CN101787454A - 一种多组元增强铝基复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种多组元增强铝基复合材料的制备方法，先按照重量百分比称取5%-10%的硅、0.4%-1.2%的镁、0.06%-0.4%的钛、1%-10%的镍、0.005%-0.1%的硼、0%-0.2%的碲、0%-0.3%的锑、5%-20%的碳化硅、1%-10%的石墨，其余为铝，以上各组分的质量百分比之和为100%，再将硅、镁、钛、镍、硼、碲、锑及铝混合后熔炼，得到铝合金液；将铝合金液进行搅拌，搅拌的同时加入碳化硅颗粒及石墨颗粒，高速小漩涡剪切搅拌和多向间歇式电磁搅拌有机的结合，得到本发明多组元增强铝基复合材料。本发明制备方法，熔池搅拌效率提高，搅拌时间缩短，搅拌效果提高，制备多组元增强铝基复合材料多组元增强相更有效地结合并达到理想的均匀分布效果。

Description

一种多组元增强铝基复合材料的制备方法

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种多组元增强铝基复合材料的制备方法。

背景技术

颗粒增强铝基复合材料因具有复合的结构特征和良好的理化及力学性能，己成为一种应用越来越广泛的新型金属功能材料。目前，在众多制备技术中，液态金属搅拌法由于所需设备简单，制造方便，生产效率高，最适合工业化大批量低成本生产，是一种很有价值的生产方法。但针对碳化硅颗粒、石墨颗粒而言，二者与铝合金的相容性差，比重相差悬殊，当加入到铝合金熔体后，容易在熔体中团聚或聚集，造成颗粒分布不均匀，严重影响铝基复合材料的性能。如何在保证铝基体性能的前提下，控制多组元颗粒增强颗粒的分布以及多组元颗粒相与铝基体的界面润湿性等特征，以保证复合材料具有组织均匀、致密，颗粒细小、弥散，材料综合性能优良等目标。解决该问题的最有效方法是采用熔体搅拌法，研究报道和工业上应用的搅拌法包括机械搅拌法、气体搅拌法和电磁搅拌法。机械搅拌法是最简单直接的方法，由于存在效率低，搅拌装置污染金属熔体并向熔体内部带渣等缺点，不利于大规模连续化生产采用及提高产品质量。气体搅拌法的不足主要是搅拌强度有限、搅拌不均匀以及喷吹气体带渣污染熔体等，也不利于提高产品质量。电磁搅拌实现无接触搅拌，不破坏熔池的氧化膜及顶渣保护层，不会给熔体带来污染，而且搅拌强度易于实现精确调控，在冶金与材料制备过程中应用越来越广泛。目前，单一电磁场搅拌作用下制备金属基复合材料己经有几个专利技术，如专利：公开号为CN200810234979，公开日为2009.3.25，发明名称为：一种组合电磁场下原位合成金属基复合材料的方法，该专利提出来用旋转磁场与行波磁场组合下合成制备颗粒增强金属基复合材料熔体。该方法是在复合材料熔池的外侧安置低频旋转磁场，磁场线圈中心与熔体中心在同一高度；在复合材料熔池的底部施加行波磁场，行波磁场线圈中心与复合材料熔池的中心在同一位置。如专利：公开号为CN200510038706，公开日为2005.9.14，发明名称为：一种工业规模制备内生颗粒增强铝基复合材料的制备方法，该专利提出来用熔体反应法+电磁搅拌处理+半连铸成型集成技术。该方法是将含有增强颗粒形成元素的化合物在某一温度下加入到熔融的铝或铝合金中，同时施加电磁搅拌，使之充分反应，并使内生颗粒在熔体中分布较均匀，获得的复合材料熔体，经半连铸成棒材。专利：公开号为CN200710134020，公开日为2008.6.18，发明名称为：异频复合电磁场下连续铸造颗粒增强金属基复合材料的方法，提出在复合材料熔体制备过程中施加低频交变磁场：频率为5-50Hz，功率范围为5-60kW，进行电磁搅拌。以上电磁场下制备颗粒增强复合材料都采用磁场搅拌，电磁场也起到明显的作用效果，但随着技术的发展及对复合材料性能、质量要求的提高，磁场搅拌下合成金属基复合材料存在的问题逐渐凸现，特别是单一磁场下搅拌，颗粒相容易出现偏聚，形成局部密集或团簇状分布，导致材料的组织性能出现不均匀性。分析该问题产生的原因如下：

