CN100491553C

CN100491553C - 颗粒增强铝基复合材料的制备工艺及其专用设备

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Publication number: CN100491553C
Application number: CNB2007100544852A
Authority: CN
Inventors: 汪喜和; 范林
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-06-04
Filing date: 2007-06-04
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2027-06-04
Also published as: CN101195876A

Abstract

本发明公开了新型颗粒增强铝基复合材料的制备工艺及其专用设备。该制备方法的熔化和混合过程在密闭的连体的设备中进行，将铝基体合金由熔化池的加料口加入，铝基体合金熔化后，打开熔化池底部的阀门，熔化的液态铝基体合金直接流入混合池，当混合池液位达到规定高度后关闭阀门，从混合池顶部的加料口加入经预处理的SiC，加料时采用铝壳为包裹材料的加料棒，随着加料棒铝壳的熔化SiC熔入铝基体合金中，然后通过出料泵将料送至模具中，直接制成坯料或产品。本发明将熔化和混合二者有效结合，简化了熔化池和混合池系统，结构简单，控制简单，合理降低成本，产品中碳化硅颗粒在铝基复合材料中的含量稳定，并且分布均匀，提高铝基复合材料的整体性能。

Description

颗粒增强铝基复合材料的制备工艺及其专用设备

一、技术领域：

本发明涉及一种金属基复合材料的制备工艺及设备，特别是涉及一种铝基复合材料的制备工艺及其专用设备。

二、背景技术：

金属基复合材料具有高的比强度、比模量与比刚度，良好的高温性能与耐磨性、尺寸稳定，热膨胀系数小并可调整等一系列性能优势。目前这种材料特别是其中的铝基复合材料已经在航空航天、军工、能源、汽车等工业方面得到应用。从发展趋势来看，这种材料的应用范围会随着其制备技术的不断成熟与成本的不断下降从以高科技领域应用为主向普通工业与民用方向转化。

事实上，限制铝基复合材料广泛应用的主要原因是该材料的制备技术难以满足大规模生产的需要，因此材料制备的技术的发展与突破是解决这一问题的关键。目前制备的方法包括挤压铸造法、粉末冶金法和液态搅拌法等，从这些制造方法上分析，挤压铸造法对增强相的体积分数控制比较困难，而且工艺过程比较复杂，难以适应大规模生产的需要，普通的粉末冶金法由于是在固态下成型，产品的形状受到一定的限制，而且也不利于大规模生产，液态搅拌法所面临的主要困难则是增强相分布均匀性的问题。而金属基复合材料的性能在很大程度上取决于其中的增强相在基体中的分布情况，只有当增强相在基体中均匀分布时才能起到最佳的增强效果。从这个意义上讲，在材料制备技术方面的突破使其能够满足工业化生产的需要，是使这种材料获得进一步应用的前提，因而具有十分重要的意义。

目前，对于SiC颗粒增强铸造铝基复合材料的制备工艺设备主要是采用以下两种工艺：第一种工艺，通过保护气体将SiC颗粒吹入混合池底部，在搅拌装置的作用下，SiC颗粒与铝基母材结合在一起。该工艺的缺点是随着保护气体的上升，小气泡黏附在SiC颗粒上，上浮至液面，形成一定量的浮渣，并且降低了SiC颗粒在复合材料中的含量。另外，在机械搅拌的过程中，SiC颗粒与铝基母材不完全接触，导致SiC颗粒分布不均匀，直接影响复合材料的机械性能。第二种工艺，采用在真空条件下进行加料和铸造，相对来说成本比较高，适合小批量生产，无法实现工业化生产。以上两种工艺有一个共同特点，都是采用以精练铝基母材为熔体，铝锭的熔化和混合过程分别在独立的设备中进行。因此，生产成本相应提高。

复合材料制备水平的高低直接影响到复合材料性能的好坏和复合材料成本的高低。增强体颗粒加入到铝合金后可引起基体合金微观结构的变化，同时使合金的性能发生改变。铝基复合材料力学性能视制备工艺、增强体种类、尺寸和体积分数、基体合金及热处理的工艺不同而存在一定差异。因此，研制或选用新的低成本增强材料、研制低成本的制造工艺，是降低价格、推广开发金属基复合材料工程应用的有效途径。

公开号为CN1932053A的发明专利，公开了一种铝基复合材料的工业化制备工艺，该方法将铝粉和碳化硅颗粒料直接混合，再经加热浇铸得到产品。和本发明相比，该工艺生产过程中熔化的金属易被氧化，而且碳化硅颗粒料在其中的分布不均匀，直接影响材料的性能和质量。

