[发明专利]制取金属基复合材料的方法

说明书

本发明涉及在陶瓷预制坯中，利用置于该预制坯中的渗透性填充物与熔融铝或镁，或其合金间的自发渗透来制取金属基复合材料的方法。本发明还涉及铝和镁金属基复合材料体及其结构。

有若干种复合材料制品，由于它们兼有强化相的强度与硬度和金属基体的延性与韧性，因而在各种各样的应用中是很有前途的，这些复合材料制品是由金属基体埋入陶瓷粒子，晶须，纤维或其他类似的填充物组成的强化或增强相中所组成。一般而言，金属基复合材料体在如强度，刚度，抗接触磨损性以及在对基体金属本身来说已可算高温的情况下仍保持强度的这样一些性质上都有改进。在某些情况下，该复合材料体的重量可能比大小相同的基体金属体要轻些。然而，任何一个特性可能得到改进的程度主要取决于所采用的具体组分，它们在复合材料体中所占的体积或重量百分比以及将它们加工成复合材料体的方法。例如，用诸如，呈颗粒状，片晶或晶须状的碳化硅这类陶瓷填料增强的铝基复合材料，由于它们有较高的刚度，以及相对于未加填料的铝来讲，有较高的耐磨和耐温性能，而使人关注。

人们已介绍了各种生产铝基复合材料的冶金方法，其中包括借助于粉末冶金技术的方法以及诸如借助于增强材料的熔融金属渗透作用的压力注浆法。

就粉末冶金技术而言，它是把呈粉末状态的金属和呈粉末，晶须，短纤维等状态的陶瓷增强材料掺合在一起，然后，或是用冷压加烧结，或是用热压法加工。但采用传统工艺的粉末冶金技术生产金属基复合材料，会使所得产品的性能受到一定限制。在该复合材料中，陶瓷相所占的体积百分率通常被限制在约40%，压制操作使得到制品的实际体积受到限制，以及若无后续的加工过程（例如，成形或机加工），或不利用复杂的压制过程，就只能得到形状比较简单的制品。再者，在烧结过程中，不均匀的收缩以及由于压坯中的偏析和晶粒长大而致的显微组织的不均匀性就可能发生。

例如，当生产填充氧化铝的铝基复合材料中使用熔融铝时，熔融铝不容易浸润氧化铝增强材料，因此，使它难以形成组织致密的制品。先有技术提出了对该问题的各种解决办法，其中包括，用浸润剂包覆氧化铝（或其他填充物）;通过加压，把熔融铝压进增强材料或填充物中;利用真空把熔融铝抽进填充物中;在大大超过铝熔点的非常高的温度下进行操作;以及综合应用以上方法。这些方法的使用势必使加工过程复杂化，要求有价值昂贵的设备，诸如，压力机，真空设备，控制装置等，使可成形的制品的体积和形状受到限制，而且有时会以浸润剂或类似形式将有害组份渗入制品中。

在美国专利3，364，976中，申请人是N.Reding等，公开了利用模子中截留的反应性气氛，以促进熔融金属的渗透作用的方法。此专利公开了一种浇铸诸如铝和镁合金的金属浇铸方法，在该方法中，选择性地装有适当填充物的模空腔中，含有能与被浇铸的熔融金属起反应的气体并可形成体积小的固态反应产物。因该模是严格密封的，因而熔融金属的反应所消耗的是被截留的气体并且在模空腔内产生真空，因此，熔融金属被抽吸进来。例如，在第三栏第55行及其后叙述了熔融镁与空气中所含的氧和氮反应而生成氧化镁和氮化镁，因此所产生的真空足以使熔融镁基本上完全充满该模子。附图介绍一种箱形模子10，模子内有一个通向腔14的单一开孔12，腔内含有与熔融金属16起适当反应的气体。文中说明把该模子浸入熔融金属体中（如图3所示），模子就没有必要完全气密封或液密封（第二栏第57-61行）以及模子内截留的气体与熔融金属的反应使熔融金属充满模子。实例5和10分别说明了在1300°F（704℃）下，氧化铝晶粒与熔融镁合金以及在1400°F（760℃）下，碳化硅与含5%的镁的熔融铝合金之间的渗透过程。

Danny    K.White等人于1987年5月13日提出了美国专利申请号为049.171，题为“金属基复合材料”，对该专利申请已指派了代理人，该专利公开了一种生产铝基复合材料的方法。按照这个方法，至少含约1%（重量）的镁，最好至少含约3%（重量）的镁的熔融铝，在有由约10%到100%（体积）的氮，其余是非氧化性气体（例如，氩或氢）所组成的气体存在的情况下，与渗透性陶瓷填辖哟ァＮ露仍嘉?00℃到1200℃之熔融铝合金自发渗透渗透性填充物，即渗透填充物的过程无需施加机械压力或借助真空的作用。熔融体凝固后，就形成已渗入陶瓷填充物的金属基体，即，一种金属基复合材料体。陶瓷填充物包括如氧化物，碳化物，硼化物以及氮化物等，例如氧化铝。