CN104611596A - 一种准晶增强型铝基复合材料的制备方法 - Google Patents

一种准晶增强型铝基复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种准晶增强型铝基复合材料的制备方法，是针对铝基材料存在硬度低、抗拉强度低、耐腐蚀性能差的情况，以铝合金为基体，铝铜铁准晶为增强剂，经真空熔炼炉熔炼、氩气底吹保护、浇铸、挤压，制成准晶增强型铝基复合材料，此制备方法工艺先进，工序严密，数据精确翔实，制备的准晶增强型铝基复合材料硬度达82.6HB，提高61.33％，抗拉强度达到283Mpa，提高74.75％，耐腐蚀性提高30％，是十分理想的准晶增强型铝基复合材料的制备方法。

Description

一种准晶增强型铝基复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种准晶增强型铝基复合材料的制备方法，属有色金属材料制备及应用的技术领域。
背景技术
铝合金是有色金属合金，具有较好的强度、韧性、导电导热性能，常用作结构材料，在航空航天、电子工业、汽车制造领域得到了较广泛的应用；但铝合金硬度较低、抗拉强度低、耐腐蚀性差，使其在工业上应用受到了较大的局限。
准晶是一种具有长程准周期性平移序和非晶体学旋转对称性的固态有序相，准晶材料具有脆性、金相组织疏松的缺陷，很难用作结构材料，但准晶具有高硬度、不粘性、低膨胀系数、耐磨、耐热、耐腐蚀、低摩擦系数的综合性能，可做复合材料的增强相，使复合材料的力学性能得到提高。
目前，用准晶做增强相制备铝基复合材料还处于研究阶段，其工艺技术还有待提高。
发明内容
发明目的
本发明的目的是针对背景技术的情况，以铝合金为基体，铝铜铁准晶为增强剂，经在真空熔炼炉熔炼、铸造、挤压，制成准晶增强性铝基复合材料，以提高铝基复合材料的力学性能。
技术方案
本发明使用的化学物质材料为：铝合金、铝铜铁准晶、氧化锌、水玻璃、铝箔、丙酮、去离子水、氩气，其组合准备用量如下：以克、毫升、厘米3为计量单位
制备方法如下：
(1)制备浇铸、挤压模具
浇铸、挤压模具为圆筒形，用石墨材料制作，模具型腔尺寸为Φ100mm×200mm，型腔表面粗糙度为Ra0.08-0.16μm；
(2)配制涂覆剂
称取氧化锌50g±1g、水玻璃10g±1g，量取去离子水500mL±5mL，加入混浆机中进行搅拌，搅拌转数50r/min，搅拌时间80min；
搅拌后成乳白色悬浮状液体，即涂覆剂；
(3)预处理铝铜铁准晶
①球磨，将铝铜铁准晶颗粒置于球磨机的球磨罐内，进行球磨，球磨时间4h，球磨后成细粉；
②超声波分散清洗，将球磨后的细粉置于烧杯中，然后加入丙酮300mL，混合；
将烧杯置于超声波分散仪中，进行超声波分散清洗，超声波频率28kHz，超声波分散时间100min，成混合液；
③抽滤，将混合液置于抽滤瓶的布式漏斗中，用微孔滤膜进行抽滤，留存滤饼，弃去清洗液；
④真空干燥，将滤饼置于石英容器中，然后置于真空干燥箱中干燥，干燥温度110℃，真空度8Pa，干燥时间60min，干燥后成铝铜铁准晶细粉；
(4)预处理铝合金
①将铝合金块体用机械切制成小块体，小块体尺寸≤50mm×50mm×50mm；
②用铝箔包覆切割后的铝合金块；
③预热，将包覆的铝合金块置于加热炉内预热，预热温度200℃±5℃，预热时间50min；
(5)熔炼制备准晶增强型铝基复合材料