由于颗粒增强相与基体金属熔体在物理性能方面存在差异，所以含颗粒增强相的金属熔体具有非均质非连续的特征，颗粒增强相与基体金属在电磁特性方面的差异使两者受到的电磁力不一致，而且由于颗粒相与基体金属液在密度、润湿性方面存在差异，颗粒相在金属熔体内容易偏聚，例如，施加旋转磁场搅拌时，若颗粒相的密度大于熔体的密度较多，颗粒相在旋转离心力的作用下，向熔体外围偏聚。施加行波磁场搅拌时，非磁性的颗粒相不受电磁力作用，在熔体上下搅拌过程中，由于颗粒相与熔体间的密度差异，颗粒相易于上浮或沉淀，增强相的收得率下降。因此，对含颗粒增强相的金属熔体施加单一磁场的电磁搅拌也很难取得非常理想的效果。

为解决单一磁场搅拌下存在的上述问题，申请者提出了将高速小漩涡剪切搅拌和多向间歇式电磁搅拌有机的结合起来制备金属基复合材料的新方法，使多组元增强颗粒相在基体熔体内得到更有效地结合并达到理想的均匀分布效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多组元增强铝基复合材料的制备方法，解决了现有的方法制备得到的多组元增强铝基复合材料组织性能不均匀的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种多组元增强铝基复合材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：按照质量百分比称取5%-10%的硅、0.4%-1.2%的镁、0.06%-0.4%的钛、1%-10%的镍、0.005%-0.1%的硼、0%-0.2%的碲、0%-0.3%的锑、5%-20%的碳化硅颗粒、1%-10%的石墨颗粒，其余为铝，以上各组分的质量百分比之和为100%，将碳化硅颗粒及石墨颗粒预热到200-400℃；

步骤2：将步骤1称取的硅、镁、钛、镍、硼、碲、锑及铝混合后熔炼，熔炼温度为730℃-750℃，再用精炼脱气剂脱气，然后在脱气后的合金液中加入质量为步骤1称取的镁质量20%的纯镁，得到铝合金液；

步骤3：将步骤2得到的铝合金液进行剪切搅拌，剪切搅拌的同时匀速向铝合金液中加入步骤1得到的预热后的碳化硅颗粒及石墨颗粒，搅拌20-35min，用惰性气体精炼5-8分钟后，在剪切搅拌和电磁搅拌结合作用下搅拌5-10分钟，用惰性气体精炼5-8分钟后，得到本发明多组元增强铝基复合材料。

本发明的特点还在于，

其中的步骤3中的搅拌采用一种复合搅拌装置，包括坩埚，坩埚的外部设置有多向间歇磁场，坩埚的外部还设置有电阻丝，坩埚内设置有搅拌器，搅拌器的一端连接有用于控制搅拌器旋转的高速无级变速电机，搅拌器通过立柱固定在地面上。

