CN107254644A - 一种高强度铝基材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属材料技术领域，特别涉及一种高强度铝基材料及其制备方法；该铝基材料含有以下按重量份计的原料纯铝75～105、硼酸铝35～55、纳米碳纤维5～25、复合金属粉4～15、增强颗粒10～30；本发明有效的增强了铝基材料的力学性能，进一步增强铝基材料的强度，同时，本发明以纯铝和硼酸铝混合作为基质，在熔融状态下添加了颗粒形态的增强相，使得二者得到均质的融合，进一步提升了铝基材料的强度。

Description

一种高强度铝基材料及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，特别涉及一种高强度铝基材料及其制备方法。
背景技术
复合材料是应现代科学发展需求而涌现出的具有强大生命力的材料，是由两种或两种以上成分不同，性质不同，有时形状也不同的相容性材料以物理方式合理的进行复合而制成的一种材料，其以最大限度的发挥各种材料的特长，并赋予单一材料所不具备的优良性能，复合材料的性能还具有可设计性的重要特征，铝在制作复合材料上有许多特点，如质量轻、密度小、可塑性好，铝基复合技术容易掌握，易于加工等，此外，铝基复合材料比强度和比刚度高，高温性能好，更耐疲劳和更耐磨，阻尼性能好，热膨胀系数低，同其他复合材料一样，它能组合特定的力学和物理性，铝及铝合金很适合作金属基复合材料的基体，铝的资源丰富，容易获得，价格合理，密度小，质量轻，比强度与比弹性模量大，熔点不高，可塑性良好，制造工艺与设备不甚复杂，易于与增强材料复合和进行第二次加工，此外，还有很好的导电性与导热性、抗蚀性等，这些都是复合材料为满足使用要求所应具备的特性，也是铝基复合材料得到快速发展的主要原因。
随着铝基复合材料的快速发展，应用领域也在不断扩大，运用在电子、汽车、航空、航天、军事工业、交通运输等领域，对铝基复合材料的性能要求也越来越严格苛刻，其中，强度是考核铝基复合材料的重要指标，同时也是运用在各个领域的硬性指标，但是目前制备的铝基复合材料质量参差不齐，难以满足目前市场的需求，比如一些制备的铝基材料中含Mn、Cr等杂质，这些杂质会使得合金形成脆性相，直接降低了铝基材料的硬度，还比如一些，在制备复合材料时，添加SiC来达到增强复合材料强度的目的，但是随着SiC体积分数的增大，复合材料的强度和模量都有较大程度的提高，但是塑性却显著降低，可见，目前，一方面由于杂质处理不科学，导致材料中形成可脆性相，降低强度，又或者是通过外加增强剂，提高强度的同时，有损害其他的性能，同样限制了复合材料的应用，鉴于此，强度是考核铝基复合材料的重要指标，同时也是运用在各个领域的硬性指标，因此在制备铝基复合材料时，保证其它性能指标的完整性的同时，进一步提高铝基材料的强度使得其能运用在各个领域是目前研究的重点。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供了一种高强度铝基材料及其制备方法。
具体是通过以下技术方案来实现的：
一种高强度铝基材料，该铝基材料含有以下按重量份计的原料纯铝75～105、硼酸铝35～55、纳米碳纤维5～25、复合金属粉4～15、增强颗粒10～30；
所述的增强颗粒，由增强剂和涂覆剂组成，其中，涂覆剂和增强剂的质量比是1.5～1.8∶1。
更有选地，该铝基材料含有以下按重量份计的原料纯铝86、硼酸铝45、纳米碳纤维18、复合金属粉9、增强颗粒20。
