CN104846229A - 一种颗粒增强型铝合金基耐磨材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种颗粒增强型铝合金基耐磨材料的制备方法，是针对铝合金材料在使用过程中摩擦磨损的实际情况，以金刚石粉、碳化硼粉、铝合金粉、镁粉、钛粉、氟钛酸钾粉为原料，采用等离子放电热压烧结技术，在等离子放电加热、加压和真空条件下制备颗粒增强型铝合金基耐磨材料，使金刚石颗粒和碳化硼颗粒均匀的分布在铝合金基体中，真空环境有效防止了材料的氧化，等离子放电热压烧结温度低，可以防止材料在制备过程中金刚石的石墨化，烧结过程中产生的等离子体对颗粒表面起到净化作用，提高了界面结合强度和耐摩擦磨损性能，此制备方法工艺先进，数据精确翔实，颗粒增强型铝合金基耐磨材料密度达99.5%，材料硬度达HV0.1=235。
Description
技术领域
本发明涉及一种颗粒增强型铝合金基耐磨材料的制备方法，属有色金属合金制备及应用的技术领域。
背景技术
铝合金是一种有色轻金属合金，密度低、强度高、塑性好，可以加工成各种型材，具有良好的导电性、导热性和耐腐蚀性，被广泛的应用于航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业领域。
为了提高铝合金的结构特性和功能特性，常在铝合金中加入陶瓷颗粒、碳纤维和晶须材料，以提高铝合金的力学性能和耐磨性能；金刚石具有高的硬度，是良好的耐磨材料，具有较高的热导率，金刚石在高温条件下具有石墨化倾向，在磨损过程中可以起到自润滑作用，可提高材料的耐磨性能；碳化硼是良好的耐磨材料，密度低，其硬度仅次于金刚石和立方氮化硼，不与酸和碱发生反应，常被用作耐磨材料、高温材料和中子屏蔽材料；但金刚石和碳化硼的脆性较高，在发生剧烈撞击时容易发生断裂现象；如果将金刚石和碳化硼颗粒加入到铝合金基体中，可以制备具有高力学性能和良好耐磨性能的金属基复合材料。
采用机械合金化和等离子放电热压烧结制备金刚石和碳化硼颗粒增强铝合金基耐磨材料，机械合金化可以使金刚石和碳化硼颗粒均匀的分布到铝合金基体当中，添加氟钛酸钾粉、镁粉和钛粉可以提高金刚石和碳化硼颗粒与铝合金的界面润湿性；等离子放电热压烧结具有烧结速度快、烧结温度低、材料致密度高，可以有效的避免金刚石在材料制备过程中的石墨化；等离子放电热压烧结是在真空环境下进行的，可以避免材料在制备过程中的氧化，热压烧结过程中产生的等离子体对颗粒表面有净化作用，提高界面结合强度，作为耐磨材料在使用过程中具有自润滑作用，可以获得具有良好耐磨性能的铝合金基复合材料。
目前，金刚石、碳化硼与有色金属合金的制备和应用还处于初始阶段，在颗粒之间的界面结合机理、强度和耐磨性能还在讨论和研究中。
发明内容
发明目的
本发明的目的是针对背景技术的情况，是以金刚石粉、碳化硼粉、铝合金粉、镁粉、钛粉和氟钛酸钾粉为原料，采用机械合金化方法混粉，通过等离子放电热压烧结技术制成颗粒增强型铝合金基复合材料，以提高铝合金的耐磨性能。
技术方案
本发明使用的化学物质材料为：金刚石粉、碳化硼粉、铝合金粉、镁粉、氟钛酸钾粉、无水乙醇、氢氟酸、去离子水、石墨纸、砂纸，其组合准备用量如下：以克、毫升、毫米为计量单位
制备方法如下：
(1)制备圆筒形模具
圆筒形模具用石墨材料制作，模具型腔尺寸为Φ40mm×60mm，型腔表面粗糙度Ra0.08-0.16μm；