准晶增强型铝基复合材料的熔炼是在中频感应熔炼炉内进行的，是在中频感应加热、抽真空、氩气底吹、浇铸成型过程中完成的；
①清洗、预热和内表面涂覆圆筒形模具
用丙酮清洗圆筒形模具型腔，使之洁净；
均匀涂覆圆筒形模具型腔表面，涂覆层厚度1mm；
将圆筒形模具置于干燥箱中预热，预热温度180℃；
②打开中频感应熔炼炉，清理石墨熔炼坩埚内部，并用丙酮清洗，使坩埚内部洁净；
③将包覆铝箔的铝合金块2000g±1g置于坩埚底部，将铝铜铁准晶细粉50g±1g置于铝合金块上部；
④关闭中频感应熔炼炉，并密闭；
开启真空泵，抽取炉内空气，使炉内压强≤10Pa；
开启中频感应熔炼炉加热器，开始加热，加热温度600℃±5℃；
⑤在石墨坩埚底部通入氩气底吹管，向坩埚内输入氩气，氩气底吹速度1000C3/min，使炉内压强保持在0.045Mpa，并由出气管阀调控；
继续加热熔炼，熔炼温度720℃±5℃，在此温度恒温保温20min；
⑥浇铸
关闭氩气底吹管，除去坩埚内熔液表面熔渣；
对准预热的筒形模具浇口，进行浇铸，铸满为止；
⑦冷却，将浇铸了合金熔液的模具在空气中冷却至430℃；
(6)挤压
将浇铸后的圆筒形模具移入挤压机上，用圆柱形挤压棒，对准圆筒形模具内铸块进行挤压，挤压压强为100Mpa，挤压时间20s；
挤压后即为准晶增强型铝基复合材料；
(7)脱模，冷却，挤压后继续施压，使铸件脱出，在空气中冷却至25℃；
(8)检测、分析、表征
对制备的准晶增强型铝基复合材料的形貌、色泽、金相组织、力学性能进行检测、分析、表征；
用扫描电镜进行形貌分析；
用金相分析仪进行金相组织分析；
用X射线衍射仪进行XRD分析；
用微机控制电子万能试验机进行抗拉强度分析；
用布氏硬度计进行硬度分析；
结论：准晶增强型铝基复合材料为块体，硬度达82.6HB，提高61.33％；抗拉强度达283Mpa，提高74.75％，耐腐蚀性提高30％。
有益效果
本发明与背景技术相比具有明显的先进性，是针对铝基材料存在硬度低、抗拉强度低的情况，以铝合金为基体、铝铜铁准晶为增强剂，经在真空熔炼炉熔炼，氩气底吹保护、浇铸、挤压，制成准晶增强型铝基复合材料，此制备方法工艺先进，工序严密，数据精确翔实，制备的准晶增强型铝基复合材料硬度硬度达82.6HB，提高61.33％；抗拉强度达283Mpa，提高74.75％，耐腐蚀性提高30％，是十分理想的准晶增强型铝基复合材料的制备方法。
附图说明
图1，准晶增强型铝基复合材料熔炼状态图；
图2，准晶增强型铝基复合材料横切面形貌图；
图3，准晶增强型铝基复合材料金相显微组织图；
图4，准晶增强型铝基复合材料衍射强度图谱；
图中所示，附图标记清单如下：
1、中频感应熔炼炉，2、炉座，3、炉腔，4、出气管，5、出气阀，6、工作台，7、石墨熔炼坩埚，8、中频感应加热器，9、合金溶液，10、氩气，11、底吹电机，12、底吹管，13、真空泵，14、真空管，15、氩气瓶，16、氩气管，17、氩气阀，18、电控箱，19、显示屏，20、指示灯，21、电源开关，22、中频加热调控器，23、底吹电机调控器，24、真空泵调控器，25、第一电缆，26、第二电缆。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步说明：
图1所示，为准晶增强型铝基复合材料的熔炼状态图，各部位置要正确，按量配比，按序操作。
制备使用的化学物质材料的量值是按预先设置的范围确定的，以克、毫升、厘米3为计量单位。
