鋳造法による粒子強化金属マトリックス複合材料の調製技術

公開時間： 06 / 18 2021 著者：サイト編集者訪問：11360

金属マトリックス複合材料は、金属または合金マトリックスに分散された特別な第XNUMX相を備えた多相材料です。特殊な物理的および機械的特性を備えた第XNUMXフェーズでは、材料の強度、硬度、耐摩耗性、耐熱性、およびその他の特性が大幅に向上します。したがって、この第XNUMXフェーズは強化フェーズとも呼ばれます。強化段階は通常、粒子強化段階と繊維（ウィスカ）強化段階に分けられます。補強材の価格や複合技術などの理由により、鋳造法で製造された複合材料のほとんどは粒子強化されています。

近年、粒子強化複合材料の調製方法は、強化材を追加する物理的方法において継続的に改善されており、強化方法のその場反応合成が開発されている。

どのような鋳造複合法を使用しても、優れた性能と安定した品質を備えた複合製品をうまく製造するには、次の問題を技術的に解決する必要があります。

①材料のさまざまな要件に基づいて、適切なマトリックスと鉄筋を選択します。
②マトリックス溶融物の補強材への濡れ性を改善し、
③マトリックス内の補強材の合理的な分布を制御し、
④溶融マトリックスの粘度に及ぼす強化粒子の影響による鋳造成形プロセスの問題を解決します。

この記事は、粒子強化複合材料の生産を促進するために、粒子強化金属マトリックス複合材料鋳造の調製技術に関する上記の問題を要約している。

補強材の選択：マトリックスの性能、補強材、および補強材とマトリックスの適切な組み合わせによって複合材料の性能が決まるため、補強材は、基板のタイプと複合材料の性能要件に応じて合理的に選択する必要があります。。補強材を選択するときは、弾性率、引張強度、硬度、熱安定性、密度、融点、価格、および補強材の他の要因を考慮する必要があります。同時に、補強材とマトリックスの間の線膨張係数と化学反応性を一致させる必要があります。請求。アルミニウムを主成分とするマトリックス、一般的に使用される補強材は、グラファイト、Al2O3、SiC、TiC、Al3Ti、TiB、Al3Zrなどです。マトリックスとして鋼を使用した複合材料の研究は、アルミニウムほど成熟していません。マトリックス複合材、および一般的に使用される補強材はより成熟しています。少ない、主にWC、VC、TiC、TiN、Al2O3、SiCなど。補強材のタイプを選択した後、補強材のサイズとマトリックス内のその体積分率も実験によって決定する必要があります。
補強材/マトリックスの湿潤性を改善する方法：マトリックス溶融物による補強材の湿潤性を改善し、補強材の凝集を減らし、マトリックス/補強材界面の結合強度を改善し、複合材料全体を改善するのに役立ちます。言い換えれば、それはまた、マトリックス内の補強材の均一な分布に貢献します。以下の対策は、通常、母材の補強材への濡れ性を改善するために使用されます。
強化表面コーティング処理：無電解めっきや蒸着などの方法で強化表面に特定の金属または化合物をコーティングすると、強化体へのマトリックス溶融物の濡れ性を効果的に向上させることができます。研究によると、グラファイトの表面への銅コーティングとAl2O3粒子の表面へのTiNの蒸着により、強化粒子へのマトリックスの濡れ性が効果的に改善されました。
追加の界面活性剤：報告によると、アルミニウム溶融物にグラファイトまたはシリカ粉末を追加しながらマグネシウムブロックを追加すると、強化材へのアルミニウム液体の濡れ性を向上させることができます。近年の研究では、Mg、Ca、REに加えて、アルカリ金属元素、およびVI族とVIa族の元素がすべて、Al2O3やSiCなどの強化材に対する溶融アルミニウムの湿潤性を改善する効果があることが示されています。
補強材の熱処理：補強材粒子の表面の油と水を除去するための熱処理は、補強材の表面エネルギーを増加させ、強化材への溶融物の濡れ性を高めることができます。誰かが、銅コーティングなしで熱処理されたグラファイト粉末を使用して、グラファイト/アルミニウム複合材料を準備しました。加熱処理方法は、グラファイト粉末を約600℃で8時間加熱して表面を活性化し、次に冷却し、200℃に再加熱してからアルミニウム液を加えて水分を除去します。一部の人々はまた、補強材を加熱する方法を使用して補強材の濡れ性を改善し、マトリックスを使用して複合材料を製造した。
溶融物の高エネルギー超音波処理：誰かが溶融物の高エネルギー超音波処理でSiC / ZA27複合材料を準備しました。この研究では、溶融物中を伝播するときに高エネルギー超音波によって生成されるキャビテーション効果が、強化粒子の表面を洗浄し、粒子の表面張力を増加させ、同時に溶融物の表面張力を低下させ、大幅に改善すると考えています。 SiC粒子とZA27メルトの関係。濡れ性。
強化材のその場反応合成：強化粒子を含むマスター合金を調製するためのその場反応合成技術の適用、そして次にこのマスター合金をマトリックス溶融物に添加して複合材料技術を準備することは、複合材料研究のホットスポットになっています近年では。その場反応合成法は通常、いくつかの純金属、合金、化合物、または塩物質をマスター合金に添加し、添加剤間または添加剤とマスター合金の成分との間の化学反応によって強化が得られます。補強材はその場反応によって生成されるため、表面は清潔で汚染がなく、熱安定性は良好であり、マトリックス溶融物による補強材の湿潤性の問題を十分に解決し、補強材とマトリックスはより良い補強効果と非常にしっかりと組み合わされています。一部の科学者は、Al、Ti、およびCの粉末を特定の割合で混合し、次にそれらを小さな断片にプレスしました。小片を高温拡散炉で真空焼結してTiC / Alマスター合金を得、マスター合金からTiC / 2618複合材料を調製した。素材。また、その場での反応合成により、強化粒子が均一に分布し、優れた特性を備えた複合材料の製造に成功した企業もあります。
補強材の分布制御技術：マトリックス内の補強材の分布を制御し、マトリックスの効果的な強化を十分に活用することは、特定の性能要件を満たす複合製品を準備するための基本的な保証です。
補強材の不均一な分布の制御方法：耐摩耗性/耐摩耗性材料の場合、作業面は高い耐摩耗性能を備えている必要がありますが、残りの部品は作業面を確保するためにより優れた包括的な機械的特性を備えています。効果的にサポートされています。

