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CN110691661A - 复合部件及其制造方法和工具 - Google Patents

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CN110691661A
CN110691661A CN201880035365.4A CN201880035365A CN110691661A CN 110691661 A CN110691661 A CN 110691661A CN 201880035365 A CN201880035365 A CN 201880035365A CN 110691661 A CN110691661 A CN 110691661A
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CN
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composite
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die
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CN201880035365.4A
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亚历山大·雷克赫拉
山姆·卡索梅
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Grupa Foundry Co.,Ltd.
Original Assignee
Shilo Industry Co
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Publication date
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Abstract

公开了复合部件(10)、制造其的方法(400)和制造其的工具系统(200)。根据一个示例，高压压铸工艺用于制造复合部件(10)，复合部件由具有金属基质相(20)和颗粒相(22)的复合金属材料(12)制成，并且包括内部区域(14)和外部区域(16)，其中，复合金属材料(12)中的颗粒相(22)的平均浓度在外部区域(16)中比在内部区域(14)中高。压模(206)的内表面(206a，206b)可以涂覆有颗粒相(22)(例如，陶瓷基材料)，然后可以将熔融金属基质相(20)(例如，铝基材料)引入到压模(206)中，使得复合部件(10)形成为具有与内部区域(14)相比富含颗粒的外部区域(16)或外层。

Description

复合部件及其制造方法和工具
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年6月6日提交的序列号为62/515,589的美国临时专利申请的优先权，其全部内容通过引用明确地合并于此。
技术领域
本发明涉及复合部件，更具体地，涉及使用高压压铸工艺由具有金属基质相(metal matrix phase)和颗粒相的复合金属材料制成的复合部件。
背景技术
金属基质复合材料可以包括金属基质相和颗粒相。颗粒相可以包括由设计为例如通过提供增加的强度或硬度来增强成形部件的整体材料性能的材料形成的颗粒。此外，颗粒本身可以为成形部件提供有利的材料性能。
颗粒可以直接添加到熔融金属基质材料中，然后例如在高压压铸操作中形成复合部件。然而，通常很难控制颗粒在成形部件中的分布。例如，在铸造过程中，添加到熔融金属基质材料中的颗粒由于在模具的某些区域中的相互吸引而可能积聚，导致在成形部件的某些区域中的不希望的颗粒积聚。此外，当熔融部件凝固时，基体金属基质材料中的颗粒通常被移动的固液界面推动。由于在高压压铸操作中形成的部件倾向于首先在外表面区域凝固，随着固液界面在部件凝固时朝部件的内部移动，颗粒可能积聚在成形部件的内部部分中。结果，与颗粒相关联的有利的材料性能不均匀地分布在成形部件中，并且，至少，很难控制在成形部件中的颗粒放置。
因此，需要复合部件，特别是金属基质复合部件以及解决上述缺点的金属基质复合部件的制造方法。
发明内容
根据一个方面，提供一种复合部件，包括：复合金属材料，其具有金属基质相和分散在金属基质相中的颗粒相；内部区域；以及外部区域，其至少部分地包围内部区域，其中，复合金属材料中颗粒相的平均浓度在外部区域中比在内部区域中高。
根据另一方面，提供一种用于铸造复合部件的工具系统，包括：压模，其具有内表面，压模内表面的至少一部分涂覆有来自颗粒相的颗粒；以及注射器，其配置为将熔融材料注射到压模中，所述熔融材料包括金属基质相；其中，压模配置为将熔融材料凝固成复合部件，并且涂覆有来自颗粒相的颗粒的压模内表面配置为将颗粒分布在复合部件的外部区域中，复合部件的外部区域至少部分地包围复合部件的内部区域。
根据另一方面，提供一种在具有压模的工具系统中铸造复合部件的方法，所述方法可以包括以下步骤：用具有多个颗粒的颗粒相涂覆压模的内表面的至少一部分；将具有金属基质相的熔融材料注射到压模中；并且使熔融材料在压模之内凝固以形成由复合金属材料制成、具有至少部分地包围内部区域的外部区域的复合部件，其中，复合金属材料中颗粒相的平均浓度在外部区域中比在内部区域中高。