(2)碳化硼粉的表面净化
①将碳化硼粉37.5g±0.01g、氢氟酸500mL±5mL加入烧杯中，成混合液，搅拌后静止浸泡10h；
②去离子水洗涤、抽滤
将混合液中加入去离子水1000mL，搅拌洗涤5min，然后用微孔滤膜进行抽滤，留存滤饼，弃去洗涤液；
洗涤、抽滤重复进行3次；
③将碳化硼滤饼置于干燥箱中干燥，干燥温度100℃，干燥时间2h；
(3)煅烧碳化硼粉
将碳化硼粉置于石英容器中，然后置于煅烧炉内煅烧，煅烧温度420℃，煅烧时间1h；
(4)配料、球磨
①配料在真空手套箱内进行，称取金刚石粉7.5g±0.01g、碳化硼粉37.5g±0.01g、镁粉1.5g±0.01g、钛粉4.5g±0.01g、氟钛酸钾粉4.5g±0.01g，置于球磨罐中，成混合粉，并密闭；
②将装有混合粉的球磨罐置于球磨机上进行第一次球磨，球磨机转速300rpm，球磨时间10h，球磨后成混合细粉；
③将装有混合粉的球磨罐从球磨机上取下置于真空手套箱内，打开球磨罐，将铝合金粉94.5g±0.01g，置于盛有混合细粉的球磨罐中，成混合粉，并密闭；
④将装有混合粉的球磨罐置于球磨机上进行第二次球磨，球磨机转速300rpm，球磨时间2h，球磨后成混合细粉；
混合细粉的质量比为金刚石粉：碳化硼粉：铝合金粉：镁粉：钛粉：氟钛酸钾粉＝5:25:63:1:3:3；
(5)模具装料
打开圆筒形模具，在模具型腔内底部放置下垫块，在下垫块上部放置石墨纸，在石墨纸上部放置混合细粉，在混合细粉上部放置石墨纸，在石墨纸上部放置上压块；
(6)冷压
将装有混合细粉的圆筒形模具移入压力机上，进行冷压压实，施压压力为40MPa，施压时间为5min，冷压后成坯料；
(7)等离子放电热压烧结
颗粒增强型铝合金基耐磨材料的热压烧结是在等离子放电热压烧结炉内进行的，是在真空环境下、等离子放电加热、外水循环冷却、施压过程中完成的；
①打开等离子放电热压烧结炉，将装有混合细粉的石墨模具置于等离子放电热压烧结炉中的下电极的上部；
②调整石墨模具位置，使石墨模具中心与下电极中心对准，并固定；
③移动等离子放电热压烧结炉的上电极，使上电极压紧石墨模具，并施加压力，施加压力为60MPa，并保压，关闭等离子放电热压烧结炉；
④开启外水循环冷却管，进行外水循环冷却；
⑤开启真空泵，抽取炉内空气，使炉内压强≤3Pa；
⑥开启脉冲电流加热控制器，进行等离子放电热压烧结，等离子放电热压烧结温度、烧结时间按四阶段进行：
第一阶段：烧结温度为20℃～420℃，烧结时间5min；
第二阶段：烧结温度为420℃，烧结时间2min；
第三阶段：烧结温度为420℃～550℃，烧结时间2min；
第四阶段：烧结温度为550℃，烧结时间3min；
(8)热压烧结后，关闭等离子放电热压烧结炉的脉冲电流加热控制器，使炉温降至100℃；
(9)关闭真空泵，关闭外水循环冷却管，打开等离子放电热压烧结炉，停止施压,取出石墨模具，打开石墨模具，取出烧结块体，然后在空气中冷却至25℃，即为颗粒增强型铝合金基耐磨材料块体；
(10)打磨、砂光处理
将制备的颗粒增强型铝合金基耐磨材料块体置于钢质平板上，用砂纸打磨周边及正反表面，使其洁净；
(11)清洗，用无水乙醇清洗颗粒增强型铝合金基耐磨材料各部表面，使其洁净；
(12)检测、分析、表征
对制备的颗粒增强型铝合金基耐磨材料的形貌、色泽、化学物理性能、力学性能、耐磨性能进行检测、分析、表征；
