CN1077672C - 一种颗粒增强铝基耐磨管材及其制备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种颗粒增强铝基耐磨管材及其制备，特征在于：有铝基体中含有10～60%wt的自生Mg₂Si颗粒增强相，且Mg₂Si主要分布于管内壁和外壁区域。该管材是将含有内生Mg₂Si相颗粒的铝基复合材料进行离心铸造得到的。本发明其内外壁均具有很高的耐磨性，价格低廉，工艺上易于实现。

Description

一种颗粒增强铝基耐磨管材及其制备

技术领域

本发明属于铸造铝合金和复合材料领域，涉及到用离心铸造方式成型的颗粒非连续增强金属基复合材料管材及其制备。非连续增强金属基复合材料与其基体金属相比具有强度高、刚度高、耐热、耐磨、抗蠕变性等优异力学性能，而且其价格较低，易加工和回收再利用，因此在航空航天及民用工业中有着广阔的应用前景。

背景技术

目前，采用离心铸造方式制备管材已用于批量生产，但无论是以有色金属还是以黑色金属为原料，所得管材组织都相对均匀，使管材耐磨性在径向上不存在剃度分布，为此，要得到耐磨性好的管材，必须提高原材料的整体耐磨性，而这种方法有时会大幅度增加管材的重量。为克服这一缺点，现在已有工艺选取颗粒增强金属基复合材料为离心铸管的原材料。在用于铝合金基体的颗粒增强相中，绝大多数增强相的密度大于基体合金，因此，在离心铸造过程中，增强相颗粒偏聚于管材外壁，从而使管材耐磨性在径向上有从里向外，由低到高的梯度分布。于是，离心铸造颗粒增强金属基复合材料比一般的复合材料铸造工艺节约了价格较高的增强相，与具有相同耐磨性的常规材料相比又减轻了管材的重量。但是，在大多数管材的应用中，希望管材有较好的内壁耐磨性，以保证输送过程的安全性。这样，一般颗粒增强金属基复合材料在离心铸造中就难以达到这一要求。为在复合材料的离心铸造中得到内壁耐磨的管材，必须选取密度明显小于铝合金基体的颗粒增强相。同时为在管材的外壁也得到增强相，这种密度明显小于铝合金基体的颗粒增强相必须原位生成。

目前制取非连续增强金属基复合材料的工艺方法主要有以下几种：

1.粉末金法：将基体金属粉末和增强体(颗粒或晶须)经过混合后，采用热压、热挤压或热等静压等方法成型，其工艺较复杂，成型性差，成本相对较高。

2.XD法：是把两种能够反应的元素通过混合、压实、烧结等过程加入到基体金属中，陶瓷增强相在烧结过程中形成，该工艺较为复杂，成本高。

3.挤压铸造法：首先把增强体做成一定形状的预制件，利用压力把液态金属浸渗到预制件中并凝固成型制取复合材料，该工艺要求颗粒与液态金属具有良好的润湿性，否则很难得到均匀无孔隙的复合材料。

4.通气原位自生法：在含有与C或N能够发生化学反应生成稳定陶瓷相的基体合金熔体中通入能够分解出碳的气体或N₂气，使两者反庆生成硬质增强体。该工艺虽然使用了原位反应的概念，但由于通入气体分解后产生较多的有害气体(尤其是H₂)，使复合材料的性能得不到保证，而且要求反应温度较高，为得到足够多的颗粒增强相耗时较多，因此生产成本较高。

总之，以上方法均不满足上述为在离心铸管内外壁同时分布耐磨颗粒的条件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种颗粒增强铝基耐磨管材及其制备技术，其内外壁均具有很高的耐磨性，价格低廉，工艺上易于实现。

本发明提供了一种颗粒增强铝基耐磨管材，其特征在于：在铝基体中含有10～60％wt的自生Mg₂Si颗粒增强相，且Mg₂Si主要分布于管内壁和外壁区域。Mg₂Si含量最好为25～35％wt。

本发明还提供了上述颗粒增强铝基耐磨管材的制备，其特征在于：将含有自生Mg₂Si相颗粒的铝基复合材料进行离心铸造：

浇注温度：1023～1150 K

模具状态：水冷或空冷

模具转速：1000～2500转/分

其中自生Mg₂Si相颗粒的铝基复合材料由申请专利97119072.0所提供的方式依下述步骤制备：

--将基体合金Al加热熔化，过热度要求150～400 K；

--将Si加入熔体中，至全部熔化；

--将Mg加入熔体中，至全部熔化；

--加入韧化剂，韧化剂为Sr、Si、SiO₂、Ti、Ni中的一种或几种，加入量为

  熔体重的3～10％；

--保温3～15min以后，加入细化剂；

--保温20～45min以后，加入除气剂搅拌。

所述细化剂为钠盐NaCl、Na₂SO₄、NaF、Na₂CO₃、Na₂SO₃，钾盐KCl、K₂SO₄、KF、K₂CO₃，金属Ti、Ni，赤磷、磷化物之一种或几种，加入量为熔体重的3～8％。

本发明的关键是找到了一种密度明显小于铝合金基体的原位自生颗粒增强相，该方法是把能够反应生成这种增强相的元素，在熔融基体中直接反应生成增强体Mg₂Si颗粒，由于Mg₂Si密度仅为1.88g/cm³，小于基体铝的密度，因此，这种增强颗粒能够在离心铸造过程中集中分布于管材的内壁。同时，该材料的原位自生特性使离心铸造的复合材料管材外壁也存在一定数量的增强相颗粒。