附图说明
图1A是制动转子形式的示例复合部件的透视图，制动转子具有主要由金属基质相组成的内部区域以及主要由金属基质相和颗粒相组成的外部区域；
图1B是图1A的复合部件的横截面图；
图1C是图1A的复合部件的放大横截面图；
图2A是可以用于使用高压压铸工艺形成图1A的复合部件的工具系统的示意截面图；
图2B是图2A中的工具的示意性截面图，其中在颗粒施加步骤期间压模部分打开；
图2C是图2A中的工具的示意性截面图，其中在熔融材料加载步骤期间压模部分关闭；
图2D是图2A中的工具的示意性截面图，其中在熔融材料注射步骤的第一阶段期间压模部分关闭；
图2E是图2A中的工具的示意性截面图，其中在熔融材料注射步骤的第一阶段结束时压模部分关闭；
图2F是图2A中的工具的示意性截面图，其中在熔融材料注射步骤的第二阶段期间压模部分关闭；
图2G是图2A中的工具的示意性截面图，其中在熔融材料注射步骤的第二阶段结束时压模部分关闭；
图2H是图2A中的工具的示意性截面图，其中在熔融材料凝固步骤期间压模部分关闭；
图2I是图2A中的工具的示意性截面图，其中在模具打开步骤期间压模部分打开；
图2J是图2A中的工具的示意性截面图，其中在部件移除步骤期间压模部分打开；
图3是示出施加到(诸如图2A的工具中的压模部分的)压模部分的内表面的多个颗粒的放大图；以及
图4是根据高压压铸工艺形成复合部件的示例方法的工艺流程图，并且可以与图2A的工具一起使用。
具体实施方式
本文提供可以由复合金属材料形成的复合部件(也称为金属基质复合部件或金属基质部件)以及用于制造所述复合部件的方法和工具的示例性图示。复合金属材料包括金属基质相和颗粒相。根据一个示例，金属基质相包括铝基材料，其中铝是所述材料在重量基础上的最大单一成分，而颗粒相包括一个或多个陶瓷基材料，其中陶瓷是所述材料在重量基础上的最大单一成分。颗粒相可以通过下文进一步描述的各种方式被引入到金属基质相中，由此产生复合金属材料并促进复合部件中的有利的材料性能。可以用于生产由具有铝基金属基质相和陶瓷基颗粒相的复合金属材料制成的复合部件的方法的示例包括不同的铸造方法，例如高压压铸。
根据一个示例，公开了一种高压压铸方法，其设计为以如下方式将颗粒相引入到金属基质相中：颗粒倾向于集中在复合部件的外部区域中，而不是部件的内部区域。通过将来自颗粒相的颗粒集中在复合部件的外部区域或外层中，所述部件可以更好地展现由颗粒提供的一些材料特性，如改进的耐磨性、导电性、导热性、抗氧化性、强度等。相比之下，在上述高压压铸工艺中，由于在部件凝固过程中熔融基本金属(molten base metal)首先沿熔融材料接触模具表面的部件的外部冷却的趋势，在被引入到模具中之前直接添加到熔融基本金属中的颗粒将倾向于在复合部件的内部区域之内积聚。在这种情况下，颗粒经常通过固-液前锋向部件内部的移动被带入到部件的内部中。这种颗粒的移动可以导致颗粒在部件的内部之内在晶界上的不成比例的聚集或集中，由此削弱基本金属结构。此外，降低复合部件的外部区域或外层中的颗粒浓度通常使颗粒的材料性能的影响最小化。
在本文提供的各种示例中，来自颗粒相的颗粒以如下方式被引入到复合金属材料中：使所述颗粒不成比例地集中在复合部件的外部区域或外层中，而不是部件的内部区域。还提供了示例，其中来自颗粒相的颗粒被定向或特别施加到外部区域的某些部分或区段，例如在复合部件的高应力区域处。因此，颗粒相可以均匀地分布在复合部件的外部区域，或者可以不均匀地分布，使得颗粒的浓度被选择性地定位于复合部件的需要某些颗粒材料特性的局部区域中(例如，复合部件需要增加的耐磨性或耐腐蚀性的区域中的颗粒浓度)。
根据非限制性示例，使用高压压铸方法使来自颗粒相的颗粒集中在复合部件的外部区域中的一种方法是，首先在模具的内表面涂覆颗粒，然后将熔融金属基质相注射到涂覆的模具中。当熔融金属基质相在涂覆的模具或压模空腔之内凝固时，形成与复合部件的内部区域相比富含颗粒的外部区域或外层。在这个实施例中，外部区域比内部区域具有更高的颗粒浓度。涂覆模具的内表面的一些示例包括喷涂颗粒、轧制颗粒或通过使用一薄层含颗粒材料在原位施加颗粒，以列举一些可能性。可以使用其他颗粒施加技术来代替。
可以用于制造复合部件(如本文所述的)的工具的示例包括具有注射器和模具的高压压铸工具，至少一部分内部模具表面涂覆有颗粒。注射器通常设计为将熔融金属基质相注射或以其他方式引入到模具中，而模具或压模空腔设计为使复合部件凝固成所需形状。如上所述，在模具的内表面涂覆颗粒导致颗粒相不成比例地集中或聚集在复合部件的外部区域中，而不是内部区域，由此赋予部件某些希望的材料性能。
复合部件
现在转向图1A至图1C，示出了车辆制动转子的形式的复合部件10的示例，并在下文进一步详细讨论。应理解的是，虽然此处使用制动转子作为复合部件的示例，但本申请的复合部件不限于此特定示例。例如，本申请的复合部件可以是需要某些材料性能的任何类型的适用的汽车或非汽车复合部件。举几个例子，复合部件的非限制性示例包括：车辆底盘和悬架组件，如轮毂、制动卡钳或转向节；以及车辆动力系统组件，如离合器壳体或行星齿轮架。
