CN113005373B - 金属基纤维增强烧结复合热模锻工艺及其金属纤维复合材料 - Google Patents

金属基纤维增强烧结复合热模锻工艺及其金属纤维复合材料 Download PDF

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Abstract

本发明提供了金属基纤维增强烧结复合热模锻工艺，属于复合材料制备工艺技术领域。该工艺，包括如下步骤：S1、选取无取向絮状连续纤维进行表面金属化；S2、将S1中制得的表面金属化后的无取向絮状连续纤维与金属粉末混合后，得到金属纤维复合材料；S3、将S2得到的金属纤维复合材料放入真空炉中进行烘干；S4、将S3中烘干后的金属纤维复合材料放入真空气氛炉中进行烧结并保温；S5、将S4中经过烧结后的金属纤维复合材料冷却后进行热锻压成型，冷却至室温后进行T6热处理制成机械零件。本发明提供的金属基纤维增强烧结复合热模锻工艺制得的，金属纤维复合材料，具有高的比强度，和比刚度，较好的耐疲劳性和耐磨性，良好的阻尼性，较低的热膨胀系数，较小的比重。

Description

金属基纤维增强烧结复合热模锻工艺及其金属纤维复合材料
技术领域
本发明涉及复合材料的制备工艺技术领域，尤其涉及金属基纤维增强烧结复合热模锻工艺及其利用该工艺制备的金属纤维复合材料。
背景技术
在各个工业部门广泛使用着大量的、不同种类的金属材料及其构件,这些材料或构件在载荷、温度、介质等力学及环境因素作用下,经常以磨损、腐蚀、断裂、变形等方式失效。
连续纤维增强金属基复合材料具有高的比强度，和比刚度，较好的耐疲劳性和耐磨性，良好的阻尼性，较低的热膨胀系数，较小的比重等特点极大提高了金属材料的抗磨损、抗断裂、抗变形的能力。
连续纤维增强金属基复合材料关键点是界面问题，主要包括纤维与液态金属的润湿性和在高温条件下纤维与基体的反应。润湿性差会导致纤维与基体粘结不牢，有空隙严重影响复合材料的性能。当界面发生化学反应时会在纤维表面生成大量脆性相，易引起应力应变集中，导致界面裂纹。同时，当界面结合较弱不能有效传递载荷时，裂纹易沿纤维轴向传播，导致界面脱粘和纤维被拔出。但是，当界面结合过强时，界面失去了调节应力分布的能力。当有裂纹产生时，裂纹会穿过基体和纤维，导致材料断裂。
界面是纤维增强复合材料极其重要的组成部分,它的应力分解、传递、吸收、阻挡等功能对材料的性能有极大影响。磨损时,复合材料中的裂纹扩展将受到纤维基体界面的阻滞。因为裂纹前端的最大应力接近基体的抗拉强度,低于纤维的断裂应力。裂纹扩展至界面时,在应力集中作用下,基体与纤维发生脱粘,改变了裂纹走向,沿纤维表面纵向扩展。界面脱粘和基体中产生局部塑性变形使应力集中得以松弛；界面脱粘还增加了断面表面积,可吸收更多的弹性应变能,消耗裂纹扩展动力,使裂纹扩展减慢或停止。纤维与基体结合得越好,界面的耗能作用越强,可使材料不至于产生较大的“剥层”破坏,从而表现了优良的耐磨性能。
因此，适当的界面结合强度才能充分发挥连续纤维增强金属基复合材料的性能,复合材料中纤维体积率越高,纤维基体的界面越多,阻滞裂纹扩展的作用越大,复合材料的耐磨性越好、抗拉及屈服强度越高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于解决上述背景技术中存在的不足，为此，本发明提供了金属基纤维增强烧结复合热模锻工艺以及利用该金属基纤维增强烧结复合热模锻工艺制得的金属纤维复合材料，具有高的比强度，和比刚度，较好的耐疲劳性和耐磨性，良好的阻尼性，较低的热膨胀系数，较小的比重。
为实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案：
金属基纤维增强烧结复合热模锻工艺，包括如下步骤：
S1、选取无取向絮状连续纤维进行表面金属化，制得表面金属化后的无取向絮状连续纤维；
S2、将S1中制得的表面金属化后的无取向絮状连续纤维与金属粉末混合后，得到金属纤维复合材料；
