CN110964951B - 一种Fe-C-Ti/ZL108复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种Fe-C-Ti/ZL108复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Fe‑C‑Ti/ZL108复合材料及其制备方法，制备方法包括以下步骤：将Fe、Ti、C粉末混匀后，用铝箔纸包好，于150～250℃下烘烤1～3h；然后将ZL108铝合金熔化后并将铝液过热到780～900℃，加入经上述预处理后的Fe、C、Ti粉末，采用搅拌器搅拌均匀；再将搅拌后的浆料倒入超声振动辅助结晶装置中，超声处理2～5min后，冷却成型，得到Fe‑C‑Ti/ZL108复合材料。本发明所制备的复合材料具有硬度高，抗拉、压性能好，比强度高等优点，制备工艺简单、成本低，利于实现工业生产自动化，具有良好的应用前景。

Description

一种Fe-C-Ti/ZL108复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于新材料制备技术领域，具体涉及一种Fe-C-Ti/ZL108复合材料及其制备方法。
背景技术
ZL108是ZAlSi12Cu1Mg1铸造铝合金，含有大量的Si、Cu、Mg等合金元素，具有优良的铸造性能，其热膨胀系数小，耐磨性好，强度高，适合制作内燃发动机的活塞及其它要求耐磨的零件及要求尺寸、体积温度的零件。
但随着科技的不断进步，对内燃发动机的性能要求也越来越高，单纯采用ZL108合金制成内燃机活塞等已经不能满足特殊的使用场合。因此在保留ZL108合金优良铸造性能的基础上如何提升其强度是本领域技术人员急需解决的技术问题。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种Fe-C-Ti/ZL108复合材料及其制备方法，以实现提高ZL108合金强度的目的。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：提供一种Fe-C-Ti/ZL108复合材料及其制备方法，本发明中Fe-C-Ti/ZL108复合材料的制备方法包括以下步骤：
S1：活化混合粉末；所述混合粉末包括铁粉、钛粉和碳粉；
S2：将ZL108合金熔化并过热至780～900℃，加入活化后的混合粉末，混匀后超声处理2～5min，得Fe-C-Ti/ZL108复合材料。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，混合粉末的活化方法包括以下步骤：将混合粉末置于YG-1KG型混料机中，以1min的正反转间隔时间混合2～4h；然后将混合粉末用铝箔包好，于150～250℃下烘烤1～3h，完成粉末的活化。
进一步，混合粉末中铁粉、钛粉和碳粉的摩尔比为0.5～1:0.5～1:0.5～1。
进一步，混合粉末中铁粉、钛粉和碳粉的摩尔比为1:1:1。
进一步，铁粉的粒径为38～150μm，纯度不低于99％；所述钛粉的粒径为38～150μm，纯度不低于99％；所述碳粉的粒径为2～20μm，纯度不低于99％。
进一步，S2中所加入的活化后的混合粉末占整个体系的质量百分比为1～10％。
进一步，S2中所加入的活化后的混合粉末占整个体系的质量百分比为5％。
进一步，S2中超声处理的频率为40Hz。
本发明将一定比例的Fe粉、Ti粉、C粉在高温下加入到ZL108中，Fe-C-Ti-Al将反应生成Al0.5Fe3Si0.5、Al3Ti、TiAl、FeAl等金属化合物，这些化合物具有很高的弹性模量、硬度及优异的耐磨性，形成多相增强铝基复合材料，可进一步提高ZL108的性能，增大其使用范围。
本发明最终所得材料中的增强相不是外加进去，而是由基体合金与加入的Fe、Ti、C等元素通过原位反应技术发生反应，而且生成的是一种或几种弥散的增强相，形成原位自生复合材料。此方法最大优点是增强相在基体中形成，避免了增强相的污染，利于形成良好的界面结合。
由于ZL108具有较大的吸气倾向，在Fe-C-Ti/ZL108复合材料结晶时采用超声辅助技术，超声在熔体中传播时会产生声空化和声流等次级效应。一方面，超声波的声流效应会引起熔体在宏观上的环流，吸入的气体在环流的过程中聚集形成气泡，上浮并排出熔体，复合材料的界面因气体存在而受到污染或发生界面反应等不良影响等缺陷减少；另一方面，超声的声空化效应细化了第二相，降低了熔体的黏度，有利于凝固后期金属液的流动，促进了补缩，缩松缩孔类孔洞较少。
本发明的有益效果是：
1.本发明中的复合材料是通过原位反应制备而成的，增强相在基体中均匀分布，与基体结合良好，界面干净。
2.本发明中复合材料的制备工艺简单，易于操作，经济性好，利于实现工业生产自动化。