三、发明内容：

本发明要解决的技术问题是：提供了一种碳化硅颗粒料分布均匀、生产成本低的新型颗粒增强铝基复合材料的制备方法，还提供了一种结构简单、控制方便、减少中间环节、生产效率高的生产该铝基复合材料的专用设备。

本发明的技术方案：

本发明的新型颗粒增强铝基复合材料的制备方法，包括熔化和混合过程，制备过程在保护气体的环境下进行，熔化和混合过程在密闭的连体的设备中进行，具体步骤如下，

(1)将铝基体合金由熔化池的加料口加入，其占原料总体积的70～90％，在熔化池中将铝基体合金熔化，熔化池温度控制在高于铝基体金属熔点50℃，并保持此温度恒定，

(2)打开熔化池底部的阀门，熔化的液态铝基体合金直接流入混合池，当混合池液位达到规定高度后关闭所述的阀门，

(3)从混合池顶部的加料口加入平均粒度为5～14μm的经预处理的SiC，加料时采用铝壳为包裹材料的加料棒，加入的SiC体积占原料总体积的10～30％，随着加料棒铝壳的熔化SiC熔入铝基体合金中，再搅拌0.5～1h，搅拌速度为600～1000r/min，使SiC颗粒均匀分布于熔化的铝基体合金中，

(4)然后通过出料泵将料送至模具中，直接制成坯料或浇铸成产品。

所述的铝基体合金牌号采用6061基体合金，其化学成分为Al-1Mg-0.6Si，也可采用其他铝合金，如2A12。高含量的合金具有较低的液相线，这样就降低了复合过程中铝与碳之间的反应动力，避免界面反应产物对力学性能的损害。

碳化硅增强项加入到金属中起提高耐磨、耐热、强度和模量的作用。SiC颗粒的预处理是在750～1050℃×(0.5～1)h的条件下表面氧化处理，使有害物质在高温下挥发去除，或在高温过程中表面发生氧化形成纯净稳定的SiO₂。而SiO₂会与基体中的AL和Mg发生以下反应：2Al+Mg+2SiO₂→MgAL₂O₄+2Si，MgAl₂O₄的生成有利于改善颗粒与基体的润湿性，从而防止出现AL₄C₃的有害界面相。SiC在固态Al中二者不会发生反应，但在液态铝中SiC是具有活性的，能与铝发生下述反应：3SiC(固)+4Al(液)→Al₄C₃(固)+3Si(固)，上述反应的起始温度为800℃，而且随着温度的升高反应愈加剧烈，所以应严格控制混合池的温度与复合时间。

制备过程中的保护气体为氩气或氮气，或为二者的混合气，防止熔化金属在复合过程中氧化和吸气。

另外，为提高基体合金的润湿性和晶粒细化，加入铝基体合金的同时可添加稀土元素锑Sb、钛Ti或锂Li。

所述的新型颗粒增强铝基复合材料的制备方法所用的专用设备含有熔化池、混合池、加热装置、搅拌装置、气体保护装置、出料装置和控制器，所述熔化池和混合池为连体式结构，由一个上端开口的腔体纵向分隔而成，二者之间的体壁下端设置有连通孔，该连通孔处设置有启闭阀门，所述腔体设置在一个敞口壳体中，并且所述腔体和敞口壳体之间设置有加热装置，所述敞口壳体上端设置有端盖，所述熔化池上方的所述端盖上设置有基体合金加料孔和密封盖，所述混合池上方的所述端盖上设置有碳化硅加料孔和密封盖，所述混合池中分别设置有搅拌装置、出料装置和液面控制装置，并且搅拌装置的动力机、出料装置的动力机和液面控制装置的感应器分别与控制器连接；所述气体保护装置的通气管贯穿所述敞口壳体上端与所述熔化池和混合池的内腔连通。

所述搅拌装置含有动力机、搅拌轴和搅拌浆片，其中搅拌轴贯穿所述端盖，其上端和动力机连接，中部和下部与搅拌浆片连接。所述搅拌浆片为两层，并且上层搅拌浆片的直径小于下层搅拌浆片的直径。