S3、将S2得到的金属纤维复合材料放入真空炉中进行烘干，温度控制在200℃以下；
S4、将S3中烘干后的金属纤维复合材料放入温度为700-750℃的真空气氛炉中进行烧结并保温；
S5、将S4中经过烧结后的金属纤维复合材料冷却至430-480℃后进行热锻压成型，冷却至室温后进行T6热处理制成机械零件。
优选地，所述表面金属化采用化学镀铜的方式。
优选地，所述化学镀铜包括先碱式镀铜后酸式镀铜。
优选地，S2中的混合方法为：将S1中制得的无取向絮状连续纤维与金属粉末混合后，放入由水、水玻璃和金属粉末构成的混合液中浸湿，晾干后，在金属纤维复合材料四周扑撒金属粉末，用压力机压实挤出空气并成型。
优选地，所述无取向絮状连续纤维为碳纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维和碳化硅纤维中的一种。
优选地，所述金属粉末为铝合金粉、铜合金粉和铝镁合金粉中的一种。
优选地，所述S2之后还包括二次浸湿的步骤。
优选地，所述S1之后还包括将所述表面金属化后的无取向絮状连续纤维进行钝化处理的步骤。
优选地，S4中保温时间为5-10分钟。
本发明还提供了利用上述金属基纤维增强烧结复合热模锻工艺制得的金属纤维复合材料。
本发明还提供了利用上述金属基纤维增强烧结复合热模锻工艺制得的金属纤维复合材料。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1.本发明采用金属粉末冶金及真空烧结热模锻压工艺，以无取向絮状连续纤维作为增强相，金属为基体的连续纤维金属复合材料。纤维选用表面金属化后的无取向絮状连续碳纤维、陶瓷纤维、碳化硅纤维以及玻璃纤维等中的一种，表面金属化后的无取向絮状连续纤维在复合材料中起到增强基体的比强度，比刚度，和耐疲劳性能，其多界面结构充分分解、传递、吸收、阻挡外界应力，阻滞裂纹扩展,提高耐磨性能的作用。
2.本发明中金属粉末作为金属基体与纤维的粘合剂的组分，为纤维提供保护以抵抗烧结过程中热力对纤维的强热冲击，确保纤维完整，并隔绝纤维周围的空气形成局部真空防止氧化反应发生。
3.本发明采用金属粉末填充在表面金属化后的无取向絮状连续纤维的空隙间，经压力排气，排胶，压实成型得到金属纤维复合材料，后将金属纤维复合材料烘干后放入真空气氛炉中高温固液线烧结。利用高温将热量传导至纤维周边的金属粉末使之溶化,并与纤维溶合的固液复合体，金属粉末均匀裹附在纤维周围，为纤维提供保护以抵抗浇铸过程中金属液对纤维的强热冲击，确保纤维完整，并隔绝纤维周围的空气形成局部真空防止氧化反应发生。纤维周边的金属粉末熔化后减小了对纤维丝的束缚，纤维丝在自身刚性，弹性作用下自由伸缩变形，弥散在金属中，复合体经过冷却后在430～480℃热锻压制成机械零件,或作为轧材坯料采用轧机轧制成板材。
4.本发明中所得的金属纤维复合材料中,纤维与基体结合良好,并对基体金属具有增强作用；金属纤维复合材料的界面可阻滞裂纹扩展,金属纤维复合材料具有高的比强度，和比刚度，较好的耐疲劳性和耐磨性，良好的阻尼性，较低的热膨胀系数，较小的比重。基体中的合金元素有利于形成良好界面,改善金属纤维复合材料的性能。
具体实施方式
本发明提供了一种金属基纤维增强烧结复合热模锻工艺及其利用该工艺制备的金属纤维复合材料，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的技术方案已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现本发明的技术方案。
本发明提供了一种金属基纤维增强烧结复合热模锻工艺，包括如下步骤：
S1、选取无取向絮状连续纤维进行表面金属化，制得表面金属化后的无取向絮状连续纤维；
S2、将S1中制得的表面金属化后的无取向絮状连续纤维与金属粉末混合后，得到金属纤维复合材料；
S3、将S2得到的金属纤维复合材料放入真空炉中进行烘干，温度控制在200℃以下；
S4、将S3中烘干后的金属纤维复合材料放入温度为700-750℃的真空气氛炉中进行烧结并保温；