为了进一步提高铝基材料的性能，所述铝基材料还含有乙酰柠檬酸三辛酯、聚乙二醇和稀土元素，以铝基材料总重量为基准，乙酰柠檬酸三辛酯的添加量为铝基材料总重量的2～5％，聚乙二醇的添加量为铝基材料总重量的3～8％，稀土元素的添加量为铝基材料总重量的1～3％，优选为乙酰柠檬酸三辛酯的添加量为铝基材料总重量的3.5％，聚乙二醇的添加量为铝基材料总重量的5％，稀土元素的添加量为铝基材料总重量的2％，本发明中还添加乙酰柠檬酸三辛酯，作为一种挥发性较小，性质稳定的增塑剂，可以提高制备的铸锭的韧性，提高加工性能，进一步提升加工强度，通过聚乙二醇的加入，是有效的使得复合金属粉和增强颗粒较为均匀的分布在熔融态的纯铝和硼酸铝中，使得制备的铝基材料性质稳定，起到较好的分散作用。
为了进一步提高铝基材料的性能，所述的增强剂，是TiB2和Al2O3按1∶0.35～0.45的质量比混合制得。
为了进一步提高铝基材料的性能，所述的涂覆剂，是锌和镍中的一种。
为了进一步提高铝基材料的性能，所述的复合金属粉、包括铜粉、钒粉、铬粉，以铝基材料总重量为基准，铜粉的添加量为铝基材料总重量的0.8～1.2％，钒粉的添加量为铝基材料总重量的0.3～0.5％，铬粉的添加量为铝基材料总重量的1～2％。
所述的高强度铝基材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备增强颗粒：将增强剂粉碎至粒径为250～280μm，将涂覆剂熔融后，与增强剂混合，降温至125～135℃，静置18～22h，粉碎得增强颗粒；
(2)制备铝基材料：将熔融态的纯铝和熔融态的硼酸铝混合，加入复合金属粉和增强颗粒，混匀，喷雾造粒，再与剩余的原料混匀，在650～700Mpa的压力下冷压成型，置于1200～1300℃烧结成型即可。
为了进一步提高铝基材料的性能，在步骤(2)中添加复合金属粉和增强颗粒时，是先将熔融态的纯铝和熔融态的硼酸铝混合后，在715～730℃的恒温条件下静置2～5h，再加入复合金属粉，搅拌150～180min，再加入增强颗粒，其中，在步骤(2)反应的整个过程中，通入惰性气体至反应结束，所述惰性气体，是指不与反应物发生反应和产物发生反应的任意一种气体或气体混合物，如元素周期表零族气体中的中一种或几种，优选为氮气、氩气和氦气中的一种或几种，通入方式为自下而上在熔融时或添加复合金属粉和增强颗粒时，添加惰性气体，一是能避免铝质在熔融状态时发生氧化，二是能在溶液中产生气泡，借助上浮的气泡除去氧化物等杂质，便于打捞清除。
为了进一步提高铝基材料的性能，所述的增强颗粒，进一步限定其粒径为300～350μm。
综上所述，本发明的有益效果在于：本发明提供的铝基材料是以二硼化钛和氧化铝进行金属喷涂后，与复合金属粉一起作为增强相，首先二硼化钛和氧化铝具有较好的硬度，再通过金属的涂覆后，有效的增强了铝基材料的力学性能，同时，添加了氧化铝能够与制备的铝基材料进行良好的结合，具有性能上的相容性，同时，还添加了复合金属粉，进一步增强铝基材料的强度，同时，本发明以纯铝和硼酸铝混合作为基质，在熔融状态下添加了颗粒形态的增强相，使得二者得到均质的融合，进一步提升了铝基材料的强度。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但本发明并不局限于这些实施方式，任何在本实施例基本精神上的改进或代替，仍属于本发明权利要求所要求保护的范围。
实施例1
一种高强度铝基材料，该铝基材料含有以下按重量份计的原料纯铝75kg、硼酸铝35kg、纳米碳纤维5kg、复合金属粉4kg、增强颗粒10kg；
所述的增强颗粒，由增强剂和涂覆剂组成，其中，涂覆剂和增强剂的质量比是1.5∶1。
所述的增强剂，是TiB2和Al2O3按1∶0.35的质量比混合制得。
所述的涂覆剂，优选为锌。
所述的复合金属粉、包括铜粉、钒粉、铬粉，以铝基材料总重量为基准，铜粉的添加量为铝基材料总重量的0.8％，钒粉的添加量为铝基材料总重量的0.3％，铬粉的添加量为铝基材料总重量的1％。
