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离心铸造复合材料的研究与发展
离心铸造复合材料的研究与发展/王渠东丁文江金俊泽
离心铸造复合材料的研究与发展
ResearchandDevelopmentofCentrifugallyCastComposites
王渠东丁文江
金俊泽
（上海交通大学材料学院,上海200030）
（大连理工大学,大连116024）
摘要综述了离心铸造复合材料的发展概况和研究现状,提出了铸造人工复合材料和铸造自生复合材料分类的新观点,指出了离心铸造复合材料研究中存在的问题。
关键词金属基复合材料离心铸造梯度复合材料表面复合材料自生夏合材料
AbstractTheresearchprogressandcurrentsituationofcentrifugallycastcomposites
aresystematicallyreviewed.Thenewconceptontheclassificationofcastartificialcompositesand
castinsitucompositesissuggested.Theexistingproblemsinthestudyofcentr）fugallycastcom-positesarepresented.
Keywordsmetalmatrixcomposite,centrifugalcasting,gradientcomposite,surfacecomposite,insitucomposite
金属基复合材料的制备技术大体上可分为三
类川:
第一类为扩散法,包括粉末冶金法和扩散粘接
法;第二类为沉积法,包括电沉积、等离子喷涂和真
空沉积等;第三类为铸造法。
铸造法制备金属基复合
材料技术,因其具有所得复合材料性能好、制取工艺
简单、成本低、复合速度快、适于整体复合和局部复
合、可以用于各种增强相与各类基体复合生产各种
形状铸件等优点,因此,它已经成为近年来被广泛研
究而迅速发展的一种最具开发应用价值的金属基复
合材料制备技术tZ1
离心铸造是制备金属基复合材料的一种重要方
法困,通常,它可以分为离心偏聚法和离心渗铸法。
离心偏聚法的工艺过程是,将增强相加入金属液中,
依靠增强相与金属液之间的密度差,在离心力作用
下,使增强相偏聚于管件的外表层或内表层;离心渗
铸法是先在铸型内形成增强相的预成型,然后浇注
金属液,在离心力作用下,使金属液渗入预成型的间
隙中,凝固后得到外表层为增强相增强的表面复合
材料。
另一方面,针对用上述方法制备人工复合材料
时,由于存在工艺过程仍较复杂、增强相与基体之间
存在浸润性、相容性及化学反应方面的界面问题等,
近年来,离心铸造自生复合材料技术得以诞生和发
展。
离心铸造自生复合材料技术的基本原理是,将凝
固过程中的析出初生相作为增强相,利用初生相与
金属液之间的密度差,在一定的凝固条件和离心力
场作用下,使初生相外沉或内浮,得到自生表面复合
材料或自生梯度复合材料。
下面,就离心铸造复合材
料的国内外研究情况作一综合评述。
离心铸造人工复合材料
1.1离心偏聚法
1976年,B.P.Krisnan等L·i」首先将涂覆CI、的
石墨粒子采用搅拌法加入铝合金液,然后将混合金
属液浇入垂直离心铸造机的水玻璃砂型中,获得了
内表层富集石墨粒子、外表层不含石墨粒子的复合
材料管件,并考察了浇注温度、石墨粒子尺寸和合金
成分等工艺参数对石墨颗粒分布的影响。
张震寰
等[C51采用相同的工艺,将涂覆或不涂覆C）,的石墨
粒子加入ZL201合金液中,离心铸造也获得了由富
集石墨的内层与不含石墨的外层构成的双层结构铸
件,并注意到铸型的冷却条件对石墨的分布有较大
影响。
Nath等C61将云母粒子加入Al-:
10oCu-1.S
Mg合金液中,离心铸造获得了内层富集云母粒子、
外层不含云母粒子的复合管件,采用此方法,获得了
用重力铸造难以获得的云母含量高的表面复合材
料,他们还讨论了浇注温度和颗粒尺寸对云母粒子
分布的影响,认为云母粒子偏聚的主要原因是云母
与金属液之间的密度差,而非云母粒子受到凝固界
面排斥的结果。
1.2离心渗铸法
杉下润二等[L7.s」将未涂覆的石墨和碳粒子加入
铸型兼增祸的容器中,金属液熔化之后,用离心渗铸·62·材料导报
1998年12月第12卷第6期
的方法获得了石墨和碳粒于分布于铝合金和巴氏合
金中的表面复合材料,并对表面复合层的耐磨性、冲