用阿基米德排水法进行材料致密度测试；
用显微硬度仪进行硬度性能分析；
用金相显微仪和扫描电镜仪进行微观组织分析；
用摩擦磨损试验仪进行耐磨性能测试；
结论：颗粒增强型铝合金基耐磨材料为银白色，材料密度达99.5％，材料内部未出现金刚石颗粒和碳化硼颗粒的团聚现象，颗粒之间界面结合良好，硬度达HV0.1＝235，耐摩擦磨损性能稳定，摩擦磨损系数为0.4。
有益效果
本发明与背景技术相比具有明显的先进性，是针对铝合金材料在使用过程中摩擦磨损的实际情况，以金刚石粉、碳化硼粉、铝合金粉、镁粉、钛粉、氟钛酸钾粉为原料，采用等离子放电热压烧结技术，在等离子放电加热、加压和真空条件下制备颗粒增强型铝合金基耐磨材料，使金刚石颗粒和碳化硼颗粒均匀的分布在铝合金基体中，真空环境有效防止了材料的氧化，等离子放电热压烧结温度低，可以防止材料在制备过程中金刚石的石墨化，烧结过程中产生的等离子体对颗粒表面起到净化作用，提高了界面结合强度，提高材料的耐摩擦磨损性能，此制备方法工艺先进，数据精确翔实，颗粒增强型铝合金基耐磨材料密度达99.5％，材料硬度达HV0.1＝235，耐摩擦磨损性能稳定，摩擦磨损系数为0.4，是一种轻质、高强、自润滑、具有良好耐摩擦磨损性能的颗粒增强型铝合金基耐磨材料。
附图说明
图1、颗粒增强型铝合金基耐磨材料的等离子放电热压烧结状态图
图2、颗粒增强型铝合金基耐磨材料的金相显微组织形貌图
图3、颗粒增强型铝合金基耐磨材料的扫描电镜微观组织形貌图
图4、颗粒增强型铝合金基耐磨材料的磨痕微观组织形貌图
图中所示、附图标记清单如下：
1、等离子放电热压烧结炉，2、压力电机，3、上电极，4、炉腔，5、真空泵，6、上压块，7、真空管，8、上压头，9、外水循环冷却管，10、第二石墨纸，11、颗粒增强型耐磨材料混合细粉，12、圆筒形模具，13、第一石墨纸，14、下垫头，15、下垫块，16、下电极，17、工作台，18、左支架，19、右支架，20、进水管阀，21、出水管阀，22、电控箱，23、显示屏，24、指示灯，25、电源开关，26、真空泵控制器，27、压力电机控制器，28、脉冲电流加热控制器，29、加热时间控制器，30、导线。
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，为颗粒增强型铝合金基耐磨材料等离子放电热压烧结状态图，各部位置、连接关系要正确，按量配比，按序操作。
制备使用的化学物质的量值是按预先设置的范围确定的，以克、毫升、毫米为计量单位。
颗粒增强型铝合金基耐磨材料的热压烧结是在等离子放电热压烧结炉内进行的，是在真空环境下、等离子放电加热、外水循环冷却、施压过程中完成的；
等离子放电热压烧结炉为立式，等离子放电热压烧结炉1外部由外水循环冷却管9环绕，并由进水管阀20、出水管阀21控制；等离子放电热压烧结炉1内部为炉腔4，炉腔4内下部设置有下电极16，在下电极16上部放置下垫块15，下垫块15上部放置圆筒型模具12，圆筒型模具12内下部为下垫头14，下垫头14上部为第一石墨纸13，第一石墨纸13上部为颗粒增强型耐磨材料混合细粉11，颗粒增强型耐磨材料混合细粉11的上部为第二石墨纸10，第二石墨纸10的上部为上压头8，上压头8上部为上压块6，上压块6通过上电极3加压，上电极3与压力电机2连接；等离子放电热压烧结炉1下部为工作台17，并由左支架18、右支架19支撑；工作台17下部设有真空泵5，真空泵5通过真空管7与炉腔4连通；等离子放电热压烧结炉1的右侧设有电控箱22，在电控箱22上设有显示屏23、指示灯24、电源开关25、真空泵控制器26、压力电机控制器27、脉冲电流加热控制器28、加热时间控制器29；真空泵5和压力电机2通过导线30与电控箱22连接。