したがって、局所的に強化する必要があるこのような製品は、製品の作業面近くの特定の範囲に強化材を分散させる必要があります。一般的に使用される方法はいくつかあります。

予備補強法：予備補強法は、添加剤法によって表面強化複合材料を調製するための主要な方法のXNUMXつです。これは、複合材料の調製におけるキャスト浸透法の表面改質技術の応用です。主に耐摩耗性複合製品の製造に適しています。具体的な方法は、製品を強化する必要のある部分にペイントまたはペーストブロックの形で補強材を事前に配置し、それをマトリックス合金液に注ぐことです。マトリックス合金液は、キャピラリーサイフォン効果と合金液の圧力により補強体の隙間に浸透して固化することで、補強体とマトリックスを密着させた表面強化複合材を形成します。科学者はこの技術について詳細な研究を行い、事前強化表面複合技術の鍵は次の点にあると考えています。①適切な強化粒子サイズとマトリックス溶融物による強化材の良好な湿潤性。 ②バインダーの選択とコーティング、ペーストの準備とブラッシングプロセス、③注入温度制御と注入プロセス。プリセット補強方式は、工程が簡単で、コストが低く、効果が優れているという特徴があります。これは、現在成功裏に適用されており、非常に幅広い適用の見通しがある表面複合技術です。
遠心制御法：補強材の比重と母材溶融物の比重の違いから、遠心力を利用して半径方向に勾配偏析分布で補強材を作る方法を遠心力制御法と呼びます。勾配複合材料の重要な開発方向。誰かが遠心制御法を使用して、グラファイトの勾配分布を持つグラファイト/アルミニウム複合材料を調製しました。科学者たちはAl-Fe合金を遠心鋳造し、一次Fe相が半径方向の勾配に沿って分布している自己生成勾配複合鋳造パイプを入手しました。砂でコーティングされた金属遠心鋳造Al-Fe合金自己生成勾配複合材料は次のように指摘しました。①補強材の数が増えると、半径方向の補強材の分布勾配は徐々に減少し、半径方向の分布範囲は徐々に拡大します。 ; ０〜２０００ｒ／分の範囲では、回転速度の増加に伴い、半径方向の補強材の分布勾配は徐々に増加し、半径方向の分布範囲は徐々に減少する。
電磁攪拌制御法：科学者は、凝固プロセス中に（Mg2Si）20Al80合金溶融物に強力なAC電磁攪拌を適用して、外面にMg2Siが豊富な勾配複合材料を調製しました。分析によれば、電磁攪拌が行われると、溶融金属は交流磁場の軸に向けられた電磁力にさらされます。補強材（初期のMg2Si）の導電率が低いため、基本的に軸に向けられた電磁力の影響を受けませんが、溶融物に加えられる電磁力は比較的大きく、補強材の周りに不均衡な力場が生じます。補強材は、シャフトの中心から離れる方向に金属溶融物によって加えられる圧搾力が半径方向に外側に移動し、それによって外面が濃縮されて補強された勾配複合材料が得られる。研究は、電磁攪拌機によって印加される三相交流の電圧が大きいほど、液/固体界面と溶融物との間の剪断力が大きくなり、一次Mg2Si粒子が押し出されやすくなることを指摘した。試料の外面、および偏析層に厚くなります。
補強材の均一な分布の制御方法：強化された複合材料全体にとって、マトリックス内の補強材の均一な分布は非常に重要です。溶融物の攪拌を強化することは、強化材の均質化という目標を達成するための基本的な手段です。いくつかの効果的な混合方法は次のとおりです。
機械的攪拌：機械的攪拌は、溶融物を攪拌する最も伝統的な方法です。スターラーブレードの材料の制限により、合金鋼で使用される機械的攪拌方法の例はほとんどありません。溶融物の機械的攪拌に注意してください。①スターラーブレードの材料と形状を合理的に選択してください。スターラーブレードは溶融物と直接接触しているため、合金が汚染されやすくなります。非鉄合金の場合は、非鉄ブレードを使用するか、スチールブレードを外部コーティング（白い粘土の層など）でコーティングする必要があります。また、ブレードの回転方向は、補強材の粒子密度に応じて選択する必要があります。 ②良好な混合：安定した渦を発生させるために、攪拌機ブレードの浸漬深さを適切に制御する必要があります。攪拌棒または不適切な攪拌機ブレードの振動は、強化材が溶融物によって反発される可能性を高め、それによってマトリックス内の強化物の分布を悪化させる。 ③混合時間：補強材を添加した後は、攪拌時間をできるだけ長くし、攪拌後の注入までの待ち時間をできるだけ短くする必要があります。「固体粒子を液体に混合する装置」に関する米国特許があり、この装置によって製造される複合材料は、「粒子強化複合材料の一般的な欠陥を克服し、混合時間が短く、生産性が高く、低価格。"
ガス攪拌：外部ガス流または溶融反応によって生成された大量のガスで溶融物を攪拌することも、溶融物中に強化材を均一に分散させるという目的を達成することができます。科学者は、その場反応によって生成された大量のガスを使用して溶融物を攪拌し、均一に分散された強化材を備えたAl3Zr（p）.Al2O3（p）/ A356および（TiB2 + TiAl3）/ AlSi6Cu4複合材料を調製しました。
高エネルギー超音波処理：科学者は27°CでZA600合金溶融物の表面にSiC粒子を追加し、溶融物を高エネルギー超音波で60〜90秒間処理して、溶融粒子懸濁液と全体的な粒子分布を取得します（ -キャスト）が取得されます。均一なSiCp / ZA27複合材料。この研究では、溶融物中の高エネルギー超音波の有限振幅減衰により、溶融物に特定の音圧勾配が生じて流体ジェットが形成され、それが超音波ホーンの端面を直接離れて溶融物全体に形成されると考えられています。循環（すなわち、音響電流効果）、音響電流の速度は、溶融物の対流速度の10〜103倍に達する可能性があります。音の流れは強化粒子の表面から不純物を取り除きますが、それはまた粒子を溶融物の深部に送り、それらを均一に分散させます。
複合溶融物の性能特性と成形プロセスのキーポイント：複合材料溶融物と通常の溶融物の最大の違いは、強化材の固体粒子の導入です。固体粒子の導入により、複合溶融物の粘度は、微量のTiCおよびTiB2とともに突然かつ大幅に増加し、アルミニウム溶融物の粘度に急激な変化を引き起こします。科学者たちは鋳造形成の理論を指摘しました。液体金属の粘度は、金型内の金属の流動特性、金型の充填、液体金属内のガスの浮遊、および金属の供給に大きな影響を及ぼします。

