CN109930054B - 一种摩擦材料用轻质高熵复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种摩擦材料用轻质高熵复合材料及其制备方法，属于金属材料制备领域。分子表达式为Al35Mg40Si20Cu2Zn2Li1。复合材料具有低密度的特点，该材料的特征为存在大量的弥散硬质强化相，且均匀分布于基体中，所形成的复合材料，具有良好的析出相弥散强化效果。另外，大量的硬质强化相，使得材料具有良好的耐磨性。均匀分布的析出相外围的铝基体具有良好的导热性，同时也能改善硬质相的塑性。在轻量化耐磨材料方面，存在潜在的应用前景。同时，本发明涉及一种耐磨高熵复合材料的制备方法，该复合材料涉及的添加元素均为廉价易得原料，利用真空感应方法熔炼并通过重力浇铸的方法，浇铸到钢模中得到复合材料铸锭，该制备工艺流程简单，可有效降低材料生产成本，材料制备成本低。
Description
技术领域
本发明属于金属材料制备领域，具体涉及一种摩擦材料用轻质高熵复合材料及其制备方法
背景技术
对于传统合金而言，高熵合金是一种全新合金的设计理念和思路，基于此申请人已申请一项发明专利，并已获得授权，专利号：201710946804.4，该合金体系表现了良好的力学性能。伴随着科技的发展进步，人们的衣食住行都发生着翻天覆地的变化，尤其是近几百年来，人们的出行方式也从依靠畜力转变为依靠机械驱动。动力机械的出现，其传动及制动系统中不可缺少的使用摩擦材料。火车、汽车、飞机等交通工具的出现，大大的提升了人们的出行效率。同时伴随着交通工具的更新换代，其极限运行速度的不断提升，也为交通工具的制动系统带来了极大的挑战。在制动体系中刹车片摩擦材料在汽车、列车、飞机等交通领域一直以来都是其发展必须关键材料之一，其性能的优劣不仅对驾驶性能、操控性能、稳定性和可靠性有影响，而且直接关系到司机及乘客的生命安全。
目前环境问题及能源危机已经成为了一个人们关注的话题，汽车、高速列车作为人们出行的必备交通工具。实现摩擦材料的轻量化，同时又能达到高效平稳的制动效果，一直以来是一个各国专家学者研究的热点问题。
发明内容
本发明提供了一种摩擦材料用轻质高熵复合材料及其制备方法。
一种摩擦材料用轻质高熵复合材料成分为Al35Mg40Si20Cu2Zn2Li1，其材料成分比例为摩尔比，允许误差范围为±0.3％。
如上所述一种摩擦材料用轻质高熵复合材料的制备方法步骤为：
(1).利用砂轮机将准备好的原料的表面氧化层去除，并利用超声波清洗设备在酒精溶液中清洗，以去除砂轮磨损产生的碎屑，然后烘干，利用电子天平将烘干后的原材料称重备用。
(2).将原料利用带有石墨坩埚的感应加热装置的电炉中，借助机械泵抽真空至20Pa，通入Ar气至0.3MPa。
(3).利用感应加热装置加热至合金完全熔化后保温。
(4).关闭加热电源，将合金熔体浇铸到钢模中，从而得到合金铸锭。
进一步地，步骤(1)中，复合材料的制备原料为工业纯铝(99.70％)，Li的添加采用Mg-20Li中间合金，其他原料纯度均为99.9％，合金配比误差控制在±0.3％。
进一步地，步骤(2)中，原料的添加顺序为中间合金在上，以保证其溶化后挥发较少，保证合金成分的稳定性。
进一步地，步骤(3)中，加热合金熔融状态下，熔炼温度控制在700-850℃，保温时间控制在20-30min内，以保证添加元素充分扩散。
进一步地，步骤(4)中合金的熔炼采用常规感应熔炼并采用重力铸造的方法进行浇铸，最终得到复合材料铸锭。
