專利名稱：一種金屬基陶瓷復(fù)合材料零件的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料制造和機(jī)械加工領(lǐng)域，尤其涉及金屬基陶瓷材料零件的制造方法。
背景技術(shù)：
金屬基陶瓷(或稱為陶瓷基金屬)復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比剛度高、線膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好、耐磨耐熱耐腐蝕性高等優(yōu)點(diǎn)，在儀器儀表、兵器、航空、航天、汽車、摩托車等工業(yè)領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力。國外在上世紀(jì)60年代便開始了該材料的研究，目前尤其是美國、俄羅斯在國防軍事領(lǐng)域中廣泛地應(yīng)用金屬基陶瓷復(fù)合材料中的鋁基碳化硅復(fù)合材料，取得了顯著的成果。中國則在1985年由哈爾濱工業(yè)大學(xué)牽頭組織，引進(jìn)日本的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了研究。目前我國在材料制備技術(shù)上已經(jīng)比較成熟，但目前只能推廣應(yīng)用在結(jié)構(gòu)形狀簡(jiǎn)單的電子封裝上，性能優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有發(fā)揮出來，其根本原因是該材料的陶瓷相硬度高，零件切削加工中存在刀具磨損嚴(yán)重、加工成本高并且難以獲得高質(zhì)量的加工表面和進(jìn)行復(fù)雜零件的高精度加工，影響了其應(yīng)用。為此材料行業(yè)希望通過陶瓷顆粒的細(xì)化來降低加工難度，機(jī)械加工行業(yè)則為此開發(fā)特殊專用工具以提高切削效率和表面質(zhì)量。追求陶瓷顆粒的細(xì)化會(huì)致使材料制造技術(shù)難度加大、成本上升，而且技術(shù)還沒有成熟；使用特殊專用工具，如聚晶金剛石PCD刀具，目前還無法進(jìn)行較復(fù)雜零件的高精度、超高精度加工，而且不能保證加工表面質(zhì)量。因此，提供一種能解決上述問題的方法成為目前該復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種金屬基陶瓷復(fù)合材料零件的制造方法，通過該方法能夠制造出高精度、超高精度尺寸以及高表面質(zhì)量的復(fù)雜零件，通過一次成型的制造金屬基陶瓷復(fù)合材料零件，較通過陶瓷顆粒的細(xì)化或使用特殊專用聚晶金剛石PCD刀具來降低加工難度的方式，該方法其成本低，能夠方便有效地獲得金屬基陶瓷復(fù)合材料零件。本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案來解決上述技術(shù)問題的:一種金屬基陶瓷復(fù)合材料零件的制造方法，包括下述步驟:I)根據(jù)金屬基陶瓷復(fù)合材料零件背景設(shè)計(jì)要求，利用傳統(tǒng)的金屬基陶瓷復(fù)合材料的浸滲制備方法進(jìn)行材料試樣制備；2)對(duì)材料試樣進(jìn)行性能檢測(cè)，如果不滿足金屬基陶瓷復(fù)合材料零件材料性能要求，則重新進(jìn)行試樣制備；如果滿足金屬基陶瓷復(fù)合材料零件材料性能要求，則進(jìn)行鑄造模具制造；3)根據(jù)金屬基陶瓷復(fù)合材料零件形狀和后期加工要求設(shè)計(jì)、制造鑄造模具；4)將填料加入到鑄造模具中，并進(jìn)行預(yù)置、鑲嵌，然后進(jìn)行鑄型，制成陶瓷零件蠟坯，脫去鑄造模；5)對(duì)陶瓷零件蠟坯采取輔料填埋、脫蠟、高溫?zé)Y(jié)，制成陶瓷零件預(yù)制體；6)對(duì)陶瓷零件預(yù)制體進(jìn)行尺寸檢測(cè)，如果合格，則進(jìn)行下一工序；如果不合格，則對(duì)鑄造模具進(jìn)行修配、打磨、校正、檢測(cè)，重復(fù)步驟4) -6);7)按照金屬基陶瓷復(fù