CN106435299A - 一种SiC颗粒增强铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种SiC颗粒增强铝基复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种SiC颗粒增强铝基复合材料，以AlMgSi合金为基体，以SiC颗粒为增强体；所述SiC颗粒的尺寸为10‑20μm；所述SiC颗粒的总体积占复合材料总体积的9‑13％。本发明还公开了上述SiC颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其结合了搅拌铸造和挤压铸造制备方法。本发明增加了SiC颗粒增强铝基复合材料的颗粒分布均匀度，有效减少了SiC颗粒团聚及复合材料的缩松缩孔缺陷，得到一种兼有良好强度和韧性且颗粒分布均匀的SiC颗粒增强铝基复合材料。

Description

一种SiC颗粒增强铝基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝基复合材料，特别涉及一种SiC颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。
背景技术
颗粒增强铝基复合材料PAMCs(Particle reinforced aluminum matrixcomposites，简称PAMCs)具有比强度高、比刚度高、耐磨性好、减震性好等优点，并且可通过改变增强颗粒的种类、含量、尺寸等实现不同的力学和使用性能，近年来得到了较快的发展。SiC颗粒具有热膨胀系数小、强度高、密度低、耐磨性好的优点，使得SiC颗粒增强铝基复合材料具有广泛的应用前景。搅拌铸造法具有所需设备简单、操作方便、成本低、生产效率高的特点，适合用于大规模批量的工业生产，是最具发展前景的PAMCs制备方法。
目前搅拌铸造法制备SiC颗粒增强铝基复合材料主要选用现有牌号的铸造或变形铝合金作为基体，这些合金并不是为铝基复合材料开发，所制备的复合材料基体和颗粒润湿性差，易出现颗粒团聚和铸造缺陷(如：Microstructure and properties of A356-10％SiC particle composite castings at different solidification pressures[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2013,23(8):2222-2228；Studies on squeeze casting of Al 2124alloy and 2124-10％SiCp mental matrixcomposites[J].Materials Science and Engineering:A,2008,490(1-2):235-241)，导致力学性能低下。
近年来，研究者对于搅拌铸造法制备SiC颗粒增强铝基复合材料进行了大量研究，研究表明，随着颗粒体积分数的增加，材料的屈服强度和硬度逐渐增加，伸长率逐渐降低；随着颗粒尺寸的加大，材料的抗拉强度、屈服强度、伸长率和硬度均降低；同时也发现，小尺寸的颗粒容易发生团聚，导致颗粒分布不均匀，进而降低材料的力学性能。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种SiC颗粒增强铝基复合材料，兼有良好强度和韧性。
本发明的另一目的在于提供上述SiC颗粒增强铝基复合材料的制备方法，制备得到的SiC颗粒增强铝基复合材料兼有良好强度和韧性且颗粒分布均匀。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种SiC颗粒增强铝基复合材料，以AlMgSi合金为基体，以SiC颗粒为增强体；所述SiC颗粒的尺寸为10-20μm；所述SiC增强颗粒的总体积占复合材料总体积的9％-13％；
所述AlMgSi合金的成分按以下质量百分比含有：
所述的SiC颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按AlMgSi合金的成分称量纯铝、纯Mg、Al-7％Si、Al-10％Mn、Al-5％Ti-B、Al-50％Cu，并熔化制得熔体；