制动转子或复合部件10可以在高压压铸操作中形成，例如下文进一步描述的操作，并且其具有中心轮毂部分50和环形转子部分52。环形转子部分52通常是环形和平面的，并且配置为夹紧或以其他方式与制动卡钳(未示出)摩擦接合，以向车辆提供制动力，这是众所周知的。环形转子部分52具有内部区域14和外部区域或外层16，外部区域或外层16具有复合部件10的外表面24。
现在转到图1C，示出了复合部件10的一部分的放大截面。虽然以下描述是在制动转子的上下文中提供的(见图1B的右底部分的图1C指示)，但是横截面可以适用于任何数量的其他复合部件，并且不限于该特定应用。复合部件10由复合金属材料12制成，并且可以包括内部区域14、外部区域16以及位于内部与外部区域之间的边界或界面区域18。复合金属材料12包括金属基质相20(例如，包括铝基材料的金属基质相)和颗粒相22(例如，包括陶瓷基材料的颗粒相)。如上所述，优选的是，来自颗粒相22的颗粒集中或不成比例地分布在部件的外部区域16中，而不是内部区域14。虽然所示的内部区域14包括一些颗粒22，但在一些示例中，内部区域14可以基本上没有来自颗粒相22的颗粒，尽管这不是必需的。无论如何，复合部件10由复合金属材料12制成，并且包括内部区域14和外部区域16。
金属基质相20(也称为基体金属)，通常在重量基础上构成复合金属材料12的大多数(即，通常构成复合金属材料重量的50％以上)，并且可以包括铝基材料、镁基材料、锌基材料或适用于铸造的任何其他金属或金属合金。在复合金属材料12的一个示例中，整体材料重量的大约85-99.9％由金属基质相20组成，而其余的材料包括颗粒相22和/或其他成分。在其他示例中，整体材料重量的大约95-99.9％或甚至95-99.5％由金属基质相20组成，其余部分包括颗粒相和/或其他成分。一些非限制性金属基质相材料包括二元合金、三元合金、四元合金、铝合金(例如，Al-Si)和镁合金(例如，Mg-Al)。在一个特定示例中，金属基质相20在重量基础上组成复合金属材料12的大多数，并且主要由包括重量百分比为0-25％的硅(Al-Si(重量百分比为0-25％))的铝基材料制成。如本文所使用的，术语“铝基材料”广义上是指按重量计铝是最大单一成分并且可以包括纯铝以及铝合金的任何材料。仅举例来说，可以与金属基质相20一起使用的潜在铝基材料包括铝A380合金、A360合金、Aural-2合金或ADC12合金，以举几个可能性。
颗粒相22分散或分布在金属基质相20中，并且通常在重量基础上构成复合金属材料12的少数(即，构成复合金属材料重量的小于50％)，并且可以包括陶瓷基材料或任何其他适用的微粒。在复合金属材料12的一个示例中，整体材料重量的大约0.1-15％由颗粒相22组成，而其余部分包括金属基质相20和/或其他成分。在其他示例中，整体材料重量的大约0.1-5％或甚至0.5-5％由颗粒相22组成，其余部分包括金属基质相和/或其他成分。当然，在某些薄壁部件(例如，车辆悬架避震塔)中，由于外部区域16构成复合部件10的更高的整体百分比，因此颗粒相22的整体浓度可以相对较高。如果颗粒相22的浓度基本上超过整体材料重量的5.0％，则这种影响可能是不利的。适用的颗粒相材料的一些非限制性示例包括陶瓷基材料，例如氧化物、碳化物、硼化物、氮化物、硅酸盐和石墨。如本文所使用的，术语“陶瓷基材料”广义上是指按重量计陶瓷是最大单一成分并且可以包括陶瓷本身或陶瓷和一些其他成分的任何材料。仅举例来说，颗粒相22可以包括以下陶瓷基材料中的一种或多种：氧化物(例如，氧化钇(Y2O3)、氧化镁(MgO)、氧化铝(Al2O3)、氧化硅(SiO2)、氧化钛(TiO2)、氧化锌(ZnO2)、氧化锆(ZrO2)、镁铝氧化物(MgAl2O4))；碳化物(例如，碳化钛(TiC)、碳化硅(SiC)、碳化钨(WC))；硼化物(例如，硼化钛(TiB2))；氮化物(例如，氮化硅(Si3N4)、氮化铝(AlN)、氮化硼(BN))；硅酸盐等。颗粒相22还可以包括以下材料中的一种或多种：氢化物(例如，氢化钛(TiH2))；金属(例如，铬(Cr 526)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、银(Ag)、金(Au)、钛(Ti))；金刚石；石墨、炭黑或碳纳米管；富勒烯；或某种类型的金属间化合物，例如，NiAl或Al3Ti。前面的示例只代表了一些可能性。颗粒相22的颗粒可以具有适用于其应用的任何尺寸，但是，根据一个示例，它们具有在1μm与100μm之间(包括1μm和100μm)的平均尺寸，并且在更详细的示例中，它们具有在20μm与50μm之间(包括20μm和50μm)的平均尺寸。其他颗粒尺寸是可能的。
本领域技术人员将认识到，在选择颗粒相22的成分时，需要考虑许多标准或特性，包括颗粒的抗磨损、增强部件、改善导电性和/或导热性、提供耐腐蚀性、形成保护涂层、表现出磁性等的能力。例如，复合部件10可以由复合金属材料12形成，所述复合金属材料包括具有铝基材料的金属基质相20和具有铝钛(Al3Ti)颗粒的颗粒相22。金属基质相20和颗粒相22的混合和凝固可以产生铝钛基纳米或微复合材料(例如，Al-Al3Ti)，其具有在高温下的改进的机械性能。在另一个示例中，颗粒相22可以包括诸如TiAl的钛基颗粒、诸如NiAl的镍基颗粒和/或金属基质纳米复合材料(MMNC)，其表现出比典型铝基金属材料低的断裂韧度和相对高的硬度。颗粒相22也可以包括磁性颗粒，例如，提供在铜颗粒内的磁性钴纳米颗粒，以获得巨磁阻(GMR)材料。
