CN105936987B - 一种氮化铝‑碳纳米管颗粒增强铝基合金材料的制备方法 - Google Patents

一种氮化铝‑碳纳米管颗粒增强铝基合金材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及的是一种金属合金技术领域的制备方法，特别是涉及一种氮化铝‑碳纳米管颗粒增强铝基合金材料的制备方法。碳纳米管粉末和氮化铝粉末按照质量1：1配比混合均匀，将制得的氮化铝‑碳纳米管混合物颗粒经过球磨24小时获得超细氮化铝‑碳纳米管及铝粉混合物粉末，通过氩气将超细碳纳米管‑氮化铝粉末吹入铝基合金熔体中，生成增强铝基合金熔体，再经过机械化混合搅拌、变质处理、精炼、浇注，即获得氮化铝‑碳纳米管颗粒增强铝基合金材料。氮化铝‑碳纳米管颗粒反应增强铝基合金材料的耐磨性、强度和性显著提高，同时组织稳定性好，导电和导热性能得到有效提高。

Description

一种氮化铝-碳纳米管颗粒增强铝基合金材料的制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种有色金属合金技术领域的制备方法，特别是涉及通过氮化铝-碳纳米管颗粒反应增强铝基合金材料的方法。
背景技术
铝金属在地球上是含量最高的金属，因此，铝基合金在能源短缺的未来将占有更加重要的地位。目前，铝基合金在航空航天、汽车、电子产品、建筑工业以及日常生活中都是不可或缺的重要材料。但是铝基合金在应用广泛的同时也存在着自身的弱点，如硬度、强度较低，同时熔点也比钢等常用金属低。因此，寻求有良好的硬度、强度的同时，又具有高的比强度和比刚度，具有重要的学术与工业应用价值。近年来随着开发高端其产、机电产品的要求，对铝基合金的力学性能的要求需要进一步提高，采用颗粒增强铝基合金材料能够同时发挥铝基合金基体与增强相的优势，显著提高铝基合金的强度、弹性模量、硬度及耐磨性。同时颗粒增强铝基合金材料因其成本低廉，强度、刚度高，在先进制造等现代工业化生产领域有广泛的应用前景。
基于上述目的，采用在铝基合金中添加无毒、无污染的氮化铝-纳米管颗粒来增强铝基合金材料的强度，获得良好的韧性和硬度，同时，导电和导热性能得到有效提高。本发明基体材料铝基合金的化学成分及质量分数为：铝Al：90-98，剩余成份为镁。针对铝基合金性能提高的专利，我国现有的铝基合金在专利200810204595.7 中， 通过添加稀土元素，熔炼完毕后球磨，再热挤压成形，最终多道次轧制，该发明工艺流程长，制造成本高昂。在专利01813584.6 中，也是添加稀有金属元素，再经过轧制、热变形和固溶处理及水淬火、拉伸和三阶段的人工老化，流程也较长。上述合金均有稀有金属的添加，虽然能提高铝基合金材料的韧性、硬度和耐磨性，但是增加了铝基合金的熔炼成本，同时，要达到更高的强度和耐磨性，需要进一步进行深入研究。本发明提出了一种加工工艺稳定、生产成本低廉、无污染排放、可在常规熔炼条件下组织生产的氮化铝-碳纳米管颗粒增强铝基合金材料的制备方法，较传统的铝基合金材料的强度、韧性、硬度和耐磨性大幅提升。因此，在本发明中通过添加氮化铝-碳纳米管颗粒反应增强铝基合金材料力学性能的目的。
发明内容
本发明的目的是：在于克服上述现有技术不足，提供一种加工工艺稳定、生产成本低廉、无污染排放、可在常规熔炼条件下组织生产的氮化铝-碳纳米管颗粒增强铝基合金材料的制备方法，较传统的铝基合金材料的强度、韧性、硬度和耐磨性大幅提升。
本发明专利的技术方案是：本发明是一种氮化铝-碳纳米管颗粒增强铝基合金材料的制备方法。
首先制备碳纳米管粉末是将下列金属钙Ca、镁Mg、铜Cu、铝Al、镍Ni和钴与水H2O的硝酸盐溶液，其成分配比均为1：1：1：1：1：1：11，将上述硝酸盐溶液、硝酸含量为60%的水溶液和氢氧化钠含量为40%的水溶液按质量1:1:1比例混合均匀，将沉淀物进行过滤获得，然后置于真空干燥箱中于550℃，煅烧18小时，然后在球磨机中球磨为20μm的超细粉末为反应催化剂，将上述方法制备的粉末置于钢反应器中，向钢反应器中吹入体积比为9:1的丙烯和氮气的混合气体，体的压力为0.05-0.3Mpa，气体流量为0.4 m3/Min，氮气为稀释剂，用于调节反应速度及粉末生长速度。反应温度为660℃，反应时间为60 Min，制得碳纳米管干粉，将干粉经过球磨24小时获得超细碳纳米管干粉。
其次制备氮化铝粉末，将铝粉与碳酰胺CO(NH2)2按照质量为1:1的比例混合均匀，在氩气保护下采用机械化球磨法24小时，使铝粉与碳酰胺发生反应，制备出氮化铝产物粉末。
