CN109825729B - 一种准晶增强铝基复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种准晶增强铝基复合材料的制备方法，是针对铝合金强度低、硬度低，耐腐蚀性差的情况；在铝合金中掺杂铝铜铁铬准晶，经真空中频感应熔炼、浇铸成型，制成铝基复合材料，准晶增强铝合金为矩形块状，抗拉强度达268.7 Mpa，延伸率达6.97%，硬度达145HV；此制备方法工艺先进，数据精准翔实，是先进的准晶增强铝基复合材料的制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种准晶增强铝基复合材料的制备方法，属有色金属材料制备及应用的技术领域。
背景技术
铝及铝合金是最常用的有色金属结构材料，铝及铝合金具有耐腐蚀、易加工和强度适中等特性；常用于机械零部件、汽车发动机油缸、电器器件、日用品，在汽车、电子工业、机械加工中得到应用。
但铝及铝合金强度低、硬度低、耐腐蚀性差以及机械性能差，使在机械制造中的应用受到了很大的局限。
为了提高铝及铝合金的强度、硬度及机械性能，常在铝及铝合金中掺杂并添加有色金属及合金，也有的掺杂碳化硼等非金属材料，但均不能达到理想效果。
准晶具有硬度高、弹性模量高，力学性能稳定，具有耐蚀、耐热及耐磨等特性；如果将准晶掺杂到铝及铝合金中，就可以大幅度提高铝及铝合金的力学性能，这一技术还在科学研究中。
技术方案
本发明使用的化学物质材料为：铝合金、铝铜铁铬准晶、氧化锌、水玻璃、无水乙醇、去离子水、氩气，其组合准备用量如下：以克、毫升、厘米3为计量单位
制备方法如下：
(1)制造浇铸模具
浇铸模具为开合式，用工具钢制造，模具型腔呈矩形，型腔表面粗糙度为：Ra0.08-0.16μm；
(2)配制涂覆剂
称取氧化锌80g±0.01g、水玻璃25g±0.01g；量取去离子水300mL±10mL，加入混浆机中搅拌，搅拌后成粘稠状，即为涂覆剂；
(3)预处理铝铜铁铬准晶
①将铝铜铁铬准晶置于钢质平板上，用机械切块，块体尺寸为≤2mm×1mm×2mm；
②将切块后的铝铜铁铬准晶置于热处理炉中进行预热，预热温度300℃，预热时间40min；
(4)预处理铝合金
①将铝合金置于钢质平板上，切割成块，块体尺寸为≤8mm×6mm×8mm；
②将铝合金块体置于热处理炉中，进行预热，预热温度200℃，预热时间30min；
(5)预处理浇铸模具
将制备的涂覆剂涂覆在模具型腔表面，涂层厚度为1mm，涂覆后晾干；
(6)准晶增强铝基复合材料的熔炼
①将铝合金块体18000g±0.01g置于真空中频感应熔炼炉的熔炼坩埚内，密闭；
②开启真空泵，抽取炉内空气，使炉内压强达2Pa；
③开启氩气低吹泵，向炉内输入氩气，氩气输入速度200cm3/min；
④开启真空中频感应熔炼炉的中频感应加热器，加热温度750℃±1℃，熔炼时间120min；
⑤通过加料管向熔炼坩埚内加入铝铜铁铬准晶；继续熔炼10min；继续搅拌；熔炼后成熔液；
(7)浇铸
①停止加热，停止氩气底吹，使熔液在坩埚内静置10min；
②打开真空中频感应熔炼炉，提起熔炼坩埚，对准开合式模具进行浇铸，浇满为止；
③浇铸后，把浇铸模具及其内的铸件埋入细沙中，冷却至25℃；
(8)开模、修整
①打开开合式模具，取出铸件，并清理；
②用400目的砂纸打磨铸件表面；
③用无水乙醇清洗铸件周边及表面，使其清洁，成准晶增强铝基复合材料；
(9)检测、分析、表征
对制备的准晶增强铝基复合材料块体的形貌、金相组织结构、力学性能进行检测、分析、表征；
用金相显微分析仪进行金相组织分析；
用微机控制的电子万能试验机及引伸计进行抗拉强度及延伸率分析；
用显微维氏硬度计进行硬度分析；
用电镜分析仪进行x衍射强度分析；
结论：准晶增强铝基复合材料呈矩形块状，抗拉强度达268.7Mpa，延伸率达6.97％，硬度达145HV。
有益效果