在一个特别有用的示例中，颗粒相22可以包括氧化铝(Al2O3)或氧化铝微颗粒，其可以有助于颗粒细化和提高作为金属基质相20应用的铝基金属基质合金的硬度、拉伸强度和耐磨性。当在金属基质相20中用作颗粒相22时，钛氧化物或碳化物可以同样有益。
颗粒相22可以提供与金属基质相20分离和不同的材料特性或性能，或者可以提供以互补或协同方式与金属基质相相互作用的特性或性能。仅作为示例，耐腐蚀颗粒相22可以与相容的金属基质相20相互作用，以提高成形复合部件10的耐腐蚀性，或至少成形部件的颗粒存在或集中的区域的耐腐蚀性。在另一个实例中，导电颗粒相22可以与相容的金属基质相20相互作用，以影响成形部件的导电性。类似地，磁颗粒相22可以与适用的金属基质相20配合(例如，与铝基材料配合)，以增加金属部件的磁性，特别是当金属基质相或基体金属20大部分是非磁性时。金属基质相20与颗粒相22之间的其他配合或协同关系当然是可能的。
在图1A至图1C所示的示例中，其中制动转子是复合部件10，颗粒相22可以为部件10提供增加的耐磨性。更具体地，通过在环形转子部分52的外部区域16(所述环形转子部分是由制动卡钳摩擦接触的制动转子的一部分)中具有来自颗粒相22的颗粒的不成比例的高浓度，与在这个区域中缺少这种颗粒浓度的类似制动转子相比，表面24可以表现出增加的耐磨性。在先前的示例中，耐磨颗粒22可以包括陶瓷基材料，例如上述材料。
复合部件10的内部区域14通常作为部件的核心或结构基础，并且至少部分地被外部区域16和/或边界区域18包围。内部区域14中的复合金属材料12的晶粒结构通常可以不同于外部区域16中的晶粒结构。例如，在部件是在高压压铸操作中形成的情况下，外部区域16中的晶粒通常较小，导致该区域中的一些更大的机械性能，例如，强度。相比之下，内部区域14中的晶粒结构可以略大于外部区域16中的晶粒结构，这是部件10首先沿外表面冷却而内部区域14通常冷却得不那么快的趋势的结果。内部区域14的特定材料性能(像晶粒结构或密度)，可以根据复合金属材料12的成分和/或用于铸造或以其他方式形成部件的制造工艺有很大变化。内部区域14可以是实心的或空心的；它可以形成或不形成在部件之内的单独结构插入件周围；它可以具有或不具有基本上一致的或均匀的晶粒结构；或者它可以具有任意数量的不同材料性能，举几个可能的例子。根据一个实施例，内部区域14包括复合金属材料12，在该区域中，所述复合金属材料基本上由铝基材料制成的金属基质相20构成，并且不包括来自颗粒相22的许多颗粒。在一个示例中，内部区域14是“基本上无颗粒的”，这意味着：在形成部件10之后，内部区域14中的整体复合金属材料重量的小于大约0.5％是颗粒相22。如上所述，内部区域14和/或外部区域16的确切成分和/或冶金结构可以与以上给出的示例不同。
外部区域16至少部分地包围内部区域14和/或边界18，并且用作复合部件10的外层。通过提供富含颗粒的外部区域16，可以赋予复合部件10某些希望的性能或属性，这些性能或属性可以使该部件特别适合于某些应用或用途。外部区域16的厚度或相对厚度可以在部件之间或甚至在单个复合部件之内变化，但是根据一个非限制性示例，外部区域16具有大约0.01-1.0mm的厚度，包括0.01和1.0mm。外部区域16可以具有通常一致的厚度或变化的厚度；它可以具有基本上一致或均匀的晶粒结构或者变化的晶粒结构；它可以具有通常一致或均匀的颗粒分布或浓度或者变化的分布；并且它可以具有任意数量的不同材料性能，列举几种可能性。根据一个实施例，外部区域16包括复合金属材料12，在该区域中，所述复合金属材料基本上由铝基材料制成的金属基质相20构成，并且包括来自颗粒相22的颗粒的不成比例的量。在一个示例中，外部区域16是“富含颗粒的”，这意味着：在形成部件10之后，外部区域16中的整体复合金属材料重量的大于大约5％是颗粒相22。根据一个实施例，外部区域16包括复合金属材料12，在该区域中，所述复合金属材料主要由铝基材料制成的金属基质相20构成(例如，在外部区域16中的整体复合金属材料12重量的大约75-95％是金属基质相20)，但是具有相当高浓度的来自颗粒相22的颗粒(例如，在外部区域16中的整体复合金属材料12重量的大约5-25％是颗粒相22)。在富含颗粒区域的其他示例中，可能存在更高浓度的颗粒相22。仅举例来说，在一些示例中，外部区域16中的整体复合金属材料重量的超过90％是颗粒相22，并且在某些情况下，外部区域16中的整体金属材料重量的接近100％是颗粒相。外部区域16之内的颗粒浓度可以遵循梯度型分布，其中浓度向外朝向复合部件10的外表面是最高的，而朝向复合部件的中心和较深部分降低。在一个示例中，来自颗粒相22的颗粒的总量的至少75％位于复合部件10的外部区域16中；在另一个示例中，颗粒的总量的至少90％位于外部区域中。
