CN103484707A - 一种SiC颗粒增强铝基复合材料制备方法 - Google Patents

Abstract

一种SiC颗粒增强铝基复合材料制备方法。步骤一,Al-Si-Mg系合金放入本发明自制的干锅电阻炉中，待完全熔化后，将预先制备（1-17）份质量的中间合金Al-R加入到熔体中。中间合金的预先制备即表面改性工艺。步骤二,搅拌熔体，使稀土元素能均匀分布在熔体中。步骤三,SiC添加到熔体。步骤四,浇入金属模具中成型。步骤五,50～60℃水中淬火。步骤六,70～80℃水中淬火。步骤七,在165-175℃时效保温6.5-7.5h后空冷。该铝基复合材料可以大大增强材料的热冲击性能，使材料在变温场合使用时保持尺寸稳定性，提高材料的寿命。该材料在要求减轻重量、耐磨性能优秀的零部件上，具有广阔的市场前景。

Description

一种SiC颗粒增强铝基复合材料制备方法

技术领域

本发明属于新材料的开发与应用。

背景技术

碳化硅颗粒增强铝基复合材料具有较高的比强度、比刚度、弹性模量、耐磨损、耐高温，并且具有良好的热传导性能，在航空、航天、汽车、电子和交通运输等工业领域得到了广泛的应用。目前关于碳化硅颗粒增强铝基复合材料的成分和性能尚缺乏系统深入的研究，且实际应用中也大多采用进口产品。

发明内容

本发明目的公开了一种SiC颗粒增强铝基复合材料制备工艺，采用一定的合金成分配比及特殊的铸造工艺(具体采用挤压铸造方法)，能生产出高比强度、比刚度、弹性模量、耐磨损且易传热的高性能材料。

本发明给出的技术方案为: 

一种SiC颗粒增强铝基复合材料制备方法,其特征在于,包括步骤为:

步骤一,将100份质量的Al-Si-Mg系合金放入本发明自制的干锅电阻炉中，升温至775-785℃，待完全熔化后，将预先制备（1-17）份质量的中间合金Al-R加入到熔体中，在覆盖剂保护下保温25-35min。

所述干锅电阻炉作为搅拌设备，其结构设计为：包括坩埚5、搅拌浆叶4、电机1、盖板3和Ar气管2，所述搅拌浆叶4置于坩埚5内，坩埚顶端的电机1输出轴连接于搅拌浆叶4输入轴，盖板3安装于坩埚口，所述Ar气管2通过盖板3的通孔连接于坩埚内。所述坩埚采用特制了高径比应为（1.5～3.5）：l的高纯石墨坩埚。所述搅拌浆叶4作为搅拌器，采用推进式、多层倾斜搅拌桨叶设计，颗粒比重大于l时，则搅拌器安装于接近容器底部放置，若颗粒比重小于l时，则搅拌器安装于容器偏上部位；其材料采用耐高温不锈钢，并在桨的表面涂上耐蚀涂层。

所述中间合金的预先制备即表面改性工艺，过程为：在所述SiC内加水，加热至获得煮沸的SiC悬浊液，再加入(12-20)份 K₂ZrF_6（氟锆酸钾），继续搅拌加热，并保持烧杯中的混合液的温度在80-90℃，持续搅拌加热3-4h；之后过滤SiC和K₂ZrF₆的混合溶液，将过滤的SiC蒸干、碾碎，最后在445-455℃烘烤3-4h，表面改性结束。

步骤二,保持炉内的温度为695-705℃，用搅拌桨搅拌熔体25-35min，使稀土元素能均匀分布在熔体中。

步骤三,保持炉内的温度为695-705℃将已称量烘烤好的(16-24)份质量的SiC添加到熔体。添在SiC颗粒添加完后，盖上坩埚电阻炉盖板3，升高温度到725-725℃，静置四到六分钟。

步骤四,将熔体浇入金属模具中成型。

步骤五,在295-305℃时效保温4.5-5.5h后，在50～60℃的水中淬火。

步骤六,在535-545℃固溶处理9-11h后，在70～80℃的水中淬火。

步骤七,在165-175℃时效保温6.5-7.5h后空冷。最终获得该种合金材料的成分组成为Ai-Si-Mg系合金、SiC颗粒、稀土元素，各元素质量百分含量如下表：

该材料在SiC颗粒增强铝基复合材料的制备中加入了稀土元素，改善复合材料显微组织中硅相和α-Al相的形状，使粗大板片状的硅相细化成颗粒状或针状，使α-Al相朝着等轴晶、均匀化的方向发展，极大的提高铝基复合材料的性能。

