[发明专利]制备金属基复合材料的方法及由该方法生产的产品

说明书

本发明涉及制备金属基复合材料的一种新方法及由该方法生产的产品，这种方法的主要特点是：在空气气氛下，使熔融金属与填料或自支撑体及其空气以及渗透剂相接触，待自发渗入填料或支撑体内部后，较快凝固形成金属基复合材料的过程。

金属基复合材料具有增强相的部分刚性和耐磨性以及金属基体的延伸性和韧性，此外还可能具有很轻的比重和优异的高温性能，已经发展了许多制造金属基复合材料的方法，比如加压浇铸，真空浇铸，粉末冶金，半固态铸造，在增强相上涂敷润湿剂再加入金属液体的方法等等，这些方法都有各自的局限性，或者是工艺复杂，需要特殊设备，或者成本太高或者效果不理想，因此长期以来一直希望找到一种简单、方便而且效果良好的制备。美国专利849，171（White  and  al.）和美国未决专利141，624（Michel  k，and  al.）以及中国未决专利1030445，1042486，1042487，1042488，1042490，1042491，1042492，1042495，1042498，1042499，101293，1033987，1034688都涉及了一种新的方法，它是在一种特殊的渗透气氛下，向熔融态的金属（比如铝合金）提供一种可渗透的材料（比如陶瓷材料、晶须等），并且将一种所谓渗透增强剂前体（在金属为铝的情况下，这种前体可选自镁、钙、锶中的任一种或几种）或渗透增强剂（由增强剂前体与渗透气氛或金属反应生成的物质）加到金属或填料中，也可以加到金属与填料之间，总之是要让金属、增强剂前体或者增强剂、填料相接触，这样通过它们与渗透气氛的反应改善了金属与填料的润湿性，使前者自发向后者内部渗透，而不需要外部加压或抽真空，当渗透到所需厚度时，降低温度使之固化，即可得到嵌有该填料的金属基复合材料，其中含有不连续的反应产物（如氧化铝）。这种方法最重要的条件是对于所选定的金属基体，必须配以一定的渗透增强剂前体或增强剂以及相应的渗透气氛。这是不能随意改动的。比如对于铝或铝合金，渗透增强剂前体必须是镁、钙、和锶中的一种，渗透气氛的组成必须是以氮气为主，其余为非氧化性气体。

这种自渗透方法的优点是显而易见的，较之于加压浇铸，不需要特殊设备，较之于粉末冶金烧结，增强相的体积分数可以更高，较之于半固态法材料性能更好等等，但由于需要一整套附属设备以提供所需配比、压力和流速的气体，以及充填气体的特殊加热炉、输送气体的管道及控制装置，用时还要考虑防止气体外溢或氧化性气体（如空气）混入的措施，比如在中国专利公开号CN1033987A中所提出的第一最佳实施例中就指出，“...石墨舟26及装载物在石墨真空炉中加热，炉内有流速为1.5升/分的10%的氮气，加热过程如下，5小时内以恒定速率升温至865℃，在865℃保温20小时，然后在3小时内以恒定速率降温至环境温度...”在长达28小时的时间内以1.5升/分的速率通气，熔化仅为2时×1/2时的铝合金块，因而此方法在能源和设备的消耗上也是很不经济的。为了更清楚说明问题，再引用前述各专利中对所谓渗透气氛的定义和解释：

中国专利CN1033987A，权力要求“第1条（b），提供一种气体，它包括大约10%至100%体积的氮气余为非氧化气体...”，说明书第7页“...在含有10%（至少约5%）100%体积的氮其余为非氧化气体的气氛中接触...”。

中国专利CN1030445A，权力要求书“第1条（b），含有约10-100%体积氮气，其余为非氧化性气体的存在下...”，说明书第9页：“此处提到”其余非氧化性气体“是指除元素氮外的任何气体，该类气体是惰性气体或还原气体，该还原性气体在本工艺条件下不与铝反应，在所使用的气体中，任何氧化性气体（N₂除外）都可以杂质形式存在，只要它们不足以将金属氧化到任何重要程度”。

中国专利CN1042486A，权利要求书“第2条，根据权利要求1的方法，该方法还包括至少在渗透的一段时间内，提供一种渗透气氛，...。”权利要求书第28条“根据权利要求2的方法，其中的渗透气氛含有选自氧气和氮气的一种气体。”第20条“根据权利要求3的方法，其中的基质金属含铝，渗透增强剂前体至少含一种选自镁、锶和钙的物质，并且渗透气氛含氮气，”说明书第20页“...在此所用的”平衡非氧化性气体“的意思是除构成所说渗透气体之外存在的任何气体，在所用工艺条件下，或者是惰性的或者是基本上不与所述基质金属反应的还原性气体，在所用工艺条件下可能以杂质形式存在于所用气体中的任何氧化性气体应不足以使所用的基质金属氧化到任何显著的程度。”