)合材料零件形狀和后期加工要求設(shè)計(jì)、制造浸滲模，浸滲模分為主件浸滲模具和配件預(yù)置體、鑲嵌體和工藝芯；8)把陶瓷零件預(yù)制體按照一定間隙和浸滲模進(jìn)行裝配，并植入工藝芯、預(yù)置體和鑲嵌體，得到裝配體；9)將裝配體放入浸滲爐中，按照傳統(tǒng)浸滲法進(jìn)行金屬浸滲，完成后脫去浸滲模具，得到金屬基陶瓷復(fù)合材料零件精鑄坯；10)對(duì)金屬基陶瓷復(fù)合材料零件精鑄坯按照傳統(tǒng)金屬加工工藝進(jìn)行粗加工、熱處理、半精加工、表面處理、精加工和超精加工，即得金屬基陶瓷復(fù)合材料零件成品。進(jìn)一步地，所述步驟4)中填料為陶瓷粉和成型劑石蠟按照試樣制備的比例混合而成。進(jìn)一步地，所述步驟4)中對(duì)鑄造模具進(jìn)行預(yù)置、鑲嵌，是在預(yù)置體、鑲嵌體材質(zhì)的熔點(diǎn)高于陶瓷零件蠟坯的高溫?zé)Y(jié)溫度的條件下，在填料加入到鑄造模具后，根據(jù)零件設(shè)計(jì)和加工要求在陶瓷零件蠟坯上相應(yīng)位置設(shè)置預(yù)置體、鑲嵌鑲嵌體。進(jìn)一步地，所述步驟7)中浸滲模配件預(yù)置體、鑲嵌體的制作，是在預(yù)置體、鑲嵌體材質(zhì)的熔點(diǎn)低于陶瓷零件蠟坯的高溫?zé)Y(jié)溫度的條件下，把其作為浸滲模的配件進(jìn)行制作。進(jìn)一步地，所述鑲嵌體的材質(zhì)根據(jù)零件設(shè)計(jì)要求確定，鑲嵌體的形狀大小是根據(jù)零件設(shè)計(jì)和加工要求來確定的。進(jìn)一步地，所述預(yù)置體與金屬基陶瓷復(fù)合材料零件中的孔腔結(jié)構(gòu)形狀相同，預(yù)置體體積小于金屬基陶瓷復(fù)合材料零件孔腔體積，預(yù)置體的材質(zhì)根據(jù)零件設(shè)計(jì)要求確定。進(jìn)一步地，所述的浸滲模配件工藝芯，其材質(zhì)和形狀大小根據(jù)零件后期的加工要求確定。進(jìn)一步地，所述步驟5)中輔料填埋，輔料為三氧化二鋁或者金剛石粉，選取輔料時(shí)，保證輔料的瓷化溫度高于陶瓷(指填料制備中用的陶瓷，以下同)的陶瓷化溫度。進(jìn)一步地，所述脫蠟分為低溫熔蠟和高溫脫蠟過程，低溫熔蠟溫度為80 150°C，高溫脫蠟溫度為500 600°C。進(jìn)一步地，所述高溫?zé)Y(jié)溫度低于陶瓷的陶瓷化溫度50 150°C，陶瓷的瓷化溫度在 1200 2000 0C ο進(jìn)一步地，所述陶瓷零件預(yù)制體按照一定間隙和浸滲模進(jìn)行裝配，所述間隙為用于覆蓋金屬基陶瓷復(fù)合材料零件加工面而填充浸滲金屬的間隙。為保證陶瓷預(yù)制體表面與浸滲模具之間留出適當(dāng)間隙，這些空隙全面覆蓋將來的零件加工面，對(duì)于不需要再進(jìn)行加工的面，則不需要留間隙。本發(fā)明不同于現(xiàn)有的材料制備工藝，通過模具設(shè)計(jì)、制作以及預(yù)置、鑲嵌、工藝芯和合理地放置陶瓷零件預(yù)制體和浸滲模等工藝，得到的不是傳統(tǒng)的難以加工的板料、棒料等坯料，而是具有良好加工工藝性的金屬基陶瓷零件精鑄坯，從而降低了后期加工的難度和成本，減少了后期加工工序和加工量；解決了金屬、陶瓷復(fù)合材料零件的高精度、超高精度加工和表面質(zhì)量問題，節(jié)約了材料；而且模具可重復(fù)使用，易于實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。


圖1為本發(fā)明工藝流程框圖。圖2為一個(gè)金屬基陶瓷復(fù)合材料零件的加工示意圖。圖中:1、陶瓷零件預(yù)制體相；2、浸滲金屬相；3、零件加工面；4、浸滲模相；5、預(yù)置體相。