CN108220831A - 一种硼酸铝晶须增强锌基合金复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硼酸铝晶须增强锌基合金复合材料及其制备方法。本发明包括以下步骤：将硼酸铝晶须、SiO2‑Na2O‑B2O3玻璃颗粒混合均匀后再与蒸馏水混合，搅拌均匀后，加入PVA、十六烷基磺酸钠，搅拌，超声震动，得混合浆料；将混合浆料团球化处理，得团球状晶须粗颗粒体；将团球状晶须粗颗粒体加入橡胶模具中，气压挤压，得晶须预制体毛坯，将晶须预制体毛坯煅烧后自然冷却，得硼酸铝晶须预制体；将锌基合金熔化成锌基合金液体；硼酸铝晶须预制体预热后放入金属模具中，浇入锌基合金液体，闭合模具，加压，保压至冷却凝固，得产品。本发明可有效消除硼酸铝晶须增强锌基合金复合材料在制备过程中产生缩松、孔洞、裂纹等缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及金属基复合材料制备技术领域，尤其是涉及一种硼酸铝晶须增强锌基合金复合材料及其制备方法。
背景技术
锌合金具有优越的力学性能、良好的低温铸造性能以及加工性能，但其耐热性能较差，只能在低于100℃的情况下使用，大大限制了其适用范围。锌基复合材料克服了锌合金在高温范围强度和硬度损失较大、线膨胀系数大的缺点，获得了较高的高温强度、优良的耐磨性能、较高的硬度和弹性模量，明显提高了疲劳寿命和抗高温蠕变能力，降低了线膨胀系数。目前，锌基复合材料的增强体主要有碳纤维、碳化硅、氧化铝颗粒以及陶瓷纤维、玻璃纤维等；这些类型的复合材料，虽然在一定程度上提高了锌基合金的性能，但改善不大。
硼酸铝晶须具有高强度、高模量和高伸长率的优点，其用作复合材料的增强体，可制造出强度远高于其他增强体类型的复合材料。晶须增强锌基复合材料的制备，其技术难点在于：1、晶须致密度较高，金属液不易完全填充预制件的空隙，而产生缩松和孔洞；2、传统湿法工艺制作的均匀晶须预制件的强度较低，当金属液在高压下填充晶须预制件时，易使其产生裂纹。而带有较多缺陷的晶须增强锌基复合材料却不能起到增强作用。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，本发明提供了一种硼酸铝晶须增强锌基合金复合材料及其制备方法。
一种硼酸铝晶须增强锌基合金复合材料的制备方法，包括以下步骤：
⑴将硼酸铝晶须、SiO2-Na2O-B2O3玻璃颗粒混合均匀后，再与蒸馏水混合，搅拌均匀后，加入PVA、十六烷基磺酸钠，搅拌5分钟，超声震动5分钟，制成混合浆料；
⑵将混合浆料利用喷雾干燥器进行团球化处理，制成50-70μ m团球状晶须粗颗粒体；
⑶将团球状晶须粗颗粒体加入橡胶模具中，进行气压挤压，开模得晶须预制体毛坯，将晶须预制体毛坯在850℃煅烧 1-2h后自然冷却，得硼酸铝晶须预制体；
⑷将锌基合金加热熔化成锌基合金液体备用；将硼酸铝晶须预制体预热，把预热好的硼酸铝晶须预制体放入金属模具中，浇入锌基合金液体，闭合模具密封系统，加压，并保压至冷却凝固，得硼酸铝晶须增强锌基合金复合材料。
优选地，步骤⑴中，所述硼酸铝晶须的重量百分数为75％，所述 SiO2-Na2O-B2O3玻璃颗粒的重量百分数为5％，所述PVA的重量百分数为10％，所述十六烷基磺酸钠的重量百分数为2％，其余为蒸馏水。