健全な製品を得るためには、粘度が急激に上昇する複合溶融物の成形プロセスで、次のXNUMXつの問題に対処する必要があります。

①溶融物の流動性を改善し、その充填能力を高めます。
②メルトがガスを吸い込まないようにし、メルト中のガスの除去を強化します。

Manchang Guiらは、フィルタースクリーンとスプルーからなる真空差圧注入プロセスを開発しました。複合溶融物は、フィルターを通過した後、金型に直接充填されます。溶湯が充填された後、スプルーは常に圧力効果があり、最終的に固化するため、鋳物に供給することができます。この鋳造プロセスの特徴は、具体的に次のように表されます。

①本質的にガスの発生源を排除し、基本的に注入プロセスで発生する細孔欠陥を排除します。
②注入システムを簡素化し、非真空注入から注入システムの重量と鋳物の重量を減らします（5-10）：1（0.5〜1.5）：1;
③複合溶融物の流動性が悪いという欠点を克服し、複雑な薄肉複合鋳物を鋳造することができます。

Outlook

鋳造法は、複合材料を調製するための最も有望な方法のXNUMXつです。今後の研究では、以下の側面に焦点を当てる必要があります。

①鉄金属マトリックスの場合、複合材料の性能要件に基づいて補強材を選択します。
②より実現しやすく、工業生産に適用できる調製方法を開発する。
③複合製品の材料費と製造費を大幅に削減します。
④複合材料の回収を研究する再利用技術。

したがって、鋳造法は耐摩耗性と耐熱性の複合製品の製造に多くの効果があると考えられています。　　

金属マトリックス複合材料は、金属または合金マトリックスに分散された特別な第XNUMX相を持つ多相材料です。特殊な物理的および機械的特性を備えた第XNUMXフェーズでは、材料の強度、硬度、耐摩耗性、耐熱性、およびその他の特性が大幅に向上します。したがって、この第XNUMXフェーズは強化フェーズとも呼ばれます。強化段階は通常、粒子強化段階と繊維（ウィスカ）強化段階に分けられます。補強材の価格や複合技術などの理由により、鋳造法で製造された複合材料のほとんどは粒子強化されています。

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