所述加热装置和所述敞口壳体之间设置有保温装置，并且加热装置设置有温控器，该温控器和所述控制器连接。

所述启闭阀门为旋转式控制阀或升降式控制阀，其操纵杆上端贯穿所述端盖；所述基体合金加料孔为竖井型，便于基体合金的加入和浮渣的收集。

动力机可以采用调速电机，其调速范围0～1000r/min，根据需要动力机也可以采用电机和减速机的组合。有效的机械搅拌使颗粒与基体金属液体均匀混合，在强烈的搅拌下使液态金属以高的剪切速度流过颗粒表面，可有效的改善金属与颗粒的润湿性。搅拌器的主轴选用不锈钢(耐热钢)，桨叶选用钛金属。

本发明具有的积极有益效果：

(1)本发明的制备方法采用碳化硅增强项加入到铝合金中，能起提高耐磨、耐热、强度和模量的作用；同时SiC颗粒加入前经表面氧化处理，使有害物质在高温下挥发去除，或在高温过程中表面发生氧化形成纯净稳定的SiO₂。而SiO₂与基体中的Al和Mg发生2Al+Mg+2SiO₂→MgAl₂O₄+2Si的反应，MgAl₂O₄的生成将有利于改善颗粒与基体的润湿性，而防止出现Al4C₃的有害界面相。另外，熔化池的加热温度恒定，将基体金属熔化后然后保温，并将熔化温度控制在高于基体金属熔点50℃，可避免有害杂质的生成。

(2)本发明的熔化池与混合池二者连为一体，简化了熔化池和混合池系统，结构简单，控制方便，减少中间环节，合理降低成本。

(3)本发明采用独特加料系统，其基体合金加料口为竖井型，其井壁和液面形成封闭空间，便于基体合金的投加和浮渣的收集，同时有效防止气体进入熔化池，也避免产生气泡，保证SiC颗粒在铝基复合材料中的含量。

(4)本发明采用双层变径搅拌桨叶，由于两层浆片的直径不同，两层浆片的外缘线速度就不一致，所产生的搅拌曲线也就不同，上层浆片弥补下层浆片形成的弱势区，从而使搅拌更加均匀、充分，因此，能够使SiC颗粒很好地与铝基母材均匀混合，SiC颗粒分布更加均匀，提高铝基复合材料的整体性能。

四、附图说明：

图1为新型颗粒增强铝基复合材料的制备方法所用的专用设备的结构示意图。

五、具体实施方式：

实施例一、参见图1，图中，新型颗粒增强铝基复合材料的制备方法所用的专用设备的熔化池3和混合池6为连体式结构，它们由一个上端开口的腔体2纵向分隔而成，二者之间的体壁下端设置有连通孔，该连通孔处设置有启闭阀门4，腔体2设置在一个敞口壳体5中，并且腔体2和敞口壳体5之间设置有加热装置8和保温装置1，敞口壳体5上端设置有端盖14，熔化池3上方的端盖14上设置有基体合金加料孔13和密封盖，混合池6上方的端盖14上设置有碳化硅加料孔12和密封盖，混合池6中分别设置有搅拌装置11、出料装置10和液面控制装置7，并且搅拌装置11的动力机、出料装置10的动力机和液面控制装置7的感应器分别与控制器9连接，以便实现控制；气体保护装置15的通气管贯穿敞口壳体5上端与熔化池3和混合池6的内腔连通。

搅拌装置11含有动力机、搅拌轴和搅拌浆片，其中搅拌轴贯穿端盖14，其上端和动力机连接，中部和下部与搅拌浆片连接。搅拌浆片为两层，并且上层搅拌浆片的直径小于下层搅拌浆片的直径。

加热装置8设置有温控器(图中未画出)，该温控器也和控制器9连接，使熔炼和混合在合理的温度下进行。出料装置10采用吸泵。

启闭阀门4为旋转式控制阀或升降式控制阀，其操纵杆上端贯穿端盖14后和操作手柄连接；基体合金加料孔13为竖井型，其井壁和液面形成封闭空间，便于基体合金的加入和浮渣的收集。

新型颗粒增强铝基复合材料的制备方法，包括熔化和混合过程，制备过程用氩气作为保护气体，具体步骤如下，

(1)铝基体合金采用6061，将铝基体合金由熔化池3的基体合金加料孔13加入，其体积占原料总体积的70％，在熔化池3中将铝基体合金熔化，通过控制器9和加热装置8使熔化池3温度控制在高于铝基体金属熔点50℃，并保持此温度恒定，