边界区域18至少部分地位于内部区域14与外部区域16之间，并且可以作为这两个区域之间的界面或连接。根据一个示例，边界区域18位于外部区域16与对应的内部区域14之间，所述外部区域平均包括至少50％以上的来自颗粒相22的颗粒。边界区域18的厚度可以根据一组因素变化，但根据一个示例，它具有大约0.001-0.1mm(包括0.001和0.1mm)的厚度，并且主要由包括来自内部区域14和外部区域16的成分的金属间化合物组成。在金属基质相20主要由铝基材料组成和颗粒相22主要具有陶瓷基颗粒的情况下，边界区域18将基本上由铝基材料组成。虽然边界区域18的晶粒尺寸可以与内部区域14和外部区域16的晶粒尺寸不同，但是边界区域18的化学成分可以相对于内部区域14有很小变化。
对于复合部件10的特定区域，外部区域16中的颗粒浓度可以允许某些性能被放大或增加。下面的示例代表了可以由具有被富含颗粒的外部区域16至少部分地包围的内部区域14的复合部件10产生的一些潜在的材料性能和/或其他优点：
·提高的硬度、机械强度、耐磨性、蠕变性能和阻尼性能，例如，仅作为示例，对于具有高磨损或高摩擦表面的复合部件10(如本文所述的制动转子或行星齿轮架)可能有用；
·改进的荷载传递或承载性能；
·金属基质相与颗粒相之间的热膨胀系数(CTE)和弹性模量(EM)性能的不匹配，可以有利于颗粒周围位错网络的形成；
·由于纳米颗粒阻碍位错移动的能力，增加了Orowan强化、Zener钉扎等；
·增加的加工硬化或应变硬化或冷加工效应(例如，金属材料的塑性变形可能导致位错增殖和位错亚结构的发展)；
·增加的固溶硬化(例如，通过在晶格中添加间隙原子或替代原子而获得的类型，这些原子负责晶格本身的变形和内应力的形成)；
·改进的沉淀硬化或时效硬化(例如，可以依赖于固体溶解度随温度变化而产生细小析出相的类型，这些析出相阻碍位错或晶格缺陷的移动；位错可以通过切割颗粒而穿过颗粒，或者它们可以通过Orowan机制围绕颗粒弯曲)；
·增加的霍尔-佩奇公式(Hall-Petch)或晶界强化，这与金属基质相的晶粒尺寸有关(例如，使用纳米颗粒可以改进基质晶粒细化)。
本文所描述的示例性部件、工具、方法等可以允许在外部区域16中(或更具体地，在铸造部件的外表面上)更好的颗粒分布。当复合金属材料12首先沿与模具或压模表面相邻的外部区域凝固时，随着液-固前锋在部件冷却并凝固时向内行进入部件的内部，由于最初沿压模表面的颗粒的浓度，颗粒具有保留在外部区域中或外表面处的更大的倾向。当金属基质相或基体金属20凝固时，粘性阻力增大，降低了颗粒相22的逸出速度，并抵消了颗粒界面力。虽然在金属基质相20的凝固过程中颗粒相22可能被迫使着向内，但是颗粒的向内行进被充分限制或缩短，使得许多颗粒仍然集中在外部区域16中；考虑到几乎所有的颗粒都是从外部区域开始的，这一点尤其正确。以上所有都可以帮助形成一个或多个富含颗粒的外部区域。
工具系统
本文所描述的复合部件可以以铸造工艺形成，例如，高压压铸工艺，其中，在金属基质相20以熔融形式被引入到模具中之前，将颗粒相22施加到模具的内表面。现在参见图2A至图2J，示出了用于高压压铸工艺的工具系统200的一个示例。根据一个潜在实施例，工具200包括：限定模具或压模空腔206的压模部分202、204、套筒208、柱塞212、流道214、顶杆216、压模喷涂器218以及此类铸造操作所需的任何其他已知设备。
压模部分202、204(在此显示为并排，但是其他布置也是可能的)限定具有想要的部件的尺寸和形状的内部模具或压模空腔206。压模部分202、204中的一个或两个可以是能够移动的，例如，以实现压模部分之间的相对移动，从而有助于移除在工具之内形成的部件，以用于工具的维修/修理等。例如，压模部分202可以相对于(可以是静止的)另一压模部分204移动。替代地，两个压模部分202、204都可以是能够移动的。压模部分202、204配合以限定用于形成一个或多个部件的模具或内部空腔。
熔融材料(图2A中未示出)可以经由套筒208被注射或以其他方式被引入到由压模部分202、204限定的模具空腔206中。例如，可以将熔融材料倒入浇注孔210中，并通过柱塞212将其推入模具空腔206中，如将在下文进一步描述的。然后熔融材料可以借助于流道214进入模具空腔206，所述流道从套筒208的端部延伸到模具空腔206的入口。在一个示例中，通过套筒208和流道214引入的熔融材料包括铝基材料，但不包括来自颗粒相22的颗粒，所述铝基材料是金属基质相20的一部分。
一个或多个冷却通道或其他热管理特征(未示出)可以设置在邻近模具空腔206的一个或两个压模部分202、204中，可以设置在流道214中和/或工具200的某些其他部分中，以在铸造过程期间帮助管理或控制熔融材料的温度。
可以设置顶杆216，以有助于从模具空腔206中移除形成的部件。可以设置方便的任何数量和/或类型的顶杆216。在图2A、图2B和图2J中示出了顶杆216的一些最佳图示。
压模喷涂器218(在图2B中示出了其示例)设计为将来自颗粒相22的颗粒喷涂或以其他方式施加到压模部分204、206的一个或多个内表面。根据该示例，压模喷涂器218可以包括机器人或其他类型的精密控制的臂230和喷头232。当压模部分204、206打开从而使得模具或压模空腔206被暴露时，臂230可以将喷头232移动到位置中，使得可以将来自颗粒相22的颗粒喷涂或以其他方式施加到压模部分的内表面。如图2B所示，喷头232可以配置为在与制动转子10的环形转子部分52对应的模具内部的区域中施加颗粒。