最后，一种氮化铝-碳纳米管颗粒增强铝基合金材料的制备方法，其特征是碳纳米管粉末和氮化铝粉末按照质量1：1配比混合均匀，将制得的氮化铝-碳纳米管混合物颗粒经过球磨24小时获得超细氮化铝-碳纳米管及铝粉混合物粉末，通过氩气将超细碳纳米管-氮化铝粉末吹入铝基合金熔体中，生成增强铝基合金熔体，再经过机械化混合搅拌、变质处理、精炼、浇注，即获得氮化铝-碳纳米管颗粒增强铝基合金材料。
上述制备方法中金属钙Ca、镁Mg、铜Cu、铝Al、镍Ni和钴与水H2O的硝酸盐溶液，其成分配比均为1：1：1：1：1：1：11。
上述制备方法中硝酸盐溶液、硝酸和氢氧化钠水溶液按照质量1：1：1比例混合均匀，将沉淀物进行过滤获得，然后置于真空干燥箱中于550℃，煅烧18小时，然后在球磨机中球磨为20μm的超细粉末为反应催化剂。
上述制备方法中的气体为氩气，气体的压力为0.05-0.3Mpa，气体流量0.02-0.15m3/Min。氩气为稀释剂，用于调节反应速度及颗粒生长速度。
氮化铝-碳纳米管颗粒增强铝基合金材料的制备方法，铝基合金熔体的温度700-800℃。反应生成增强粉末的时间为10-60分钟，粉末含量要求越高反应生成增强粉末的时间越长。
（1）反应增强相为熔体状态下合成的碳纳米管-氮化铝颗粒，在熔体状态下与铝基合金熔体充分反应与结合。
增强颗粒的尺寸为0.1-1μm。通过对反应时间、反应温度、混合气体的组成等进行相关调节，可以控制反应生成增强粉末的组成、粉末尺寸、数量及分布，从而满足不同部位的使用要求。
铝基合金的基体材料的化学成分及质量分数为：铝Al：90-98，剩余成份为镁Mg。可以通过上述成分要求进行熔炼。在铝基合金基体材料在电阻加热坩埚炉内熔炼，最终可获得强度、韧性和硬度大幅提升的铝基合金材料。
该氮化铝-碳纳米管颗粒增强铝基合金材料无需专用设备（无需采用真空熔炼炉、高温高压等设备），在常规铝基合金厂即可组织生产。
与现有铝基合金技术相比，氮化铝-碳纳米管颗粒增强铝基合金材料的制备方法具有如下优点：
（1）耐磨性、强度和性显著提高，间隔2小时浇注试样的力学性能差小于6%，这将有利于大批量、小尺寸材料的稳定生产。增强粉末尺寸细小，分布均匀，组织稳定性高，表面无污染，与在铝基合金基体结合良好。材料的室温力学性能和耐磨性能显著提高，尤其适合于航空航天、汽车、电子产品、建筑工业以及日常生活等方面的应用。
（2）组织稳定性好，导电和导热性能得到有效提高，同时，不会分解有毒气体或溶解物，本发明因增强粉末是在是在铝基合金熔体中反应生成，解决了外加粉末与铝基合金基体润湿性差、易发生界面反应以及组织稳定性差等问题。因生成的粉末尺寸小，因比重差导致的上浮/下沉速度小，不易偏析，生产的工艺稳定性高。
附图说明
下面是结合附图和实施例对本发明的具体实施方案进行详细地说明。
图1获得氮化铝-碳纳米管颗粒增强铝基合金材料的试样的光学微观组织照片；
图2获得氮化铝-碳纳米管颗粒增强铝基合金材料的试样的应力-应变曲线。
从图1所示的氮化铝-碳纳米管颗粒增强铝基合金光学照片可以看出氮化铝-碳纳米管颗粒均匀的分布在试样中，在铝基合金的基体中包含着均匀的氮化铝-碳纳米管颗粒，能够显著提高铝基合金的力学性能和导电性能。从图2所示的氮化铝-碳纳米管颗粒增强铝基合金试样拉伸应力-应变曲线，可以看出，达到的最高强度较传统试样提高12%。
具体实施方式
下面给出本发明的最佳实施例：根据化学成分范围，在电阻加热坩埚炉内熔炼本发明铝基合金。本发明铝基合金的基体材料的化学成分及质量分数为：铝Al：96.5，剩余成份为镁Mg。待其融化并过热到245℃，扒渣，变质、精炼、浇注铸型；将金属熔体加热到750℃，用氩气将超细氮化铝-碳纳米管颗粒粉末吹入铝基合金熔体中，气体压力0.1Mpa，气体流量0.05 m3/Min，时间10分钟，混合粉末加入量为铝基合金熔体重量的5%，再进行变质处理和精炼处理，浇注铸型，再保温，并分别于20分、80分浇注铸型。然后进行T6处理，并进行性能测试。实验结果表明氮化铝-碳纳米管颗粒增强铝基合金材料抗拉强度为325.15Mpa，布氏硬度144，腐蚀性能：失重比例为0.01725%，成本为3元/Kg。如保温80分钟后室温抗拉强度315.16 Mpa，布氏硬度140，腐蚀性能：失重比例为0.01725%，成本为3元/Kg。由此可见同时本发明氮化铝-碳纳米管颗粒增强铝基合金材料的价格虽然略高于传统铝基合金，但是本发明材料的抗拉强度，耐磨性、尤其硬度和组织稳定性都显著提高，而且生产工艺稳定性好，便于大批量生产。

