CN103203446A - 一种局部陶瓷增强铝基复合耐磨件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种局部陶瓷增强铝基复合耐磨件的制备方法，首先制备ZTA预制件；然后将ZTA预制件固定在模锻模具内并将模锻模具内抽成低真空状态；最后将铝液注入模锻模具的浇道内，先在高压下将铝液挤入模锻模具的型腔中，再利用锻模锻压直至铝液完全凝固，待复合材料完全成型后，脱模取出即可。通过该方法不仅提高了复合耐磨件表面的耐磨性能，同时发挥了ZTA颗粒高韧性的特性，使陶瓷内部断裂的概率大大减小，提高了复合耐磨件的整体抗冲击能力，而且通过低真空与挤压模锻相结合的方法来制备，使铝液能够与ZTA颗粒充分复合，降低了复合耐磨件的内部空隙，从而提高了复合耐磨件的整体强度，延长了复合耐磨件的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于金属基复合材料技术领域，具体是涉及一种局部陶瓷增强铝基复合耐磨件的制备方法。
背景技术
随着新材料制备需达到降低能耗、改善环境以及提高产品质量的要求，21世纪以来，每年的铝基复合耐磨件的产量已达1000吨以上，这些铝基复合耐磨件虽然在导热、耐磨等性能上很出众，但是复合耐磨件的整体韧性不够，在某些高温、高冲击等恶劣工况环境下易发生失效，造成巨大的损失。目前，绝大多数铝基复合耐磨件都用在航空航天、轨道交通和电子元器件等高精尖技术领域，这些铝基复合耐磨件的生产成本极高。因此，只有在提高铝基复合耐磨件的整体韧性的同时，降低铝基复合耐磨件的生产成本才能使铝基复合耐磨件得到广泛的应用。
对于怎么解决铝基复合耐磨件韧性低的问题，有学者提出采用局部增强铝基复合耐磨件，这把复合层高强度、高导热、高耐磨及轻量化等优异性能与铝合金超高韧性结合起来，当复合耐磨件承载冲击时，复合层能把冲击能中过载的冲击能传递给铝合金层，降低复合层脆断的几率，提高了复合耐磨件韧性，推动复合耐磨件的高速发展。
在现今生产的铝基复合耐磨件中，增强体主要是SiC、TiC、Al2O3等陶瓷颗粒。这些陶瓷相因与铝液润湿性好，和铝的界面结合好，没有明显的界面分层，有利于提高复合耐磨件的强度，但是复合耐磨件在高冲击环境下时，这些陶瓷内部容易脆断，形成内部裂纹，从而导致复合耐磨件的整体韧性降低。
申请号为201110083293.0的中国专利申请公开了一种陶瓷颗粒选择性增强铝基复合材料的制备方法。该制备方法主要是采用SiC颗粒，通过发泡技术、注射成型与凝胶注模工艺来制备预制件，采用该方法制备的多孔陶瓷坯体，加入的造孔剂过多，容易在烧结后留下过多的残留物，不利于铝液的铸渗，且影响复合层的整体性能。而且，该方法在挤压铸造时，采用的铸造铝合金成分中缺少Mg元素，不利于铝液与陶瓷之间的润湿；而采用的另一种铝合金是高强7系铝合金，该铝合金流动性能不佳，不利于挤压铸造时铝液的充型，易使复合材料内部留下大量空隙，在挤压铸造时，陶瓷坯体中的气体难以排出，易残留形成缺陷，降低材料的性能。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种低真空与挤压模锻相结合的方法来制备局部陶瓷增强铝基复合耐磨件，极大地提高了复合耐磨件的抗冲击能力和耐磨性能；同时该方法还采用了韧性更好的ZTA颗粒作为增强相，从而极大地降低了陶瓷内部断裂的概率。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明所述的局部陶瓷增强铝基复合耐磨件的制备方法，其特点是包括如下步骤：
A、制备具有所需形状和强度的ZTA预制件，其制备方法如下：
A1、将ZTA颗粒、造孔剂和粘结剂混合并搅拌均匀形成混合物。
A2、根据耐磨件需要增强的部位设计一套挤压模具。
A3、将混合物注入挤压模具中，在100~200MPa的压力下，通过低压挤压的方法使其形成具有所需形状的ZTA预制件，固化后得到具有高连通孔隙和足够强度的ZTA预制件。
B、将ZTA预制件固定在模锻模具内，其抗冲击面向下，紧闭模锻模具后，将模锻模具内抽成低真空状态，真空度为0.1MPa。
