CN102828056A - 一种二元陶瓷颗粒增强高温耐磨铝合金的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于材料制备技术领域，涉及一种高温抗磨损铝合金材料，具体是一种二元陶瓷颗粒增强高温耐磨铝合金的制备方法，本发明是在2124合金熔体中，置入按一定摩尔比例预配制好的K₂ZrF₆-KBF₄-Al微球，通过在高能超声的声流、空穴等效应作用下，使得K₂ZrF₆-KBF₄-Al微球破碎弥散，加速合金熔体发生剧烈原位化学反应，进而原位内生二元增强陶瓷颗粒Al₃Zr和ZrB₂，最终制得本发明的二元陶瓷颗粒增强高温耐磨铝合金材料。

Description

一种二元陶瓷颗粒增强高温耐磨铝合金的制备方法

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，涉及一种高温抗磨损铝合金材料，具体是一种二元陶瓷颗粒增强高温耐磨铝合金的制备方法，实现了铝合金高温耐磨损性能的明显改善。

背景技术

2系合金为铝铜系合金，是铝合金中的典型高强硬铝合金，由于其成份比较合理，综合性能优良，是铝合金中用量较大系列之一；该合金的特点是：比强度高，韧性好，有一定的耐热性，可用作150°C以下的工作零件，其中2124合金的强度在125°C以上时比7075合金的还高，一直是航空航天、推进和武器系统的重要材料。广泛用于飞机结构、铆钉、卡车轮毂、螺旋桨元件及其他中高强度结构件；此外，在汽车、IT工业设备、以及办公室设备等应用也非常广泛，很多工业发达国家都生产这种合金。随着航空航天技术的飞速发展，对铝合金的性能提出越来越高的要求，除了追求较高的抗拉强度以外，还要求合金具有优良的耐磨性能，尤其是高温耐磨性能，如涡轮发动机叶片，发电机机叶轮窝壳，球磨机内衬以及高速焊接机械使用的焊丝喂丝机构等，他们工作温度高，每秒钟需要高速运转多次，因此对轻质、高强尤其是高温耐磨材料需求十分迫切。

反应合成技术(Reactive Synthesis)是1989年由Koczak等首先提出，又称原位复合材料(In-situ Composites)用于制备内生颗粒增强金属基复合材料，这种技术生成增强体表面无污染，避免了与基体相容性不良的问题，界面结合强度高是由于增强体是从金属基体中原位形核、长大的热力学稳定相，因而该类技术被誉为具有突破性的新技术，已成为金属基（特别是铝基）复合材料研究中的一个新热点。原位反应技术的发展也为提高材料的抗磨损性能提供了一条新的途径。

发明内容

本发明目的在于提供一种二元陶瓷颗粒增强高温耐磨颗铝合金材料，该材料具有高的强度，良好的韧性和耐磨损性能，本发明另一目的是提供一种耐磨铝合金基复合材料的制备方法，利用超声化学原位反应技术工艺制备二元陶瓷颗粒增强耐磨铝合金，实现原材料高温耐磨性能的明显提升，磨损试验数据表明高温耐磨性能提高原材料的4-6倍。

本发明的技术方案：

本发明的二元陶瓷颗粒增强铝合金的制备方法是在2124合金熔体中，置入按一定摩尔比例预配制好的K₂ZrF₆-KBF₄-Al微球，通过在高能超声的声流、空穴等效应作用下，使得K₂ZrF₆-KBF₄-Al微球破碎弥散，加速合金熔体发生剧烈原位化学反应，进而原位内生二元增强陶瓷颗粒Al₃Zr和ZrB₂，最终制得本发明的二元陶瓷颗粒增强高温耐磨铝合金材料。

其具体制备方法是：

（1）根据原位反应方程式1将K₂ZrF₆、KBF₄粉和铝粉按摩尔比例6:6:23混匀并压制成K₂ZrF₆- KBF₄-Al预制微球备用，直径4-6mm，烘干；预制微球目的是让反应物更好的进入合金熔体中，否则将出现反应物漂浮熔体表面无法深入熔体内部；

（2）将2124合金熔融，熔体温度控制在850℃-870℃；

（3）按照生成的增强颗粒占生成的二元陶瓷颗粒增强高温耐磨铝合金的质量百分比10-15%计算并称量预制微球，将其置于2124合金熔体中，进行如下原位反应：

23Al+ 6KBF₄ +6K₂ZrF₆=3Al₃Zr+3ZrB₂+2K₃AlF₆+12KAlF₄   （1）

（4）在加入微球后，同时使用高能超声对反应熔体进行超声化学处理；利用高能超声的声流、空穴等效应优化原位化学反应环境，将K₂ZrF₆-KBF₄-Al微球破碎弥散，使反应产物分布均匀，超声变幅杆进入熔体深度为8-10mm，超声频率20kHz，超声功率分为0.8kW-1.8kW，作用时间150s-300s；