S5、将S4中经过烧结后的金属纤维复合材料冷却至430-480℃后进行热锻压成型，冷却至室温后进行T6热处理制成机械零件。
在本发明中，无取向絮状连续纤维可以由纤维制品经拆丝后反复加热揉搓，碾压，搅拌后使纤维单丝摆脱纤维外层的粘合剂的束缚，使纤维丝离股，蓬松，制得无取向絮状连续纤维。例如：选用废旧多股碳纤维丝，废旧碳纤维布或其它废旧碳纤维制品等，经拆丝后反复加热(通过加热使纤维单丝间的粘合剂溶化，使单丝摆脱粘合剂的束缚，温度为300度以下)揉搓，碾压，搅拌后使纤维单丝摆脱纤维外层的粘合剂的束缚，使纤维丝离股，蓬松，制得无取向絮状连续碳纤维。
上述无取向絮状连续纤维的制备方法仅仅只是示例性的，对其不做限定。
本发明中，S5中对于冷却时间没有限制，冷却至室温即可进行T6热处理。
在本发明中，所述表面金属化采用化学镀铜的方式。
在本发明中，所述化学镀铜包括先碱式镀铜后酸式镀铜，优选为，取2重量份的无取向絮状连续纤维与3重量份的锌粉混合搅拌，然后加入添加剂(烷基脂肪酸盐+醋酸钠)搅拌2分钟后，加入5％浓度的硫酸铜溶液250mL，完成镀铜操作。
在本发明中，S2中的混合方法为：将S1中制得的无取向絮状连续纤维与金属粉末混合后，放入由水、水玻璃和金属粉末构成的混合液中浸湿，晾干后，在金属纤维复合材料四周扑撒金属粉末，用压力机压实挤出空气并成型。
本发明中，可以先将多块金属纤维复合材料叠加起来，再在其四周扑撒金属粉末。
在本发明中，所述无取向絮状连续纤维为碳纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维和碳化硅纤维中的一种。
在本发明中，所述金属粉末为铝合金粉、铜合金粉和铝镁合金粉中的一种。
若S2中的金属纤维复合材料浸湿后填充不饱满，在本发明中，所述S2之后还包括二次浸湿的步骤。
为防止S1中无取向絮状连续纤维表面金属化后出现氧化的现象，在本发明中，所述S1之后还包括将所述表面金属化后的无取向絮状连续纤维进行钝化处理的步骤，钝化处理优选为采用浓度为1.5％的苯并三氮唑溶液中进行钝化处理，本领域技术人员还可以选用其他的钝化方式进行钝化，在此不做具体的限定。
为便于金属充分熔化，在本发明中，S4中保温时间为5-10分钟，该保温时间仅仅只是优选，本领域技术人员还可以根据实际需要进行设置。
本发明中，提到的金属粉末均为同一种物质，即铝合金粉、铜合金粉和铝镁合金粉中的一种，本发明中对于搅拌时间和浸湿时间不做限定，以搅拌充分和填充饱满为准。
本发明还提供了利用上述金属基纤维增强烧结复合热模锻工艺制得的金属纤维复合材料。
下面结合实施例，进一步阐述本发明的技术方案：
实施例1
以型号为ZL101的铝合金作为金属基，无取向絮状纤维选择碳纤维为例进行说明。
铝基(ZL101)碳纤维烧结复合热锻压成型工艺：
S1、选用无取向絮状连续碳纤维进行表面金属化处理，纤维表面金属化首选采用化学镀铜,先碱式镀铜再酸式镀铜，既取2重量份碳纤维与3重量份的锌粉搅拌然后加入添加剂(烷基脂肪酸盐+醋酸钠)搅拌2分钟后加入5％浓度的硫酸铜溶液250mL，镀铜结束后，为防止氧化，放入1.5％苯并三氮唑溶液中进行钝化处理，得到的无取向絮状连续碳纤维洗净烘干备用；
S2、将表面金属化后的无取向絮状连续碳纤维与ZL101铝合金粉末充分混合，使纤维棉孔隙中充满ZL101铝合金粉末后，放入至由水、水玻璃和ZL101铝合金粉末构成的混合液中浸湿，(水玻璃与金属粉末要加水，调成液体)把无取向絮状连续碳纤维浸泡在混合液中一段时间以充分浸湿，然后晾干，如填充不饱满则需要进行二次浸湿，使所得纤维合金块周围扑撒ZL101铝合金粉末(可多块叠加使用)，后用压力机压实挤出空气并成型，得到金属纤维复合材料；
S3、将得到的金属纤维复合材料放入真空炉中烘干，温度控制在200度；
S4、将S3中烘干后的金属纤维复合材料放入真空气氛炉中，在固液线以下烧结，温度控制在700℃，并保温8分钟以使金属充分融化；
S5、将S4中经过烧结后的金属纤维复合材料冷却至480℃后进行热锻压成型，冷却至室温后进行T6热处理制成机械零件。