本发明与背景技术相比具有明显的先进性，是针对铝合金强度低、硬度低、耐腐蚀性差的情况，在铝合金中掺杂铝铜铁铬准晶，经真空熔炼，浇铸成型，制成准晶增强铝基复合材料，准晶增强铝基复合材料为矩形块体，抗拉强度达268.7Mpa，延伸率达6.97％，硬度达145HV，此制备方法工艺先进，数据精准翔实，是先进的准晶增强铝基复合材料的制备方法。
附图说明
图1、准晶增强铝基复合材料真空熔炼状态图；
图2、准晶增强铝基复合材料金相组织图；
图3、准晶增强铝基复合材料断口形貌图；
图4、准晶增强铝基复合材料x射线衍射强度图谱；
图中所示，附图标记清单如下：
1、真空中频感应熔炼炉，2、炉座，3、炉腔，4、出气管，5、出气阀，6、工作台，7、熔炼坩埚，8、中频感应加热器，9、合金熔液，10、氩气，11、底吹电机，12、底吹管，13、真空泵，14、真空管，15、氩气瓶，16、氩气管，17、氩气阀，18、电控箱，19、显示屏，20、指示灯，21、电源开关，22、中频感应加热调控器，23、底吹电机调控器，24、真空泵调控器，25、第一导线，26、第二导线，27、加料管，28、加料阀。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步说明：
图1所示，为准晶增强铝基复合材料真空熔炼状态图，各部位置、连接关系正确，安装牢固。
准晶增强铝基复合材料的熔炼是在真空中频感应熔炼炉内进行的，是在中频感应加热、氩气保护、机械搅拌状态下完成的；
真空中频感应熔炼炉为立式，真空中频感应熔炼炉1的底部为炉座2，内部为炉腔3；在炉腔3的内底部设有工作台6，在工作台6上置放熔炼坩埚7，熔炼坩埚7外部由中频感应加热器8环绕，熔炼坩埚7内为合金熔液9；在真空中频感应熔炼炉1的右上部设有出气管4，并由出气阀5调控；在真空中频感应熔炼炉1的左部设有氩气瓶15，氩气瓶15上部设有氩气管16、氩气阀17，氩气管16连接底吹电机11，底吹电机11连接底吹管12，底吹管12穿过炉座2、工作台6通入熔炼坩埚7内，并对合金熔液5进行氩气底吹；在炉座2的右下部设有真空泵13，并通过真空管14连通炉腔3；在真空中频感应熔炼炉1的顶部设有加料仓27、加料阀28；
在真空中频感应熔炼炉1的右部设有电控箱18，在电控箱18上设有显示屏19、指示灯20、电源开关21、中频加热调控器22、底吹电机调控器23、真空泵调控器24；电控箱18通过第一导线25连接中频感应加热器8、通过第二导线26连接底吹电机11、真空泵13；炉腔3内由氩气10充填。
图2所示，为准晶增强铝基复合材料金相组织图，初生α-Al晶粒呈现球状或近球状，树枝状的α-Al基本消失，且初生α-Al晶粒分布均匀，晶粒尺寸明显细化。
图3所示，为准晶增强铝基复合材料断口形貌图，通过观察，可以发现断口图中存在河流花样、撕裂棱和韧窝等；ZL101时断口中韧窝数较多，在加入准晶后虽然有一定数量的韧窝存在，但韧窝都比较浅；图中存在有解理台阶和撕裂棱，光滑的小面状的准解理面增多，这应该是第二相颗粒的增多造成的；通过宏观的观察，试样断裂前并没有发生局部截面突然变小的现象，脆性断裂是该复合材料最主要的断裂方式。
图4所示，为准晶增强铝基复合材料X射线射线衍射强度图谱，从图中可以发现，复合材料的XRD衍射图谱中含有准晶I相，证明在制备过程中成功的加入了准晶I相；在复合材料的XRD中主要存在α-Al、θ相、λ相、d相和I相，其中α-Al衍射峰强度最高，准晶I相的衍射峰强度较低。
Claims (2)
1.一种准晶增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：
使用的化学物质材料为：铝合金、铝铜铁铬准晶、氧化锌、水玻璃、无水乙醇、去离子水、氩气，其组合准备用量如下：以克、毫升、厘米3为计量单位
铝合金：ZL101 18000g±0.01g
铝铜铁铬准晶：Al64Cu24Fe10Cr2 750g±0.01g
氧化锌：ZnO 80g±0.01g
水玻璃：Na2SiO3·9H2O 25g±0.01g
无水乙醇：C2H5OH 1000mL ±50mL
