CN100471977C - 硼酸铝晶须/铸造铝合金复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种硼酸铝晶须/铸造铝合金复合材料及其制备方法，它由如下重量份数的原料制成：合金牌号为ZAISi12的铸造铝合金90-100份、硼酸铝晶须10-15份、氧化锌晶须5-7.5份、碳纤维5-7.5份、锆粉0.3-0.5份；其制备方法为：按比例称取硼酸铝晶须、氧化锌晶须和碳纤维，用粘结剂粘结起来制备预制块；将锆粉喷涂在预制块表面；将预制块预热到700℃，模具加热到300℃，上述预制块投入到模腔内，浇入690-700℃的铸造铝合金熔体，加压12-18MPa，冷却凝固便得到成型的产品。本复合材料各项性能优良，因其在常温下的强度和弹性模量大，能代替铸钢和各种金属，并比钢、铁成本低，安全性能和可靠性高。

Description

硼酸铝晶须/铸造铝合金复合材料及其制备方法
技术领域  本发明涉及一种铸造的铝合金复合材料及其制备方法，具体说是一种硼酸铝晶须与氧化锌晶须共混在碳纤维上进行“晶须化”为增强体的铸造铝合金复合材料及其制备方法。
背景技术  近些年来发展起来的碳化硅晶须/6061铝合金复合材料，其性能好，如强度高，模量大，具有耐磨性、尺寸稳定性，耐热性等，但价格昂贵，现只用于航天、航空业；硼酸铝晶须上述性能与碳化硅晶须相当，而价格仅为其1/10，为降低铝合金复合材料的成本，使之能够广泛的用于工业和民用领域，迫切需要研究硼酸铝晶须为增强体的铸造铝合金为基体的复合材料及其制备方法。
发明内容  本发明的目的在于提供一种硼酸铝晶须/铸造铝合金复合材料及其制备方法，该材料强度高，模量大，具有耐磨性、尺寸稳定性，耐热性比现有合金有很大改善；其制备方法较为简便。
本发明的技术方案如下：
本发明的复合材料由如下重量份数的原料制成：
合金牌号为ZAISi12的铸造铝合金                 90—100份
硼酸铝晶须                                    10—15份
氧化锌晶须                                    5—7.5份
碳纤维                                        5—7.5份
锆粉                                          0.3—0.5份。
上述复合材料的进一步方案为：
合金牌号为ZAISi12的铸造铝合金                 100份
硼酸铝晶须                                    15份
氧化锌晶须                                    5份
碳纤维                                        5份
锆粉                                          0.5份。
上述的铸造铝合金是铸造铝硅合金，其代号为ZL102。
上述的硼酸铝晶须的分子式为9AI2O3.2B2O3。
上述的氧化锌晶须为四脚状三维空间结构。
上述的碳纤维是G40—700型的。
上述的硼酸铝晶须/铸造铝合金复合材料的制备方法，由如下步骤组成：
1、按上述比例称取硼酸铝晶须、氧化锌晶须和碳纤维，用粘结剂粘结起来；制备预制块；
2、将锆粉喷涂在预制块表面，制成表面含锆粉均匀喷涂层的预制块；
3、将含锆粉的预制块预热到700℃，模具加热到300℃，将含锆粉喷涂层的预制块投入到模腔内，浇入690-700℃的铸造铝合金ZL102熔体，浇入时间一次完成，操作时间尽可能的短；施加12—18MPa的压力，保持压力至凝固为止，使铝合金熔体渗入上述晶须和碳纤维块，均匀分散，冷却凝固便得到成型的产品。