本发明适用的基体金属是铝合金，所形成的增强体是含量大于10wt％的Mg₂Si。由于其较高的耐磨性及比强度和高温强度，可成为新型的轻质耐磨管材。

本发明的制备工艺部分主要是制备原位自生Mg₂Si颗粒增强铝基复合材料，并利用离心铸造制备轻质耐磨复合材料管材。在熔炼完毕的复合材料的浇铸中，利用不同导热能力的模具配合水冷装置控制凝固速率，从而控制自生Mg₂Si颗粒的尺寸及外壁Mg₂Si颗粒的厚度，一般不超过8mm；利用模具的不同转速及Mg₂Si的含量，控制Mg₂Si颗粒在内壁的分布，在Mg₂Si含量很高的情况下，Mg₂Si几乎在整个管壁内呈梯度分布。

本发明与目前已有技术相比有如下显著的优点：

1.由于Mg₂Si密度仅为1.88g/cm³，因此材料比强度较高。含30％体积分数Mg₂Si的铝基复合材料比现有管材合金重量大幅度降低。在目前应用于铝基复合材料的颗粒增强相中，只有Mg₂Si密度显著小于铝基体，因此通过离心铸造使复合材料中的颗粒增强相分布在管材的内壁，从而大幅度增强管材内壁的耐磨性，成为本发明的特色。

2.自生增强相与基体结合良好，避免了界面反应等问题。

3.可采用现有离心铸造工艺与设备。本发明中提到的其它制备复合材料技术都要在目前合金熔炼基础上做较大的改动，而本发明的制备方法可利用现有的设备和手段，极易推广，为金属基复合材料管材大规模生产奠定了基础。

4.所用原料成本低廉，有利于在民用工业中推广应用。本发明选择的Al、Mg、Si，均为价格低廉的材料，而且这些原材料早以大规模商品化，从而使复合材料价格大幅度下降，为金属基复合材料步入民品应用市场奠定了基础。

5.本发明所制备的复合材料容易回收利用。由于本发明生成的Mg₂Si颗粒在重熔过程中全部熔于基体中，因此在反复熔炼过程中，颗粒不偏析，不长大。再利用时，仅根据工件的性能要求，调整其增强体的含量。

6.在本发明得到的复合材料基础上，还可以进一步制备高性能的多员复合材料，如Al/Mg₂Si/SiCp等，在离心铸造中，使多元增强相颗粒分别分布于复合材料管材的内外壁。

具体实施方式

下面详述本发明：

实施例1

制取25wt％Mg₂Si复合材料管材。按Al∶Mg₂Si重量比为85∶15称取工业纯Al，Mg，Si，将工业纯Al加入坩埚中熔化，在1023～1123 K依次加入Si，Mg，待全部熔化后，在1023K加入占总重量5％的细化剂，细化剂配比为10∶6∶1∶1的NaCl，NaF，Ti粉和KCl。保温30分钟，而后加入除气剂(六氯乙烷)搅拌，除去灰渣，浇铸到离心铸造水冷铜模具中(转速1600转/分)，得到φ80mm(内径)，壁厚15mm的复合材料管材。管内壁(～2mm)室温铸态强度为192MPa，延伸率为17.3％，颗粒体积分数约40％；管外壁(～5mm)室温铸态强度为141MPa，延伸率为5.1％，颗粒体积分数约20％；管中部(～8mm)室温铸态强度为236MPa，延伸率为23％，无增强相颗粒。

实施例2

制取15wt％Mg₂Si复合材料管材。按Al∶Mg₂Si重量比为75∶25称取工业纯Al，Mg，Si，将工业纯Al加入坩埚中熔化，在1023～1123 K依次加入Si，Mg，待全部熔化后，在1023K加入占总重量10％的细化剂，细化剂配比为12∶6∶2∶1的NaCl，NaF，Ti粉和KCl。保温30分钟，而后加入除气剂(六氯乙烷)搅拌，除去灰渣，浇铸到离心铸造水冷铜模具中(转速1600转/分)，得到φ80mm(内径)，壁厚15mm的复合材料管材。管内壁(～2mm)室温铸态强度为132MPa，延伸率为1.3％，颗粒体积分数约60％；管外壁(～5mm)室温铸态强度为95MPa，延伸率为3.1％，颗粒体积分数约30％；管中部(～8mm)室温铸态强度为214MPa，延伸率为19％，无增强相颗粒。

Claims (5)

1.一种颗粒增强铝基耐磨管材，其特征在于：在铝基体中含有10～60％wt的自生Mg₂Si颗粒增强相，且Mg₂Si主要分布于管内壁和外壁区域。

2.按照权利要求1所述颗粒增强铝基耐磨管材，其特征在于：Mg₂Si含量为25～35％wt。

3.一种权利要求1所述颗粒增强铝基耐磨管材的制备，其特征在于：将含有自生Mg₂Si相颗粒的铝基复合材料进行离心铸造：

浇注温度：1023～1150 K

模具状态：水冷或空冷

模具转速：1000～2500转/分。

4.按照权利要求3所述颗粒增强铝基耐磨管材的制备，其特征在于：所述自生Mg₂Si相颗粒的铝基复合材料依下述步骤制备：

--将基体合金Al加热熔化，过热度要求150～400 K；

--将Si加入熔体中，至全部熔化；

--将Mg加入熔体中，至全部熔化；

--加入韧化剂，韧化剂为Sr、Si、SiO₂、Ti、Ni中的一种或几种，加入量为

  熔体重的3～10％；

--保温3～15min以后，加入细化剂；

--保温20～45min以后，加入除气剂搅拌。

5.按照权利要求4所述颗粒增强铝基梯度复合材料的制备，其特征在于：所述细化剂为钠盐NaCl、Na₂SO₄、NaF、Na₂CO₃、Na₂SO₃，钾盐KCl、K₂SO₄、KF、K₂CO₃，金属Ti、Ni、赤磷、磷化物之一种或几种，加入量为熔体重的3～8％。