CN104498759B - 一种混合空心球金属基轻质复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合空心球金属基轻质复合材料的制备方法，它是在金属基中填充空心球而形成含有封闭泡孔的金属基复合材料，该空心球为SiC空心球、Al₂O₃空心球、C空心球或玻化微珠中两种以上按任何比例混合的直径不同的混合空心球；该金属基是市售的铝、镁、锌、铜、钛或铁或铝合金、镁合金、锌合金、铜合金、钛合金或铁合金。用本发明制备的混合空心球金属基复合材料孔隙率达到50％以上，在显著降低密度的同时，可保持材料的压缩强度，从而实现高强、轻质，同时具备阻尼减震、隔音降噪、能量吸收等多种功能性，并具有成本低、工艺简单、对空心球种类及尺寸适应范围广，可连续铸造生产，大大提高生产效率。

Description

一种混合空心球金属基轻质复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种混合空心球金属基轻质复合材料的制备方法，具体是在金属基中加入两种以上直径不相同的混合空心球和增粘剂，采用电磁搅拌制造得到泡沫结构金属基复合材料的方法。它解决了现有泡沫结构金属基复合材料制备时工艺难控制、生产成本高的问题，在保证材料性能的条件下，可显著降低材料密度，从而达到轻量化目的。

背景技术

金属基复合材料是以金属或合金为基体，并以纤维、晶须、颗粒等为增强体的复合材料，明显地改善单一金属材料的热膨胀性、强度、断裂韧性、冲击韧性、耐磨损性等，其综合力学性能得到明显改善，而且，电性能、磁性能、导热性能等某些物理性能往往也得到显著提高，但是，同时也存在造价高、制备工艺复杂等缺点。例如纤维、晶须等增强体的价格昂贵，制备工艺复杂，导致这类金属基复合材料的应用受到限制。近年来，高强轻质合金材料在航空、航天、汽车、建材等领域的应用越来越广泛，在不影响压缩性能的情况下降低金属基复合材料的密度是合金材料轻量化的主要途径。泡沫金属材料是材料轻量化的主要方向，按孔洞的结构分为通孔和闭孔两类，其中闭孔泡沫金属材料具有更好的强度，因其兼具结构材料和功能材料特性而具有更广泛的用途。

以空心球体作为增强体的颗粒，价格相对低廉，基体可选择的范围宽，并能够采用传统工艺方法制备和二次加工，易于实现批量和大规模生产，具有很好的经济效益。由此得到的空心球金属基复合材料具有轻质、高强度、耐磨性好以及良好的缓冲吸能效果等特性。其增强体主要有Al₂O₃空心球、SiC空心球、SiO₂空心球、C空心球、玻璃微珠、粉煤灰或有一定配比的混合空心球等。基体主要是铝合金，也有镁基、铁基、铜基、钛基、铅基等。根据复合材料的密度控制和空心球可溶入量，复合材料中空心球体积分数可以达到40％-60％。

经检索发现生产金属基空心球复合材料的方法主要有以下几种：一种是中国专利CN103614586介绍的压力渗流铸造法，其借助外界压力使金属熔体渗流进入空心球间隙，但这种方法无法控制渗流进程、补缩能力差，同时由于压力作用造成铝基体密度增大；一种是粉末冶金法，将基体金属粉末、粘合剂和空心微球均匀搅拌，在一定压力下压制烧结成型，但该工艺过程复杂，空心球强度要求高且受粒径限制；一种是中国专利CN1174895A介绍的搅拌法，其利用铝及其合金为基体，以火电厂废料飞灰作为添加料的铝基复合材料，但这种方法采用机械搅拌装置致使添加料的分布不均匀，使用的飞灰粒径较小且与基体的润湿性较差，这都影响了所制复合材料的性能；还有一种方法是CN102601342A介绍的真空反重力渗流法，其通过抽真空使铸造室形成负压，金属熔体经导流部件进入空心球预制体中冷却，但此方法是以空心球预制体为骨架，金属液作为填料，从而造成压缩性能的降低，且工艺过程复杂。因此，寻找降低金属基复合材料密度和制作成本的方法，生产适用于航空、航天、汽车、建材等领域的应用的各种轻质金属基复合材料成为急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种混合空心球金属基轻质复合材料的制造方法，它解决了一般空心球金属基复合材料成本高、密度大、制备工艺复杂的问题。用这种方法得到的泡沫结构金属基复合材料在降低金属基复合材料密度的同时，可避免其压缩性能的降低。