(2)打开熔化池3底部的启闭阀门4，熔化的液态铝基体合金流入混合池6，当混合池6液位达到规定高度后关闭启闭阀门4，

(3)在混合池6顶部碳化硅加料孔12加入平均粒度为8μm的SiC，其体积占原料总体积的30％，SiC在加入前在800℃×1h的条件下经表面氧化处理；加SiC时，采用铝壳为包裹材料的加料棒，由加料孔12将SiC送入密闭混合池6内，随着加料棒铝壳的熔化，SiC熔入铝基体合金中；再搅拌0.5h，搅拌速度为1000r/min，使SiC颗粒均匀分布在铝基体合金中，

(4)最后通过出料装置10将料送至模具中，直接制成坯料。

实施例二、同实施例一基本相同，不同之处在于：

铝基体合金采用6061，铝基体合金的体积占原料总体积的90％，SiC的平均粒度为12μm，SiC表面氧化处理在900℃×0.8h的条件下进行，SiC的体积占原料总体积的10％；搅拌时间为1h，搅拌速度为600r/min，最后经模具直接铸造成产品。其余内容同实施例一。

实施例三、同实施例一基本相同，不同之处在于：

铝基体合金采用6061，铝基体合金的体积占原料总体积的80％，SiC的体积占原料总体积的20％，搅拌时间为0.8h，搅拌速度为800r/min。其余内容同实施例一。

实施例四、同实施例一基本相同，不同之处在于：

铝基体合金采用2A12，其体积占原料总体积的85％，SiC的体积占原料总体积的15％，搅拌时间为0.9h，搅拌速度为700r/min。其余内容同实施例一。

Claims

1、一种颗粒增强铝基复合材料的制备方法，包括熔化和混合过程，制备过程在保护气体的环境下进行，其特征是：熔化和混合过程在密闭的连体的设备中进行，具体步骤如下，

(1)将铝基体合金由熔化池的加料口加入，其占原料总体积的70～90％，在熔化池中将铝基体合金熔化，熔化池温度控制在高于铝基体金属熔点50℃，并保持恒温，

(3)从混合池顶部的加料口加入平均粒度为5～14μm的经预处理的SiC，加料时采用铝壳为包裹材料的加料棒，加入的SiC体积占原料总体积的10～30％，随着加料棒铝壳的熔化SiC熔入铝基体合金中，再搅拌0.5～1h，使SiC颗粒均匀分布于熔化的铝基体合金中，

2、根据权利要求1所述的颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征是：所述的铝基体合金牌号为6061或2A12。

3、根据权利要求1所述的颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征是：所述的SiC颗粒预处理是在750～1050℃×(0.5～1)h的条件下进行表面氧化处理。

4、根据权利要求1所述的颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征是：所述的保护性气体为氩气或氮气，或为二者的混合气。

5、根据权利要求1所述的颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征是：所述搅拌的搅拌速度为600～1000r/min。

6、一种权利要求1所述的颗粒增强铝基复合材料的制备方法所用的专用设备，含有熔化池、混合池、加热装置、搅拌装置、气体保护装置、出料装置和控制器，其特征是：所述熔化池和混合池为连体式结构，由一个上端开口的腔体纵向分隔而成，二者之间的体壁下端设置有连通孔，该连通孔处设置有启闭阀门，所述腔体设置在一个敞口壳体中，并且所述腔体和敞口壳体之间设置有加热装置，所述敞口壳体上端设置有端盖，所述熔化池上方的所述端盖上设置有基体合金加料孔和密封盖，所述混合池上方的所述端盖上设置有碳化硅加料孔和密封盖，所述混合池中分别设置有搅拌装置、出料装置和液面控制装置，并且搅拌装置的动力机、出料装置的动力机和液面控制装置的感应器分别与控制器连接；所述气体保护装置的通气管贯穿所述敞口壳体上端与所述熔化池和混合池的内腔连通。

7、根据权利要求6所述的专用设备，其特征是：所述搅拌装置含有动力机、搅拌轴和搅拌浆片，其中搅拌轴贯穿所述端盖，其上端和动力机连接，中部和下部与搅拌浆片连接。

8、根据权利要求7所述的专用设备，其特征是：所述搅拌浆片为两层，并且上层搅拌浆片的直径小于下层搅拌浆片的直径。

9、根据权利要求6所述的专用设备，其特征是：所述加热装置和所述敞口壳体之间设置有保温装置，并且加热装置设置有温控器，该温控器和所述控制器连接。

10、根据权利要求6—10任一所述的专用设备，其特征是：所述启闭阀门为旋转式控制阀或升降式控制阀，其操纵杆上端贯穿所述端盖后和操纵手柄连接；所述基体合金加料孔为竖井型，便于基体合金的加入和浮渣的收集。