其中的多向间歇磁场包括六个分别固定在铁芯上的线圈，六个线圈组成三相。

其中的步骤3中电磁搅拌，磁场频率为2Hz-8Hz，电流为600A-800A，中心磁感应强度不低于700Gs。

其中的步骤3中剪切搅拌，搅拌速度为0转/分-1200转/分，温度为660℃-740℃。

其中的精炼脱气剂采用六氯乙烷或氩气。

本发明的有益效果是：熔池搅拌效率提高，搅拌时间缩短，搅拌效果提高，制备得到的多组元增强铝基复合材料中多组元增强相更有效地结合并达到理想的均匀分布效果。

附图说明

图1是本发明方法采用的多向间歇式电磁搅拌原理图；

图2是本发明方法采用的复合搅拌装置的结构示意图；

图3是本发明制备的多组元增强铝基复合材料中碳化硅颗粒与铝合金基体结合的微观组织扫描电镜图；

图4是本发明制备的多组元增强铝基复合材料中石墨颗粒与铝合金基体结合的微观组织扫描电镜图；

图5是本发明制备的多组元增强铝基复合材料的微观组织金相图。

图中，1.高速无级变速电机，2.搅拌器，3.电阻丝，4.坩埚，5.立柱，6.多向间歇磁场。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明多组元增强铝基复合材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：按照质量百分比称取5%-10%的硅、0.4%-1.2%的镁、0.06%-0.4%的钛、1%-10%的镍、0.005%-0.1%的硼、0%-0.2%的碲、0%-0.3%的锑、5%-20%的碳化硅颗粒、1%-10%的石墨颗粒，其余为铝，以上各组分的质量百分比之和为100%，将碳化硅颗粒及石墨颗粒预热到200℃-400℃。

步骤2：将步骤1称取的硅、镁、钛、镍、硼、碲、锑及铝混合后放到气体保护坩埚炉中，按常规熔化，熔炼温度为730℃-750℃，再用精炼脱气剂除气。其中的精炼脱气剂采用六氯乙烷或氩气，然后在脱气后的合金溶液中加入质量为步骤1称取的镁质量20%的纯镁，得到铝合金液；

步骤3：采用一种复合搅拌装置，如图2所示，包括坩埚4，坩埚4的外部设置有多向间歇磁场6，坩埚4的外部还设置有用于加热的电阻丝3，坩埚4内设置有搅拌器2，搅拌器2的一端连接有用于控制搅拌器2旋转的高速无级变速电机1，搅拌器2通过立柱5固定在地面上。多向间歇磁场6由六个线圈分别固定在铁芯上，六个线圈组成三相，当三相线圈中通以低频交流电时，通过线圈的绕制方式不同，在感应器中产生旋转或螺旋磁场，且磁场线圈中心与熔体中心在同一高度；高速小漩涡剪切搅拌的搅拌叶片、搅拌杆是根据熔炼坩埚的直径（叶片：直径=1：2.5）、深度进行设计。

将步骤2得到的铝合金液放到坩埚4内，在660-740℃的温度下以0-1200转/分的搅拌速度搅拌20-35min，搅拌的同时以预定的加入速度，匀速向铝合金液中加入步骤1称取的碳化硅颗粒及石墨颗粒，使碳化硅颗粒及石墨颗粒均匀分散后，用惰性气体精炼5-8分钟后；开启多向间歇磁场6，设置磁场频率为2Hz-8Hz，电流为600A-800A，中心磁感应强度大于700Gs，剪切搅拌速度设置为0-1200转/分，在高速小漩涡剪切搅拌和多向间歇式电磁搅拌有机的结合作用下搅拌约5-10分钟，用惰性气体氩气精炼5-8分钟后，得到本发明多组元增强铝基复合材料。

图3是碳化硅颗粒与铝合金基体结合的微观组织扫描电镜图，图4是石墨颗粒与铝合金基体结合的微观组织扫描电镜图，从图3、图4可以看出多元增强相碳化硅颗粒、石墨颗粒与铝合金基体有着优良的结合面，能够提高材料的强度、刚度和材料的减振性能及其物理性能；图5是多组元增强相铝基复合材料的微观组织金相图，从图5可以看出，碳化硅颗粒、石墨颗粒在铝合金基体里均匀分散，具有复合的结构特征和良好的理化及力学性能。

本发明方法采用的多向间歇式电磁搅拌的原理，如图1所示，电磁搅拌器应用了三相异步电动机的工作原理，电磁搅拌器相当于电动机的定子，合金溶液相当于电动机的转子。在坩埚隔热层外设置电磁搅拌器，当给电磁搅拌器三相低频交流电时，搅拌器就产生旋转磁场