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖1所示，為本發(fā)明金屬基陶瓷或金屬基陶瓷復(fù)合材料零件的制造方法流程圖，該方法包括下述步驟:I)根據(jù)金屬基陶瓷復(fù)合材料具體零件背景設(shè)計(jì)要求，利用傳統(tǒng)的金屬基陶瓷復(fù)合材料的浸滲制備方法進(jìn)行材料試樣制備；2)對(duì)材料試樣進(jìn)行性能檢測(cè)，如果不滿足金屬基陶瓷復(fù)合材料零件材料性能要求，則重新進(jìn)行試樣制備；如果滿足金屬基陶瓷復(fù)合材料零件材料性能要求，則進(jìn)行鑄造模具制造；3)根據(jù)金屬基陶瓷復(fù)合材料零件形狀和后期加工要求設(shè)計(jì)、制造鑄造模具；4)將陶瓷粉和成型劑(如石蠟)按照試樣制備時(shí)確定的比例混合制成填料加入到鑄造模具中，并進(jìn)行預(yù)置、鑲嵌，然后進(jìn)行鑄型，制成陶瓷零件蠟坯，脫去鑄造模；其中，對(duì)于一些具有鑲嵌結(jié)構(gòu)的零件，如果鑲嵌體材料的熔點(diǎn)高于陶瓷的陶瓷化溫度，則在陶瓷蠟坯上相應(yīng)位置鑲嵌鑲嵌體，鑲嵌體材料根據(jù)零件設(shè)計(jì)要求選材，形狀大小根據(jù)零件設(shè)計(jì)和加工要求確定；對(duì)于一些具有孔腔的零件，如果預(yù)置體材料的熔點(diǎn)高于陶瓷的陶瓷化溫度，則在陶瓷零件蠟坯體上相應(yīng)位置設(shè)置預(yù)置體，預(yù)置體與陶瓷零件中的孔腔結(jié)構(gòu)形狀相同，預(yù)置體體積大于金屬基陶瓷復(fù)合材料零件孔腔體積，預(yù)置體大小要能保證包容后期孔腔的加工面，預(yù)置體材料根據(jù)零件設(shè)計(jì)思想選材；5)對(duì)陶瓷零件蠟坯采取輔料填埋、脫蠟、高溫?zé)Y(jié)，制成陶瓷零件預(yù)制體；將陶瓷蠟坯置于加熱爐中，用輔料填埋，首先進(jìn)行80 100°C的低溫熔蠟，然后進(jìn)行500 600°C的高溫脫蠟，最后于低于陶瓷的陶瓷化溫度50 150°C的溫度進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)定型，碳化硅陶瓷的瓷化溫度為1200°C左右，氧化鋁陶瓷的瓷化溫度為1500°C左右，碳化硼陶瓷的瓷化溫度為2000°C左右，氧化鋯陶瓷的瓷化溫度為1300°C左右，制成陶瓷零件預(yù)制體；6)對(duì)陶瓷零件預(yù)制體進(jìn)行尺寸檢測(cè)，如果合格，則進(jìn)行下一工序；如果不合格，則對(duì)鑄造模具進(jìn)行修配、打磨、校正、檢測(cè)，重復(fù)步驟4) -6);7)按照金屬基陶瓷復(fù)合材料零件形狀和后期加工要求設(shè)計(jì)、制造浸滲模，浸滲模分為主件浸滲模具和配件預(yù)置體、鑲嵌體、工藝芯；這里，是在預(yù)置體、鑲嵌體材質(zhì)的熔點(diǎn)低于陶瓷零件蠟坯的高溫?zé)Y(jié)溫度的條件下，把預(yù)置體和鑲嵌體作為浸滲模的配件進(jìn)行制作，其制作方法步驟4)已經(jīng)描述。配件工藝芯的材質(zhì)和形狀大小根據(jù)零件的加工要求確定；
8)把陶瓷零件預(yù)制體按照一定間隙和浸滲模進(jìn)行裝配，并植入工藝芯和預(yù)置體、鑲嵌體，得到裝配體；這里，如果預(yù)置體、鑲嵌體材質(zhì)的熔點(diǎn)高于陶瓷零件蠟坯的高溫?zé)Y(jié)溫度，則這里不需要進(jìn)行預(yù)置體和鑲嵌體的植入，而在步驟4)中進(jìn)行；如果預(yù)置體、鑲嵌體材質(zhì)的熔點(diǎn)低于陶瓷零件蠟坯的高溫?zé)Y(jié)溫度，則在本步驟按照零件設(shè)計(jì)和加工要求進(jìn)行預(yù)置體和鑲嵌體的預(yù)置和鑲嵌；這里，把陶瓷零件預(yù)制體按照一定間隙放入浸滲模，保證零件陶瓷預(yù)制體表面與浸滲模具之間留出適當(dāng)間隙，這些空隙為用于覆蓋金屬基陶瓷復(fù)合材料零件加工面而填充浸滲金屬的間隙，對(duì)于不需要再進(jìn)行加工的面，則不需要留間隙；9)將裝配體放入浸滲爐中，按照傳統(tǒng)浸滲法進(jìn)行金屬浸滲，完成后脫去浸滲模具，得到金屬基陶瓷復(fù)合材料零件精鑄坯；10)對(duì)金屬基陶瓷復(fù)合材料零件精鑄坯按照金屬傳統(tǒng)加工工藝進(jìn)行粗加工、熱處理、半精加工、表面處理、精加工和超精加工，制造出具有高精度尺寸和高表面質(zhì)量的金屬基陶瓷復(fù)合材料零件。