本发明的优点在于：1，本复合材料各项性能优良，用15份硼酸铝晶须/5份氧化锌晶须/5份碳纤维增强铸造铝硅合金ZL102，铝合金复合材料的强度达到538MPa，模量达120GPa，其强度从ZL102铝合金的175MPa提高到538MPa；模量则从68.6GPa增至120GPa。其耐磨性、尺寸稳定性，耐热性比原合金有很大改善；保持了原有合金的抗裂性能和很好的气密性，以及很好的流动性，不用热处理强化适用于浇注、压铸、液态模锻等新加工工艺。2、由于以上优良性能，本复合材料可用于多个领域。因其在常温下的强度和弹性模量大，能代替铸钢和各种金属，通用的钢材强度为500-600MPa，本发明的复合材料的强度相当于钢材强度，若用本发明材料取代传统金属材料，因其耐磨工作寿命可延长2倍，其与生物体的相容性也比钢材好，用作人体骨骼、关节、颅盖骨补块等比其它材料好。3、用本发明的材料，比钢、铁节省材料成本和制造费用，生产工作量可减少10％，比一般制造构件工作量减少50％，构件质量减轻25％，4、安全性能和可靠性高，若用于飞机，其可靠性是传统材料的数十倍，飞机、汽车、火车、船舶用的铝合金铸件从产生裂纹至裂断时间是1min，而本发明材料因阻尼性好其从产生裂纹至裂断是50min左右，因此使乘客可以撤离，飞机可降落，大大提高安全性。5、本发明的材料属铸造铝合金复合材料，可多次熔融铸造，可回收再次利用，也可与其它铝、铝合金熔融，再次利用制造铝制品，因而可降低材料成本，无毒、无害、不污染环境。6、本发明的制作方法简便，易操作。
本发明的材料具体可以应用汽车的刹车盘、片、环，内燃机的活塞，发动机叶片，柴油机铸件等。
附图说明  图1是本发明制备过程示意图。
具体实施方式
实施例1：合金牌号为ZAISi12的铸造铝合金ZL102 100份、硼酸铝晶须15份、氧化锌晶须5份、碳纤维5份、锆粉0.5份。
实施例2：合金牌号为ZAISi12的铸造铝合金ZL102 95份、硼酸铝晶须13份、氧化锌晶须6份、碳纤维6份、锆粉0.4份。
实施例3：合金牌号为ZAISi12的铸造铝合金ZL102 90份、硼酸铝晶须10份、氧化锌晶须7份、碳纤维7份、锆粉0.3份。
本发明复合材料的制备方法由如下步骤组成，结合附图说明：
1、按上述比例称取硼酸铝晶须、氧化锌晶须和碳纤维，用粘结剂明胶粘结起来；制备预制块；图1(a)中(1)为预制块，(2)为上模，(3)为模腔；
2、锆粉喷涂在预制块表面，制成表面含锆粉均匀喷涂层的预制块；
3、将含锆粉的预制块预热到700℃，模具加热到300℃，将含锆粉喷涂层的预制块(5)投入到模腔内，图1的(b)图，浇入690-700℃的铸造铝硅合金ZL102熔体(4)，浇入时间一次完成，操作时间尽可能的短；图1(c)下模，(d)中用液压机(6)施加12—18MPa的压力，保持压力时间至凝固为止，使铝合金熔体渗入上述晶须和碳纤维块，均匀分散，冷却凝固便得到成型的产品(7)。
本发明选用的铸造铝硅合金合金牌号为ZAISi12，其代号为ZL102，为基体材料在碳纤维上进行硼酸铝晶须与氧化锌晶须共混物“晶须化”，为增强体材料，在高温熔融状态下，采用机械压力浸渗复合，制备硼酸铝晶须/铸造铝合金复合材料，选用基体材料的主要元素含量(质量分数/％)，硅10.0—13.0，余量铝，其杂质铁S 0.7，铁J 1.0，铜0.3，锌0.1，锰0.5，钛0.2，不含碱金属元素，碱土金属元素，易于与硼酸铝晶须、氧化锌晶须、碳纤维复合，界面反应极小，对ZL102合金含锰0.5％，它是氧化态变化最为丰富的金属元素，易于界面氧化反应。太原铸造铝合金锭厂生产。
