挤压铸造双金属复合材料的成型工艺及微观组织研究

研究生（㈣：因丽导师（㈣黝日期可膨
武汉理工大学硕士学位论文
第１章绪论
１．１课题研究的背景
１．１．１金属基复合材料的发展背景
ＭＭＣｓ的研究始于２０世纪６０年代初期，至今已取得了很大发展。ＭＭＣｓ 发展的伊始是为满足航天航空等高技术部门对特殊性能结构材料的需求，因此
只要性能好，而不计成本，其研究工作大都集中于连续纤维增强的金属基复合
图41坩埚电炉表43坩埚电炉的主要性能参数型号sg21530型号ksw2d11额定电压380v50iiz额定电压220v额定温度800最高温度900最大熔铝量270kg最大功率15kw空炉升温时间2h2四柱式万能液压机图42为四柱式万能液压机适用于可塑性材料的压制工艺如冲压弯曲翻边薄板拉伸等也可以从事校正压装砂轮成形冷挤金属零件成武汉理工大学硕士学位论文形塑料制品及粉末制品的压制成形工艺以及冲裁模具和塑料模具的相关实验
挤压铸造是铸、锻结合的毛坯成形工艺，液体金属因在压力下结晶凝固，
可获得组织细密，质量好，性能高，表面光洁，机加工量少的优质零件。同时， 这种工艺一般不受合金牌号的限制，铸造或锻造合金均适用。国内对挤压铸造 工艺的研究比较少，影响挤压铸造件的因素又比较多，而且他们之间的相互关 系又非常复杂，定性的分析往往对实践的作用不大。 本文结合挤压铸造的特点，用挤压渗浸技术来对一种固态金属与另一种液
ｓｑｕｅｅｚｅ ｃａｓｔｉｎｇ ｐａｒｔｓ ａｌｅ
ｓｏ
ｍａｎｙ，ａｎｄ
ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ
ａｍｏｎｇ ｔｈｅ
ｆａｃｔｏｒｓ，ＳＯ
ｑｕａｌｉｔａｔｉｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ Ｃａｌｌ ｈａｒｄｌｙ ｈｅｌｐ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ． Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓｑｕｅｅｚｅ ｃａｓｔｉｎｇ。ｅｘｔｒｕｓｉｖｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｓｏｌｉｄ ｍｅｔａｌ ａｎｄ １ｉｑｕｉｄ ｍｅｔａｌ ｉｎｔｏ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｂｅｔｔｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｉｓ ｅｍｂｏｄｉｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｃｓ．Ｄｕｒｉｎｇ ｉｔ，ｂｙ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｅｓ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｂｅｓｉｄｅｓ．ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｂｙ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｈｅ ｓｅＲｉｎｇ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
签名：因西西
日期：圣竺互垒兰垒
学位论文使用授权书
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方向，地位越来越重要。到２０世纪９０年代初，先进复合材料的世界总产量已 经达到３００万吨，在许多领域特别是航空航天领域显示了极其重要的地位。
１．１．２挤压铸造工艺的研究与发展
挤压铸造工艺是合金在较高的压力作用下，充型、凝固并产生一定的塑性 变形，从而获得优质产品的一种工艺方法１３］。由于不存在压铸工艺固有的卷气
工艺下的双金属复合。
关键词：挤压铸造，复合材料，界面结构，金相试样
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Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｍｅｔａｌ ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ（ＭＭＣｓ）ａｌｅ ｂａｓｅｄ
ｐｈａｓｅ ｏｆ ｈｉｇｈ．ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｓｕｃｈ
ａｓ ａｓ
ｏｎ ｍｅｔａｌ ａｌｌｏｙ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｔｈｅｉｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅｒｅ ａｌｅ ｍａｎｙ ｍｅｒｉｔｓ ｏｆ ＭＭＣｓ，
ｈｉｇｈ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｈｉｇｈ ｍｏｄｕｌｕｓ，ｗｅａｌ＂ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｈｅａｔ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，
ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ，ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ，ｎｏｎ－ｍｏｉｓｔｕｒｅ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ，ａｎｔｉ－ｒａｄｉａ－ ｔｉｏｎ．１０Ｗ ｈｅａｔ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ．Ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｍｅｔａｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｒｅｐｌａｃｅｄ ｂｙ ａｄｖａｎｃｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ａｅｒｏｓｐａｃｅ，ａｖｉａｔｉｏｎ，ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ｉｎｄｕｓｔｒｙ，ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｆｉｅｌｄｓ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｍｏｄｅｒｎ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｉｓ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ＭＭＣｓ，ｐｏｌｙｍｅｒ ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ｃａｒｂｏｎ／ｃａｒｂｏｎ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ． ｃｅｒａｍｉｃ ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｌｌａｎｏ－ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ．Ｃｕｒｒｅｎｔｌｙ，Ａｌｕｍｉｎｕｍ ｍａｔｒｉｘ ｔｏｍ－ ｉｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ＭＭＣｓ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｗａｙｓ ｆｏｒ ｐｏｓｉｔｅｓ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ，ｉｔｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｎａｔｕｒｅ ａｌｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ．ｔｈｅ ＣＯＳｔ ｈａｓ ｇｒｅａｔｌＹ ｌｏｗｅｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｌｏｗ－ｃｏｓｔ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｐｈａｓｅ． ｒｏｕｇｈ ｆｏｒｍｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ．ｗｈｉｃｈ ｃｏｍｂｉｎｅｓ ｃａｓｔｉｎｇ、衍ｔ１１ ｆｏｒｇｉｎｇ．Ｈｉｇｈ ｑｕａｌｉｔｙ ｐａｒｔｓ ａｌｅ ｇｏｔ ｗｈｉｃｈ ｈａｖｅ ｅｘｑｕｉｓｉｔｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｇｏｏｄ ｐｈｙｓｉｃｓ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｓｍｏｏｔｈ ｓｕｒｆａｃｅ，ｆｏｒ ｔｈｅ ｌｉｑｕｉｄ ｍｅｔａｌ ｉｓ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｅｄ ｕｎｄｅｒ
ｏｎ
ｔｈｅｉｒ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｉＳ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ
ｇｒｏｕｐ
ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ａ
ｏｆ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｇｏｏｄ
ｐａｌａｍｅｎｔｅｒｓ ａｌｅ
ｇｏｔ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ． Ｍａｎｙ ｒｅｓｕｌｔｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｉｎ ｔｈｅ Ｐａｐｅｒ：ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｇｕｉｄａｎｃｅ ｏｆ Ｓｑｕｅｅｚｅ Ｃａｓｔｉｎｇ ｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｅ ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ＺＡ４＿１／ＺＬ １ ０２ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｉｓ ｍｏｒｅ ｍｅｔｉｃｕｌＯｕｓ
艺生产的铝合金、锌合金、铜合金、球墨铸铁、碳钢及合金钢铸件近三百种， 某些研究成果已达到国际先进水平。进入９０年代后，挤压铸造作为一种精确 铸造技术，在国内外稳步发展，部分替代了压铸及其它铸造成形技术，生产出
一系列形状复杂、力学性能要求高、工作时需承受气压或油压的铸件。同时在 挤压铸造设备、材料、工装、以及在与金属基复合材料、金属半固态成形技术 的结合等方面，进行了富有成效的研究，取得了一批研究成果【４】。目前，挤压 铸造已成为在汽车、摩托车、机电、五金工具、冶金、航天、航空等行业大批 量生产高档有色金属零件的重要手段。近几年，利用挤压铸造工艺来制备复合 材料得到一定的研究。金属通过在压力的作用下相互渗透来改变原子之间的结 构，从而得到一定的复合界面。通过分析复合界面的特点，可以进一步对其进 行机械性能和力学性能的测试，为我们提供更多具有某些特性的复合材料。