所述铝基材料还含有乙酰柠檬酸三辛酯、聚乙二醇和稀土元素，以铝基材料总重量为基准，乙酰柠檬酸三辛酯的添加量为铝基材料总重量的2％，聚乙二醇的添加量为铝基材料总重量的3％，稀土元素的添加量为铝基材料总重量的1％。
所述的高强度铝基材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备增强颗粒：将增强剂粉碎至粒径为250μm，将涂覆剂熔融后，与增强剂混合，降温至125℃，静置18h，粉碎得粒径为300μm的增强颗粒；
(2)制备铝基材料：将熔融态的纯铝和熔融态的硼酸铝混合，在715℃的恒温条件下静置2h，再加入复合金属粉，搅拌150min，再加入增强颗粒，混匀，喷雾造粒，再与剩余的原料混匀，在650Mpa的压力下冷压成型，置于1200℃烧结成型即可，反应的整个过程中，通入惰性气体至反应结束。
实施例2
一种高强度铝基材料，该铝基材料含有以下按重量份计的原料纯铝105kg、硼酸铝55kg、纳米碳纤维25kg、复合金属粉15kg、增强颗粒30kg；
所述的增强颗粒，由增强剂和涂覆剂组成，其中，涂覆剂和增强剂的质量比是1.8∶1。
所述的增强剂，是TiB2和Al2O3按1∶0.45的质量比混合制得。
所述的涂覆剂，优选为镍。
所述的复合金属粉、包括铜粉、钒粉、铬粉，以铝基材料总重量为基准，铜粉的添加量为铝基材料总重量的1.2％，钒粉的添加量为铝基材料总重量的0.5％，铬粉的添加量为铝基材料总重量的2％。
所述铝基材料还含有乙酰柠檬酸三辛酯、聚乙二醇和稀土元素，以铝基材料总重量为基准，乙酰柠檬酸三辛酯的添加量为铝基材料总重量的5％，聚乙二醇的添加量为铝基材料总重量的8％，稀土元素的添加量为铝基材料总重量的3％。
所述的高强度铝基材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备增强颗粒：将增强剂粉碎至粒径为280μm，将涂覆剂熔融后，与增强剂混合，降温至135℃，静置22h，粉碎得粒径为350μm的增强颗粒；
(2)制备铝基材料：将熔融态的纯铝和熔融态的硼酸铝混合，在730℃的恒温条件下静置2～5h，再加入复合金属粉，搅拌180min，再加入增强颗粒，混匀，喷雾造粒，再与剩余的原料混匀，在700Mpa的压力下冷压成型，置于1300℃烧结成型即可，反应的整个过程中，通入惰性气体至反应结束。
实施例3
一种高强度铝基材料，该铝基材料含有以下按重量份计的原料纯铝86kg、硼酸铝45kg、纳米碳纤维18kg、复合金属粉9kg、增强颗粒20kg；
所述的增强颗粒，由增强剂和涂覆剂组成，其中，涂覆剂和增强剂的质量比是1.7∶1。
所述的增强剂，是TiB2和Al2O3按1∶0.4的质量比混合制得。
所述的涂覆剂，优选为镍。
所述的复合金属粉、包括铜粉、钒粉、铬粉，以铝基材料总重量为基准，铜粉的添加量为铝基材料总重量的1％，钒粉的添加量为铝基材料总重量的0.4％，铬粉的添加量为铝基材料总重量的1.5％。
所述铝基材料还含有乙酰柠檬酸三辛酯、聚乙二醇和稀土元素，以铝基材料总重量为基准，乙酰柠檬酸三辛酯的添加量为铝基材料总重量的3.5％，聚乙二醇的添加量为铝基材料总重量的5％，稀土元素的添加量为铝基材料总重量的2％。
所述的高强度铝基材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备增强颗粒：将增强剂粉碎至粒径为270μm，将涂覆剂熔融后，与增强剂混合，降温至130℃，静置20h，粉碎得粒径为330μm的增强颗粒；
(2)制备铝基材料：将熔融态的纯铝和熔融态的硼酸铝混合，在725℃的恒温条件下静置3h，再加入复合金属粉，搅拌170min，再加入增强颗粒，混匀，喷雾造粒，再与剩余的原料混匀，在680Mpa的压力下冷压成型，置于1250℃烧结成型即可，反应的整个过程中，通入惰性气体至反应结束。