优选地，步骤⑴中，搅拌速度为4000r/min，搅拌2分钟后，加入PVA、十六烷基磺酸钠，然后降低搅拌速度至500-600r/min，搅拌 5分钟。
优选地，步骤⑵中，喷雾干燥器包括雾化盘、喷嘴，所述雾化盘直径为150mm，雾化盘转速为1000-1200r/min，喷嘴的浆料供给量为 40-60Kg/h。
优选地，步骤⑶中，所述气压挤压过程为开启气压压力系统，对橡胶模具施加1.5-2.5MPa的压力，保压100秒。
优选地，步骤⑷中，所述加压过程为在模具冒口部位开启高压气阀通入氮气，氮气压力为15-20MPa，保持压时间为150秒。
优选地，步骤⑷中，所述硼酸铝晶须预制体的体积占硼酸铝晶须预制体与锌基合金液体的体积之和的百分率为20-30％。
优选地，步骤⑷中，所述锌基合金由以下重量百分数的原料制成： Al 25％-28％、Cu 2.0-2.5％、Mg 0.01-0.02％，其余为Zn。
本发明还提供了一种由上述制备方法制得的硼酸铝晶须增强锌基合金复合材料。
本发明与现有技术相比，其有益效果为：
本发明在预制体中加入SiO2-Na2O-B2O3玻璃颗粒有效提高硼酸铝晶须预制体的强度，同时本发明对硼酸铝晶须原材料进行团球化处理，有效改善了晶须生坯的强度，并结合气压挤压技术开发出非均匀预支体，在保证硼酸铝晶须预制体强度和硼酸铝晶须增强锌基合金复合材料性能的情况下，开发出浇注后高气压浸渗工艺，在模具关闭密封系统后，在冒口中通入15-20MPa氮气压力，使液态的锌基合金浸渗入硼酸铝晶须预制体中，消除硼酸铝晶须预制体中的缩松和孔洞，可以防止金属液在高压下填充硼酸铝晶须预制体时出现裂纹等缺陷。
附图说明
图1为实施例一的AFM图；
图2为对比实施例一的AFM图；
图3为实施例二的AFM图；
图4为对比实施例二的AFM图。
具体实施方式
实施例一：
一种硼酸铝晶须增强锌基合金复合材料的制备方法，包括以下步骤：
⑴取7.5Kg的硼酸铝晶须、5Kg的SiO2-Na2O-B2O3玻璃颗粒进行混合，混合均匀后加入高速搅拌容器中，然后再向高速搅拌容器中加入9.5Kg的蒸馏水，启动搅拌器搅拌，搅拌速度为4000r/min，搅拌2分钟后，加入1Kg的PVA、0.5Kg的十六烷基磺酸钠，然后降低搅拌速度至600r/min，搅拌5分钟，而后向溶液中插入超声波振动器，开启震动器震动5分钟，制成混合浆料；其中，SiO2-Na2O-B2O3玻璃颗粒的粒子直径为2μm；
⑵将混合浆料加入喷雾干燥器中，利用喷雾干燥器对混合浆料进行团球化处理，制成70μm团球状晶须粗颗粒体；其中，喷雾干燥器的雾化盘直径为150mm，雾化盘转速为1200r/min，喷雾干燥器的喷嘴的浆料供给量为60Kg/h；
⑶将团球状晶须粗颗粒体加入气压压力机橡胶模具中，关闭模具，开启气压压力系统，对橡胶模具施加2.5MPa的压力，保压100 秒，开模得晶须预制体毛坯，将晶须预制体毛坯置于煅烧炉中在850℃下煅烧2h，而后晶须预制体毛坯随煅烧炉自然冷却，得硼酸铝晶须预制体；
⑷将锌基合金在520℃温度下加热熔化成锌基合金液体备用；取体积份数为80份的硼酸铝晶须预制体置于箱式保温炉中预热到 450℃，把预热好的硼酸铝晶须预制体放入金属模具中，浇入体积份数为186份的锌基合金液体，闭合模具密封系统，在模具冒口部位开启高压气阀通入氮气，氮气压力为20MPa，保压至冷却凝固，得硼酸铝晶须增强锌基合金复合材料。其中，锌基合金由以下质量分数的原料制成：Al28％、Cu2.5％、Mg0.02％，其余为Zn。