（5）将超声处理后的熔体850℃保温5-10分钟，精炼、扒渣后浇铸工件模具内，最后制得二元陶瓷颗粒增强高强耐磨铝合金。

所述步骤（1）中的烘干指烘烤温度150-160℃，时间1-2小时。

本发明是利用超声化学原位反应技术制备高强耐磨铝合金，实现了2124合金材料耐磨性能的明显改善，高温磨损试数据表明：在220℃，150N，24h干滑动摩损量为16~24mg，远远低于2124基体合金96mg数值，将耐磨性能提高原来的4-6倍；此外，本发明的材料具有较高的强度及良好的韧性其挤压态σ_0.2≥295 MPa，因而不仅可用于飞机结构、铆钉、卡车轮毂、螺旋桨元件等中高强度结构件，而且可以用于机械、汽车等工业为抗磨损件材料，可明显提高工业零件的使用寿命，降低零件使用成本。

本发明的制备方法工艺简单，操作方便，容易实现工业规模生产，并且所用原料合金为2124铝合金铸锭和K₂ZrF₆、KBF₄及铝粉反应粉剂，均为工业纯度级别，来源丰富，价格低廉。

综上，本发明的不但较好保持了原有的比强度与韧性，而且大幅度提高了原合金高温耐磨性能，此外提供了成本低廉易于推广的制备方法。

附图说明

图1是超声化学原位反应合成高耐磨材料装置图；

1.超声波发生器 2.换能器 3. 变幅杆4.熔体 5. 石墨坩埚6.耐火砖 7.电阻炉 8.电动机 9.支架 10测温仪 11热电偶；

图2是制得二元陶瓷颗粒增强的铝合金材料试样的XRD图谱。X射线衍射光谱结果进一步验证生成相为二元陶瓷颗粒ZrB₂和Al₃Zr；

图3是制备的二元陶瓷颗粒增强铝合金高倍电子扫描显微镜图片；从图中可以清晰看到原位内生二元陶瓷颗粒ZrB₂和Al₃Zr的形貌，它们相关性能如下表：

由于二元陶瓷颗粒具有较高的熔点和硬度，在材料受到外界摩擦时是主要磨擦承载体，基体铝合金得到保护，因此基体2124合金整体高温耐磨性能得到大幅度提升。

具体实施方式

 以下结合实施例对本发明做进一步的阐述。

具体实施例1

制备10kg二元陶瓷颗粒增强耐磨铝合金，其中ZrB₂和Al₃Zr组分重量百分比为10%，其余为2124基体铝合金；

（1）    配料：K₂ZrF₆2.83kg、KBF₄1.26kg和铝粉1.04kg，2124合金5.87kg（理论值4.87kg），实际要考虑10%的拨渣和烧损。

（2）    将K₂ZrF₆、KBF₄和铝粉粉末均匀混合后，压制成直径5mm的微球，在150℃下烘烤1h。

（3）    将2124铝合金锭放入石墨坩埚中，将其置于30kW的井式电炉中进行熔炼，升温至850℃，将烘干好的混合粉末微球置于坩埚内，同时用陶瓷钟罩压入熔体中进行原位反应。

（4）    同时立即将超声变幅杆置于熔体中，变幅杆进入熔体深度为8mm，超声频率20kHz，超声功率为1.5kW，作用时间200s。

（5）    超声化学处理结束后，熔体静置5min，温度保持850℃，精炼，扒渣后浇入水冷铜模制得材料。

在此说明书中，本发明一参照其特定的实施例子作了描述，但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围，因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

对比例1

其余步骤均与实施例1相同，但K₂ZrF₆、KBF₄和铝粉混匀后直接加入铝合金熔体中，制备得到材料，高温磨损试数据表明：在220℃，150N，24h干滑动摩损量为85mg，性能改善有限，挤压态σ_0.2为280 MPa。

对比例2

其余步骤均与实施例1相同，但不施加高能超声，制备得到材料，高温磨损试数据表明：在220℃，150N，24h干滑动摩损量为75mg，性能改善有限，挤压态σ_0.2为275MPa。

因此可以看出，为了改善材料的高温耐磨性能，必须以微球的形式加入到熔体中并施加高能超声，两者缺一不可。 

Claims (2)

1.一种二元陶瓷颗粒增强高温耐磨铝合金的制备方法，所述铝合金在220℃，150N，24h干滑动摩损量为16~24mg；挤压态σ_0.2≥295 MPa，其特征在于所述制备方法包括如下步骤：

（1）将K₂ZrF₆、KBF₄粉和铝粉按摩尔比例6:6:23混匀并压制成K₂ZrF₆- KBF₄-Al预制微球备用，直径4-6mm，烘干；

（2）将2124合金熔融，熔体温度控制在850℃-870℃；

（3）按照生成的增强颗粒占所述二元陶瓷颗粒增强高温耐磨铝合金的质量百分比10-15%计算并称量预制微球，将其置于2124合金熔体中，进行原位反应；

（4）在加入微球后，同时使用高能超声对反应熔体进行超声化学处理；将K₂ZrF₆-KBF₄-Al微球破碎弥散，使反应产物分布均匀，超声变幅杆进入熔体深度为8-10mm，超声频率20kHz，超声功率分为0.8kW-1.8kW，作用时间150s-300s；

（5）将超声处理后的熔体850℃保温5-10分钟，精炼、扒渣后浇铸工件模具内，最后制得二元陶瓷颗粒增强高强耐磨铝合金。

2.如权利要求1所述的一种二元陶瓷颗粒增强高温耐磨铝合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中的烘干指烘烤温度150-160℃，时间1-2小时。

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