，由于该磁场的作用，在合金溶液内感生电势，从而产生感应电流

（遵循右手定则）。该感应电流与当地磁场相互作用按左手定则在合金溶液内感生电磁力

，电磁力是体积力，作用在合金溶液体积元上，从而推动合金溶液运动。因为该推力沿旋转磁场方向（左向或者右向），推动合金溶液运动，也就是说提供了搅拌作用；并且该电磁力具有切向分量和径向分量，使合金溶液受到径向电磁力压缩后产生上下方向的流动，达到使合金溶液上下层的温度、成份均匀化效果。制备的多组元增强铝基复合材料多组元增强相更有效地结合并达到理想的均匀分布效果。

本发明采用复合搅拌，将高速小漩涡剪切搅拌和多向间歇式电磁搅拌有机结合，高速小漩涡剪切搅拌技术，破除颗粒表面吸附的气膜，使颗粒与铝液得以直接接触，使颗粒与铝熔液间通过原子高温扩散实现润湿和结合，并反应形成新相或析出相依附在颗粒表面，对颗粒的浮沉具有较大的牵制阻碍作用，进一步促进颗粒的分布。多向间歇式电磁搅拌，由从熔池侧面施加的旋转磁场或螺旋磁场产生。制备的多组元增强铝基复合材料中多元颗粒分散均匀，制备的多组元增强铝基复合材料中添加的多元颗粒能够有效的提高铝基体复合材料的阻尼和机械性能，制备的多组元增强铝基复合材料具有良好的成形性能，可成形各种复杂零件，制备的多组元增强铝基复合材料是一种结构-功能一体化材料。

其中多向间歇磁场6由六个线圈分别固定在铁芯上，六个线圈组成三相。在搅拌过程中，通过调节搅拌器的各参数来调节搅拌力，所以搅拌作用可非常强烈，致使坩埚内所有合金溶液快速且均匀地被搅拌；电磁搅拌的磁场频率为0-50Hz，为无级可调。可根据要求，调整搅拌力度。理论上讲，电流一定时，频率越小，坩埚内磁感应强度越大，但实际生产中不全如此，在一定频率范围内，相同电流强度对磁感应强度影响不大。而在低频范围内，频率越高，电磁搅拌力越大，对合金液起作用的是电磁搅拌力，因此本设备选择频率2Hz-8Hz，电流为600A-800A，达到最好搅拌效果。电流大于800A，或电流小于600A，中心磁感应强度会低于700Gs，电磁搅拌力就会很弱，搅拌效果比较差。

本发明采用高速小漩涡剪切搅拌和多向间歇式电磁搅拌的有机结合，和现有的用旋转磁场与行波磁场组合下合成制备颗粒增强金属基复合材料熔体相比，和现有的熔体反应法+电磁搅拌处理+半连铸成型集成技术相比以及和现有的在复合材料熔体制备过程中施加低频交变磁场相比，它们都是单一磁场作用，对熔体的搅拌效果是有限的。主要是由于颗粒增强相碳化硅颗粒和石墨颗粒与基体铝熔体在物理性能方面存在差异，所以含颗粒增强相碳化硅颗粒和石墨颗粒的铝熔体具有非均质非连续的特征，颗粒增强相碳化硅颗粒和石墨颗粒与基体铝在电磁特性方面的差异使两者受到的电磁力不一致，而且由于颗粒相碳化硅颗粒和石墨颗粒与基体金属液在密度、润湿性方面存在差异，颗粒相碳化硅颗粒和石墨颗粒在金属熔体内容易偏聚或石墨颗粒上浮、碳化硅颗粒沉淀。例如，施加旋转磁场搅拌时，若碳化硅颗粒颗粒相的密度大于铝熔体的密度，颗粒相在旋转离心力的作用下，向熔体外围偏聚。施加行波磁场搅拌时，非磁性的碳化硅颗粒和石墨颗粒的颗粒相不受电磁力作用，在熔体上下搅拌过程中，由于颗粒相与熔体间的密度差异，颗粒相易于上浮石墨颗粒或沉淀碳化硅颗粒，增强相碳化硅颗粒和石墨颗粒的收得率下降。因此，对含颗粒增强相碳化硅颗粒和石墨颗粒的铝熔体施加单一磁场的电磁搅拌很难取得非常理想的效果。