击韧性、摩擦系数、硬度等作了分析。
他们认为,根据
增强用颗粒的性状,适当地选择铸造温度及重力加
速度,即使用与金属液润湿性较差的一些增强颗粒,
采用离心铸造方法也可以获得界面扩散层较均匀的
表面复合材料。
采用完全相同的方法,还获得了石墨
和碳粒子与氮化硅、氧化铝、碳化硅等陶瓷粒子同时
复合在Al-11%Si合金中的表面复合材料[‘。
」。
此外,
按照相同的工艺,离心铸造获得了球墨铸铁纤维分
布于2024铝合金中的表面复合材料,并且发现,球
墨铸铁纤维与铝基体之间反应生成FeAl和FeAl,
化合物,尽管此类化合物降低表面复合材料的抗弯
强度,但却通过减小耐磨面之问的粘着而提高了表
面复合材料的耐磨性[Ll1J
Y.Tsunekawa等Llz.1a」将8-AI,O。
纤维做成预
成型后置入垂直离心机的金属型中,预热后浇注
AI-4.2oaCtl-0.50oMg金属液或浇注金属液之后仍
继续保温以延长金属液处于液态的时间,使金属液
更充分地渗入预成型中,结果获得了外表层为
A110,增强的金属基表面复合材料。
王玉玮等Lla.ls」在高速旋转的离心机铸型中,靠离心力将sic粒子均匀分布于型壁,形成具有一定
厚度和紧实率的预成型套,然后浇注铁水,使铁水在
离心力作用下渗入sic颗粒的问隙中,凝固后得到
了外表层为sic粒子增强的铸铁基表面复合材料。
研究表明,复合层厚度由铁水的浇注温度、离心力大小、粒子的预热温度和铸型的预热温度等工艺参数
决定。
张景辉等L1s」采用1q砂金属型工艺,在覆砂金属型管模内,撒入一定量的碳化钨粒子,然后浇注球
铁铁水,为增加复合层厚度,浇注铁水后还可以撒入
一定量的碳化钨粒子,靠离心力作用将其沉积于铸
件外表面,离心铸造获得了球铁基表面复合碳化钨
粒子的轧辊。
为加强表面层内基体的抗磨能力,可在
第一次撒入碳化钨粒子时撒入铬铁粉,进行表面合
金化,使复合层基体由球铁变为含铬白口铸铁。
然而,上述研究基本上都是探讨各种离心铸造
制备表面复合材料的工艺技术和所得复合材料的性
能,缺乏对离心铸造制备表面复合材料的形成机理
和增强相的分布规律从理沦上的深入分析。
L.Lajoye和M.Suery从理论上分析了离心铸造混
合了颗粒的金属液时,颗粒的分布L”J。
他们从传热学方程出发,求解离心铸造制备复合材料时的凝固
速度,由牛顿第二定律,求解颗粒的运动位置,然后
假定:
①颗粒在液相线前沿停止运动,在糊状区不运动;②颗粒不被凝固界面排斥,对颗粒的分布进行了
数值计算。
他们将各种工艺参数分为两类,第一类为
影响凝固速度的工艺参数,包括浇注温度、铸件铸型
的界面传热系数和金属模温度;第二类为影响颗粒
运动速度的工艺参数,包括颗粒与金属液之间的密
度差、颗粒尺寸、离心力大小和浇注时间。
并且,用SiC/Al-Si合金离心铸造复合材料时Sic分布的实
验结果对理沦分析作了验证。
认为可以用计算的结
果优化工艺参数,以获得具有合适增强区厚度和分
布的铸件。
最近,C.K.Kang等.18〕同时考虑了离心
铸造含A1,O,,Sic、石墨颗粒的铝基、铜基复合材料
时的颗粒运动和温度分布,对颗粒的分布和复合材
料的传热过程、凝固过程作了数值计算。
但是,这些
工作都存在对问题过分简化,以至与实际过程相差
较远,致使其研究结果仅适于各自的特定条件的局
限性。
1.3离心铸造梯度复合材料
自从1987年日本学者提出梯度复合材料的概
念和构思以来,梯度复合材料的研究已引起世界各
国的广泛重视,相继开发了气相沉积法、粒子填充
法、等离子溅射法、薄膜叠层法和自蔓延高温合成法
等方法用来制备梯度复合材料L1qJ。
但是,上述技术
大都存在工艺过程复杂、参数控制困难、设备昂贵、
不易稳定制备出大块梯度复合材料等缺点。
因此,改
进这些技术本身和开发新的材料制备技术对于梯度
复合材料走向实用具有重要意义。
离心铸造制备梯度复合材料最初是日本学者福
井泰好于1990年提出的Lzu,z17。
他通过离心铸造
AI,O,/石膏系的模拟实验发现,在离心力作用下,
AI,O,质点数量沿管壁厚度方向呈梯度分布。
此外,
他还考察了离心力和混合物中AI,O,的体积分数对
复合材料中AI,O,分布的影响,建立了它们之问的
关系式,认为可以用此关系式,根据所要求的AW,
质点的分布,选择离心力和混合物中Al2O3的体积
分数这两个工艺参数。
基于上述模拟实验,他指出离
心铸造陶瓷颗粒与金属液的混合物,能够获得陶瓷
颗粒在金属基体中梯度分布的复合材料。
此后,他研