下面通過一個(gè)零件的加工過程來進(jìn)一步說明本發(fā)明的實(shí)施方式。如圖2所示，將經(jīng)過鑄造模具鑄型、脫蠟、高溫預(yù)燒結(jié)后的陶瓷零件預(yù)制體相I放置在鑄造模具之前，先在陶瓷零件預(yù)制體相I中預(yù)置預(yù)置體相5，然后放置入浸滲模相4中進(jìn)行浸滲，得到包覆于預(yù)置預(yù)置體相5外周的、浸滲在陶瓷零件預(yù)制體相I中的浸滲金屬相2，脫去浸滲模相4，得到由陶瓷相1、預(yù)置體相5和浸滲金屬相2構(gòu)成了金屬基陶瓷精鑄坯；然后在金屬基陶瓷精鑄坯上按照進(jìn)行零件加工面3的要求進(jìn)行金屬基陶瓷復(fù)合材料零件的加工。本發(fā)明打破零件設(shè)計(jì)、零件加工、材料制造的界限，采取跨行業(yè)的方式，把零件的設(shè)計(jì)和加工思想融合到材料的制造過程中去，得到的具有加工工藝性的零件精鑄坯，然后進(jìn)行傳統(tǒng)工藝加工，以此降低零件后續(xù)機(jī)械加工的高精度、超高精度加工及保證加工表面質(zhì)量的困難。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施方式
僅限于此，對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單的推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明由所提交的權(quán)利要求書所確定的專利保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種金屬基陶瓷復(fù)合材料零件的制造方法，其特征在于，該方法包括下述步驟: 1)根據(jù)金屬基陶瓷復(fù)合材料零件設(shè)計(jì)要求，利用傳統(tǒng)的金屬基陶瓷復(fù)合材料的浸滲制備方法進(jìn)行材料試樣制備； 2)對(duì)材料試樣進(jìn)行性能檢測(cè)，如果不滿足金屬基陶瓷復(fù)合材料零件材料性能要求，則重新進(jìn)行試樣制備；如果滿足金屬基陶瓷復(fù)合材料零件材料性能要求，則進(jìn)行鑄造模具和浸滲模制造； 3)根據(jù)金屬基陶瓷復(fù)合材料零件形狀和后期加工要求設(shè)計(jì)、制造鑄造模具； 4)將填料加入到鑄造模具中，并進(jìn)行預(yù)置、鑲嵌，然后進(jìn)行鑄型，制成陶瓷零件蠟坯，脫去鑄造模； 5)對(duì)陶瓷零件蠟坯采取輔料填埋、脫蠟、高溫?zé)Y(jié)，制成陶瓷零件預(yù)制體； 6)對(duì)陶瓷零件預(yù)制體進(jìn)行尺寸檢測(cè)，如果合格，則進(jìn)行下一工序；如果不合格，則對(duì)鑄造模具進(jìn)行修配、打磨、校正、檢測(cè)，重復(fù)步驟4)-6)； 7)按照金屬基陶瓷復(fù)合材料零件形狀和后期加工要求設(shè)計(jì)、制造浸滲模，浸滲模分為主件浸滲模具和配件預(yù)置體、鑲嵌體和工藝芯； 8)把陶瓷零件預(yù)制體按照一定間隙和浸滲模進(jìn)行裝配，并植入工藝芯、預(yù)置體和鑲嵌體，得到裝配體； 9)將裝配體放入浸滲爐中，按照傳統(tǒng)浸滲法進(jìn)行金屬浸滲，完成后脫去浸滲模具，得到金屬基陶瓷復(fù)合材料零件精鑄坯； 10)對(duì)金屬基陶瓷復(fù)合材料零件精鑄坯按照傳統(tǒng)金屬加工工藝進(jìn)行粗加工、熱處理、半精加工、表面處理、精加工和超精加工，即得金屬基陶瓷復(fù)合材料零件成品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬基陶瓷復(fù)合材料零件的制造方法，其特征在于，所述步驟4)中填料為陶瓷粉和成型劑石蠟按照一定的比例混合而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬基陶瓷復(fù)合材料零件的制造方法，其特征在于，所述步驟4)中對(duì)鑄造模具進(jìn)行預(yù)置、鑲嵌，是在預(yù)置體、鑲嵌體材質(zhì)的熔點(diǎn)高于陶瓷零件蠟坯的高溫?zé)Y(jié)溫度的條件下，在填料加入到鑄造模具中后，根據(jù)零件設(shè)計(jì)和加工要求在陶瓷零件蠟坯上相應(yīng)位置設(shè)置預(yù)置體、鑲嵌鑲嵌體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬基陶瓷復(fù)合材料零件的制造方法，其特征在于，所述步驟7)中浸滲模配件預(yù)置體、鑲嵌體的制作，是在預(yù)置體、鑲嵌體材質(zhì)的熔點(diǎn)低于陶瓷零件蠟坯的高溫?zé)Y(jié)溫度的條件下，把其作為浸滲模的配件進(jìn)行制作。