Tecnología de preparación de compuestos de matriz metálica reforzada con partículas mediante el método de fundición

Hora de publicación: 06 / 18 2021 Autor: Editor del sitio Visita: 11322

Los compuestos de matriz metálica son materiales multifásicos con una segunda fase especial dispersa en una matriz de metal o aleación. La segunda fase con propiedades físicas y mecánicas especiales mejora en gran medida la resistencia, dureza, resistencia al desgaste, resistencia al calor y otras propiedades del material. Por lo tanto, esta segunda fase también se denomina fase de refuerzo. La fase de refuerzo generalmente se divide en fase de refuerzo de partículas y fase de refuerzo de fibra (bigotes). Debido a razones como el precio del refuerzo y la tecnología compuesta, la mayoría de los materiales compuestos fabricados mediante el método de fundición están reforzados con partículas.

En los últimos años, el método de preparación de materiales compuestos reforzados con partículas ha mejorado continuamente en el método físico de añadir el refuerzo, y se ha desarrollado la síntesis de reacción in situ del método de refuerzo.

Independientemente del tipo de método compuesto de fundición que se utilice, para preparar con éxito productos compuestos con un rendimiento excelente y una calidad estable, los siguientes problemas deben resolverse técnicamente:

①Seleccione la matriz y el refuerzo adecuados en función de los diferentes requisitos del material,
②Mejorar la humectabilidad de la matriz fundida al refuerzo,
③ controlar la distribución razonable del refuerzo en la matriz,
④Resolver el problema del proceso de formación de fundición causado por el efecto de las partículas de refuerzo sobre la viscosidad de la matriz fundida.

Este artículo resume los problemas antes mencionados sobre la tecnología de preparación de la fundición de material compuesto de matriz metálica reforzada con partículas, con el fin de promover la producción de material compuesto reforzado con partículas.