(2)开启惰性气体保护系统，启动搅拌装置，在600-610℃的温度下，搅拌步骤(1)得到的熔体，搅拌速度为300-400rpm；将SiC颗粒加入到搅拌形成的漩涡中，得到复合材料熔体；
(3)对步骤(2)得到的复合材料熔体进行颗粒均匀化处理；
(4)对步骤(3)处理后的复合材料熔体进行挤压铸造成形。
步骤(1)所述熔化制得熔体，具体为：
将坩埚电阻炉温度升温至100-300℃保温1-2h，待温度稳定后将称量好的纯铝、Al-7％Si、Al-10％Mn、Al-50％Cu加入到坩埚电阻炉中熔化；然后升温至710-720℃，加入Al-5％Ti-B中间合金，待炉料完全熔化后进行精炼除气，加入除渣剂除渣；在730-740℃时加入纯Mg，然后通高纯氩气精炼。
步骤(2)所述的SiC颗粒为经过预处理的SiC颗粒，预处理的步骤为：
将SiC颗粒置于箱式电阻炉中在300-500℃条件下保温2-4h，然后升温至800-1000℃焙烧4-6h，空冷至室温；利用超声波清洗仪将SiC颗粒用无水乙醇清洗3-4次；将清洗后的SiC颗粒置于真空干燥箱内，在70-100℃条件下保温，直至完全干燥。
步骤(3)所述颗粒均匀化处理，具体为：
在步骤(2)添加完SiC颗粒后，继续搅拌10-20min，然后升温至700-720℃进行颗粒均匀化搅拌处理，搅拌时间20-30min，搅拌速度为200-300rpm。
步骤(4)所述挤压铸造成形，具体为：
模具预热150-250℃，挤压压力为100-150MPa，保压40-50s。
步骤(2)中搅拌方向为逆时针；步骤(3)中搅拌方向为顺时针。
步骤(1)中所述纯铝为工业纯铝。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
1、本发明制备出的SiC颗粒增强铝基复合材料兼具有良好的强度、韧性和弹性模量：平均抗拉强度大于320MPa、伸长率大于6％、弹性模量大于87GPa。
2、本发明通过增加Mg元素的含量，可以降低铝合金表面张力，增加SiC颗粒与基体合金的润湿性，提高SiC颗粒分布均匀度。
3、本发明通过增加Mn元素的含量，可以降低铝合金中Fe相对复合材料力学性能的有害作用，又可以有效降低复合材料和钢质模具的粘着力，提高模具寿命。
4、本发明通过增加Ti元素的含量，可以增加SiC颗粒与基体合金的润湿性及两者的界面结合能，从而提高复合材料的力学性能。
5、本发明选用颗粒尺寸为10-20μm、颗粒体积分数为(9-13)％的SiC颗粒，通过搅拌铸造工艺制备复合材料熔体，既有效减少了SiC颗粒团聚，增加颗粒分布均匀度，又保证了良好的力学性能。
6、本发明通过挤压铸造成形技术成形复合材料，有利于减少缩松缩孔缺陷，提高复合材料力学性能。
附图说明
图1为本发明的实施例制备的SiC颗粒增强铝基复合材料的微观组织的SEM形貌图。
图2为本发明的实施例制备的SiC颗粒增强铝基复合材料的拉伸断口的SEM形貌图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种SiC颗粒增强铝基复合材料，所用原材料为：工业纯铝、纯Mg、Al-7％Si、Al-10％Mn、Al-5％Ti-B、Al-50％Cu、颗粒尺寸为20μm的SiC颗粒。其中，基体AlMgSi合金的成分为：Mg含量1.3％、Si含量为0.92％、Mn含量0.1％、Fe含量0.03％、Ti含量0.1％、Cu含量0.3％，其余为Al；SiC颗粒体积分数为10％。
本实施例的SiC颗粒增强铝基复合材料的制备过程如下：
(1)AlMgSi合金的配制和熔炼：按照AlMgSi合金成分要求称取适量的工业纯铝、纯Mg、Al-7％Si、Al-10％Mn、Al-5％Ti-B、Al-50％Cu；将坩埚电阻炉温度升温至200℃保温1h，待温度稳定后将称量好的工业高纯铝、Al-7％Si、Al-10％Mn、Al-50％Cu加入到坩埚电阻炉中熔化；然后升温至720℃，加入Al-5％Ti-B中间合金，待炉料完全熔化后进行精炼除气，加入除渣剂除渣；在730℃时加入纯Mg，通高纯氩气精炼。
(2)SiC颗粒的预处理。称取一定量的SiC颗粒置于箱式电阻炉中在400℃条件下保温2h，然后升温至900℃焙烧4h，空冷至室温；利用超声波清洗仪将SiC颗粒用无水乙醇清洗3次；将清洗后的SiC颗粒置于真空干燥箱内，在80℃条件下保温，直至完全干燥。