实施例2
同实施例1，不同之处在于烘干温度为180℃，烧结温度为750℃，并保温5分钟，冷却至480℃。
实施例3
同实施例1，不同之处在于烘干温度为120℃，烧结温度为730℃，并保温10分钟，冷却至460℃。
实施例4
同实施例1，不同之处在于烘干温度为80℃，烧结温度为730℃，并保温5分钟，冷却至430℃。
实施例5
同实施例1，不同之处在于烘干温度为60℃，烧结温度为750℃，并保温10分钟，冷却至460℃。
实施例6
同实施例1，不同之处在于烘干温度为60℃，烧结温度为780℃，并保温8分钟，冷却至430℃。
本发明提供的金属基纤维增强烧结复合热模锻工艺的原理为：
由于金属粉料均匀裹附在纤维周围，为纤维提供保护以抵抗烧结过程中对纤维的强热冲击，确保纤维完整，并隔绝纤维周围的空气形成局部真空防止氧化反应发生。金属粉末经瞬间高温烧结粉末颗粒间形成冶金结合，纤维周边的金属粉料经瞬间高温烧结固化与纤维溶合形成复合烧结体，复合烧结体经锻压成型后内部组织紧密，具有高的比强度，和比刚度，较好的耐疲劳性和耐磨性，良好的阻尼性，较低的热膨胀系数，较小的比重。
对比例1
型号为ZL101的铝合金，并测量其比重、抗拉强度和硬度。
对实施例1-6进行抗拉试验、抗拉试样试验和硬度试验，其各自的测试标准如下：
抗拉试验采用ISO6892,抗拉试样试验采用ISO2378及2379，硬度试验采用ISO6506。
测试结果如下表1所示：
表1，实施例1-9的性能测试结果
Figure BDA0002944164380000091
由表1内的内容和对比例1测得的型号为ZL101的铝合金的性能相比，实施例1-6的各项性能均优于对比例1型号为ZL101的铝合金的性能。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.金属基纤维增强烧结复合热模锻工艺，其特征在于，包括如下步骤：
S1、由纤维制品经拆丝后反复加热揉搓，碾压，搅拌后使纤维单丝摆脱纤维外层的粘合剂的束缚，使纤维丝离股，蓬松，制得无取向絮状连续纤维后，并将该无取向絮状连续纤维进行表面金属化，制得表面金属化后的无取向絮状连续纤维；
S2、将S1中制得的表面金属化后的无取向絮状连续纤维与金属粉末混合后，得到金属纤维复合材料；
S3、将S2得到的金属纤维复合材料放入真空炉中进行烘干，温度控制在200℃以下；
S4、将S3中烘干后的金属纤维复合材料放入温度为700-750℃的真空气氛炉中进行烧结并保温5-10分钟；
S5、将S4中经过烧结后的金属纤维复合材料冷却至430-480℃后进行热锻压成型，冷却至室温后进行T6热处理制成机械零件；
S2中的混合方法为：将S1中制得的无取向絮状连续纤维与金属粉末混合后，放入由水、水玻璃和金属粉末构成的混合液中浸湿，晾干后，在金属纤维复合材料四周扑撒金属粉末，用压力机压实挤出空气并成型；
所述无取向絮状连续纤维为碳纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维或碳化硅纤维；
所述金属粉末为铝合金粉。
2.根据权利要求1所述的金属基纤维增强烧结复合热模锻工艺，其特征在于，所述表面金属化采用化学镀铜的方式。
3.根据权利要求2所述的金属基纤维增强烧结复合热模锻工艺，其特征在于，所述化学镀铜包括先碱式镀铜后酸式镀铜。
4.根据权利要求1所述的金属基纤维增强烧结复合热模锻工艺，其特征在于，所述S2之后还包括二次浸湿的步骤。
5.根据权利要求1所述的金属基纤维增强烧结复合热模锻工艺，其特征在于，所述S1之后还包括将所述表面金属化后的无取向絮状连续纤维进行钝化处理的步骤。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的金属基纤维增强烧结复合热模锻工艺制得的金属纤维复合材料。
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