如上所述，不需要采用压模喷涂器，因为可以使用其他类型的颗粒施加工具来代替。这种工具的一些示例可以包括：用于将颗粒轧制到内模具表面上的轧制设备、用于将含有颗粒的片材或网状物定位在模具空腔中的薄膜放置设备、用于将注入颗粒的泡沫提供到模具空腔中的发泡设备或本领域已知的任何其他颗粒输送设备。
生成复合部件的方法
现在参见图4，示出了用于制造复合部件10的示例性铸造方法400的流程图。优选的是，铸造方法是高压压铸方法，例如用于铸造铝基部件的类型，但这不是必需的。该结合图2A至图2J的工具图和图3的放大显微照片来描述。
从步骤410开始，所述方法将颗粒涂覆或以其他方式施加到压模部分202、204的一个或多个内表面。例如，一旦压模部分202、204分离或间隔开，就可以使用压模喷涂器218将颗粒(例如，包括陶瓷基材料的那些)喷涂到压模部分的内表面206a、206b上，使得颗粒粘附在其上，至少暂时地粘附在其上，直到熔融金属基质材料20被注射为止。为了有助于颗粒粘附到压模内表面，颗粒相22可以进一步包括某些类型的粘结剂、粘合剂、填料等。根据一种可能性，颗粒相22可以是干粉末的形式，当其被喷涂到压模内表面上时，所述干粉分散或夹带在压模喷雾中。在一些示例中，压模喷雾可以包括脱模剂或润滑剂，其通常有助于在凝固之后移除成品部件。此外，这种脱模剂或润滑剂还可以有助于颗粒相22“粘着”到压模内表面。压模喷雾可以在空腔的吹气过程中、在注射/成型过程的周期之间或在某个其他合适的时间施加。
替代地，或除了喷涂之外，还可以固体材料形式(例如，通过膏体、金属箔、泡沫金属或金属网)将颗粒施加到压模内表面。例如，来自颗粒相22的颗粒可以包括在手动或通过自动施加器施加到压模内表面或其部分上的膏体中。在另一示例中，来自颗粒相22的颗粒可以包括在贴到压模内表面或其部分上的箔材料或金属网上。当熔融金属基质相材料被注射到模具中时，熔融材料的热量可以将固体箔/泡沫/网状材料熔化和分散在部件的外部区域16之内。
在步骤410中施加的颗粒可以覆盖整个压模内表面，或者它可以是选择性的，使得仅将颗粒施加到压模内表面最需要它们的部分。例如，将来自颗粒相22的颗粒施加到包括铸件的过冷区的区域(例如，是外部区域16的一部分，但与铸件的外表面相邻的区域)可以帮助减小金属材料的晶粒尺寸，增加强度、耐腐蚀性，并在铸件周围形成保护涂层。在不同的示例中，通过最初将颗粒施加到其位置对应于部件(例如，图1A至图1C中所示的制动转子10的环形转子部分52)的高应力区域的内模具表面的一个部分上，来自颗粒相22的颗粒被靶向或定向到部件的相对高应力区域。内模具表面的其他部分可以设置为有颗粒或没有颗粒(例如，模具表面的第一部分可以涂覆有第一类颗粒，而模具表面的第二部分可以涂覆有第二类颗粒)，或者不同的部分可以具有不同浓度的颗粒相，列举几种可能性。
在图3中，示出了内部压模表面206a、206b的示例性显微照片，其上具有粘附到其上的来自颗粒相22的多个颗粒300。当然，颗粒300的间距、密度、大小等可以根据应用而变化。一旦内部压模表面206a、206b充分地涂覆有颗粒，则将压模喷涂器218移开，使得压模部分202、204可以闭合。
在步骤420中，在压模部分202、204闭合的情况下，所述方法随后将熔融金属基质相材料注射到压模空腔206中。该过程在图2C至图2G中示意性地示出。当柱塞212在套筒208的与模具空腔206相对的端部处缩回时，熔融金属基质相材料M(例如，铝基熔融材料)可以通过浇注孔210被引入到套筒208中；图2C。接下来，柱塞212可以在套筒208中前进，从而迫使熔融材料M从套筒208中流出并进入流道214；图2D。柱塞212继续在套筒208之内前进，迫使熔融材料M通过流道214并进入模具空腔206中；图2E。例如，柱塞212可以根据两阶段式过程将熔融材料M注射到模具空腔206中；在第一阶段中，当熔融材料M被推出套筒208并进入流道214中时，柱塞212最初以相对缓慢的速度移动(例如，图2D)；并且在第二阶段中，柱塞212以相对快的速度移动，以便用增加的压力或力将熔融材料M注射通过流道214并进入模具空腔206中(图2E、图2F)。一旦模具空腔206适当地填充有熔融材料M(图2G)，所述方法可以进行到凝固步骤。
在步骤430，所述方法允许熔融材料M凝固并形成复合部件P。凝固步骤的准确过程可以变化，并取决于工艺参数和其他变量。在步骤430的一个实施例中，来自颗粒相22的颗粒(例如，陶瓷基颗粒)开始从压模部分202、204的涂覆的内表面206a、206b迁移到部件中。在该过程中，颗粒相22开始浸入或消散在金属基质相20(例如，具有铝基材料的金属基质相)之内以形成复合金属材料12。由于已经解释的原因，在部件凝固期间，来自颗粒相22的颗粒的大多数可以停留在部件的外部区域16之内，由此形成富含颗粒的外部区域或外层。在步骤430期间，来自颗粒相22的颗粒可以熔化到金属基质相20中或与金属基质相20融合，从而形成金属间化合物或其他生成的化合物。为了有助于凝固，对模具空腔206中的复合金属材料12进行冷却(例如，通过上述冷却通道或其他冷却特征)。在步骤430的完成处，复合金属材料12凝固成部件P(例如，制动转子10或一些其他车辆组件)；见图2H。
之后，残留在流道214中的熔融材料可以凝固，这取决于诸如流道与模具空腔206的相对尺寸的因素。如果是，凝固的流道材料形成一部分R；见图2I。