为了达到上述目的，本发明的泡沫结构金属基复合材料是在金属基中铸有空心球体而形成的含有封闭泡孔的金属基空心球复合材料，该空心体为SiC空心球、Al₂O₃空心球、C空心球、玻化微珠等两种以上不同尺寸混合的空心球。本发明的轻质金属基复合材料的制备方法按如下步骤进行：

A，金属基的处理：将作为金属基的金属或合金熔化，得到液态金属，保温；

B，空心球的预处理：将空心球放入浓度50％质量百分比的氢氟酸中进行酸洗处理，然后在电炉中预热到500-800℃；

C，金属基复合材料的制备：将增粘剂和空心球依次加入搅拌下的液态金属中，使空心球均匀分布在液态金属中，停止加热，打开冷却器快速冷却，控制冷却速度为10-20℃/S，从而使空心球来不及向上运动而凝固在金属中，得到成型的金属基复合材料；空心球的加入体积是液态金属体积的20％-50％；

D，检测金属基复合材料的性能：取出成型的金属基复合材料，称量计算密度和孔隙度，同时采用压缩试验方法检测其力学性能，与已有方法制备的空心球复合材料的力学性能相比，此方法选用多种不同粒径的混合空心球作为填充料，在保证材料性能的前提下，孔隙率达50％以上，从而最大化地降低材料密度；

上述金属是市售的铝、镁、锌、铜、钛或铁；

上述合金是市售的铝合金、镁合金、锌合金、铜合金、钛合金或铁合金；

上述空心球选自市售的直径为0.5-5.0mm，壁厚为0.2-1.0mm的SiC空心球、Al₂O₃空心球、C空心球、玻化微珠中的两种以上的按任何比例混合的直径不相同的混合空心球；

上述增粘剂是市售的粉煤灰、钙，或两者按任何比例的混合，增粘剂的加入量是金属基重量的1-5％；

上述搅拌是电磁搅拌，通过调节电压参数改变液态金属中的磁场，从而控制搅拌速度为150-250rad/min，搅拌时间为5-20min，使空心球与金属液混合均匀。

所述的增粘剂是直径为0.5-1.0mm的SiC空心球，加入量为金属基体积的3-5％。

本发明的优点是：

1，由于本发明对空心球进行高温氧化、酸洗等预处理，提高了金属基体和空心球之间的浸润性和粘结力，同时合理选择空心球的直径和壁厚，以及与金属的配比，因此，在保证不影响目标产物金属基复合材料压缩性能的前提下，能够最大化地降低复合材料密度，同时工艺流程简单，易实现连续化铸造生产。

2，由于本发明加入一定比例的增粘剂，减缓了在搅拌过程中空心球向上运动的趋势，可以根据目标产物密度要求和空心球可溶入量，加入体积比例20％-50％的空心球，保证空心球与金属基的混合均匀，因此，金属基复合材料孔隙率可以达到50％以上，而且力学性能能够满足多领域应用的高强轻质要求。

3，由于本发明使用冷却器进行快速冷却，从而使空心球来不及向上运动而凝固在金属中，因此，制得金属基复合材料的空心球在金属液体中分布更均匀，从而实现高强、轻质，同时具备阻尼减震、隔音降噪、能量吸收等多种功能性。

4，本发明工序少、对空心球种类及尺寸适应范围广、操作简单，还能实现连铸连轧，从而实现具有机械化和自动化的连续铸造生产，大大提高了生产效率。

附图说明

图1是本发明的金属基复合材料制备工艺流程图，

图2是具体实施方式中所用模具的结构示意图。

其中

1—炉胆，2—电磁搅拌加热炉，3—金属基，4—空心球，5—冷却器。

具体实施方式

实施例1：

本实施方式选用铝合金材料为金属基3，选用按任意比例混合的SiC空心球和Al₂O₃空心球4，该空心球的直径均为0.5mm-5mm，SiC空心球与Al₂O₃空心球熔点高、硬度大，可与铝合金充分混合又不显著降低合金材料的压缩性能。

制备方法所用的模具(参阅图2)由炉胆1、电磁搅拌装置和加热装置构成的电磁搅拌加热炉2、冷却器5组成。其制备步骤是：先将市售的铝合金锭加入到电磁搅拌加热炉2中，加热到500-650℃熔化后保温；然后按铝合金锭重量的1.0％-5.0％(质量分数)称量增粘剂并加入电磁搅拌加热炉2中，增粘剂选用市售的工业级粉煤灰和Ca粉，两者按任何比例混合后加入电磁搅拌加热炉2中，均匀搅拌使其与铝合金充分混合；接着先量取占液态铝合金体积20％-50％的混合空心球，将空心球放入浓度50％的氢氟酸中进行酸洗处理，然后在电炉中预热到500-800℃；将预热后的空心球加入到电磁搅拌加热炉2中，通过调节电磁搅拌器电压改变金属溶液中的磁场从而控制搅拌速度为150-250rad/min，搅拌时间为5-20min，使空心球与液态铝合金混合均匀；然后关闭电磁搅拌加热炉2，停止加热和搅拌，打开冷却器5，控制冷却速度为10-20℃/S，使材料快速冷却，