图2所示，为颗粒增强型铝合金基耐磨材料金相显微组织形貌图，图中所示：颗粒均匀的分布在铝合金基体当中，没有出现颗粒团聚现象，没有气孔、裂纹缺陷的存在。
图3所示，为颗粒增强型铝合金基耐磨材料扫描电镜显微组织微观形貌图，图中所示：颗粒与基体之间的界面结合良好，小颗粒分布在大颗粒之间。
图4所示，为颗粒增强型铝合金基耐磨材料的磨痕微观组织形貌图，图中所示：材料经过摩擦磨损以后，在材料表面产生了平行于磨损方向的犁沟，犁沟的产生是由于在磨损过程中硬质颗粒的剥落导致的。
Claims (2)
1.一种颗粒增强型铝合金基耐磨材料的制备方法，其特征在于：使用的化学物质材料为：金刚石粉、碳化硼粉、铝合金粉、镁粉、氟钛酸钾粉、无水乙醇、氢氟酸、去离子水、石墨纸、砂纸，其组合准备用量如下：以克、毫升、毫米为计量单位
制备方法如下：
(1)制备圆筒形模具
圆筒形模具用石墨材料制作，模具型腔尺寸为Φ40mm×60mm，型腔表面粗糙度Ra0.08-0.16μm；
(2)碳化硼粉的表面净化
①将碳化硼粉37.5g±0.01g、氢氟酸500mL±5mL加入烧杯中，成混合液，搅拌后静止浸泡10h；
②去离子水洗涤、抽滤
将混合液中加入去离子水1000mL，搅拌洗涤5min，然后用微孔滤膜进行抽滤，留存滤饼，弃去洗涤液；
洗涤、抽滤重复进行3次；
③将碳化硼滤饼置于干燥箱中干燥，干燥温度100℃，干燥时间2h；
(3)煅烧碳化硼粉
将碳化硼粉置于石英容器中，然后置于煅烧炉内煅烧，煅烧温度420℃，煅烧时间1h；
(4)配料、球磨
①配料在真空手套箱内进行，称取金刚石粉7.5g±0.01g、碳化硼粉37.5g±0.01g、镁粉1.5g±0.01g、钛粉4.5g±0.01g、氟钛酸钾粉4.5g±0.01g，置于球磨罐中，成混合粉，并密闭；
②将装有混合粉的球磨罐置于球磨机上进行第一次球磨，球磨机转速300rpm，球磨时间10h，球磨后成混合细粉；
③将装有混合粉的球磨罐从球磨机上取下置于真空手套箱内，打开球磨罐，将铝合金粉94.5g±0.01g，置于盛有混合细粉的球磨罐中，成混合粉，并密闭；
④将装有混合粉的球磨罐置于球磨机上进行第二次球磨，球磨机转速300rpm，球磨时间2h，球磨后成混合细粉；
混合细粉的质量比为金刚石粉：碳化硼粉：铝合金粉：镁粉：钛粉：氟钛酸钾粉＝5:25:63:1:3:3；
(5)模具装料
打开圆筒形模具，在模具型腔内底部放置下垫块，在下垫块上部放置石墨纸，在石墨纸上部放置混合细粉，在混合细粉上部放置石墨纸，在石墨纸上部放置上压块；
(6)冷压
将装有混合细粉的圆筒形模具移入压力机上，进行冷压压实，施压压力为40MPa，施压时间为5min，冷压后成坯料；
(7)等离子放电热压烧结
颗粒增强型铝合金基耐磨材料的热压烧结是在等离子放电热压烧结炉内进行的，是在真空环境下、等离子放电加热、外水循环冷却、施压过程中完成的；
①打开等离子放电热压烧结炉，将装有混合细粉的石墨模具置于等离子放电热压烧结炉中的下电极的上部；
②调整石墨模具位置，使石墨模具中心与下电极中心对准，并固定；