实施例4
一种高强度铝基材料，该铝基材料含有以下按重量份计的原料纯铝75kg、硼酸铝55kg、纳米碳纤维5kg、复合金属粉15kg、增强颗粒10kg；
所述的增强颗粒，由增强剂和涂覆剂组成，其中，涂覆剂和增强剂的质量比是1.5∶1。
所述的增强剂，是TiB2和Al2O3按1∶0.45的质量比混合制得。
所述的涂覆剂，优选为锌。
所述的复合金属粉、包括铜粉、钒粉、铬粉，以铝基材料总重量为基准，铜粉的添加量为铝基材料总重量的0.8％，钒粉的添加量为铝基材料总重量的0.5％，铬粉的添加量为铝基材料总重量的1％。
所述铝基材料还含有乙酰柠檬酸三辛酯、聚乙二醇和稀土元素，以铝基材料总重量为基准，乙酰柠檬酸三辛酯的添加量为铝基材料总重量的2％，聚乙二醇的添加量为铝基材料总重量的8％，稀土元素的添加量为铝基材料总重量的1％。
所述的高强度铝基材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备增强颗粒：将增强剂粉碎至粒径为250μm，将涂覆剂熔融后，与增强剂混合，降温至135℃，静置22h，粉碎得粒径为300μm的增强颗粒；
(2)制备铝基材料：将熔融态的纯铝和熔融态的硼酸铝混合，在730℃的恒温条件下静置5h，再加入复合金属粉，搅拌150min，再加入增强颗粒，混匀，喷雾造粒，再与剩余的原料混匀，在650Mpa的压力下冷压成型，置于1300℃烧结成型即可，反应的整个过程中，通入惰性气体至反应结束。
实施例5
一种高强度铝基材料，该铝基材料含有以下按重量份计的原料纯铝105kg、硼酸铝35kg、纳米碳纤维25kg、复合金属粉4kg、增强颗粒30kg；
所述的增强颗粒，由增强剂和涂覆剂组成，其中，涂覆剂和增强剂的质量比是1.8∶1。
所述的增强剂，是TiB2和Al2O3按1∶0.35的质量比混合制得。
所述的涂覆剂，优选为镍。
所述的复合金属粉、包括铜粉、钒粉、铬粉，以铝基材料总重量为基准，铜粉的添加量为铝基材料总重量的1.2％，钒粉的添加量为铝基材料总重量的0.5％，铬粉的添加量为铝基材料总重量的1％。
所述铝基材料还含有乙酰柠檬酸三辛酯、聚乙二醇和稀土元素，以铝基材料总重量为基准，乙酰柠檬酸三辛酯的添加量为铝基材料总重量的2％，聚乙二醇的添加量为铝基材料总重量的8％，稀土元素的添加量为铝基材料总重量的3％。
所述的高强度铝基材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备增强颗粒：将增强剂粉碎至粒径为250μm，将涂覆剂熔融后，与增强剂混合，降温至125℃，静置22h，粉碎得粒径为350μm的增强颗粒；
(2)制备铝基材料：将熔融态的纯铝和熔融态的硼酸铝混合，在715℃的恒温条件下静置5h，再加入复合金属粉，搅拌150min，再加入增强颗粒，混匀，喷雾造粒，再与剩余的原料混匀，在650～700Mpa的压力下冷压成型，置于1300℃烧结成型即可，反应的整个过程中，通入惰性气体至反应结束。
对比例1
以实施例1为例，采用相同的原料组成进行铝基材料的制备，不同之处在于，本对比例采用的传统的铝基材料的制备方法进行制备。
对比例2
本对比例按照实施例1的方法制备铝基材料，不同之处在于，原料配方中不添加复合金属粉。
对比例3
本对比例按照实施例1的方法制备铝基材料，不同之处在于，原料配方中不添加增强颗粒。
对比例4
本对比例按照实施例1的方法制备铝基材料，不同之处在于，在制备增强颗粒时，不添加涂覆剂，直接以增强剂作为增强颗粒进行铝基材料的制备。
对比例5
本对比例按照实施例1的方法制备铝基材料，不同之处在于，在制备增强颗粒时，采用除锌或镍以外的涂覆材料对增强剂进行涂覆后，制备铝基材料。
对比例6
本对比例按照实施例1的方法制备铝基材料，不同之处在于，在原料配方时，不添加稀土元素或用其它物质代替稀土元素后进行铝基材料的制备。