Claims (5)

1.一种氮化铝-碳纳米管颗粒增强铝基合金材料的制备方法，其特征是碳纳米管粉末和氮化铝粉末按照质量1：1配比混合均匀，将制得的氮化铝-碳纳米管混合物颗粒经过球磨24小时获得超细氮化铝-碳纳米管混合物粉末，通过氩气将超细碳纳米管-氮化铝粉末吹入铝基合金熔体中，生成增强铝基合金熔体，再经过机械化混合搅拌、变质处理、精炼、浇注，即获得氮化铝-碳纳米管颗粒增强铝基合金材料。
2.根据权利要求1所述的一种氮化铝-碳纳米管颗粒增强铝基合金材料的制备方法，其特征是铝基合金的基体材料的化学成分及质量分数为：铝Al：90-98，剩余成份为镁Mg。
3.根据权利要求1所述的一种氮化铝-碳纳米管颗粒增强铝基合金材料的制备方法，其特征是吹入铝基合金熔体中的气体为氩气，气体的压力为0.05-0.3MPa ，气体流量0.02-0.15m3/Min， 氩气为稀释剂，用于调节反应速度及颗粒生长速度。
4.根据权利要求1所述的一种氮化铝-碳纳米管颗粒增强铝基合金材料的制备方法，其特征是氮化铝粉末是由铝粉与碳酰胺CO(NH2)2按照质量为1:1的比例混合均匀，在氩气保护下采用机械化球磨法24小时，使铝粉与碳酰胺发生反应，制备出氮化铝产物粉末。
5.根据权利要求1所述的一种氮化铝-碳纳米管颗粒增强铝基合金材料的制备方法，其特征是碳纳米管粉末制备是由下列金属钙Ca、镁Mg、铜Cu、铝Al、镍Ni和钴与水H2O的硝酸盐溶液，其成分配比均为1：1：1：1：1：1：11，将上述硝酸盐溶液、硝酸含量为60%的水溶液和氢氧化钠含量为40%的水溶液按质量1:1:1比例混合均匀，将沉淀物进行过滤获得，然后置于真空干燥箱中于550℃，煅烧18小时，然后在球磨机中球磨为20μm的超细粉末为反应催化剂，将上述方法制备的粉末置于钢反应器中，向钢反应器中吹入体积比为9:1的丙烯和氮气的混合气体，气体的压力为0.05-0.3Mpa ，气体流量为0.4 m3/min ，氮气为稀释剂，用于调节反应速度及粉末生长速度， 反应温度为660℃，反应时间为60 min ，制得碳纳米管干粉，将干粉经过球磨24小时获得超细碳纳米管干粉。
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