准晶增强型铝基复合材料的熔炼是在中频感应熔炼炉内进行的，是在中频感应加热、抽真空、氩气底吹、浇铸成型过程中完成的；中频感应熔炼炉为立式，中频感应熔炼炉1的底部为炉座2，内部为炉腔3，在炉腔3内底部设有工作台6，在工作台6上置放石墨熔炼坩埚7，石墨熔炼坩埚7外部由中频感应加热器8环绕，石墨熔炼坩埚7内为合金熔液9；在中频感应炉1的右上部设有出气管4，并由出气阀5控制；在中频感应熔炼炉1的左部设有氩气瓶15，氩气瓶15上设有氩气管16、氩气阀17，氩气管16连接底吹电机11，底吹电机11连接底吹管12，底吹管12穿过炉座2、工作台6通入石墨熔炼坩埚7内，并对合金熔液9进行熔炼底吹；在炉座2的右下部设有真空泵13，并通过真空管14连通炉腔3；在中频感应熔炼炉1的右部设有电控箱18，在电控箱18上设有显示屏19、指示灯20、电源开关21、中频加热调控器22、底吹电机调控器23、真空泵调控器24；电控箱18通过第一电缆25连接中频感应加热器8；电控箱18通过第二电缆26连接底吹电机11、真空泵13；炉腔3内由氩气10充填；炉腔3内的压强由出气管4、出气阀5控制。
图2所示，为准晶增强型铝基复合材料横切面形貌图，图中所示，当加入2.5％Al63Cu25Fe12的准晶颗粒之后，经过扫描电镜发现共晶Si在复合材料中分布变得细小，这与金相组织得到的结果吻合。
图3所示，准晶增强型铝基复合材料金相显微组织图，图中所示，加入准晶粉末之后，复合材料的微观组织图中，板状或者柱状的初生α-Al一次枝晶明显变细，二次臂变短，三次晶分枝已经不明显，基本上消失，而且发达的树枝晶已演变成为蔷薇状的枝晶形态。此外，共晶Si的长条状经过挤压后被打散变为分散地分布在树枝之间。从高倍图可知共晶硅由细长的针状被打断变得细小，而且分布比较均匀。
图4，准晶增强型铝基复合材料衍射强度图谱，图中所示，铝基复合材料中存在准晶I相。

Claims (2)

1.一种准晶增强型铝基复合材料的制备方法，其特征在于：使用的化学物质材料为：铝合金、铝铜铁准晶、氧化锌、水玻璃、铝箔、丙酮、去离子水、氩气，其组合准备用量如下：以克、毫升、厘米3为计量单位
制备方法如下：
(1)制备浇铸、挤压模具
浇铸、挤压模具为圆筒形，用石墨材料制作，模具型腔尺寸为Φ100mm×200mm，型腔表面粗糙度为Ra0.08-0.16μm；
(2)配制涂覆剂
称取氧化锌50g±1g、水玻璃10g±1g，量取去离子水500mL±5mL，加入混浆机中进行搅拌，搅拌转数50r/min，搅拌时间80min；
搅拌后成乳白色悬浮状液体，即涂覆剂；
(3)预处理铝铜铁准晶
①球磨，将铝铜铁准晶颗粒置于球磨机的球磨罐内，进行球磨，球磨时间4h，球磨后成细粉；
②超声波分散清洗，将球磨后的细粉置于烧杯中，然后加入丙酮300mL，混合；
将烧杯置于超声波分散仪中，进行超声波分散清洗，超声波频率28kHz，超声波分散时间100min，成混合液；
③抽滤，将混合液置于抽滤瓶的布式漏斗中，用微孔滤膜进行抽滤，留存滤饼，弃去清洗液；
④真空干燥，将滤饼置于石英容器中，然后置于真空干燥箱中干燥，干燥温度100℃，真空度8Pa，干燥时间60min，干燥后成铝铜铁准晶细粉；
(4)预处理铝合金
①将铝合金块体用机械切制成小块体，小块体尺寸≤50mm×50mm×50mm；
②用铝箔包覆切割后的铝合金块；
③预热，将包覆的铝合金块置于加热炉内预热，预热温度200℃±5℃，预热时间50min；
(5)熔炼制备准晶增强型铝基复合材料
