CN102400067A - 尖晶石晶须增强铝基复合材料的致密强化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种尖晶石晶须增强铝基复合材料的致密强化方法。该方法以铝粉、镁粉、氧化硼粉末为原料，进行球磨预处理，得到了原位生长的尖晶石晶须增强的铝基复合材料，复合材料的初坯经预热以及热挤压二次处理后得到了表面光滑，棒状的尖晶石晶须增强铝基复合材料。本发明工艺简单，成本低廉，致密度可以达到理论密度的95%以上，抗拉强度和抗压强度均可以达到纯铝材料的4倍以上。从而证明了原位获取增强体的思路有效可行，可以进一步推广到多种增强体以及其他基体复合材料制备方法的探索道路上，为新型复合材料的制备和应用开阔了新思路。
Description
技术领域
本发明涉及一种尖晶石晶须增强铝基复合材料的致密强化方法，属于金属材料加工制造技术领域。
背景技术
铝基复合材料因具有低密度、高比强度、低膨胀系数、高温稳定性好等优点，成为金属基复合材料的研究重点，在交通运输以及建筑等领域具有广泛的应用前景。陶瓷晶须材料由于具有低的缺陷密度、稳定的高温力学性能和化学性能以及高强度和高硬度，是复合材料的重要增强体。目前，利用球磨预处理的方法，已经可以在铝复合材料烧结成型的过程中同时生成尖晶石晶须，该方法工艺简单，所得的复合材料内部的尖晶石晶须结晶良好，产率稳定，在铝基体内部分布均匀，可以穿透晶界并固定铝基体，与纯铝相比，综合力学性能有了很大的提升。
前期通过800℃下保温60 min的冷压烧结工艺得到了内部原位生长出铝酸镁晶须的圆柱体复合材料初坯。从观察中可以看到圆柱体内部有一定比例的孔洞，致密度不高，圆柱体膨胀较大，使得晶须增强效果不是很明显。由于原料粉末中含有硼酸，烧结过程中硼酸分解的水导致圆柱体内部出现孔洞，降低了材料的致密度。而采用氧化硼作为助熔剂可以显著降低圆柱体材料内部的孔隙率，但由于氧化硼在球磨过程中的冷焊现象较为严重，故如何更好的使用氧化硼作为助熔剂成为本研究的重点之一。
另外，为进一步提高成型材料的致密度，对得到的复合圆柱体材料进行了热挤压二次处理。而且挤压过程中的形变强化效果可以大幅提升复合材料的强度。力学性能测试结果表明增强体的强化效果发挥明显，证明原位获取增强体的思路有效可行，可以进一步推广到多种增强体以及其他基体复合材料制备方法的探索道路上，为新型复合材料的制备和应用开阔了新思路。
发明内容
本发明旨在提供一种尖晶石晶须增强铝基复合材料的致密强化方法。该方法工艺简单，成本低廉，并且能够有效地提高复合材料的致密度和强度。
本发明是通过下述技术方案加以实现的，一种尖晶石晶须增强铝基复合材料的致密强化方法，其特征在于包括以下过程：
1，原位生成高致密度的复合材料：按质量比例 20:5:2~4 称取铝粉、镁粉、氧化硼粉末，混合后将其放入球磨罐中，同时加入总粉体质量的2~3%的硬脂酸作为过程控制剂，然后在行星球磨机上以650~700转/分钟的转速、10~15:1球料比进行球磨10~12小时后得到预制粉末，将混合粉末在600~650 MPa压力下压制成直径20mm的圆柱体，然后将该圆柱体材料置于氩气保护的石英管式炉通入流量为10~200ml/min的保护气、并以升温速度为1~10℃/min升温至750~800℃，保温1~1.5小时进行晶须的生长，然后在氩气的保护下使炉温降至室温，得到内部原位生长出尖晶石晶须的铝基复合材料；
2，材料初坯的预处理：将生长出尖晶石晶须的复合材料初坯置于砂轮上打磨除去表面氧化皮，并在一端加工出30~50°的倒角，然后将圆柱体材料表面涂覆耐600℃高温的有机润滑脂后，置于H13热作模具钢中加热到530~550℃预热并保温40~50min；
3，热挤压成型：将步骤2预处理后的初坯置于液压机下，在温度500~540℃、压力700~800MPa进行热挤压，挤压比选择11~16:1，挤压速度控制在3~5m/min，挤压出的棒材空冷至室温，即可以得到表面光滑，棒状的尖晶石晶须增强铝基复合材料。