Selección del refuerzo: El rendimiento de la matriz, el refuerzo y la buena combinación del refuerzo y la matriz determinan el rendimiento del material compuesto, por lo que el refuerzo debe seleccionarse razonablemente de acuerdo con el tipo de sustrato y los requisitos de rendimiento del material compuesto. . Al seleccionar un refuerzo, se deben considerar el módulo elástico, la resistencia a la tracción, la dureza, la estabilidad térmica, la densidad, el punto de fusión, el precio y otros factores del refuerzo. Al mismo tiempo, el coeficiente de expansión lineal y la reactividad química entre el refuerzo y la matriz deben coincidir. Afirmar. La matriz con aluminio como componente principal, los refuerzos comúnmente utilizados son grafito, Al2O3, SiC, TiC, Al3Ti, TiB, Al3Zr, etc. La investigación sobre los materiales compuestos con acero como matriz no es tan madura como el aluminio. compuestos de matriz, y los refuerzos de uso común son más maduros. Menos, principalmente WC, VC, TiC, TiN, Al2O3, SiC, etc. Después de seleccionar el tipo de refuerzo, el tamaño del refuerzo y su fracción de volumen en la matriz también deben determinarse mediante experimentos.
Métodos para mejorar la humectabilidad del refuerzo / matriz: mejorar la humectabilidad del refuerzo por la matriz fundida, ayudar a reducir la aglomeración del refuerzo, ayudar a mejorar la fuerza de unión de la interfaz matriz / refuerzo y mejorar el material compuesto en general En otros En otras palabras, también contribuye a la distribución uniforme del refuerzo en la matriz. Las siguientes medidas se utilizan normalmente para mejorar la humectabilidad de la matriz fundida al refuerzo.
Tratamiento de revestimiento de la superficie de refuerzo: revestir un determinado metal o compuesto en la superficie de refuerzo mediante métodos como el deposición no electrolítica o de vapor puede mejorar eficazmente la humectabilidad de la masa fundida de la matriz en el cuerpo de refuerzo. Los estudios han demostrado que el recubrimiento de cobre en la superficie del grafito y la deposición de vapor de TiN en la superficie de las partículas de Al2O3 han mejorado efectivamente la humectabilidad de la matriz a las partículas de refuerzo.
Tensioactivos adicionales: según los informes, agregar bloques de magnesio mientras se agrega grafito o polvo de sílice a la masa fundida de aluminio puede mejorar la humectabilidad del líquido de aluminio al refuerzo. La investigación en los últimos años también ha demostrado que, además del Mg, Ca, RE, los elementos de metales alcalinos y los elementos del grupo VI y del grupo VIa tienen el efecto de mejorar la humectabilidad del aluminio fundido sobre refuerzos como Al2O3 y SiC.
Tratamiento térmico del refuerzo: El tratamiento térmico para eliminar el aceite y el agua de la superficie de las partículas del refuerzo puede aumentar la energía superficial del refuerzo y aumentar la humectabilidad de la masa fundida al refuerzo. Alguien ha preparado materiales compuestos de grafito / aluminio utilizando polvo de grafito tratado térmicamente sin recubrimiento de cobre. El método de tratamiento de calentamiento es: calentar el polvo de grafito a aproximadamente 600 ° C durante 8 horas para activar la superficie, luego enfriar y recalentar a 200 ° C antes de agregar el líquido de aluminio para eliminar la humedad. Algunas personas también utilizaron el método de calentar el refuerzo para mejorar la humectabilidad del refuerzo y la matriz para producir materiales compuestos.
Tratamiento ultrasónico de alta energía de la masa fundida: Alguien preparó material compuesto de SiC / ZA27 con un tratamiento ultrasónico de alta energía de la masa fundida. El estudio cree que el efecto de cavitación que produce el ultrasonido de alta energía cuando se propaga en la masa fundida limpia la superficie de las partículas reforzadas, aumenta la tensión superficial de las partículas y al mismo tiempo reduce la tensión superficial de la masa fundida y mejora significativamente la relación entre las partículas de SiC y la masa fundida de ZA27. Mojabilidad.
Síntesis de reacción in situ de refuerzo: la aplicación de tecnología de síntesis de reacción in situ para preparar una aleación maestra que contiene partículas de refuerzo y luego agregar esta aleación maestra a la matriz fundida para preparar materiales compuestos, la tecnología se ha convertido en un punto caliente en la investigación de materiales compuestos. en años recientes. El método de síntesis de reacción in situ suele añadir algunos metales puros, aleaciones, compuestos o sustancias salinas a la aleación maestra, y el refuerzo se obtiene mediante reacciones químicas entre los aditivos o entre los aditivos y los componentes de la aleación maestra. Debido a que el refuerzo se genera por reacción in situ, la superficie está limpia y libre de contaminación, y la estabilidad térmica es buena, lo que resuelve bien el problema de la humectabilidad del refuerzo por la matriz fundida, y el refuerzo y la matriz son muy firmemente combinado con un mejor efecto de refuerzo. Algunos científicos mezclaron polvos de Al, Ti y C en cierta proporción y luego los comprimieron en pequeños trozos. Las piezas pequeñas se sinterizaron al vacío en un horno de difusión de alta temperatura para obtener una aleación maestra de TiC / Al, y el compuesto de TiC / 2618 se preparó a partir de la aleación maestra. material. Otros también han preparado con éxito materiales compuestos con distribución uniforme de partículas reforzadas y excelentes propiedades mediante síntesis de reacción in situ.
Tecnología de control de distribución de armaduras: Controlar la distribución de armaduras en la matriz y dar pleno juego al fortalecimiento efectivo de la matriz es la garantía fundamental para preparar productos compuestos que cumplan con ciertos requisitos de desempeño.
El método de control de la distribución no uniforme de refuerzos: para materiales resistentes al desgaste / que reducen el desgaste, se requiere que la superficie de trabajo tenga un alto rendimiento antidesgaste, mientras que las partes restantes tienen mejores propiedades mecánicas integrales para garantizar que la superficie de trabajo es compatible con eficacia.

Por lo tanto, los productos que necesitan ser reforzados localmente requieren que el refuerzo se distribuya en un cierto rango cerca de la superficie de trabajo del producto. Hay varios métodos de uso común:

Método de prerrefuerzo: El método de prerrefuerzo es uno de los principales métodos para preparar materiales compuestos de superficie reforzada mediante el método aditivo. Es una aplicación de la tecnología de modificación de la superficie del método de infiltración por fundición en la preparación de materiales compuestos. Indicado principalmente para la preparación de productos compuestos resistentes al desgaste. El método específico es: colocar previamente el refuerzo en forma de pintura o bloque de pasta en la parte donde el producto necesita ser reforzado, y luego verterlo en el líquido de aleación de matriz. El líquido de aleación de matriz penetra en el espacio del cuerpo de refuerzo por el efecto de sifón capilar y la presión del líquido de aleación, y se solidifica.Entonces, se forma un producto compuesto de superficie reforzada en el que el cuerpo de refuerzo y la matriz están estrechamente combinados. Los científicos han realizado una investigación en profundidad sobre esta tecnología y creen que la clave de la tecnología de compuestos de superficie pre-reforzada radica en: size tamaño de partícula de refuerzo apropiado y buena humectabilidad del refuerzo por la matriz fundida; ②Selección y recubrimiento de aglutinantes, proceso de preparación de pasta y cepillado, ③ control de temperatura de vertido y proceso de vertido El método de refuerzo preestablecido tiene las características de un proceso simple, bajo costo y excelente efecto. Es una tecnología compuesta de superficies que se ha aplicado con éxito en la actualidad y tiene una perspectiva de aplicación muy amplia.
Método de control centrífugo: Basado en la diferencia en la gravedad específica del refuerzo y la matriz fundida, el método de hacer el refuerzo en una distribución de segregación en gradiente a lo largo de la dirección radial con la ayuda de la fuerza centrífuga se denomina método de control centrífugo. Una dirección de desarrollo importante de los materiales compuestos de gradiente. Alguien usó un método de control centrífugo para preparar un material compuesto de grafito / aluminio con una distribución de gradiente de grafito. Los científicos de fundición centrífuga de aleación de Al-Fe, obtuvieron la tubería de fundición compuesta de gradiente autogenerador en la que la fase primaria de Fe se distribuye a lo largo del gradiente radial. El material compuesto de gradiente autogenerado de aleación de Al-Fe de fundición centrífuga metálica recubierta de arena señaló: ①A medida que aumenta el número de refuerzos, el gradiente de distribución de los refuerzos en la dirección radial disminuye gradualmente y el rango de distribución en la dirección radial se expande gradualmente ; En el rango de 0 ～ 2000r / min, con el aumento de la velocidad de rotación, el gradiente de distribución del refuerzo a lo largo de la dirección radial aumenta gradualmente, mientras que el rango de distribución en la dirección radial disminuye gradualmente.
Método de control de agitación electromagnética: los científicos aplicaron una fuerte agitación electromagnética de CA a la aleación fundida (Mg2Si) 20Al80 durante el proceso de solidificación para preparar un material compuesto en gradiente enriquecido en Mg2Si en la superficie exterior. Según el análisis, cuando se lleva a cabo la agitación electromagnética, el metal fundido estará sometido a una fuerza electromagnética dirigida al eje en el campo magnético alterno. Debido a la baja conductividad del refuerzo (Mg2Si naciente), básicamente no se ve afectado por la fuerza electromagnética dirigida al eje, mientras que la fuerza electromagnética ejercida sobre la masa fundida es relativamente grande, lo que da como resultado un campo de fuerza desequilibrado alrededor del refuerzo, y El refuerzo está sujeto a La fuerza de compresión ejercida por el metal fundido alejándose del centro del eje se mueve hacia el exterior en la dirección radial, obteniendo así un material compuesto degradado con una superficie exterior enriquecida y reforzada. El estudio señaló que cuanto mayor es el voltaje de la corriente alterna trifásica aplicada por el agitador electromagnético, mayor es la fuerza de corte entre la interfaz líquido / sólido y la masa fundida, y más fácil es empujar las partículas primarias de Mg2Si. a la superficie exterior de la muestra, y la capa de segregación es más gruesa.
Método de control para la distribución uniforme del refuerzo: Para todo el material compuesto reforzado, la distribución uniforme del refuerzo en la matriz es muy importante. Reforzar la agitación de la masa fundida es el medio fundamental para lograr el objetivo de homogeneización de la armadura. Aquí hay varios métodos de mezcla efectivos:
Agitación mecánica: la agitación mecánica es el método más tradicional de agitación de la masa fundida. Debido a la limitación del material de las palas del agitador, existen pocos ejemplos del método de agitación mecánica utilizado en las aleaciones de acero. Preste atención a la agitación mecánica de la masa fundida: ① Elija razonablemente el material y la forma de la paleta agitadora: la paleta agitadora está directamente en contacto con la masa fundida, lo que puede contaminar fácilmente la aleación. Para las aleaciones no ferrosas, se deben usar palas no ferrosas o las palas de acero se deben recubrir con un revestimiento externo (como una capa de arcilla blanca). Y la dirección de rotación de la cuchilla debe seleccionarse de acuerdo con la densidad de partículas del refuerzo. ②Buena mezcla: la profundidad de inmersión de las palas del agitador debe controlarse adecuadamente para producir un vórtice estable. La sacudida de la varilla agitadora o palas agitadoras inadecuadas aumentará la probabilidad de que el refuerzo sea repelido por la masa fundida, deteriorando así la distribución del refuerzo en la matriz. ③Tiempo de mezcla: Después de agregar el refuerzo, el tiempo de agitación debe ser lo más largo posible y el tiempo de espera para verter después de la agitación debe ser lo más corto posible. Existe una patente estadounidense para "un dispositivo para mezclar partículas sólidas en un líquido", que establece que el material compuesto producido por este dispositivo "supera los defectos comunes de los materiales compuestos reforzados con partículas y tiene un tiempo de mezcla corto, alta productividad y bajo costo."
Agitación de gas: agitar la masa fundida con una gran cantidad de gas generado por el flujo de gas externo o la reacción de la masa fundida también puede lograr el propósito de distribuir uniformemente el refuerzo en la masa fundida. Los científicos utilizaron una gran cantidad de gas generado por la reacción in situ para agitar la masa fundida y prepararon compuestos de Al3Zr (p) .Al2O3 (p) / A356 y (TiB2 + TiAl3) / AlSi6Cu4 con refuerzos distribuidos uniformemente.
Tratamiento ultrasónico de alta energía: los científicos agregan partículas de SiC a la superficie de la aleación ZA27 fundida a 600 ° C y tratan la masa fundida con ultrasonidos de alta energía durante 60-90 s para obtener una suspensión de partículas fundidas y la distribución general de partículas (como -cast) se obtiene. Material compuesto uniforme de SiCp / ZA27. El estudio cree que la atenuación de amplitud finita del ultrasonido de alta energía en la masa fundida provoca que un cierto gradiente de presión sonora en la masa fundida forme un chorro de fluido, que sale directamente de la cara final del cuerno ultrasónico y se forma en toda la masa fundida. Circulación (es decir, efecto de corriente acústica), la velocidad de la corriente acústica puede alcanzar de 10 a 103 veces la velocidad de convección de la masa fundida. Si bien el flujo de sonido elimina las impurezas de la superficie de las partículas de refuerzo, también envía las partículas a la parte profunda de la masa fundida y las dispersa uniformemente.
Características de rendimiento de la masa fundida compuesta y puntos clave del proceso de formación: La mayor diferencia entre la masa fundida compuesta y la masa fundida ordinaria es la introducción de partículas sólidas de refuerzo. Debido a la introducción de partículas sólidas, la viscosidad de la masa fundida compuesta aumentará repentina y significativamente con trazas de TiC y TiB2, provocando un cambio repentino en la viscosidad de la masa fundida de aluminio. Los científicos señalaron la teoría de la formación de moldes. La viscosidad del metal líquido tiene un efecto significativo sobre las características de flujo del metal en el molde, el llenado del molde, la flotación del gas en el metal líquido y la alimentación del metal.