去离子水：H2O 300mL ±10mL
氩气：Ar 800000cm3±100 cm3
制备方法如下：
（1）制造浇铸模具
浇铸模具为开合式，用工具钢制造，模具型腔呈矩形，型腔表面粗糙度为：Ra0.08-0.16μm；
（2）配制涂覆剂
称取氧化锌80g±0.01g、水玻璃25g±0.01g；量取去离子水300mL±10mL，加入混浆机中搅拌，搅拌后成粘稠状，即为涂覆剂；
（3）预处理铝铜铁铬准晶
①将铝铜铁铬准晶置于钢质平板上，用机械切块，块体尺寸为≤2mm×1mm×2mm；
②将切块后的铝铜铁铬准晶置于热处理炉中进行预热，预热温度300℃，预热时间40min；
（4）预处理铝合金
①将铝合金置于钢质平板上，切割成块，块体尺寸为≤8mm×6mm×8mm；
②将铝合金块体置于热处理炉中，进行预热，预热温度200℃，预热时间30min；
（5）预处理浇铸模具
将制备的涂覆剂涂覆在模具型腔表面，涂层厚度为1mm，涂覆后晾干；
（6）准晶增强铝基复合材料的熔炼
①将铝合金块体18000g±0.01g置于真空中频感应熔炼炉的熔炼坩埚内，密闭；
②开启真空泵，抽取炉内空气，使炉内压强达2Pa；
③开启氩气低吹泵，向炉内输入氩气，氩气输入速度200cm3/min；
④开启真空中频感应熔炼炉的中频感应加热器，加热温度750℃±1℃，熔炼时间120min；
⑤通过加料管向熔炼坩埚内加入铝铜铁铬准晶；继续熔炼10min；继续搅拌；熔炼后成熔液；
（7）浇铸
①停止加热，停止氩气底吹，使熔液在坩埚内静置10min；
②打开真空中频感应熔炼炉，提起熔炼坩埚，对准开合式模具进行浇铸，浇满为止；
③浇铸后，把浇铸模具及其内的铸件埋入细沙中，冷却至25℃；
（8）开模、修整
①打开开合式模具，取出铸件，并清理；
②用400目的砂纸打磨铸件表面；
③用无水乙醇清洗铸件周边及表面，使其清洁，成准晶增强铝基复合材料；
（9）检测、分析、表征
对制备的准晶增强铝基复合材料块体的形貌、金相组织结构、力学性能进行检测、分析、表征；
用金相显微分析仪进行金相组织分析；
用微机控制的电子万能试验机及引伸计进行抗拉强度及延伸率分析；
用显微维氏硬度计进行硬度分析；
结论：准晶增强铝基复合材料呈矩形块状，抗拉强度达268.7 MPa，延伸率达6.97 %，硬度达145HV。
2.根据权利要求1所述的一种准晶增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于：
准晶增强铝基复合材料的熔炼是在真空中频感应熔炼炉内进行的，是在中频感应加热、氩气保护、机械搅拌状态下完成的；
真空中频感应熔炼炉为立式，真空中频感应熔炼炉（1）的底部为炉座（2），内部为炉腔（3）；在炉腔（3）的内底部设有工作台（6），在工作台（6）上置放熔炼坩埚（7），熔炼坩埚（7）外部由中频感应加热器（8）环绕，熔炼坩埚（7）内为合金熔液（9）；在真空中频感应熔炼炉（1）的右上部设有出气管（4），并由出气阀（5）调控；在真空中频感应熔炼炉（1）的左部设有氩气瓶（15），氩气瓶（15）上部设有氩气管（16）、氩气阀（17），氩气管（16）连接底吹电机（11），底吹电机（11）连接底吹管（12），底吹管（12）穿过炉座（2）、工作台（6）通入熔炼坩埚（7）内，并对合金熔液（5）进行氩气底吹；在炉座（2）的右下部设有真空泵（13），并通过真空管（14）连通炉腔（3）；在真空中频感应熔炼炉（1）的顶部设有加料仓（27）、加料阀（28）；
在真空中频感应熔炼炉（1）的右部设有电控箱（18），在电控箱（18）上设有显示屏（19）、指示灯（20）、电源开关（21）、中频加热调控器（22）、底吹电机调控器（23）、真空泵调控器（24）；电控箱（18）通过第一导线（25）连接中频感应加热器（8）、通过第二导线（26）连接底吹电机（11）、真空泵（13）；炉腔（3）内由氩气（10）充填。
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