究了离心铸造SiCP/Al梯度复合材料的制备技术,
以及SiC颗粒的梯度分布规律、材料的压缩性能、残
余应力等Lzz-z7J
2离心铸造自生复合材料
由于很多合金系的初生相具有硬度高、耐磨、耐离心铸造复合材料的研究与发展/王渠东丁文江金俊泽
蚀、抗氧化等显著特点,因此,很适合用作复合材料
的增强相L28J。
如果使这些初生相在凝固过程中析出
时呈梯度分布或聚集于表面,显然,能直接获得自生
梯度复合材料或自生表面复合材料。
村田清等L2q」首先采用将保温材料内衬于管模
内,离心铸造Al-Fe合金,获得了初生A13Fe沿管壁
径向呈梯度分布的复合材料,并且,考察了离心机转
速和Fe含量对梯度复合组织的影响,发现复合材
料外层的耐磨性因初生金属间化合物的大量存在而
大大提高。
张宝生等[L3U」采用相同的工艺,也获得了
同样的结果。
此后,村田清等〔川应用上述工艺,又制
备出了Al-C:
合金的梯度复合材料,考察了Cr含量
和转速对组织分布和耐磨性的影响,认为转速是决
定组织分布最重要的工艺参数,他们还实测了复合
管件的冷却曲线。
福井泰好等132.33〕离心铸造Al-Ni
合金,也获得了初生A13Ni呈梯度分布的复合材料,
并且,分析了所得材料的压溃强度、弹性模量、受压
变形过程、均匀热载荷作用下的热应力。
作者选用Al-5wtooFe,Al-l0wtooFe,Al-
15wt0oFe合金成分,通过控制管模温度,离心铸造
获得了外层为沿径向由外向内初生铝铁化合物梯度
分布、内层为共晶组织的自生双层复合材料,分析了复合材料初生相、硬度、耐磨性沿径向的分布及其相互关系L3i.3sJ。
采用同样工艺,离心铸造Al-Cr合金,作者还获得了外层为偏聚A1,Cr梯度分布、内层含
少量偏聚A1,Cr、中间层不含偏聚A1,Cr的自生梯
度复合材料L3eJ。
徐自立等L37,3aJ采用预热管模的工艺,离心铸造Al-Fe合金也获得了初生金属间化合
物梯度分布的复合材料,考察了复合材料硬度、耐磨性和热膨胀系数的梯度行为,并且,通过加入合金元素改善了初生金属问化合物的形态。
作者采用覆膜砂代替保温材料内衬于管模内,
离心铸造Al-Fe合金也获得了外层初生铁相梯度分
布、内层不含初生铁相或初生铁相沿整个管壁梯度
分布的自生复合材料L3qJ
此外,采用热模金属型工艺,离心铸造过共晶
Al-Si合金,作者还获得了外层富集初晶硅、内层为
共晶组织或外层和内层富集初晶硅、中层为共晶组
织的自生表面复合材料,分析了复合材料的形成过程、组织结构、硬度、耐磨性等LauAlJ
在上述复合材料中,作为增强相的初生相是在
凝固过程中自生形成的,因此,作者将这种复合材料称为铸造自生复合材料或铸造初晶自生复合材料。
其中,将获得的梯度复合材料称为铸造自生梯度复
合材料,而把表面偏聚了初晶相的复合材料,称为铸造自生表面复合材料。
为了与人们通常所称的铸造
复合材料相区别,建议将通过定向凝固共晶合金或
偏晶合金得到的铸造自生复合材料更加准确地称为
铸造共晶自生复合材料、铸造偏晶自生复合材料,或称为定向凝固自生复合材料戈包括定向凝固共晶自
生复合材料和定向凝固偏晶自生复合材料）。
3结束语
根据离心铸造制备复合材料的研究现状,可以
认为,离心铸造制备复合材料技术具有工艺简单、工艺参数易于控制、设备投资小、适于大规模工业生产等特点,是一种极具开发应用潜力的技术。
但是,要使该技术大规模进入工业性生产,还有许多问题需
要解决,主要表现在以下几个方面。
（1）离心铸造制备复合材料形成机理的研究。
目前,已有的离心铸造人工复合材料增强相分布的数
学物理模型与实际过程相差较大,其研究结果还不
能对材料的设计和工艺参数的控制提供足够的指
导,由于问题的复杂性,对离心铸造自生复合材料形
成过程的研究就更加缺乏。
（2）要结合对复合材料形成机理的研究,系统研
究该技术涉及的各工艺参数对复合材料组织的影
响,以达到通过控制工艺参数,获得所要求的组织分
布的复合材料之日的。
（3）研究合适的复合材料性能评价技术,全面研
究复合材料的性能,以推动离心铸造复合材料的设
计和应用。
（4）选用更多的合金系和不同种类物质组成的
体系制备离心铸造复合材料,制备出增强相有各种
分布形式的复合材料,以满足不同应用场合的需要。
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（责任编辑张汉民）
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