振动造型，并抽真空，负压度为0.03MPa；
步骤七，将熔炼至750℃的ZL104金属液浇注至型腔中，冷却至室温后，进行表面清理打磨，得SiC增强ZL104铝合金复合材料。
其中，所述有机黏结剂为酚醛树脂和松香的混合物，所述酚醛树脂和松香的质量比为2.5:1。
经表征，ZL104基体与SiC颗粒复合较好，铸件表面质量高，SiC颗粒分布均匀于铸件中，平均分散系数为2.4。
对比例1
一种SiC增强ZL104铝合金复合材料的制备方法：
步骤1：将平均粒度为23μm的SiC颗粒置于电阻热处理炉中，加热至 800℃，保温8h，进行高温预处理；
步骤2：将预处理后的体积分数为8％(相对于铸件体积)的SiC粉末及 ZL104铸锭加入真空多功能感应熔炼炉，密封后对感应熔炼炉抽真空，绝对真空度为5Pa；
步骤3：对石墨坩埚进行感应加热，待ZL104铸锭熔化后，升温至680- 710℃；
步骤4：启动石墨搅拌器对熔体进行搅拌，同时缓慢加入SiC粉末，搅拌器转速分别采用100r/min、200r/min、300r/min，正转5min，间隔1min，再反转5min，持续搅拌1h；
步骤5：卸真空，将SiC/ZL104复合材料金属液浇入铸件型腔；
步骤6：冷却后，在铸件不同部位截取试样，进行耐磨性试验。
SiC颗粒分布在铸件中的分散性较差，平均分散系数为4.3。
本发明实施例3中制备的SiC/ZL104复合材料与对比例1制备的 SiC/ZL104复合材料相比，耐磨性能提高了20％，且本发明实施例的制备工艺更加简单，耗时短，铸造成本低。
本发明实施例1中制备得到的TiC增强高铬铸铁材质盖板为：
现有只有表层有TiC颗粒增强高铬铸铁材质使用寿命的1.5-2.0倍以上。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种消失模铸造用泡沫模型的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将有机黏结剂溶于有机溶剂中，得有机黏结剂溶液；
步骤二、将可发性聚苯乙烯珠粒和硬质陶瓷颗粒混合，加入所述有机黏结剂溶液，搅拌均匀，得混合物料；
步骤三、将所述混合物料加入模具中，通入蒸汽，使模腔内的可发性聚苯乙烯珠粒膨胀，冷却固化得消失模铸造用泡沫模型；
所述有机黏结剂为酚醛树脂与松香的混合物，其中，所述酚醛树脂与所述松香的质量比为2-2.5:1；所述有机溶剂为无水乙醇；所述有机黏结剂溶液的浓度为0.08-0.12g/ml，其与所述可发性聚苯乙烯珠粒的加入体积比为0.008-0.012:1。
2.如权利要求1所述的消失模铸造用泡沫模型的制备方法，其特征在于，所述硬质陶瓷颗粒为碳化钛或碳化硅中的一种或两种。
3.如权利要求1或2所述的消失模铸造用泡沫模型的制备方法，其特征在于，所述硬质陶瓷颗粒与所述可发性聚苯乙烯珠粒的加入体积比为0.02-0.1:1。
4.如权利要求1或2所述的消失模铸造用泡沫模型的制备方法，其特征在于，所述可发性聚苯乙烯珠粒的粒径为1-2mm；和/或
所述硬质陶瓷颗粒的粒径为6-25μm。
5.如权利要求1所述的消失模铸造用泡沫模型的制备方法，其特征在于，步骤二中，搅拌速度为120-200r/min，搅拌时间为3-5min；和/或
步骤三中，通入蒸汽的温度为110-130℃，蒸汽通入时间为2-3min。
6.一种利用权利要求1-5任一项所述的消失模铸造用泡沫模型的制备方法制备金属基复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将所述消失模铸造用泡沫模型组装成模样簇；
将所述模样簇烘干后，将模样簇置入铸造涂料中浸涂，烘干；
将干燥后的模样簇放入消失模铸造砂箱内，振动造型；
在负压条件下，将熔炼至浇注温度的基材金属材料浇注至型腔中，冷却定型后，落砂清理，得颗粒增强金属基复合材料。
7.如权利要求6所述的制备金属基复合材料的方法，其特征在于，浇注系统采用垂直缝隙式浇注系统；和/或
负压度为0.03-0.06MPa。
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