最后，在步骤440中，所述方法从工具中提取复合部件P、R。在图2I和图2J中示出了该步骤的示例。一旦部件P和流道部分R已基本上凝固，压模部分202、204就可以分离或以其他方式移动分开，露出部件P和流道部分R。然后，如图2J所见，顶杆216可以将凝固的部分P和流道部分R从压模部分202推出，以通过提取臂220通过手动提取或一些其他适用的部件提取技术来移除。然后，可以分离部件P和流道部分R，并且可以对部件P执行任何附加的精加工步骤(例如，机加工、研磨、抛光等)，以去除可能不需要的附加毛刺(未示出)或复合部件P的其他部分。
生成的复合部件P可以包括内部区域14和外部区域16。内部区域14主要由金属基质相20(例如，具有铝基材料的一种)组成，而外部区域16主要由复合金属材料12组成，所述复合金属材料具有分布在金属基质相20之内的来自颗粒相22的颗粒(例如，由陶瓷基材料制成的颗粒)。反过来，该配置可以产生具有薄的富含颗粒的外部区域16的复合部件，所述外部区域至少部分地包围基本上无颗粒的内部区域。再次值得注意的是，富含颗粒的外部区域16或外层不需要延伸包围复合部件的整个外表面；相反，它可以仅位于或定位在复合部件的需要颗粒性能的某些局部区域中。
应该理解的是，上述描述不是本发明的限定，而是本发明的一个或多个示例性说明的描述。本发明不限于在此公开的具体示例，而是仅由下面的权利要求来限定。此外，上述描述中包含的声明涉及具体示例性说明，并且不认为是对本发明的范围或在权利要求中所使用的术语的定义的限制，除非在上面明确地定义了术语或短语。各个其他示例和对所公开的实施例的各种变化和修改对于本领域技术人员将变得清楚。所有这些其他实施例、变化和修改都要在所附权利要求的范围内。
如在说明书和权利要求中所使用的，术语“例如”、“如”、“举例来说”、“诸如”和“像”，以及动词“包含”、“具有”、“包括”以及它们的其他动词形式在结合一个或多个组件或其他物品的清单使用时，各自被认为是开放式的，意味着该清单被认为不排除其他额外的组件或物品。其他术语使用它们的最广泛的合理意义来解释，除非他们被用在要求不同解释的上下文中。

Claims (27)

1.一种复合部件(10)，包括：
复合金属材料(12)，所述复合金属材料具有金属基质相(20)和分散在所述金属基质相中的颗粒相(22)；
内部区域(14)；以及
外部区域(16)，所述外部区域至少部分地包围所述内部区域(14)，其中，所述复合金属材料(12)中颗粒相(22)的平均浓度在所述外部区域(16)中比在所述内部区域(14)中高。
2.如权利要求1所述的复合部件，其中，所述金属基质相(20)包括铝基材料或镁基材料中的至少一种。
3.如权利要求2所述的复合部件，其中，所述金属基质相(20)包括铝基材料，所述铝基材料包括铝和重量在0-25％之间的硅，包括0和25％。
4.如权利要求1所述的复合部件，其中，所述颗粒相(22)包括陶瓷基材料。
5.如权利要求4所述的复合部件，其中，所述颗粒相(22)包括陶瓷基材料，所述陶瓷基材料包括氧化物、碳化物、硼化物、氮化物或硅酸盐中的至少一种。
6.如权利要求1所述的复合部件，其中，所述内部区域(14)基本上是无颗粒的，使得所述内部区域(14)中的整体复合金属材料(12)重量的小于大约0.5％是所述颗粒相(22)。
7.如权利要求1所述的复合部件，其中，所述外部区域(16)是富含颗粒的，使得所述外部区域(16)中的整体复合金属材料(12)重量的大于大约5％是所述颗粒相(22)。
8.如权利要求7所述的复合部件，其中，所述外部区域(16)中的颗粒相(22)具有梯度型分布，使得颗粒的浓度在所述复合部件(10)的外表面(24)附近最高，并且朝向所述复合部件(10)的中心进一步降低。
9.如权利要求7所述的复合部件，其中，所述外部区域(16)中的颗粒相(22)具有不均匀的分布，使得颗粒的浓度选择性地位于所述复合部件(10)的需要某些颗粒材料性能的局部区域。
10.如权利要求1所述的复合部件，其中，所述复合部件(10)进一步包括至少部分地位于所述内部区域(14)与所述外部区域(16)之间的边界区域(18)，所述边界区域(18)具有大约0.001-0.1mm的厚度，包括0.001和0.1mm，并且主要由金属间化合物组成，所述金属间化合物包括来自所述内部区域(14)和所述外部区域(16)的成分。
11.如权利要求1所述的复合部件，其中，所述复合部件(10)是包括中心轮毂部分(50)和环形转子部分(52)的制动转子，所述环形转子部分(52)包括所述外部区域(16)，使得所述外部区域(16)中的颗粒相(22)的较高平均浓度增加所述环形转子部分(52)的耐磨性。
12.一种用于铸造复合部件(10)的工具系统(200)，包括：
压模(206)，所述压模具有内表面(206a，206b)，所述压模内表面(206a，206b)的至少一部分涂覆有来自颗粒相(22)的颗粒；以及
注射器(212)，所述注射器配置为将熔融材料(M)注射到所述压模中，所述熔融材料(M)包括金属基质相(20)；
其中，所述压模(206)配置为使所述熔融材料(M)凝固成所述复合部件(10)，并且涂覆有来自所述颗粒相(22)的颗粒的压模内表面(206a，206b)配置为将所述颗粒分布在所述复合部件(10)的外部区域(16)中，所述复合部件(10)的外部区域(16)至少部分地包围所述复合部件(10)的内部区域(14)。
