專利名稱：一種金屬基陶瓷復合材料零件的制造方法
技術領域：
本發明涉及材料制造和機械加工領域，尤其涉及金屬基陶瓷材料零件的制造方法。
背景技術：
金屬基陶瓷(或稱為陶瓷基金屬)復合材料具有比強度和比剛度高、線膨脹系數小、尺寸穩定性好、耐磨耐熱耐腐蝕性高等優點，在儀器儀表、兵器、航空、航天、汽車、摩托車等工業領域有很大的應用潛力。國外在上世紀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域中廣泛地應用金屬基陶瓷復合材料中的鋁基碳化硅復合材料，取得了顯著的成果。中國則在1985年由哈爾濱工業大學牽頭組織，引進日本的相關技術進行了研究。目前我國在材料制備技術上已經比較成熟，但目前只能推廣應用在結構形狀簡單的電子封裝上，性能優勢遠遠沒有發揮出來，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重、加工成本高并且難以獲得高質量的加工表面和進行復雜零件的高精度加工，影響了其應用。為此材料行業希望通過陶瓷顆粒的細化來降低加工難度，機械加工行業則為此開發特殊專用工具以提高切削效率和表面質量。追求陶瓷顆粒的細化會致使材料制造技術難度加大、成本上升，而且技術還沒有成熟；使用特殊專用工具，如聚晶金剛石PCD刀具，目前還無法進行較復雜零件的高精度、超高精度加工，而且不能保證加工表面質量。因此，提供一種能解決上述問題的方法成為目前該復合材料應用領域亟待解決的關鍵技術。

發明內容
本發明提供了一種金屬基陶瓷復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量的復雜零件，通過一次成型的制造金屬基陶瓷復合材料零件，較通過陶瓷顆粒的細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合材料零件。本發明是通過下述技術方案來解決上述技術問題的:一種金屬基陶瓷復合材料零件的制造方法，包括下述步驟:I)根據金屬基陶瓷復合材料零件背景設計要求，利用傳統的金屬基陶瓷復合材料的浸滲制備方法進行材料試樣制備；2)對材料試樣進行性能檢測，如果不滿足金屬基陶瓷復合材料零件材料性能要求，則重新進行試樣制備；如果滿足金屬基陶瓷復合材料零件材料性能要求，則進行鑄造模具制造；3)根據金屬基陶瓷復合材料零件形狀和后期加工要求設計、制造鑄造模具；4)將填料加入到鑄造模具中，并進行預置、鑲嵌，然后進行鑄型，制成陶瓷零件蠟坯，脫去鑄造模；5)對陶瓷零件蠟坯采取輔料填埋、脫蠟、高溫燒結，制成陶瓷零件預制體；6)對陶瓷零件預制體進行尺寸檢測，如果合格，則進行下一工序；如果不合格，則對鑄造模具進行修配、打磨、校正、檢測，重復步驟4) -6);7)按照金屬基陶瓷復合材料零件形狀和后期加工要求設計、制造浸滲模，浸滲模分為主件浸滲模具和配件預置體、鑲嵌體和工藝芯；8)把陶瓷零件預制體按照一定間隙和浸滲模進行裝配，并植入工藝芯、預置體和鑲嵌體，得到裝配體；9)將裝配體放入浸滲爐中，按照傳統浸滲法進行金屬浸滲，完成后脫去浸滲模具，得到金屬基陶瓷復合材料零件精鑄坯；10)對金屬基陶瓷復合材料零件精鑄坯按照傳統金屬加工工藝進行粗加工、熱處理、半精加工、表面處理、精加工和超精加工，即得金屬基陶瓷復合材料零件成品。進一步地，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。進一步地，所述步驟4)中對鑄造模具進行預置、鑲嵌，是在預置體、鑲嵌體材質的熔點高于陶瓷零件蠟坯的高溫燒結溫度的條件下，在填料加入到鑄造模具后，根據零件設計和加工要求在陶瓷零件蠟坯上相應位置設置預置體、鑲嵌鑲嵌體。進一步地，所述步驟7)中浸滲模配件預置體、鑲嵌體的制作，是在預置體、鑲嵌體材質的熔點低于陶瓷零件蠟坯的高溫燒結溫度的條件下，把其作為浸滲模的配件進行制作。進一步地，所述鑲嵌體的材質根據零件設計要求確定，鑲嵌體的形狀大小是根據零件設計和加工要求來確定的。進一步地，所述預置體與金屬基陶瓷復合材料零件中的孔腔結構形狀相同，預置體體積小于金屬基陶瓷復合材料零件孔腔體積，預置體的材質根據零件設計要求確定。進一步地，所述的浸滲模配件工藝芯，其材質和形狀大小根據零件后期的加工要求確定。進一步地，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，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。進一步地，所述高溫燒結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進一步地，所述陶瓷零件預制體按照一定間隙和浸滲模進行裝配，所述間隙為用于覆蓋金屬基陶瓷復合材料零件加工面而填充浸滲金屬的間隙。為保證陶瓷預制體表面與浸滲模具之間留出適當間隙，這些空隙全面覆蓋將來的零件加工面，對于不需要再進行加工的面，則不需要留間隙。本發明不同于現有的材料制備工藝，通過模具設計、制作以及預置、鑲嵌、工藝芯和合理地放置陶瓷零件預制體和浸滲模等工藝，得到的不是傳統的難以加工的板料、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、陶瓷復合材料零件的高精度、超高精度加工和表面質量問題，節約了材料；而且模具可重復使用，易于實現批量生產。