该材料与已有的同类材料相比，具备优良的综合物理性能和力学性能，并且能够实现工艺对材料性能的控制，热传导、磨损性能优异，密度较小，且冲击性能良好。该铝基复合材料可以大大增强材料的热冲击性能，使材料在变温场合使用时保持尺寸稳定性，提高材料的寿命。且该材料在要求减轻重量、耐磨性能优秀的零部件上，具有广阔的市场前景，例如车辆的制动盘，使用颗粒增强铝基复合材料代替传统的铸铁材料，能够在提高零部件耐磨性能的基础上，减重50%～60%。此外，该材料具有较高的比强度、比刚度、弹性模量、耐磨损、耐高温，并且具有良好的热传导性能，在航空、航天、汽车、电子和交通运输等工业领域得到了广泛的应用。

附图说明

图1为制备工艺流程图   

图2本发明搅拌铸造原理示意图

图3为本发明搅拌设备结构示意图

标记说明: 1-电机,2-Ar气管,3-盖板,4-搅拌桨叶，5-石墨坩埚。

具体实施方式

1、SiC颗粒增强铝基复合材料制备工艺

1.1 搅拌铸造原理

    搅拌铸造制备SiC颗粒增强复合材料就是利用搅拌浆的旋转运动，使铝合金液面发生转动产生漩涡，从而使得SiC颗粒进入铝合金基体中。根据流体的伯努利原理，运动速度不同的流体之间会产生压力差，在搅拌桨的搅拌过程中，由于搅拌桨构件、铝合金液粘度和坩埚壁摩擦力的影响，漩涡表面的不同位置会产生速度差，搅拌桨周围液体流动速度快，靠近坩埚壁金属液流动速度慢，由此产生向内的压力，如图2所示，SiC在向内压力及自身重力的作用下进入铝合金基体。同时由搅拌桨旋转而产生的金属液上下对流运动和流体剪切作用促使宏观团聚的SiC团分散，使增强颗粒均匀的分布在基体中。

1.2  搅拌铸造设备的设计制造

搅拌设备是搅拌铸造工艺中一个关键的环节，搅拌设备的设计制造在很大程度上影响了整个铸造工艺路线和产品的最终性能。

如图3所示，所述搅拌设备包括坩埚、搅拌浆叶4、电机1、盖板3和Ar气管，所述搅拌浆叶4置于坩埚内，坩埚顶端的电机1输出轴连接于搅拌浆叶4输入轴，盖板3安装于坩埚口，所述Ar气管通过盖板3的通孔连接于坩埚内。所述坩埚采用特制了高径比应为（1.5～3.5）：l的高纯石墨坩埚。所述搅拌浆叶4作为搅拌器，采用推进式、多层倾斜搅拌桨叶设计，颗粒比重大于l时，则搅拌器安装于接近容器底部放置，若颗粒比重小于l时，则搅拌器安装于容器偏上部位；其材料采用耐高温不锈钢，并在桨的表面涂上耐蚀涂层。

安装：把预先涂覆涂料并预热好的搅拌桨放入熔融的金属液体中，在坩埚电阻炉中放上热电偶温度测量仪来测量炉内的实际温度。打开与搅拌桨连接的电动机电源，带动搅拌桨开始转动。在熔融基体合金液体中产生推进式涡流。

、SiC颗粒表面改性

2.1 表面改性原理

SiC颗粒作为增强物是金属基复合材料的重要组成部分，它起着提高金属基体强度、模量、耐热性、耐磨性等作用。在正常情况下，SiC颗粒与铝液之间是不互相浸润的，而复合材料的性能，特别是力学性能，不仅取决于基体和增强体各自的性能，在很大程度上还依赖于基体和增强体之间的相容性，即界面结合状况。本发明采取的是搅拌铸造法制备SiC颗粒铝基复合材料，在制备过程中基体处于熔融状态。因此金属熔液对SiC增强体的浸润性、直接影响二者间的界面结合状况。

为了改善SiC颗粒与基体金属熔液之间的润湿性，本发明采用K₂ZrF₆饱和水溶液对SiC颗粒进行表面改性。盐K₂ZrF₆作为表面改性剂在水中的溶解度较高，用其作为水溶液表面改性剂能够使SiC更有效地和表面改性剂接触，提高表面改性的效率。熔炼时，K₂ZrF₆能与A1₂0₃致密氧化膜反应，从而破坏基体合金表面的氧化膜，使SiC颗粒更容易进入基体合金内部，与基体合金充分接触，从而提高SiC颗粒与基体合金的复合度。K₂ZrF₆能与基体合金中的Al反应生成Zr，而Zr溶于基体后可以生成A1₃Zr强化相，起到一定的基体强化作用。经K₂ZrF₆预处理后，SiC／Al体系的接触角大大降低，铝一旦熔化，浸润就迅速进行。K₂ZrF₆和m之问反应时释放大量热量，造成局部温度升高。K₂ZrF₆表面处理改善润湿性的效果是由于发生在SiC／Al界面上的放热反应造成的。首先由于A1₂O₃和K₂ZrF₆之间的反应，覆盖Al熔液的氧化铝薄膜将被破坏。接着A1₂0₃在低温下被钾、铝混合氟化物完全溶化。流动性很好的冰晶石熔液扩展在铝液表面，而且SiC和Al真正接触(之前有A1₂0₃隔在它们之间)。同时，大量反应热释放出来。这些反应热主要是由K₂ZrF₆被Al还原而生成A1₃Zr的反应放出的。由此看出K₂ZrF₆表面处理对增强体有着重要意义。