本发明实施例一中制备的硼酸铝晶须增强锌基合金复合材料的硼酸铝晶须预制体的体积份数为30％。
对比实施例一：按照传统湿法工艺制备硼酸铝晶须预制体体积份数为30％的对比硼酸铝晶须增强锌基合金复合材料。
实施例二：与实施例一不同之处在于：步骤(4)中，将锌基合金在520℃温度下加热熔化成锌基合金液体备用；取体积份数为80 份的硼酸铝晶须预制体置于箱式保温炉中预热到450℃，把预热好的硼酸铝晶须预制体放入金属模具中，浇入体积份数为320份的锌基合金液体，闭合模具密封系统，在模具冒口部位开启高压气阀通入氮气，氮气压力为20MPa，保压至冷却凝固，得硼酸铝晶须增强锌基合金复合材料。其中，锌基合金由以下质量分数的原料制成：Al28％、Cu2.5％、 Mg0.02％，其余为Zn。
本发明实施例二中制备的硼酸铝晶须增强锌基合金复合材料的硼酸铝晶须预制体的体积份数为20％。
对比实施例二：按照传统湿法工艺制备硼酸铝晶须预制体体积份数为20％的对比硼酸铝晶须增强锌基合金复合材料。
AFM观测
实施例一的硼酸铝晶须增强锌基合金复合材料进行AFM观测，结果见图1。由图1可知：本发明中硼酸铝晶须增强锌基合金复合材料不存在裂纹。
对比实施例一的对比硼酸铝晶须增强锌基合金复合材料进行 AFM观测，结果见图2。由图2可知：对比实施例一的对比硼酸铝晶须增强锌基合金复合材料存在裂纹。
实施例二的硼酸铝晶须增强锌基合金复合材料进行AFM观测，结果见图3。由图3可知：本发明中硼酸铝晶须增强锌基合金复合材料不存在裂纹。
对比实施例二的对比硼酸铝晶须增强锌基合金复合材料进行 AFM观测，结果见图4。由图4可知：对比实施例二的对比硼酸铝晶须增强锌基合金复合材料存在裂纹。
实施例一的硼酸铝晶须增强锌基合金复合材料与对比实施例一的对比硼酸铝晶须增强锌基合金复合材料的主要性能参数对比：
| 项目 | Rm(RT) | Rp(RT) | 有无裂纹 | 裂纹处HB |
| 传统湿法工艺 | 320 | 258 | 有 | 100 |
| 本发明工艺 | 550 | 480 | 无 | 180 |
由该上述材料参数对比情况可知：传统湿法工艺制备的硼酸铝晶须预制体体积份数为30％的对比硼酸铝晶须增强锌基合金复合材料存在裂纹，其裂纹处的硬度为100；而采用本发明制备方法制备的硼酸铝晶须预制体体积份数为30％的硼酸铝晶须增强锌基合金复合材料不存在裂纹，且采用本发明制备方法制备的硼酸铝晶须增强锌基合金复合材料硬度大为180。
实施例二的硼酸铝晶须增强锌基合金复合材料与对比实施例二的对比硼酸铝晶须增强锌基合金复合材料的主要性能参数对比：
| 项目 | Rm(RT) | Rp(RT) | 有无裂纹 | 裂纹处HB |
| 传统湿法工艺 | 300 | 246 | 有 | 100 |
| 本发明工艺 | 530 | 465 | 无 | 170 |
由该上述材料参数对比情况可知：传统湿法工艺制备的硼酸铝晶须预制体体积份数为20％的对比硼酸铝晶须增强锌基合金复合材料存在裂纹，其裂纹处的硬度为100；而采用本发明制备方法制备的硼酸铝晶须预制体体积份数为20％的硼酸铝晶须增强锌基合金复合材料不存在裂纹，且采用本发明制备方法制备的硼酸铝晶须增强锌基合金复合材料硬度大为170。
Claims (9)
1.一种硼酸铝晶须增强锌基合金复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