C、将浇铸温度为800~850℃的铝液注入模锻模具的浇道内，并在高压下将铝液挤入模锻模具的型腔中，挤压压力为500MPa，再利用锻模锻压直至铝液完全凝固，模锻压力为1000MPa，铝液在压力的作用下会浸渗入ZTA预制件内并与ZTA预制件中的ZTA颗粒复合为一体，待复合材料完全成型后，脱模取出，即制得局部陶瓷增强铝基复合耐磨件。
其中，上述铝液由A356铸造铝合金熔制而成。
上述ZTA颗粒的粒径为5~50um。
本发明由于采用了韧性更好的ZTA颗粒，且通过低真空与挤压模锻相结合的方法来制备局部陶瓷增强铝基复合耐磨件，通过该方法不仅提高了复合耐磨件表面的耐磨性能，同时发挥了ZTA颗粒高韧性的特性，使陶瓷内部断裂的概率大大减小，从而极大的改善了复合耐磨件的韧性，提高了复合层及整体复合耐磨件的抗冲击能力，而且通过该方法不仅减小了真空度，降低了成本，同时也使铝液能很好的浸渗入ZTA预制件中并与ZTA颗粒充分复合，从而降低了复合耐磨件的内部空隙，提高了复合耐磨件的性能，这样在复合层中，ZTA颗粒与铝合金基体的界面结合良好、强度高，从而提高了复合耐磨件的整体强度，延长了复合耐磨件的使用寿命，并且通过可机械化程度高的挤压模锻来制备净成形的复合耐磨件，从而极大地减轻了后续机加工量，降低了成产成本。
具体实施方式
本发明所述的局部陶瓷增强铝基复合耐磨件的制备方法，包括如下步骤：
首先，制备具有所需形状和强度的ZTA预制件，其制备方法是：先将ZTA颗粒（ZrO2增韧Al2O3陶瓷颗粒）、造孔剂和粘结剂混合并搅拌均匀形成混合物；然后根据耐磨件需要增强的部位设计一套挤压模具；最后将混合物注入挤压模具中，在100~200MPa的压力下，通过低压挤压的方法使其形成具有所需形状的ZTA预制件，固化后得到具有高连通孔隙和足够强度的ZTA预制件；其中，ZTA颗粒的粒径为5~50um；造孔剂为甲阶酚醛树脂，且造孔剂的加入量占ZTA预制件总重量的5%～10%；粘结剂为硅胶，且粘结剂的加入量占ZTA预制件总重量的3%；而ZTA颗粒（ZrO2增韧Al2O3陶瓷颗粒）不仅具有高的抗弯强度、高耐磨损性以及低的摩擦系数，而且在陶瓷中具有较佳的韧性。
然后，将ZTA预制件固定在模锻模具内，其抗冲击面向下，紧闭模锻模具后，将模锻模具内抽成低真空状态，真空度为0.1MPa，这样有利于铝液的充型和浸渗。
最后，将浇铸温度为800~850℃的A356铝液注入模锻模具的浇道内，并在高压下将铝液挤入模锻模具的型腔中，挤压压力为500MPa，再利用锻模锻压直至铝液完全凝固，模锻压力为1000MPa，铝液在压力的作用下会浸渗入ZTA预制件内并与ZTA预制件中的ZTA颗粒复合为一体，待复合材料完全成型后，脱模取出，即制得局部陶瓷增强铝基复合耐磨件。
本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。
Claims (3)
1.一种局部陶瓷增强铝基复合耐磨件的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
A、制备具有所需形状和强度的ZTA预制件，其制备方法如下：
A1、将ZTA颗粒、造孔剂和粘结剂混合并搅拌均匀形成混合物.
A2、根据耐磨件需要增强的部位设计一套挤压模具.
A3、将混合物注入挤压模具中，在100~200MPa的压力下，通过低压挤压的方法使其形成具有所需形状的ZTA预制件，固化后得到具有高连通孔隙和足够强度的ZTA预制件.
B、将ZTA预制件固定在模锻模具内，其抗冲击面向下，紧闭模锻模具后，将模锻模具内抽成低真空状态，真空度为0.1MPa.
C、将浇铸温度为800~850℃的铝液注入模锻模具的浇道内，并在高压下将铝液挤入模锻模具的型腔中，挤压压力为500MPa，再利用锻模锻压直至铝液完全凝固，模锻压力为1000MPa，铝液在压力的作用下会浸渗入ZTA预制件内并与ZTA预制件中的ZTA颗粒复合为一体，待复合材料完全成型后，脱模取出，即制得局部陶瓷增强铝基复合耐磨件。
2.根据权利要求1所述局部陶瓷增强铝基复合耐磨件的制备方法，其特征在于上述铝液由A356铸造铝合金熔制而成。
3.根据权利要求1所述局部陶瓷增强铝基复合耐磨件的制备方法，其特征在于上述ZTA颗粒的粒径为5~50um。
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