铝基合金中主要成分与K₂ZrF₆之间的反应可用下列反应方程式表示：

3 K₂ZrF₆+4Al→K₃AlF₆+3KAlF₄+3Zr    （1）

3Zr+9Al→3A1₃Zr                  （2）

3Zr+6Si→3ZrSi₂                            （3）

K₂ZrF₆+2Mg→2MgF₂+2KF+Zr          （4）

释放出的Zr与Al按照式（2）反应生成A1₃Zr。值得注意的是反应（4）的产物会对SiC颗粒与基体合金的浸润性产生不利影响。因此，SiC颗粒增强铝基复合材料的制备过程中，用于SiC颗粒表面改性的K₂ZrF₆要适量，否则将会阻碍SiC颗粒与基体合金的复合。增强体表面若有3mg/cm² K₂ZrF₆就足以保证SiC／Al体系的浸润性。此外，过多的K₂ZrF₆，将造成体系的过热(>800℃)，产生不利的高温反应，从而影响复合材料的性能。

  表面改性工艺

具体的表面改性方法如下：在烧杯中加入105-115gSiC，倒入600ml水，放于电阻炉上加热。向煮沸了的SiC悬浊液中加入称好的100g K₂ZrF₆，搅拌，继续加热，并保持烧杯中的混合液的温度在85℃，液面在800ml以上，搅拌加热3.5h。之后用布氏漏斗过滤SiC和K₂ZrF₆的混合溶液，将过滤的SiC放于蒸发皿上蒸干碾碎，最后放在箱形电阻炉中450℃烘烤3.5h。

注：K2ZrF6最好占铝熔体的质量分数为15%。

以下通过若干实施例进一步介绍印证本发明技术方案。

实施例１

获得目的材料，组分表征为：79.5%Al-Si-Mg系合金，7.5%Al-La中间合金，13%SiC颗粒。

（1）将500gAl-Si-Mg系合金放入干锅电阻炉中，升温至780℃，待完全熔化后，将预先制备的中间合金Al-R加入47g到熔体中，在覆盖剂保护下保温30min。

（2）用钟罩将11g的C₂Cl₆压入合金内，对合金进行除气除渣精炼。

（3）保持炉内的温度为700℃，用搅拌桨搅拌熔体30min，使稀土元素能均匀分布在熔体中，材料中La的含量为1.5%。

（4） 保持炉内的温度为700℃将80g烘烤好的SiC添加到熔体。添加SiC颗粒的过程要分批、缓慢地进行，添加一次后要停止添加一段时间，让搅拌桨不停搅动SiC和熔融金属的混合物。

（5）在SiC颗粒添加完后，盖上坩埚电阻炉盖，升高温度到730℃，静置五分钟。

（6）加入四元Na盐对Al-Si-Mg合金基体进行变质处理细化初生Si和Al-Si共晶。

（7）将熔体浇入金属模具中成型。

（8）300℃时效保温5h后，在50～60℃的水中淬火。在540℃固溶处理10h后，在70～80℃的水中淬火。在170℃时效保温7h后空冷。

最终产品的性能为：冲击韧性ak= 6.2kg/cm²，抗拉强度σ_b=350MPa，热导率λ=85W/m·K，布氏硬度HB=145，延伸率δ=5.5%，弹性模量E=110GPa。

实施例2

获得目的材料，组分表征为：85.5%Al-Si-Mg系合金，0.5%Al-La中间合金，14%SiC颗粒。

（1）将500gAl-Si-Mg系合金放入干锅电阻炉中，升温至780℃，待完全熔化后，将预先制备的中间合金Al-La加入3g到熔体中，在覆盖剂保护下保温30min。

（2）用钟罩将10gC₂Cl₆压入合金内，对合金进行除气除渣精炼。

（3）保持炉内的温度为710℃，用搅拌桨搅拌熔体30min，使稀土元素能均匀分布在熔体中。材料中La的含量为0.01%。

（4）保持炉内的温度为710℃将82g烘烤好的SiC颗粒添加到熔体。添加SiC颗粒的过程要分批、缓慢地进行，添加一次后要停止添加一段时间，让搅拌桨不停搅动SiC和熔融金属的混合物。