准晶增强型铝基复合材料的熔炼是在中频感应熔炼炉内进行的，是在中频感应加热、抽真空、氩气底吹、浇铸成型过程中完成的；
①清洗、预热和内表面涂覆圆筒形模具
用丙酮清洗圆筒形模具型腔，使之洁净；
均匀涂覆圆筒形模具型腔表面，涂覆层厚度1mm；
将圆筒形模具置于干燥箱中预热，预热温度180℃；
②打开中频感应熔炼炉，清理石墨熔炼坩埚内部，并用丙酮清洗，使坩埚内部洁净；
③将包覆铝箔的铝合金块2000g±1g置于坩埚底部，将铝铜铁准晶细粉50g±1g置于铝合金块上部；
④关闭中频感应熔炼炉，并密闭；
开启真空泵，抽取炉内空气，使炉内压强≤10Pa；
开启中频感应熔炼炉加热器，开始加热，加热温度600℃±5℃；
⑤在石墨坩埚底部通入氩气底吹管，向坩埚内输入氩气，氩气底吹速度1000C3/min，使炉内压强保持在0.045Mpa，并由出气管阀调控；
继续加热熔炼，熔炼温度720℃±5℃，在此温度恒温保温20min；
⑥浇铸
关闭氩气底吹管，除去坩埚内熔液表面熔渣；
对准预热的筒形模具浇口，进行浇铸，铸满为止；
⑦冷却，将浇铸了合金熔液的模具在空气中冷却至430℃；
(6)挤压
将浇铸后的圆筒形模具移入挤压机上，用圆柱形挤压棒，对准圆筒形模具内铸块进行挤压，挤压压强为100Mpa，加压时间为20s；
挤压后即为准晶增强型铝基复合材料；
(7)脱模，冷却，挤压后继续施压，使铸件脱出，空气中冷却至25℃；
(8)检测、分析、表征
对制备的准晶增强型铝基复合材料的形貌、色泽、金相组织、力学性能进行检测、分析、表征；
用扫描电镜进行形貌分析；
用金相分析仪进行金相组织分析；
用X射线衍射仪进行XRD分析；
用微机控制电子万能试验机进行抗拉强度分析；
用布氏硬度计进行硬度分析；
结论：准晶增强型铝基复合材料为块体，硬度达82.6HB，提高61.33％；抗拉强度达到283Mpa，提高74.75％，耐腐蚀性提高30％。
2.根据权利要求1所述的一种准晶增强型铝基复合材料的制备方法，其特征在于：
准晶增强型铝基复合材料的熔炼是在中频感应熔炼炉内进行的，是在中频感应加热、抽真空、氩气底吹、浇铸成型过程中完成的；
中频感应熔炼炉为立式，中频感应熔炼炉(1)的底部为炉座(2)，内部为炉腔(3)，在炉腔(3)内底部设有工作台(6)，在工作台(6)上置放石墨熔炼坩埚(7)，石墨熔炼坩埚(7)外部由中频感应加热器(8)环绕，石墨熔炼坩埚(7)内为合金熔液(9)；在中频感应炉(1)的右上部设有出气管(4)，并由出气阀(5)控制；在中频感应熔炼炉(1)的左部设有氩气瓶(15)，氩气瓶(15)上设有氩气管(16)、氩气阀(17)，氩气管(16)连接底吹电机(11)，底吹电机(11)连接底吹管(12)，底吹管(12)穿过炉座(2)、工作台(6)通入石墨熔炼坩埚(7)内，并对合金熔液(9)进行熔炼底吹；在炉座(2)的右下部设有真空泵(13)，并通过真空管(14)连通炉腔(3)；在中频感应熔炼炉(1)的右部设有电控箱(18)，在电控箱(18)上设有显示屏(19)、指示灯(20)、电源开关(21)、中频加热调控器(22)、底吹电机调控器(23)、真空泵调控器(24)；电控箱(18)通过第一电缆(25)连接中频感应加热器(8)；电控箱(18)通过第二电缆(26)连接底吹电机(11)、真空泵(13)；炉腔(3)内由氩气(10)充填；炉腔(3)内的压强由出气管(4)、出气阀(5)控制。
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