3.本发明所得到的复合材料性能优异，其抗拉强度σb＝175.90MPa，相比ZL108的σb＝137.26MPa提高了28.2％；抗压强度σbc＝489.19MPa，相比ZL108的σbc＝384.42MPa提高了27.3％；硬度为35.8HRB，相比ZL108的硬度25.5HRB提高了40.4％；复合材料硬度高，抗拉、压性能好，比强度高等，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为实施一制备的复合材料微观结构图；
图2为实施一制备的复合材料物相分析的XRD分析图谱；
图3为实施一制备的复合材料拉伸应力-应变曲线；
图4为实施一制备的复合材料压缩应力-应变曲线；
图5为实施一制备的复合材料与ZL108合金的硬度对比。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
实施例一
一种Fe-C-Ti/ZL108复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：选择Fe粉(纯度≥99.0％，56μm)、Ti粉(纯度≥99.0％，48μm)、C粉(纯度≥99.0％，10μm)作为复合材料的增强材料；将Fe粉、Ti粉和C粉按照1:1:1的摩尔比例放入YG-1KG型混料机中混合2h(正反转间隔时间为1min)后，然后将混合均匀的Fe、Ti、C粉末用铝箔纸包好，放置在200℃的箱式电阻炉内烘烤2h，提高Fe、Ti、C原子的活性。
S2：先将井式电阻炉升温到720℃，把ZL108铝合金放入电阻炉中的坩埚里，待ZL108完全熔化后，扒渣，再将铝液升温到840℃，加入经上述预处理后的Fe、C、Ti粉末(质量分数Wt＝9％)，采用搅拌器搅拌3min，搅拌速度V＝100r/min，最后，将搅拌完成的浆料倒入超声振动辅助结晶装置中，以40Hz的频率超声处理2min，冷却成型，即得Fe-C-Ti/ZL108复合材料。
实施例二
S1：选择Fe粉(纯度≥99.0％，56μm)、Ti粉(纯度≥99.0％，48μm)、C粉(纯度≥99.0％，10μm)作为复合材料的增强材料；将Fe粉、Ti粉和C粉按照1:0.5:0.5的摩尔比例放入YG-1KG型混料机中混合2h(正反转间隔时间为1min)后，然后将混合均匀的Fe、Ti、C粉末用铝箔纸包好，放置在200℃的箱式电阻炉内烘烤2h，提高Fe、Ti、C原子的活性。
S2：先将井式电阻炉升温到720℃，把ZL108铝合金放入电阻炉中的坩埚里，待ZL108完全熔化后，扒渣，再将铝液升温到840℃，加入经上述预处理后的Fe、C、Ti粉末(质量分数Wt＝5％)，采用搅拌器搅拌3min，搅拌速度V＝100r/min，最后，将搅拌完成的浆料倒入超声振动辅助结晶装置中，以40Hz的频率超声处理2min，冷却成型，即得Fe-C-Ti/ZL108复合材料。
实施例三
S1：选择Fe粉(纯度≥99.0％，56μm)、Ti粉(纯度≥99.0％，48μm)、C粉(纯度≥99.0％，10μm)作为复合材料的增强材料；将Fe粉、Ti粉和C粉按照0.5:1:0.5的摩尔比例放入YG-1KG型混料机中混合2h(正反转间隔时间为1min)后，然后将混合均匀的Fe、Ti、C粉末用铝箔纸包好，放置在200℃的箱式电阻炉内烘烤2h，提高Fe、Ti、C原子的活性。
S2：先将井式电阻炉升温到720℃，把ZL108铝合金放入电阻炉中的坩埚里，待ZL108完全熔化后，扒渣，再将铝液升温到840℃，加入经上述预处理后的Fe、C、Ti粉末(质量分数Wt＝5％)，采用搅拌器搅拌3min，搅拌速度V＝100r/min，最后，将搅拌完成的浆料倒入超声振动辅助结晶装置中，以40Hz的频率超声处理2min，冷却成型，即得Fe-C-Ti/ZL108复合材料。
实施例四
一种Fe-C-Ti/ZL108复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：选择Fe粉(纯度≥99.0％，56μm)、Ti粉(纯度≥99.0％，48μm)、C粉(纯度≥99.0％，10μm)作为复合材料的增强材料；将Fe粉、Ti粉和C粉按照1:1:1的摩尔比例放入YG-1KG型混料机中混合2h(正反转间隔时间为1min)后，然后将混合均匀的Fe、Ti、C粉末用铝箔纸包好，放置在200℃的箱式电阻炉内烘烤2h，提高Fe、Ti、C原子的活性。
S2：先将井式电阻炉升温到720℃，把ZL108铝合金放入电阻炉中的坩埚里，待ZL108完全熔化后，扒渣，再将铝液升温到780℃，加入经上述预处理后的Fe、C、Ti粉末(质量分数Wt＝5％)，采用搅拌器搅拌3min，搅拌速度V＝100r/min，最后，将搅拌完成的浆料倒入超声振动辅助结晶装置中，以40Hz的频率超声处理2min，冷却成型，即得Fe-C-Ti/ZL108复合材料。
实施例五
一种Fe-C-Ti/ZL108复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：选择Fe粉(纯度≥99.0％，120μm)、Ti粉(纯度≥99.0％，120μm)、C粉(纯度≥99.0％，5μm)作为复合材料的增强材料；将Fe粉、Ti粉和C粉按照1:1:1的摩尔比例放入YG-1KG型混料机中混合2h(正反转间隔时间为1min)后，然后将混合均匀的Fe、Ti、C粉末用铝箔纸包好，放置在200℃的箱式电阻炉内烘烤2h，提高Fe、Ti、C原子的活性。