Para obtener un producto sólido, el proceso de formación de una masa fundida compuesta con un aumento repentino de la viscosidad debe resolver los dos problemas siguientes:

①Mejorar la fluidez de la masa fundida y aumentar su capacidad de llenado;
②Evite que la masa fundida inhale gas y refuerce la eliminación de gas en la masa fundida.

Manchang Gui y otros desarrollaron un proceso de vertido de presión diferencial al vacío que consta de una pantalla de filtro y un bebedero. La masa fundida compuesta se llena directamente en el molde después de pasar por el filtro. Una vez que se llena el metal fundido, el bebedero siempre tiene un efecto de presión y finalmente se solidifica para que pueda alimentar la pieza fundida. Las características de este proceso de fundición se manifiestan específicamente en:

①Eliminar esencialmente la fuente de gas, y básicamente eliminar los defectos de poros generados en el proceso de vertido;
②Simplifique el sistema de vertido, el peso del sistema de vertido y el peso de la pieza fundida se reducen a partir del vertido sin vacío (5-10): 1 (0.5 ～ 1.5): 1;
③ Superando las deficiencias de la escasa fluidez de la masa fundida compuesta, puede moldear piezas fundidas complejas de compuestos de paredes delgadas.

Outlook

El método de fundición es uno de los métodos más prometedores para preparar materiales compuestos. La investigación futura debe centrarse en los siguientes aspectos:

① Para la matriz de metales ferrosos, seleccione refuerzos en función de los requisitos de rendimiento de los materiales compuestos;
② Desarrollar métodos de preparación que sean más fáciles de realizar y aplicar a la producción industrial;
③ Reducir significativamente los costos de materiales y fabricación de productos compuestos;
④ Investigar la recuperación de materiales compuestos Tecnología de reutilización.

Por lo tanto, se cree que el método de fundición hará mucho en la producción de productos compuestos resistentes al desgaste y al calor.　　

El material compuesto de matriz metálica es un material multifásico con una segunda fase especial dispersa en una matriz de metal o aleación. La segunda fase con propiedades físicas y mecánicas especiales mejora en gran medida la resistencia, dureza, resistencia al desgaste, resistencia al calor y otras propiedades del material. Por lo tanto, esta segunda fase también se denomina fase de refuerzo. La fase de refuerzo generalmente se divide en fase de refuerzo de partículas y fase de refuerzo de fibra (bigotes). Debido a razones como el precio del refuerzo y la tecnología compuesta, la mayoría de los materiales compuestos fabricados mediante el método de fundición están reforzados con partículas.

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