实施例1

步骤1：称取硅7.5wt.%，镁0.45wt.%，钛0.1wt.%，镍4wt.%，硼0.006wt.%，碲0.1wt.%，锑0.2wt.%，碳化硅颗粒10wt.%和石墨颗粒4wt.%，其余为Al，以上各组分的质量百分比之和为100%，将碳化硅颗粒及石墨颗粒预热到200℃-400℃。

步骤2：将步骤1称取的硅、镁、钛、镍、硼、碲、锑及铝混合后放到气体保护坩埚炉中，按常规熔化，熔炼温度为730℃-750℃，再用精炼的六氯乙烷除气，然后补加合金镁含量的20%的纯镁。

步骤3：多组元增强铝基复合材料复合搅拌制备

开启高速无级变速电机1使搅拌器2强力搅拌，搅拌速度为0-1200rad/min，温度为660-740℃，同时以预定的加入速度匀速向铝合金液中加入经过预热的碳化硅颗粒、石墨颗粒，搅拌20-35min，使碳化硅颗粒、石墨颗粒均匀分散后，用氩气精炼5-8分钟后；开启多向间歇磁场6，搅拌磁场频率2-8Hz，电流600A-800A，中心磁感应强度大于700Gs，电磁搅拌约5-10分钟，用氩气精炼5-8分钟后，浇铸到预热温度为200-300℃金属拉伸试样模中或模具里，获得多组元增强铝基复合材料。

实施例2

步骤1：称取硅6.5wt.%，镁0.7wt.%，钛0.3wt.%，镍8wt.%，硼0.1wt.%，碲0.2wt.%，锑0.3wt.%，碳化硅颗粒15vol.%和石墨颗粒8wt.%，其余为Al，以上各组分的质量百分比之和为100%，将碳化硅颗粒及石墨颗粒预热到200℃-400℃。

步骤2：将步骤1称取的硅、镁、钛、镍、硼、碲、锑及铝混合后放到气体保护坩埚炉中，按常规熔化，熔炼温度为730℃-750℃，再用精炼的六氯乙烷除气，然后补加合金镁含量的20%的纯镁。

步骤3：多组元增强铝基复合材料复合搅拌制备

开启高速无级变速电机1使搅拌器2强力搅拌，搅拌速度为0-1200rad/min，温度为660-740℃，同时以预定的加入速度匀速向铝合金液中加入经过预热的碳化硅颗粒、石墨颗粒，搅拌20-35min，使碳化硅颗粒、石墨颗粒均匀分散后，用氩气精炼5-8分钟后；开启多向间歇磁场6，搅拌磁场频率2-8Hz，电流600A-800A，中心磁感应强度大于700Gs，电磁搅拌约5-10分钟，用氩气精炼5-8分钟后，浇铸到预热温度为200-300℃金属拉伸试样模中或模具里，获得多组元增强铝基复合材料。

实施例3

步骤1：称取硅9wt.%，镁0.45wt.%，钛0.2wt.%，镍10wt.%，硼0.1wt.%，碲0.2wt.%，锑0.3wt.%，碳化硅颗粒5wt.%和石墨颗粒10wt.%，其余为Al，以上各组分的质量百分比之和为100%，将碳化硅颗粒及石墨颗粒预热到200℃-400℃。

步骤2：将步骤1称取的硅、镁、钛、镍、硼、碲、锑及铝混合后放到气体保护坩埚炉中，按常规熔化，熔炼温度为730℃-750℃，再用精炼的六氯乙烷除气，然后补加合金镁含量的20%的纯镁。