选用的硼酸铝晶须的分子式为9AI2O3.2B2O3，它属斜方晶系，易和碱金属元素，碱土金属元素反应，所以选用它和上述铝硅合金不含碱金属元素，碱土金属元素的配合。其晶须平均直径0.5—5μm，长度为10--100μm，密度为2.93g/cm3，熔点为1960℃，拉伸强度8GPa，拉伸模量为400GPa，热膨胀系数(轴向)为1.9×10-6K。上海晶须复合材料制造有限公司生产。
选用的四脚状氧化锌晶须，具有独特的凹脚状三维空间结构，强度高，半导体性质，具有吸收紫外线的特性，在700℃以下氧化锌晶须与硼酸铝晶须、碳纤维共混制成的铝合金基复合材料，其抗拉强度增加，机械切削加工性能更好，形成微观的阻尼结构，起到降低固有振动频率，增大衰减率的作用，提高尺寸稳定性，耐紫外线老化性，使本发明的综合性能有较大改善。上海欧诚锌业有限公司生产。
选用的碳纤维，在其上进行“晶须化”，可大大提高和改善纤维的强度和模量，能改变碳纤维的表面形态和表面化学性，从而增强与基体的粘接，实现界面优化，这主要是通过控制界面反应实现的。兰州化纤厂生产。
本发明的复合材料基体中加入少量的锆金属，它有较强的真空除氧及耐腐蚀性，对抑制碳纤维、硼酸铝晶须、氧化锌晶须与铝合金基体的反应，抑制基体杂质含锰金属元素易氧化态变化，形成良好界面结构有明显作用。锆粉是淄博永帮锆粉有限公司生产。

Claims (7)

1、一种硼酸铝晶须/铸造铝合金复合材料，其特征在于：它由如下重量份数的原料制成：
合金牌号为ZAlSi12的铸造铝合金       90—100份
硼酸铝晶须                          10—15份
氧化锌晶须                          5—7.5份
碳纤维                              5—7.5份
锆粉                                0.3—0.5份。
2、根据权利要求1所述的一种硼酸铝晶须/铸造铝合金复合材料，其特征在于：它由如下重量份数的原料制成：
合金牌号为ZAlSi12的铸造铝合金       100份
硼酸铝晶须                          15份
氧化锌晶须                          5份
碳纤维                              5份
锆粉                                0.5份。
3、根据权利要求1所述的一种硼酸铝晶须/铸造铝合金复合材料，其特征在于：它的铸造铝合金是铸造铝硅合金，其代号为ZL102。
4、根据权利要求1所述的一种硼酸铝晶须/铸造铝合金复合材料，其特征在于：它的硼酸铝晶须的分子式为9Al2O3·2B2O3。
5、根据权利要求1所述的一种硼酸铝晶须/铸造铝合金复合材料，其特征在于：它的氧化锌晶须为四脚状三维空间结构。
6、跟据权利要求1所述的一种硼酸铝晶须/铸造铝合金复合材料，其特征在于：它的碳纤维是G40—700型的。
7、根据权利要求1所述的硼酸铝晶须/铸造铝合金复合材料其制备方法，其特征在于它由如下步骤组成：
(1)、按上述比例称取硼酸铝晶须、氧化锌晶须和碳纤维，用粘结剂粘结起来；制备预制块；
(2)、锆粉喷涂在预制块表面，制成表面含锆粉均匀喷涂层的预制块；
(3)、将含锆粉的预制块预热到700℃，模具加热到300℃，将含锆粉喷涂层的预制块投入到模腔内，浇入690-700℃的铸造铝合金ZL102熔体，浇入时间一次完成，操作时间尽可能的短；施加12—18MPa的压力，保持压力至凝固为止，使铝合金熔体渗入上述晶须和碳纤维块，均匀分散，冷却凝固便得到成型的产品。
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