性能测试
以汽车制动盘为例，用实施例1～5以及对比例1～6制备的铝基材料制备汽车制动盘，采用按国标GBT228的标准对实施例1～5以及对比例1～6制备的汽车制动盘的拉伸强度、屈服强度、断裂伸长率、弹性模量和布氏硬度进行测试，结果如表1所示：
表1
由上表可知，以汽车制动盘为例，实施例1～5制备的制动盘的性能明显优于对比例1～6的制备的制动盘，上表的数据是以实施例1为例制得，从实施例1制备的制动盘的性能与对比例1～6的制备的制动盘的性能对比可知，拉伸强度、屈服强度、断裂伸长率、弹性模量和布氏硬度均有不同程度的提升，可见本发明提供的铝基材料制备的制品的力学性能都得到了有效的提升，在此需要说明的是，在对比例的设计时，是以实施例1为标准进行设定的，但是以实施例2～5为标准进行相同对比例的设计时，同样能显著提升力学性能。

Claims (10)

1.一种高强度铝基材料，其特征在于，该铝基材料含有以下按重量份计的原料纯铝75～105、硼酸铝35～55、纳米碳纤维5～25、复合金属粉4～15、增强颗粒10～30；
所述的增强颗粒，由增强剂和涂覆剂组成，其中，涂覆剂和增强剂的质量比是1.5～1.8∶1。
2.如权利要求1所述的高强度铝基材料，其特征在于，该铝基材料含有以下按重量份计的原料纯铝86、硼酸铝45、纳米碳纤维18、复合金属粉9、增强颗粒20。
3.如权利要求1所述的高强度铝基材料，其特征在于，所述铝基材料还含有乙酰柠檬酸三辛酯、聚乙二醇和稀土元素，以铝基材料总重量为基准，乙酰柠檬酸三辛酯的添加量为铝基材料总重量的2～5％，聚乙二醇的添加量为铝基材料总重量的3～8％，稀土元素的添加量为铝基材料总重量的1～3％。
4.如权利要求1所述的高强度铝基材料，其特征在于，以铝基材料总重量为基准，乙酰柠檬酸三辛酯的添加量为铝基材料总重量的3.5％，聚乙二醇的添加量为铝基材料总重量的5％，稀土元素的添加量为铝基材料总重量的2％。
5.如权利要求1所述的高强度铝基材料，其特征在于，所述的增强剂，是TiB2和Al203按1∶0.35～0.45的质量比混合制得。
6.如权利要求1所述的高强度铝基材料，其特征在于，所述的涂覆剂，是锌和镍中的一种。
7.如权利要求1所述的高强度铝基材料，其特征在于，所述的复合金属粉、包括铜粉、钒粉、铬粉，以铝基材料总重量为基准，铜粉的添加量为铝基材料总重量的0.8～1.2％，钒粉的添加量为铝基材料总重量的0.3～0.5％，铬粉的添加量为铝基材料总重量的1～2％。
8.如权利要求1所述的高强度铝基材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备增强颗粒：将增强剂粉碎至粒径为250～280μm，将涂覆剂熔融后，与增强剂混合，降温至125～135℃，静置18～22h，粉碎得增强颗粒；
(2)制备铝基材料：将熔融态的纯铝和熔融态的硼酸铝混合，加入复合金属粉和增强颗粒，混匀，喷雾造粒，再与剩余的原料混匀，在650～700Mpa的压力下冷压成型，置于1200～1300℃烧结成型即可。
9.如权利要求8所述的高强度铝基材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中添加复合金属粉和增强颗粒时，是先将熔融态的纯铝和熔融态的硼酸铝混合后，在715～730℃的恒温条件下静置2～5h，再加入复合金属粉，搅拌150～180min，再加入增强颗粒，其中，在步骤(2)反应的整个过程中，通入惰性气体至反应结束。
10.如权利要求1所述的高强度铝基材料，其特征在于，所述的增强颗粒，其粒径为300～350μm。
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