S2：先将井式电阻炉升温到720℃，把ZL108铝合金放入电阻炉中的坩埚里，待ZL108完全熔化后，扒渣，再将铝液升温到780℃，加入经上述预处理后的Fe、C、Ti粉末(质量分数Wt＝2％)，采用搅拌器搅拌3min，搅拌速度V＝100r/min，最后，将搅拌完成的浆料倒入超声振动辅助结晶装置中，以40Hz的频率超声处理2min，冷却成型，即得Fe-C-Ti/ZL108复合材料。
实施例六
一种Fe-C-Ti/ZL108复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：选择Fe粉(纯度≥99.0％，40μm)、Ti粉(纯度≥99.0％，40μm)、C粉(纯度≥99.0％，20μm)作为复合材料的增强材料；将Fe粉、Ti粉和C粉按照1:1:1的摩尔比例放入YG-1KG型混料机中混合2h(正反转间隔时间为1min)后，然后将混合均匀的Fe、Ti、C粉末用铝箔纸包好，放置在200℃的箱式电阻炉内烘烤2h，提高Fe、Ti、C原子的活性。
S2：先将井式电阻炉升温到720℃，把ZL108铝合金放入电阻炉中的坩埚里，待ZL108完全熔化后，扒渣，再将铝液升温900℃，加入经上述预处理后的Fe、C、Ti粉末(质量分数Wt＝5％)，采用搅拌器搅拌3min，搅拌速度V＝100r/min，最后，将搅拌完成的浆料倒入超声振动辅助结晶装置中，以40Hz的频率超声处理2min，冷却成型，即得Fe-C-Ti/ZL108复合材料。
结果分析
经过检测，所有实施例中得到的Fe-C-Ti/ZL108复合材料力学性能类似，以实施例一为例，说明所得复合材料的性能。
图1为实施一制备的复合材料微观结构图。从图中可以看出金属间化合物呈条状或团絮状，均匀在基体中均匀分布，与基体结合良好，界面干净。
图2为实施一制备的复合材料物相分析的XRD分析图谱。Fe、Ti、C、Al在高温下反应生成了Al0.5Fe3Si0.5、Fe2SiTi、Al3Ti、FeTiSi、Fe7C3等金属化合物，这些金属化合物构成了复合材料的增强相。
图3为实施一制备的复合材料拉伸应力-应变曲线，其抗拉强度σb＝175.90MPa，相比ZL108的σb＝137.26MPa提高了28.2％。
图4为实施一制备的复合材料压缩应力-应变曲线，其抗压强度σbc＝489.19MPa，相比ZL108的σbc＝384.42MPa提高了27.3％。
图5为实施一制备的复合材料硬度，其值为35.8HRB，相比ZL108的硬度25.5HRB提高了40.4％。
综上，按本发明方法制备的Fe-C-Ti/ZL108复合材料，金属间化合物增强相原位生成，与基体界面清洁，相容性好；硬度高，抗拉、压性能好，比强度高；制备工艺简单、成本低，利于实现工业生产自动化。
虽然结合实施例对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (7)

1.一种Fe-C-Ti/ZL108复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：活化混合粉末；所述混合粉末包括铁粉、钛粉和碳粉；所述混合粉末中铁粉、钛粉和碳粉的摩尔比为0.5～1:0.5～1:0.5～1；所述混合粉末的活化方法包括以下步骤：将混合粉末置于YG-1KG型混料机中，以1min的正反转间隔时间混合2～4h；然后将混合粉末用铝箔包好，于150～250℃下烘烤1～3h，完成粉末的活化；
S2：将ZL108合金熔化并过热至780～900℃，加入活化后的混合粉末，混匀后超声处理2～5min，得Fe-C-Ti/ZL108复合材料。
2.根据权利要求1所述的Fe-C-Ti/ZL108复合材料的制备方法，其特征在于：所述混合粉末中铁粉、钛粉和碳粉的摩尔比为1:1:1。
3.根据权利要求1或2所述的Fe-C-Ti/ZL108复合材料的制备方法，其特征在于：所述铁粉的粒径为38～150μm，纯度不低于99％；所述钛粉的粒径为38～150μm，纯度不低于99％；所述碳粉的粒径为2～20μm，纯度不低于99％。
4.根据权利要求1所述的Fe-C-Ti/ZL108复合材料的制备方法，其特征在于：S2中所加入的活化后的混合粉末占整个体系的质量百分比为1～10％。
5.根据权利要求4所述的Fe-C-Ti/ZL108复合材料的制备方法，其特征在于：S2中所加入的活化后的混合粉末占整个体系的质量百分比为5％。
6.根据权利要求1所述的Fe-C-Ti/ZL108复合材料的制备方法，其特征在于：S2中超声处理的频率为40Hz。
7.采用权利要求1～6任一项所述的制备方法制得的Fe-C-Ti/ZL108复合材料。
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