圖1為本發明工藝流程框圖。圖2為一個金屬基陶瓷復合材料零件的加工示意圖。圖中:1、陶瓷零件預制體相；2、浸滲金屬相；3、零件加工面；4、浸滲模相；5、預置體相。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例對本發明做進一步詳細說明。如圖1所示，為本發明金屬基陶瓷或金屬基陶瓷復合材料零件的制造方法流程圖，該方法包括下述步驟:I)根據金屬基陶瓷復合材料具體零件背景設計要求，利用傳統的金屬基陶瓷復合材料的浸滲制備方法進行材料試樣制備；2)對材料試樣進行性能檢測，如果不滿足金屬基陶瓷復合材料零件材料性能要求，則重新進行試樣制備；如果滿足金屬基陶瓷復合材料零件材料性能要求，則進行鑄造模具制造；3)根據金屬基陶瓷復合材料零件形狀和后期加工要求設計、制造鑄造模具；4)將陶瓷粉和成型劑(如石蠟)按照試樣制備時確定的比例混合制成填料加入到鑄造模具中，并進行預置、鑲嵌，然后進行鑄型，制成陶瓷零件蠟坯，脫去鑄造模；其中，對于一些具有鑲嵌結構的零件，如果鑲嵌體材料的熔點高于陶瓷的陶瓷化溫度，則在陶瓷蠟坯上相應位置鑲嵌鑲嵌體，鑲嵌體材料根據零件設計要求選材，形狀大小根據零件設計和加工要求確定；對于一些具有孔腔的零件，如果預置體材料的熔點高于陶瓷的陶瓷化溫度，則在陶瓷零件蠟坯體上相應位置設置預置體，預置體與陶瓷零件中的孔腔結構形狀相同，預置體體積大于金屬基陶瓷復合材料零件孔腔體積，預置體大小要能保證包容后期孔腔的加工面，預置體材料根據零件設計思想選材；5)對陶瓷零件蠟坯采取輔料填埋、脫蠟、高溫燒結，制成陶瓷零件預制體；將陶瓷蠟坯置于加熱爐中，用輔料填埋，首先進行80 100°C的低溫熔蠟，然后進行500 600°C的高溫脫蠟，最后于低于陶瓷的陶瓷化溫度50 150°C的溫度進行高溫燒結定型，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，制成陶瓷零件預制體；6)對陶瓷零件預制體進行尺寸檢測，如果合格，則進行下一工序；如果不合格，則對鑄造模具進行修配、打磨、校正、檢測，重復步驟4) -6);7)按照金屬基陶瓷復合材料零件形狀和后期加工要求設計、制造浸滲模，浸滲模分為主件浸滲模具和配件預置體、鑲嵌體、工藝芯；這里，是在預置體、鑲嵌體材質的熔點低于陶瓷零件蠟坯的高溫燒結溫度的條件下，把預置體和鑲嵌體作為浸滲模的配件進行制作，其制作方法步驟4)已經描述。配件工藝芯的材質和形狀大小根據零件的加工要求確定；
8)把陶瓷零件預制體按照一定間隙和浸滲模進行裝配，并植入工藝芯和預置體、鑲嵌體，得到裝配體；這里，如果預置體、鑲嵌體材質的熔點高于陶瓷零件蠟坯的高溫燒結溫度，則這里不需要進行預置體和鑲嵌體的植入，而在步驟4)中進行；如果預置體、鑲嵌體材質的熔點低于陶瓷零件蠟坯的高溫燒結溫度，則在本步驟按照零件設計和加工要求進行預置體和鑲嵌體的預置和鑲嵌；這里，把陶瓷零件預制體按照一定間隙放入浸滲模，保證零件陶瓷預制體表面與浸滲模具之間留出適當間隙，這些空隙為用于覆蓋金屬基陶瓷復合材料零件加工面而填充浸滲金屬的間隙，對于不需要再進行加工的面，則不需要留間隙；9)將裝配體放入浸滲爐中，按照傳統浸滲法進行金屬浸滲，完成后脫去浸滲模具，得到金屬基陶瓷復合材料零件精鑄坯；10)對金屬基陶瓷復合材料零件精鑄坯按照金屬傳統加工工藝進行粗加工、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量的金屬基陶瓷復合材料零件。下面通過一個零件的加工過程來進一步說明本發明的實施方式。如圖2所示，將經過鑄造模具鑄型、脫蠟、高溫預燒結后的陶瓷零件預制體相I放置在鑄造模具之前，先在陶瓷零件預制體相I中預置預置體相5，然后放置入浸滲模相4中進行浸滲，得到包覆于預置預置體相5外周的、浸滲在陶瓷零件預制體相I中的浸滲金屬相2，脫去浸滲模相4，得到由陶瓷相1、預置體相5和浸滲金屬相2構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行零件加工面3的要求進行金屬基陶瓷復合材料零件的加工。本發明打破零件設計、零件加工、材料制造的界限，采取跨行業的方式，把零件的設計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，然后進行傳統工藝加工，以此降低零件后續機械加工的高精度、超高精度加工及保證加工表面質量的困難。以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施方式