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的金屬基陶瓷復(fù)合材料零件的制造方法，其特征在于，所述鑲嵌體的材質(zhì)根據(jù)零件設(shè)計(jì)要求確定，形狀大小根據(jù)零件設(shè)計(jì)和加工要求確定；所述預(yù)置體與金屬基陶瓷復(fù)合材料零件中的孔腔結(jié)構(gòu)形狀相同，預(yù)置體體積小于金屬基陶瓷復(fù)合材料零件孔腔體積，預(yù)置體的材質(zhì)根據(jù)零件設(shè)計(jì)要求確定。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬基陶瓷復(fù)合材料零件的制造方法，其特征在于，所述工藝芯的材質(zhì)和形狀大小根據(jù)零件的后期加工要求確定。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬基陶瓷復(fù)合材料零件的制造方法，其特征在于，所述步驟5)中輔料填埋，輔料為三氧化二鋁或者金剛石粉。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬基陶瓷復(fù)合材料零件的制造方法，其特征在于，所述脫蠟分為低溫熔蠟和高溫脫蠟過程，低溫熔蠟溫度為80 150°C，高溫脫蠟溫度為500 600。。。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬基陶瓷復(fù)合材料零件的制造方法，其特征在于，所述高溫?zé)Y(jié)溫度低于陶瓷的瓷化溫度50 150°C，陶瓷的瓷化溫度在1200 2000°C。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬基陶瓷復(fù)合材料零件的制造方法，其特征在于，所述陶瓷零件預(yù)制體按照一定間隙放入浸滲模，所述間隙為用于覆蓋金屬基陶瓷復(fù)合材料零件加工面而填充浸滲金屬的 間隙。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種金屬基陶瓷復(fù)合材料零件的制造方法，包括下述步驟1)材料試樣制備；2)對(duì)材料試樣性能檢測(cè)；3)設(shè)計(jì)、制造鑄造模具；4)填料置于鑄造模具中，預(yù)置、鑲嵌，鑄型，制成陶瓷零件蠟坯；5)陶瓷零件蠟坯進(jìn)行輔料填埋、脫蠟、高溫?zé)Y(jié)，得陶瓷零件預(yù)制體；6)陶瓷零件預(yù)制體進(jìn)行尺寸檢測(cè)；7)設(shè)計(jì)、制造浸滲模；8)裝配陶瓷零件預(yù)制體和浸滲模，得到裝配體；9)裝配體進(jìn)行金屬浸滲，得到金屬基陶瓷零件精鑄坯；10)精鑄坯粗加工、熱處理、半精加工、表面處理、精加工和超精加工，即得金屬基陶瓷復(fù)合材料零件成品。該方法減小了零件的后期加工難度和加工量，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜零件的高精度、超高精度加工，成本低，易于實(shí)現(xiàn)批產(chǎn)。
文檔編號(hào)B22D23/04GK103203448SQ20131005462
公開日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2013年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月20日
發(fā)明者不公告發(fā)明人 申請(qǐng)人:鄧金剛, 陳靜波, 鄧宏論, 趙楠