将硼酸铝晶须、SiO2-Na2O-B2O3玻璃颗粒混合均匀后，再与蒸馏水混合，搅拌均匀后，加入PVA、十六烷基磺酸钠，搅拌5分钟，超声震动5分钟，制成混合浆料；
将混合浆料利用喷雾干燥器进行团球化处理，制成50-70μm团球状晶须粗颗粒体；
将团球状晶须粗颗粒体加入橡胶模具中，进行气压挤压，开模得晶须预制体毛坯，将晶须预制体毛坯在850℃煅烧1-2h后自然冷却，得硼酸铝晶须预制体；
将锌基合金加热熔化成锌基合金液体备用；将硼酸铝晶须预制体预热，把预热好的硼酸铝晶须预制体放入金属模具中，浇入锌基合金液体，闭合模具密封系统，加压，并保压至冷却凝固，得硼酸铝晶须增强锌基合金复合材料。
2.根据权利要求1所述的硼酸铝晶须增强锌基合金复合材料的制备方法，其特征在于：步骤⑴中，所述硼酸铝晶须的重量百分数为75%，所述SiO2-Na2O-B2O3玻璃颗粒的重量百分数为5%，所述PVA的重量百分数为10%，所述十六烷基磺酸钠的重量百分数为2%，其余为蒸馏水。
3.根据权利要求1所述的硼酸铝晶须增强锌基合金复合材料的制备方法，其特征在于：步骤⑴中，搅拌速度为4000r/min，搅拌2分钟后，加入PVA、十六烷基磺酸钠，然后降低搅拌速度至500-600 r/min，搅拌5分钟。
4.根据权利要求1所述的硼酸铝晶须增强锌基合金复合材料的制备方法，其特征在于：步骤⑵中，喷雾干燥器包括雾化盘、喷嘴，所述雾化盘直径为150mm，雾化盘转速为1000-1200r/min，喷嘴的浆料供给量为40-60Kg/h。
5.根据权利要求1所述的硼酸铝晶须增强锌基合金复合材料的制备方法，其特征在于：步骤⑶中，所述气压挤压过程为开启气压压力系统，对橡胶模具施加1.5-2.5MPa的压力，保压100秒。
6.根据权利要求1所述的硼酸铝晶须增强锌基合金复合材料的制备方法，其特征在于：步骤⑷中，所述加压过程为在模具冒口部位开启高压气阀通入氮气，氮气压力为15-20MPa，保持压时间为150秒。
7.根据权利要求1所述的硼酸铝晶须增强锌基合金复合材料的制备方法，其特征在于：步骤⑷中，所述硼酸铝晶须预制体的体积占硼酸铝晶须预制体与锌基合金液体的体积之和的百分率为20-30%。
8.根据权利要求1所述的硼酸铝晶须增强锌基合金复合材料的制备方法，其特征在于：步骤⑷中，所述锌基合金由以下重量百分数的原料制成：Al 25%-28%、Cu 2.0-2.5%、Mg0.01-0.02%，其余为Zn。
9.一种由权利要求1至8任一项所述的制备方法制得的硼酸铝晶须增强锌基合金复合材料。
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Denomination of invention: A zinc based alloy composite material reinforced with aluminum borate whiskers and its preparation method Granted publication date: 20190723 Pledgee: Binzhou branch of China CITIC Bank Co.,Ltd. Pledgor: BINZHOU BOHAI PISTON Co.,Ltd. Registration number: Y2024980014544 |