僅限于此，對于本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應當視為屬于本發明由所提交的權利要求書所確定的專利保護范圍。
權利要求
1.一種金屬基陶瓷復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)根據金屬基陶瓷復合材料零件設計要求，利用傳統的金屬基陶瓷復合材料的浸滲制備方法進行材料試樣制備； 2)對材料試樣進行性能檢測，如果不滿足金屬基陶瓷復合材料零件材料性能要求，則重新進行試樣制備；如果滿足金屬基陶瓷復合材料零件材料性能要求，則進行鑄造模具和浸滲模制造； 3)根據金屬基陶瓷復合材料零件形狀和后期加工要求設計、制造鑄造模具； 4)將填料加入到鑄造模具中，并進行預置、鑲嵌，然后進行鑄型，制成陶瓷零件蠟坯，脫去鑄造模； 5)對陶瓷零件蠟坯采取輔料填埋、脫蠟、高溫燒結，制成陶瓷零件預制體； 6)對陶瓷零件預制體進行尺寸檢測，如果合格，則進行下一工序；如果不合格，則對鑄造模具進行修配、打磨、校正、檢測，重復步驟4)-6)； 7)按照金屬基陶瓷復合材料零件形狀和后期加工要求設計、制造浸滲模，浸滲模分為主件浸滲模具和配件預置體、鑲嵌體和工藝芯； 8)把陶瓷零件預制體按照一定間隙和浸滲模進行裝配，并植入工藝芯、預置體和鑲嵌體，得到裝配體； 9)將裝配體放入浸滲爐中，按照傳統浸滲法進行金屬浸滲，完成后脫去浸滲模具，得到金屬基陶瓷復合材料零件精鑄坯； 10)對金屬基陶瓷復合材料零件精鑄坯按照傳統金屬加工工藝進行粗加工、熱處理、半精加工、表面處理、精加工和超精加工，即得金屬基陶瓷復合材料零件成品。
2.根據權利要求1所述的金屬基陶瓷復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.根據權利要求1所述的金屬基陶瓷復合材料零件的制造方法，其特征在于，所述步驟4)中對鑄造模具進行預置、鑲嵌，是在預置體、鑲嵌體材質的熔點高于陶瓷零件蠟坯的高溫燒結溫度的條件下，在填料加入到鑄造模具中后，根據零件設計和加工要求在陶瓷零件蠟坯上相應位置設置預置體、鑲嵌鑲嵌體。
4.根據權利要求1所述的金屬基陶瓷復合材料零件的制造方法，其特征在于，所述步驟7)中浸滲模配件預置體、鑲嵌體的制作，是在預置體、鑲嵌體材質的熔點低于陶瓷零件蠟坯的高溫燒結溫度的條件下，把其作為浸滲模的配件進行制作。
5.根據權利要求3或4所述的金屬基陶瓷復合材料零件的制造方法，其特征在于，所述鑲嵌體的材質根據零件設計要求確定，形狀大小根據零件設計和加工要求確定；所述預置體與金屬基陶瓷復合材料零件中的孔腔結構形狀相同，預置體體積小于金屬基陶瓷復合材料零件孔腔體積，預置體的材質根據零件設計要求確定。
6.根據權利要求1所述的金屬基陶瓷復合材料零件的制造方法，其特征在于，所述工藝芯的材質和形狀大小根據零件的后期加工要求確定。
7.根據權利要求1所述的金屬基陶瓷復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.根據權利要求1所述的金屬基陶瓷復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.根據權利要求1所述的金屬基陶瓷復合材料零件的制造方法，其特征在于，所述高溫燒結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.根據權利要求1所述的金屬基陶瓷復合材料零件的制造方法，其特征在于，所述陶瓷零件預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合材料零件加工面而填充浸滲金屬的 間隙。
全文摘要
本發明公開了一種金屬基陶瓷復合材料零件的制造方法，包括下述步驟1)材料試樣制備；2)對材料試樣性能檢測；3)設計、制造鑄造模具；4)填料置于鑄造模具中，預置、鑲嵌，鑄型，制成陶瓷零件蠟坯；5)陶瓷零件蠟坯進行輔料填埋、脫蠟、高溫燒結，得陶瓷零件預制體；6)陶瓷零件預制體進行尺寸檢測；7)設計、制造浸滲模；8)裝配陶瓷零件預制體和浸滲模，得到裝配體；9)裝配體進行金屬浸滲，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，實現了復雜零件的高精度、超高精度加工，成本低，易于實現批產。
文檔編號B22D23/04GK103203448SQ20131005462
公開日2013年7月17日 申請日期2013年2月20日 優先權日2013年2月20日
發明者不公告發明人 申請人:鄧金剛, 陳靜波, 鄧宏論, 趙楠