(3)SiC颗粒的加入。首先将炉膛温度降至640℃，使铝液温度降至610℃，开启气体保护系统，启动搅拌装置，将步骤(2)得到的SiC颗粒加入到搅拌形成的漩涡中，搅拌速度为300rpm，搅拌旋转方向为逆时针。
(4)复合材料熔体的颗粒均匀化处理。颗粒添加完毕后，继续搅拌10min，然后升温至700℃进行颗粒均匀化搅拌处理，搅拌时间20min，搅拌速度为200rpm，搅拌旋转方向为顺时针。
(5)挤压铸造成形。颗粒均匀化处理结束后，升温至720℃保温10min，然后进行挤压铸造实验，模具预热200℃，挤压压力为100MPa，保压40s。
(6)本实例制备得到的SiC颗粒增强铝基复合材料具有良好的强度、韧性和弹性模量：平均抗拉强度328MPa、伸长率6.1％、弹性模量87GPa。
图1为本实施例制备的SiC颗粒增强铝基复合材料的表面SEM形貌图，可知SiC颗粒分布均匀；SiC颗粒保持原尖角形貌，基体组织中未发现反应物。
图2为本实施例制备的SiC颗粒增强铝基复合材料的拉伸断口的SEM形貌图，可见断面呈现韧性断裂模式。
实施例2
一种SiC颗粒增强铝基复合材料，所用原材料为：工业纯铝、纯Mg、Al-7％Si、Al-10％Mn、Al-5％Ti-B、Al-50％Cu、颗粒尺寸为10μm的SiC颗粒。其中，基体AlMgSi合金的成分为：Mg含量1.0％、Si含量为0.8％、Mn含量0.8％、Fe含量0.25％、Ti含量0.1％、Cu含量0.5％，其余为Al；SiC颗粒体积分数为13％。
本实施例的SiC颗粒增强铝基复合材料的制备过程如下：
(1)AlMgSi合金的配制和熔炼。按照AlMgSi合金成分要求称取适量的工业纯铝、纯Mg、Al-7％Si、Al-10％Mn、Al-5％Ti-B、Al-50％Cu；将坩埚电阻炉温度升温至100℃保温2h，待温度稳定后将称量好的工业高纯铝、Al-7％Si、Al-10％Mn、Al-50％Cu加入到坩埚电阻炉中熔化；然后升温至710℃，加入Al-5％Ti-B中间合金，待炉料完全熔化后进行精炼除气，加入除渣剂除渣；在730℃时加入纯Mg，通高纯氩气精炼。
(2)SiC颗粒的预处理。称取一定量的SiC颗粒置于箱式电阻炉中在300℃条件下保温4h，然后升温至800℃焙烧6h，空冷至室温；利用超声波清洗仪将SiC颗粒用无水乙醇清洗4次；将清洗后的SiC颗粒置于真空干燥箱内，在100℃条件下保温，直至完全干燥。
(3)SiC颗粒的加入。首先将炉膛温度降至630℃，使铝液温度降至600℃，开启气体保护系统，启动搅拌装置，将步骤(2)得到的SiC颗粒加入到搅拌形成的漩涡中，搅拌速度为400rpm，搅拌旋转方向为逆时针。
(4)复合材料熔体的颗粒均匀化处理。颗粒添加完毕后，继续搅拌20min，然后升温至710℃进行颗粒均匀化搅拌处理，搅拌时间20min，搅拌速度为300rpm，搅拌旋转方向为顺时针。
(5)挤压铸造成形。颗粒均匀化处理结束后，升温至710℃保温20min，然后进行挤压铸造实验，模具预热250℃，挤压压力为100MPa，保压50s。
本实例制备得到的SiC颗粒增强铝基复合材料具有良好的强度、韧性和弹性模量：平均抗拉强度321MPa、伸长率6.5％、弹性模量88GPa。
实施例3
一种SiC颗粒增强铝基复合材料，所用原材料为：工业纯铝、纯Mg、Al-7％Si、Al-10％Mn、Al-5％Ti-B、Al-50％Cu、颗粒尺寸为15μm的SiC颗粒。其中，基体AlMgSi合金的成分为：Mg含量2.5％、Si含量为2.0％、Mn含量0.5％、Fe含量0.15％、Ti含量0.3％、Cu含量0.2％，其余为Al；SiC颗粒体积分数为9％。
本实施例的SiC颗粒增强铝基复合材料的制备过程如下：
(1)AlMgSi合金的配制和熔炼。按照AlMgSi合金成分要求称取适量的工业纯铝、纯Mg、Al-7％Si、Al-10％Mn、Al-5％Ti-B、Al-50％Cu；将坩埚电阻炉温度升温至300℃保温1h，待温度稳定后将称量好的工业高纯铝、Al-7％Si、Al-10％Mn、Al-50％Cu加入到坩埚电阻炉中熔化；然后升温至720℃，加入Al-5％Ti-B中间合金，待炉料完全熔化后进行精炼除气，加入除渣剂除渣；在740℃时加入纯Mg，通高纯氩气精炼。