本发明在201710946804.4专利的基础上，着重于摩擦材料领域，结合高熵合金的设计思路，通过提高Mg、Si元素，以其在材料中形成高熵的富Mg/Si硬质析出相，从而制备的出具有大量高熵硬质析出相的高熵复合材料。同时添加微量的Li元素进一步提升硬质析出相的熵值，从而达到细化析出相的目的，最终设计开发了具有在摩擦材料方面具有应用前景的轻质高熵复合材料。其结构具有耐磨材料的结构特点：大量的均匀硬质高熵析出相，能够很好的提升材料的耐磨性，铝基体具有良好的导热性，便于摩擦过程中材料的散热，同时，也能改善硬质相的塑性。
本发明设计摩擦材料用的轻质高熵复合材料，采用常规感应熔炼方法和重力铸造制备得到，其制备工艺流程简单，原材料易得，密度低，具有良好的应用前景。
该复合材料的屈服强度超过600MPa，压缩塑性为3％，密度低于2.5g/cm3。其合金组织析出相均匀分布于基体中，具有潜在的良好的耐磨性，是一种很好的摩擦材料备选材料，具有良好的应用前景。
本发明设计的制备方法为常规制备方法——感应熔炼法，制备工艺简单。
附图说明
图1为本发明设计的轻质高熵复合材料Al35Mg40Si20Cu2Zn2Li1的扫描电镜(SEM)照片。
图2为本发明实施例中轻质高熵复合材料Al35Mg40Si20Cu2Zn2Li1的压缩应力-应变曲线图。
具体实施方式
实施例
本实例所制备的轻质高熵复合材料具体成分为Al35Mg40Si20Cu2Zn2Li1，具体制备步骤如下：将工业级纯铝(99.7％)及Mg-20Li中间合金剪成小块，用砂轮机打磨去除氧化皮，将高纯(99.9％)颗粒原料Mg、Zn、Cu、Si按预先计算的质量放在电子天平上称重，称重误差在±0.3％范围内，原料总质量为150g。然后将配好的原料依次放入石墨坩埚中，用机械泵抽真空至20Pa，再充入保护用高纯氩气至0.3MPa。进行感应加热，待复合材料熔化后，保温20-30min，保温温度控制在700-850℃，以确保加入的添加元素均匀扩散。最后关闭加热电源，将制得的复合材料熔体浇铸到直径为30mm的钢模中，最终得到复合材料铸锭。
Claims (6)
1.一种摩擦材料用轻质高熵复合材料，其特征在于该摩擦材料的分子式为Al35Mg40Si20Cu2Zn2Li1。
2.根据权利要求1所述摩擦材料用轻质高熵复合材料的制备方法，其特征在于制备步骤如下：
(1).利用砂轮机将准备好的原料的表面氧化层去除，并利用超声波清洗设备在酒精溶液中清洗，以去除砂轮磨损产生的碎屑，然后烘干，利用电子天平将烘干后的原材料称重备用；
(2).将原料放入带有石墨坩埚的感应加热装置的电炉中，借助机械泵抽真空至20Pa，通入Ar气至0.3MPa；
(3).利用感应加热装置加热至合金完全熔化后保温；
(4).关闭加热电源，将合金熔体浇铸到钢模中，从而得到合金铸锭。
3.根据权利要求2所述摩擦材料用轻质高熵复合材料的制备方法，其特征在于步骤(1)所述原料为工业纯铝99.70％，Li的添加采用Mg-20Li中间合金，其他原料纯度均为99.9％，合金配比误差控制在±0.3％。
4.根据权利要求2所述摩擦材料用轻质高熵复合材料的制备方法，其特征在于步骤(2)中所述原料的添加顺序为中间合金在上，以保证其熔化后挥发较少，进而保证合金成分的稳定性。
5.根据权利要求2所述摩擦材料用轻质高熵复合材料的制备方法，其特征在于步骤(3)所述的保温温度为700-850℃，保温时间在20-30min内，以保证添加元素充分扩散。
6.根据权利要求2所述摩擦材料用轻质高熵复合材料的制备方法，其特征在于合金的熔炼采用常规感应熔炼并采用重力铸造的方法得到复合材料铸锭。
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