武汉理工大学 硕士学位论文 挤压铸造双金属复合材料的成型工艺及微观组织研究 姓名：周丽 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：罗继相 20090601
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摘要
金属基复合材料（Ｍｅｔａｌ Ｍａｔｒｉｘ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，简记为ＭＭＣｓ）是以金属合金
为基体，以高强度第二相为增强体而制得的复合材料，具有高比强度、高比模
ａ
ａｎｄ
Ｓｑｕｅｅｚｅ ｃａｓｔｉｎｇ ｉｓ
ｐｒｅｓｓｕｒｅ．Ｂｅｓｉｄｅｓ ｔｈｉｓ ｔｅｃｈｎｉｃｓ ｉｓ ａｐｐｌｉｃａｂｌｅｄ ｏｎ ｂｏｔｈ ｃａｓｔｉｎｇ ａｌｌｏｙｓ ａｎｄ ｆｏｒｇｉｎｇ ａｌｌｏｙｓ．ａｎｄ ｉｔ ｉｓｎ’ｔ ｒｅｓｔｒｉｃｔｅｄ ｔｏ ａｌｌｏｙ’Ｓ ｔｒａｄｅｍａｒｋ．ｎｌｅ ｒｅａｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｓｑｕｅｅｚｅ ｃａｓｔｉｎｇ ｉＳ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｆｅｗ ｉｎ Ｏｕｒ ＣＯＵｎｔｌ＂ｙ．Ｂｕｔ ｔｈｅ ｆａｃｔｏｒｓ ｗｈｉｃｈ ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ
ｂｙ ｔｈｅ ｒａｔｉｏｎａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｉｔｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ａ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｓ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｔｈａｔ Ａｌｌｏｙ’Ｓ ｔｉｓｓｕｅ ｂｒｅａｋｓ ｔｈｅ ｓｈａｃｋｌｅｓ ｏｆ ｉｔｓ ａｔｏｍ ｉｎｔｏ ｚｉｎｃ ａｌｌｏｙ’Ｓ ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｂｉ—ｍｅｔａｌｌｉｃ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｉＳ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓｑｕｅｅｚｅ ｃａｓｔｉｎｇ
量、耐磨、耐热、导电、导热、不吸潮、抗辐射、低热膨胀系数等优良性能，
作为先进复合材料将逐步取代部分传统的金属材料而应用于航天、航空、汽车
工业、电子工业等领域。它与高分子基复合材料、碳臌复合材料、陶瓷基复合
材料和纳米复合材料一起构成现代复合材料体系。目前在ＭＭＣｓ中应用最广泛
的是铝基复合材料，各种制备途径的不断改进也使其结构和性质具有可设计性， 同时廉价增强相的使用，使其制备成本大大降低。
Ａｌｕｍｉｎｕｍ
ｔｅｃｈｎｉｃｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｑｕｅｅｚｅ
Ｓｐｅｃｉｍｅｎ
Ｃａｓｔｉｎｇ，Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ
Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，Ｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃ
Ⅱ
独创性声明
本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
材料方耐１１。７０年代末，ＳｉＣ颗粒增强铝合金的复合材料以粉末冶金的制造方
式而成功实现了这类复合材料制造方式的商业化，为复合材料商品化打下了基 础；进入８０年代，ＭＭＣｓ进入蓬勃发展阶段，其研究重点转到以不连续增强
体（颗粒、晶须和短纤维）增强的金属基复合材料，尤其是铝基复合材料，不
仅性能优良，成本也开始降低。１９８３年，日本本田公司推出陶瓷短纤维增强铝
等缺点，所生产的铸件可进行热处理，性能可接近或达到锻件水平，更适于生 产力学性能要求高的复杂厚壁铸铝件。
挤压铸造工艺问世于２０世纪３０年代，
我国早在５０年代就对该工艺进行
过研究，但真正使这项工艺技术得到发展还是在７０年代以后。当时，国内某些
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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高等院校和科研院所相继开展了这项工艺研究，为后来的挤压铸造技术的发展 打下了良好的基础。８０年代以后，我国挤压铸造技术得到了快速发展，用该工
态金属进行固一液复合，从而得到性能更好的复合材料。在挤压铸造过程中，
通过参数的变化了解其界面结构、组织特征，对比不同参数对复合材料界面结 构的影响。从而找出一种相对较好的参数设置，以达到最优的复合性能。 整个研究表明，在挤压铸造成形理论指导下，通过合理控制其参数设置，使
得ＺＡ４．１／ＺＬｌ０２复合材料的组织更加细密。并且铝合金组织挣破其原子的束缚 渗透到了锌合金的组织中，得到一种新型的复合材料，从而实现了在挤压铸造
基复合材料局部铝活塞，伎金属复合材料在工业中应用取得了突破性的进展：
９０年代后期，电子产品发展迅速，要求同时具有高热传导能力和低膨胀特性的 电子元件构造装配材料的量迅速增加，于是低膨胀、高强化与高热传导的金属
基复合材料备受重视；近期金属基复合材料的发展既要求力学性能，又要有特 殊的功能特性【２】。毫无疑问，复合材料已经成为当代材料领域中一个重要发展