(2)SiC颗粒的预处理。称取一定量的SiC颗粒置于箱式电阻炉中在500℃条件下保温2h，然后升温至1000℃焙烧4h，空冷至室温；利用超声波清洗仪将SiC颗粒用无水乙醇清洗3次；将清洗后的SiC颗粒置于真空干燥箱内，在70℃条件下保温，直至完全干燥。
(3)SiC颗粒的加入。首先将炉膛温度降至650℃，铝液温度降至610℃，开启气体保护系统，启动搅拌装置，将步骤(2)得到的SiC颗粒加入到搅拌形成的漩涡中，搅拌速度为350rpm，搅拌旋转方向为逆时针。
(4)复合材料熔体的颗粒均匀化处理。颗粒添加完毕后，继续搅拌10min，然后升温至720℃进行颗粒均匀化搅拌处理，搅拌时间30min，搅拌速度为300rpm，搅拌旋转方向为顺时针。
(5)挤压铸造成形。颗粒均匀化处理结束后，升温至720℃保温10min，然后进行挤压铸造实验，模具预热150℃，挤压压力为150MPa，保压40s。
本实例制备得到的SiC颗粒增强铝基复合材料具有良好的强度、韧性和弹性模量：平均抗拉强度326MPa、伸长率6.1％、弹性模量89GPa。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种SiC颗粒增强铝基复合材料，其特征在于，以AlMgSi合金为基体，以SiC颗粒为增强体；所述SiC颗粒的尺寸为10-20μm；所述SiC增强颗粒的总体积占复合材料总体积的9％-13％；
所述AlMgSi合金的成分按以下质量百分比含有：
2.权利要求1所述的SiC颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按AlMgSi合金的成分称量纯铝、纯Mg、Al-7％Si、Al-10％Mn、Al-5％Ti-B、Al-50％Cu，并熔制得到熔体；
(2)开启惰性气体保护系统，启动搅拌装置，在600-610℃的温度下，搅拌步骤(1)得到的熔体，搅拌速度为300-400rpm；将SiC颗粒加入到搅拌形成的漩涡中，得到复合材料熔体；
(3)对步骤(2)得到的复合材料熔体进行颗粒均匀化处理；
(4)对步骤(3)处理后的复合材料熔体进行挤压铸造成形。
3.根据权利要求2所述的SiC颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述熔化制得熔体，具体为：
将坩埚电阻炉温度升温至100-300℃保温1-2h，待温度稳定后将称量好的纯铝、Al-7％Si、Al-10％Mn、Al-50％Cu加入到坩埚电阻炉中熔化；然后升温至710-720℃，加入Al-5％Ti-B中间合金，待炉料完全熔化后进行精炼除气，加入除渣剂除渣；在730-740℃时加入纯Mg，然后通高纯氩气精炼。
4.权利要求2所述的SiC颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述的SiC颗粒为经过预处理的SiC颗粒，预处理的步骤为：
将SiC颗粒置于箱式电阻炉中在300-500℃条件下保温2-4h，然后升温至800-1000℃焙烧4-6h，空冷至室温；利用超声波清洗仪将SiC颗粒用无水乙醇清洗3-4次；将清洗后的SiC颗粒置于真空干燥箱内，在70-100℃条件下保温，直至完全干燥。
5.根据权利要求2所述的SiC颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述颗粒均匀化处理，具体为：
在步骤(2)添加完SiC颗粒后，继续搅拌10-20min，然后升温至700-720℃进行颗粒均匀化搅拌处理，搅拌时间20-30min，搅拌速度为200-300rpm。
6.根据权利要求2所述的SiC颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述挤压铸造成形，具体为：
模具预热150-250℃，挤压压力为100-150MPa，保压40-50s。
7.根据权利要求2所述的SiC颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中搅拌方向为逆时针；步骤(3)中搅拌方向为顺时针。
8.根据权利要求2所述的SiC颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述纯铝为工业纯铝。
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