本发明优点在于，前期球磨过程中过程控制剂的加入使得致密度更高的氧化硼成功替代硼酸作为助熔剂，然后通过热挤压制得铝基复合材料棒材，其致密度有了显著提高，可达到理论密度的95%以上。另外，材料的硬度以及屈服强度都得到了很大的提升含晶须为15%的铝基复合材料的硬度达到142HV；抗压强度642MPa，抗拉强度400MPa，均可以达到纯铝材料的4倍以上。
附图说明
图1为本发明实施例1在温度800℃烧结后得到的圆柱体内部生成的尖晶石晶须SEM照片
图2为本发明实施例1热挤压得到的棒状复合材料横截面的SEM照片。
图3为本发明实施例2得到的晶须含量为15%的铝基复合材料与纯铝试样的拉伸试验应力-应变曲线图。
图4为本发明实施例2得到的复合材料棒材拉伸断口的SEM照片。
图5为本发明实施例2得到的晶须含量为15%的铝基复合材料与纯铝试样的压缩试验应力-应变曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的具体内容具体说明如下：
实施例1
取铝粉10.8g、镁粉2.4g、氧化硼1.05g粉末、硬脂酸0.3g混合后将其放入含160g的氧化锆磨粒的球磨罐中，在行星球磨机上以650转/分钟的转速进行球磨12小时后得到预制粉末。将混合粉末在600MPa压力下压制成直径20mm的圆柱体。然后将该圆柱体材料置于氩气保护的石英管式炉通入流量为20ml/min的保护气、并以升温速度为10℃/min升温至800℃，保温1小时进行晶须的生长，然后在氩气的保护下使炉温降至室温，得到内部原位生长出尖晶石晶须的铝基圆柱体材料。
将得到的原位生长出尖晶石晶须的铝基复合材料初坯置于砂轮上打磨除去表面氧化皮，并在一端加工出30°的倒角。然后将圆柱体材料表面涂覆耐600℃高温的有机润滑脂后，置于钢制模具中加热到530℃预热并保温50min。保温结束后，将模具至于单柱液压机下，在510℃以800MPa的压力进行热挤压，挤压比选择16:1，挤压速度控制在3m/min，挤压出的棒材空冷至室温，即可以得到表面光滑，内部致密性和结合性良好的直径为5mm的尖晶石晶须增强铝基复合材料棒材。
实施例2
取铝粉10.8g、镁粉2.4g、氧化硼1.05g粉末、硬脂酸0.3g混合后将其放入含160g的氧化锆磨粒的球磨罐中，在行星球磨机上以700转/分钟的转速进行球磨12小时后得到预制粉末。将混合粉末在600MPa压力下压制成直径20mm的圆柱体。然后将该圆柱体材料置于氩气保护的石英管式炉通入流量为10ml/min的保护气、并以升温速度为10℃/min升温至800℃，保温1小时进行晶须的生长，然后在氩气的保护下使炉温降至室温，得到内部原位生长出尖晶石晶须的铝基圆柱体材料。
将得到的原位生长出尖晶石晶须的铝基圆柱体复合材料初坯（直径为20mm）置于砂轮上打磨除去表面氧化皮，并在一端加工出30°的倒角。然后将圆柱体材料表面涂覆耐600℃高温的有机润滑脂后，置于钢制模具中加热到530℃预热并保温50min。保温结束后，将模具至于单柱液压机下，在510℃以800MPa的压力进行热挤压，挤压比选择16:1，挤压速度控制在5m/min，挤压出的棒材空冷至室温，即可以得到表面光滑，内部致密性和结合性良好的直径为5mm的尖晶石晶须增强铝基复合材料棒材。
实施例3
取铝粉10.8g、镁粉2.4g、氧化硼1.75g粉末、硬脂酸0.3g混合后将其放入含180g的氧化锆磨粒的球磨罐中，在行星球磨机上以650转/分钟的转速进行球磨12小时后得到预制粉末。将混合粉末在600MPa压力下压制成直径20mm的圆柱体。然后将该圆柱体材料置于氩气保护的石英管式炉通入流量为15ml/min的保护气、并以升温速度为10℃/min升温至800℃，保温1小时进行晶须的生长，然后在氩气的保护下使炉温降至室温，得到内部原位生长出尖晶石晶须的铝基圆柱体材料。
将得到的原位生长出尖晶石晶须的铝基圆柱体复合材料初坯（直径为20mm）置于砂轮上打磨除去表面氧化皮，并在一端加工出40°的倒角。然后将圆柱体材料表面涂覆耐600℃高温的有机润滑脂后，置于钢制模具中加热到550℃预热并保温40min。保温结束后，将模具至于单柱液压机下，在530℃以750MPa的压力进行热挤压，挤压比选择16:1，挤压速度控制在3m/min，挤压出的棒材空冷至室温，即可以得到表面光滑，内部致密性和结合性良好的直径为5mm的尖晶石晶须增强铝基复合材料棒材。