13.如权利要求12所述的工具系统，其中，所述压模内表面(206a，206b)包括第一表面部分和第二表面部分，所述压模第一表面部分涂覆有来自所述颗粒相(22)的颗粒，并且对应于希望有所述颗粒相(22)的材料性能的所述复合部件(10)的第一部分，所述压模第二表面部分未涂覆来自所述颗粒相(22)的颗粒，并且对应于不如所述复合部件(10)的第一部分希望有所述颗粒相(22)的材料性能的所述复合部件(10)的第二部分。
14.一种在具有压模(206)的工具系统(200)中铸造复合部件(10)的方法(400)，所述方法包括以下步骤：
用具有多个颗粒的颗粒相(22)涂覆所述压模(206)的内表面(206a，206b)的至少一部分；
将具有金属基质相(20)的熔融材料(M)注射到所述压模(206)中；并且
使所述熔融材料(M)在所述压模(206)之内凝固，以形成具有至少部分地包围内部区域(14)的外部区域(16)、由复合金属材料(12)制成的复合部件(10)，其中，所述复合金属材料(12)中颗粒相(22)的平均浓度在所述外部区域(16)中比在所述内部区域(14)中高。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述涂覆步骤进一步包括用包括陶瓷基材料的颗粒相(22)涂覆所述压模(206)的内表面(206a，206b)的一部分。
16.如权利要求14所述的方法，其中，所述涂覆步骤进一步包括用所述颗粒相(22)喷涂所述压模(206)的内表面(206a，206b)的一部分。
17.如权利要求15所述的方法，其中，所述涂覆步骤进一步包括：在脱模剂中提供所述颗粒相(22)，然后用所述脱模剂喷涂所述压模(206)的内表面(206a，206b)的一部分，使得所述颗粒相(22)的颗粒至少暂时粘在所述压模(206)的内表面(206a，206b)的一部分上。
18.如权利要求14所述的方法，其中，所述涂覆步骤进一步包括：用所述颗粒相(22)轧制所述压模(206)的内表面(206a，206b)的一部分或者通过含有颗粒的薄片将所述颗粒相(22)原位施加到所述压模(206)的内表面(206a，206b)的一部分的至少一项。
19.如权利要求14所述的方法，其中，所述涂覆步骤进一步包括：用具有多个颗粒的所述颗粒相(22)选择性地涂覆所述压模(206)的内表面(206a，206b)的第一部分，并且留出所述压模(206)的内表面(206a，206b)的第二部分不涂覆，其中，所述内表面(206a，206b)的第一部分对应于复合部件(10)的需要某些颗粒材料性能的局部区域。
20.如权利要求14所述的方法，其中，所述涂覆步骤进一步包括：用具有第一颗粒浓度的所述颗粒相(22)选择性地涂覆所述压模(206)的内表面(206a，206b)的第一部分，并且用具有第二颗粒浓度的所述颗粒相(22)选择性地涂覆所述压模(206)的内表面(206a，206b)的第二部分，其中，所述第一颗粒浓度大于所述第二颗粒浓度。
21.如权利要求14所述的方法，其中，所述涂覆步骤进一步包括：用具有第一类型颗粒的所述颗粒相(22)选择性地涂覆所述压模(206)的内表面(206a，206b)的第一部分，并且用具有第二类型颗粒的所述颗粒相(22)选择性地涂覆所述压模的内表面的第二部分，其中，所述第一类型颗粒不同于所述第二类型颗粒。
22.如权利要求14所述的方法，其中，所述注射步骤进一步包括将具有所述金属基质相(20)的熔融材料(M)注射到所述压模(206)中，所述金属基质相包括铝基材料或镁基材料中的至少一种。
23.如权利要求22所述的方法，其中，所述金属基质相(20)包括铝基材料，所述铝基材料包括铝和重量在0-25％之间的硅，包括0和25％。
24.如权利要求14所述的方法，其中，所述凝固步骤进一步包括：使所述熔融材料(M)在所述压模(206)之内凝固，以形成所述复合部件(10)，所述凝固导致：所述内部区域(14)基本上是无颗粒的，使得所述内部区域中的整体复合金属材料重量的小于大约0.5％是所述颗粒相(22)，并且，所述外部区域(16)是富含颗粒的，使得所述外部区域(16)中的整体复合金属材料重量的大于大约5％是所述颗粒相(22)。
25.如权利要求14所述的方法，其中，所述凝固步骤进一步包括：使所述熔融材料(M)在所述压模(206)之内凝固，以形成所述复合部件(10)，所述凝固使所述复合部件(10)具有至少部分地位于所述内部区域(14)与所述外部区域(16)之间的边界区域(18)，所述边界区域(18)具有大约0.001-0.1mm的厚度，包括0.001和0.1mm，并且主要由金属间化合物组成，所述金属间化合物包括来自所述内部区域(14)和所述外部区域(16)的成分。
26.如权利要求14所述的方法，其中，所述凝固步骤进一步包括：冷却所述压模(206)之内的熔融材料(M)，使得固-液前锋带着来自所述颗粒相(22)的颗粒远离所述压模(206)的内表面(206a，206b)的部分，并将所述颗粒分布在所述复合部件(10)的外部区域(16)之内。
27.如权利要求14所述的方法，其中，所述铸造方法是高压压铸工艺。
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