步骤3：多组元增强铝基复合材料复合搅拌制备

开启高速无级变速电机1使搅拌器2强力搅拌，搅拌速度为0-1200rad/min，温度为660-740℃，同时以预定的加入速度匀速向铝合金液中加入经过预热的碳化硅颗粒、石墨颗粒，搅拌20-35min，使碳化硅颗粒、石墨颗粒均匀分散后，用氩气精炼5-8分钟后；开启多向间歇磁场6，搅拌磁场频率2-8Hz，电流600A-800A，中心磁感应强度大于700Gs，电磁搅拌约5-10分钟，用氩气精炼5-8分钟后，浇铸到预热温度为200-300℃金属拉伸试样模中或模具里，获得多组元增强铝基复合材料。

实施例4

步骤1：称取硅5wt.%，镁1.0wt.%，钛0.2wt.%，镍1wt.%，硼0.1wt.%，碲0.2wt.%，锑0.3wt.%，碳化硅颗粒20wt.%和石墨颗粒1wt.%，其余为Al，以上各组分的质量百分比之和为100%，将碳化硅颗粒及石墨颗粒预热到200℃-400℃。

步骤2：将步骤1称取的硅、镁、钛、镍、硼、碲、锑及铝混合后放到气体保护坩埚炉中，按常规熔化，熔炼温度为730℃-750℃，再用精炼的六氯乙烷除气，然后补加合金镁含量的20%的纯镁。

步骤3：多组元增强铝基复合材料复合搅拌制备

开启高速无级变速电机1使搅拌器2强力搅拌，搅拌速度为0-1200rad/min，温度为660-740℃，同时以预定的加入速度匀速向铝合金液中加入经过预热的碳化硅颗粒、石墨颗粒，搅拌20-35min，使碳化硅颗粒、石墨颗粒均匀分散后，用氩气精炼5-8分钟后；开启多向间歇磁场6，搅拌磁场频率2-8Hz，电流600A-800A，中心磁感应强度大于700Gs，电磁搅拌约5-10分钟，用氩气精炼5-8分钟后，浇铸到预热温度为200-300℃金属拉伸试样模中或模具里，获得多组元增强铝基复合材料。

Claims (6)

1.一种多组元增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1：按照质量百分比称取5%-10%的硅、0.4%-1.2%的镁、0.06%-0.4%的钛、1%-10%的镍、0.005%-0.1%的硼、0%-0.2%的碲、0%-0.3%的锑、5%-20%的碳化硅颗粒、1%-10%的石墨颗粒，其余为铝，以上各组分的质量百分比之和为100%，将碳化硅颗粒及石墨颗粒预热到200-400℃；

步骤2：将步骤1称取的硅、镁、钛、镍、硼、碲、锑及铝混合后熔炼，熔炼温度为730℃-750℃，再用精炼脱气剂脱气，然后在脱气后的合金液中加入质量为步骤1称取的镁质量20%的纯镁，得到铝合金液；

步骤3：将步骤2得到的铝合金液进行剪切搅拌，剪切搅拌的同时匀速向铝合金液中加入步骤1得到的预热后的碳化硅颗粒及石墨颗粒，搅拌20-35min，用惰性气体精炼5-8分钟后，在剪切搅拌和电磁搅拌结合作用下搅拌5-10分钟，用惰性气体精炼5-8分钟后，得到本发明多组元增强铝基复合材料。

2.根据权利要求1所述的多组元增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中的搅拌采用一种复合搅拌装置，包括坩埚（4），坩埚（4）的外部设置有多向间歇磁场（6），坩埚（4）的外部还设置有电阻丝（3），坩埚（4）内设置有搅拌器（2），搅拌器（2）的一端连接有用于控制搅拌器（2）旋转的高速无级变速电机（1），搅拌器（2）通过立柱（5）固定在地面上。

3.根据权利要求2所述的多组元增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的多向间歇磁场（6）包括六个分别固定在铁芯上的线圈，六个线圈组成三相。

4.根据权利要求1所述的多组元增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中电磁搅拌，磁场频率为2Hz-8Hz，电流为600A-800A，中心磁感应强度不低于700Gs。

5.根据权利要求1所述的多组元增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中剪切搅拌，搅拌速度为0转/分-1200转/分，温度为660℃-740℃。

6.根据权利要求1所述的多组元增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的精炼脱气剂采用六氯乙烷或氩气。

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