（5）在SiC颗粒添加完后，盖上坩埚电阻炉盖，升高温度到740℃，静置五分钟。

（6）加入四元Na盐对Al-Si-Mg合金基体进行变质处理细化初生Si和Al-Si共晶。

（7）将熔体浇入金属模具中成型。

（8）300℃时效保温5h后，在50～60℃的水中淬火。在540℃固溶处理10h后，在70～80℃的水中淬火。在170℃时效保温7h后空冷。

最终产品的性能为：冲击韧性ak= 5.9kg/cm²，抗拉强度σ_b=325MPa，热导率λ=80W/m·K，布氏硬度HB=140，延伸率δ=5.8%，弹性模量E=120GPa。

实施例3

获得目的材料，组分表征为：75.5%Al-Si-Mg系合金，12.5%Al-La中间合金，12%SiC颗粒

（1）将500gAl-Si-Mg系合金放入干锅电阻炉中，升温至780℃，待完全熔化后，将预先制备的中间合金Al-La加入83g到熔体中，在覆盖剂保护下保温30min。

（2）用钟罩将11.6gC₂Cl₆压入合金内，对合金进行除气除渣精炼。

（3）保持炉内的温度为700℃，用搅拌桨搅拌熔体30min，使稀土元素能均匀分布在熔体中。材料中La的含量为2.5%。

（4）保持炉内的温度为700℃将80g烘烤好的SiC颗粒添加到熔体。添加SiC颗粒的过程要分批、缓慢地进行，添加一次后要停止添加一段时间，让搅拌桨不停搅动SiC和熔融金属的混合物。

（5）在SiC颗粒添加完后，盖上坩埚电阻炉盖，升高温度到740℃，静置五分钟。

（6）加入四元Na盐对Al-Si-Mg合金基体进行变质处理细化初生Si和Al-Si共晶。

（7）将熔体浇入金属模具中成型。

（8）300℃时效保温5h后，在50～60℃的水中淬火。在540℃固溶处理10h后，在70～80℃的水中淬火。在170℃时效保温7h后空冷。

最终产品的性能为：冲击韧性ak= 6.0kg/cm²，抗拉强度σ_b=340MPa，热导率λ=88W/m·K，布氏硬度HB=150，延伸率δ=5.3%，弹性模量E=107Gpa。

Claims (1)

1.一种SiC颗粒增强铝基复合材料制备方法,其特征在于,包括步骤为:

步骤一,将100份质量的Al-Si-Mg系合金放入本发明自制的干锅电阻炉中，升温至775-785℃，待完全熔化后，将预先制备1-17份质量的中间合金Al-R加入到熔体中，在覆盖剂保护下保温25-35min；

所述干锅电阻炉作为搅拌设备，其结构设计为：包括坩埚（5）、搅拌浆叶（4）、电机（1）、盖板（3）和Ar气管（2），所述搅拌浆叶（4）置于坩埚（5）内，坩埚顶端的电机（1）输出轴连接于搅拌浆叶（4）输入轴，盖板（3）安装于坩埚口，所述Ar气管（2）通过盖板（3）的通孔连接于坩埚内；所述坩埚采用高径比为1.5～3.5：l的高纯石墨坩埚；

所述搅拌浆叶（4）采用推进式、多层倾斜搅拌桨叶设计，颗粒比重大于l时，则搅拌器安装于接近容器底部放置，若颗粒比重小于l时，则搅拌器安装于容器偏上部位；其材料采用耐高温不锈钢，并在桨的表面涂上耐蚀涂层；

所述中间合金的预先制备即表面改性工艺，过程为：在所述SiC内加水，加热至获得煮沸的SiC悬浊液，再加入12-20份 K₂ZrF₆，继续搅拌加热，并保持烧杯中的混合液的温度在80-90℃，持续搅拌加热3-4h；之后过滤SiC和K₂ZrF₆的混合溶液，将过滤的SiC蒸干、碾碎，最后在445-455℃烘烤3-4h，表面改性结束；

步骤二,保持炉内的温度为695-705℃，用搅拌桨搅拌熔体25-35min，使稀土元素能均匀分布在熔体中；

步骤三,保持炉内的温度为695-705℃将已称量烘烤好的16-24份质量的SiC添加到熔体；添在SiC颗粒添加完后，盖上坩埚电阻炉盖板（3），升高温度到725-725℃，静置四到六分钟；

步骤四,将熔体浇入金属模具中成型；

步骤五,在295-305℃时效保温4.5-5.5h后，在50～60℃的水中淬火；

步骤六,在535-545℃固溶处理9-11h后，在70～80℃的水中淬火；

步骤七,在165-175℃时效保温6.5-7.5h后空冷。

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