实施例4
取铝粉10.8g、镁粉2.4g、氧化硼1.75g粉末、硬脂酸0.3g混合后将其放入含180g的氧化锆磨粒的球磨罐中，在行星球磨机上以650转/分钟的转速进行球磨12小时后得到预制粉末。将混合粉末在600MPa压力下压制成直径20mm的圆柱体。然后将该圆柱体材料置于氩气保护的石英管式炉通入流量为20ml/min的保护气、并以升温速度为10℃/min升温至800℃，保温1.5小时进行晶须的生长，然后在氩气的保护下使炉温降至室温，得到内部原位生长出尖晶石晶须的铝基圆柱体材料。
将得到的原位生长出尖晶石晶须的铝基圆柱体复合材料初坯（直径为20mm）置于砂轮上打磨除去表面氧化皮，并在一端加工出50°的倒角。然后将圆柱体材料表面涂覆耐600℃高温的有机润滑脂后，置于钢制模具中加热到550℃预热并保温50min。保温结束后，将模具至于单柱液压机下，在530℃以750MPa的压力进行热挤压，挤压比选择16:1，挤压速度控制在5m/min，挤压出的棒材空冷至室温，即可以得到表面光滑，内部致密性和结合性良好的直径为5mm的尖晶石晶须增强铝基复合材料棒材。
实施例5
取铝粉10.8g、镁粉2.4g、氧化硼2.1g粉末、硬脂酸0.3g混合后将其放入含190g的氧化锆磨粒的球磨罐中，在行星球磨机上以700转/分钟的转速进行球磨12小时后得到预制粉末。将混合粉末在600MPa压力下压制成直径20mm的圆柱体。然后将该圆柱体材料置于氩气保护的石英管式炉通入流量为20ml/min的保护气、并以升温速度为10℃/min升温至800℃，保温1小时进行晶须的生长，然后在氩气的保护下使炉温降至室温，得到内部原位生长出尖晶石晶须的铝基圆柱体材料。
将得到的原位生长出尖晶石晶须的铝基圆柱体复合材料初坯（直径为20mm）置于砂轮上打磨除去表面氧化皮，并在一端加工出30°的倒角。然后将圆柱体材料表面涂覆耐600℃高温的有机润滑脂后，置于钢制模具中加热到530℃预热并保温50min。保温结束后，将模具至于单柱液压机下，在540℃以800MPa的压力进行热挤压，挤压比选择11:1，挤压速度控制在5m/min，挤压出的棒材空冷至室温，即可以得到表面光滑，内部致密性和结合性良好的直径为6mm的尖晶石晶须增强铝基复合材料棒材。
Claims (1)
1.一种尖晶石晶须增强铝基复合材料的致密强化方法，其特征在于包括以下过程：
1) 原位生成高致密度的复合材料：按质量比例 20:5:2~4 称取铝粉、镁粉、氧化硼粉末，混合后将其放入球磨罐中，同时加入总粉体质量的2~3%的硬脂酸作为过程控制剂，然后在行星球磨机上以650~700转/分钟的转速、10~15:1球料比进行球磨10~12小时后得到预制粉末，将混合粉末在600~650 MPa压力下压制成直径20mm的圆柱体，然后将该圆柱体材料置于氩气保护的石英管式炉通入流量为10~200ml/min的保护气、并以升温速度为1~10℃/min升温至750~800℃，保温1~1.5小时进行晶须的生长，然后在氩气的保护下使炉温降至室温，得到内部原位生长出尖晶石晶须的铝基复合材料；
2) 材料初坯的预处理：将生长出尖晶石晶须的复合材料初坯置于砂轮上打磨除去表面氧化皮，并在一端加工出30~50°的倒角，然后将圆柱体材料表面涂覆耐600℃高温的有机润滑脂后，置于H13热作模具钢中加热到530~550℃预热并保温40~50min；
3) 热挤压成型：将步骤2)预处理后的初坯置于液压机下，在温度500~540℃、压力700~800MPa进行热挤压，挤压比选择11~16:1，挤压速度控制在3~5m/min，挤压出的棒材空冷至室温，即可以得到表面光滑，棒状的尖晶石晶须增强铝基复合材料。
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