③移动等离子放电热压烧结炉的上电极，使上电极压紧石墨模具，并施加压力，施加压力为60MPa，并保压，关闭等离子放电热压烧结炉；
④开启外水循环冷却管，进行外水循环冷却；
⑤开启真空泵，抽取炉内空气，使炉内压强≤3Pa；
⑥开启脉冲电流加热控制器，进行等离子放电热压烧结，等离子放电热压烧结温度、烧结时间按四阶段进行：
第一阶段：烧结温度为20℃～420℃，烧结时间5min；
第二阶段：烧结温度为420℃，烧结时间2min；
第三阶段：烧结温度为420℃～550℃，烧结时间2min；
第四阶段：烧结温度为550℃，烧结时间3min；
(8)热压烧结后，关闭等离子放电热压烧结炉的脉冲电流加热控制器，使炉温降至100℃；
(9)关闭真空泵，关闭外水循环冷却管，打开等离子放电热压烧结炉，停止施压,取出石墨模具，打开石墨模具，取出烧结块体，然后在空气中冷却至25℃，即为颗粒增强型铝合金基耐磨材料块体；
(10)打磨、砂光处理
将制备的颗粒增强型铝合金基耐磨材料块体置于钢质平板上，用砂纸打磨周边及正反表面，使其洁净；
(11)清洗，用无水乙醇清洗颗粒增强型铝合金基耐磨材料各部表面，使其洁净；
(12)检测、分析、表征
对制备的颗粒增强型铝合金基耐磨材料的形貌、色泽、化学物理性能、力学性能、耐磨性能进行检测、分析、表征；
用阿基米德排水法进行材料致密度测试；
用显微硬度仪进行硬度性能分析；
用金相显微仪和扫描电镜仪进行微观组织分析；
用摩擦磨损试验仪进行耐磨性能测试；
结论：颗粒增强型铝合金基耐磨材料为银白色，材料密度达99.5％，材料内部未出现金刚石颗粒和碳化硼颗粒的团聚现象，颗粒之间界面结合良好，硬度达HV0.1＝235，耐摩擦磨损性能稳定，摩擦磨损系数为0.4。
2.根据权利要求1所述的一种颗粒增强型铝合金基耐磨材料的制备方法，其特征在于：
颗粒增强型铝合金基耐磨材料的热压烧结是在等离子放电热压烧结炉内进行的，是在真空环境下、等离子放电加热、外水循环冷却、施压过程中完成的；
等离子放电热压烧结炉为立式，等离子放电热压烧结炉(1)外部由外水循环冷去管(9)环绕，并由进水管阀(20)、出水管阀(21)控制；等离子放电热压烧结炉(1)内部为炉腔(4)，炉腔(4)内下部设置有下电极(16)，在下电极(16)上部放置下垫块(15)，下垫块(15)上部放置圆筒型模具(12)，圆筒型模具(12)内下部为下垫头(14)，下垫头(14)上部为第一石墨纸(13)，第一石墨纸(13)上部为颗粒增强型耐磨材料混合细粉(11)，颗粒增强型耐磨材料混合细粉(11)的上部为第二石墨纸(10)，第二石墨纸(10)的上部为上压头(8)，上压头(8)上部为上压块(6)，上压块(6)通过上电极(3)加压，上电极(3)与压力电机(2)连接；等离子放电热压烧结炉(1)下部为工作台(17)，并由左支架(18)、右支架(19)支撑；工作台(17)下部设有真空泵(5)，真空泵(5)通过真空管(7)与炉腔(4)连通；等离子放电热压烧结炉(1)的右侧设有电控箱(22)，在电控箱(22)上设有显示屏(23)、指示灯(24)、电源开关(25)、真空泵控制器(26)、压力电机控制器(27)、脉冲电流加热控制器(28)、加热时间控制器(29)；真空泵(5)和压力电机(2)通过导线(30)与电控箱(22)连接。
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