从而使空心球来不及向上运动而凝固在熔体中；最后打开下密封盖取出成型后的金属基复合材料。取出成型的金属基复合材料，称量计算密度和孔隙度，同时采用压缩试验方法检测其力学性。采用本发明生产的金属基复合材料与已有的专利号为CN1174895A的机械搅拌法、专利号为CN102601342的反重力渗流铸造法、专利号为CN103614586压力渗流法制备的空心球复合材料相比，由于选用SiC空心球和Al₂O₃两种同粒径的混合空心球作为填充料，在保证材料性能的前提下，孔隙率可达50％以上，从而最大化地降低材料密度，同时工艺流程简单，更利于实现连续化铸造生产。

实施例2：

此实施方式与实施例1相比，不同之处是选用大直径的Al₂O₃空心球和直径较小的SiC空心球，其中直径为1-5mm的Al₂O₃空心球加入量占液态铝合金体积20％-50％，直径为0.5-1mm的SiC空心球加入量为液态铝合金体积的3-5％，其余的条件相同。直径小的SiC空心球一方面起到铝液增粘作用，以提高复合材料的均匀性，同时能够填补大尺寸的Al₂O₃空心球间的空隙，进一步降低复合材料密度。取出成型的金属基复合材料，称量计算密度和孔隙度，同时采用压缩试验方法检测其力学性。与已有制备空心球复合材料的方法相比，此方法选用多种不同粒径的两种混合空心球作为填充料，在保证材料性能的前提下，孔隙率可达50％以上，从而最大化地降低材料密度。

实施例3：

此实施方式与实施例2相比，除了所选用的空心球中大直径的Al₂O₃空心球和直径较小的SiC空心球外，空心球的种类还有C空心球和玻化微珠，4种空心球按任意比例混合，同时增粘剂选用3％-5％(质量分数)的粉煤灰，以进一步降低生产成本，其余的条件相同。

取出成型的金属基复合材料，称量计算密度和孔隙度，同时采用压缩试验方法检测其力学性。与已有制备空心球复合材料的方法相比，此方法选用4种不同粒径的混合空心球作为填充料，在保证材料性能的前提下，孔隙率可达50％以上，从而最大化地降低材料密度，同时也进一步降低了生产成本。

Claims (1)

1.一种混合空心球金属基轻质复合材料的制备方法，其特征在于：

A，金属基的处理：将作为金属基的金属或合金熔化，得到液态金属，保温；

B，空心球的预处理：将空心球放入浓度50％质量百分比的氢氟酸中进行酸洗处理，然后在电炉中预热到500-800℃；

C，金属基复合材料的制备：将增粘剂和空心球依次加入搅拌下的液态金属中，使空心球均匀分布在液态金属中，停止加热，打开冷却器快速冷却，控制冷却速度为10-20℃/S，从而使空心球来不及向上运动而凝固在金属中，得到成型的金属基复合材料；空心球的加入体积是液态金属体积的20％-50％；

D，检测金属基复合材料的性能：取出成型的金属基复合材料，称量计算密度和孔隙度，同时采用压缩试验方法检测其力学性能，与已有方法制备的空心球复合材料的力学性能相比，此方法选用多种不同粒径的混合空心球作为填充料，在保证材料性能的前提下，孔隙率达50％以上，从而最大化地降低材料密度；

上述金属是市售的铝、镁、锌、铜、钛或铁；

上述合金是市售的铝合金、镁合金、锌合金、铜合金、钛合金或铁合金；

上述空心球选自市售的直径为0.5-5.0mm，壁厚为0.2-1.0mm的SiC空心球、Al₂O₃空心球、C空心球、玻化微珠中的两种以上的按任何比例混合直径不相同的混合空心球；

上述增粘剂是市售的粉煤灰、钙，或两者按任何比例的混合，增粘剂的加入量是金属基重量的1-5％；或是直径为0.5-1.0mm的SiC空心球，加入量为金属基体积的3-5％；

上述搅拌是电磁搅拌，通过调节电压参数改变液态金属中的磁场，从而控制搅拌速度为150-250rad/min，搅拌时间为5-20min，使空心球与金属液混合均匀。