CN114086037A - 碳化硅颗粒增强铝基复合材料、其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及碳化硅颗粒增强铝基复合材料、其制备方法及应用。该复合材料以SiC颗粒、Al‑Si合金粉、Cu‑Ni粉和Al粉为原料，通过混料、模压成形、烧结、热锻得到，不仅具有较好的耐磨性，而且具有较好的高温强度，应用在制动盘上，可避免制动过程中高温导致的材料软化，并且该复合材料导热性好，可有效降低摩擦面温升。

Description

碳化硅颗粒增强铝基复合材料、其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，特别是涉及碳化硅颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。
背景技术
轻量化是实现汽车和其他交通车辆节能降耗最有效的手段之一。采用高性能轻金属材料代替钢铁材料应用于交通装备的发动机和制动盘等关键运动零部件，不仅可减轻整车重量，降低交通装备高速运动部件的动量，更能显著改善交通装备的动力性能，同时降低能耗。
碳化硅颗粒增强铝基复合材料密度低、比强度和比刚度高、热导率高，并具有优良的抗磨耐磨以及耐腐蚀性能，在轻量化结构件领域具有广阔的应用前景，采用碳化硅颗粒增强铝基复合材料替代传统的制动盘材料，也成为目前交通车辆轻量化的主要研究方向，然而，其在交通车辆制动盘上的应用并不乐观，这主要是由以下两个问题造成：一是传统的碳化硅颗粒增强铝基复合材料塑性和韧性较低，制动盘表面容易萌生热疲劳裂纹；二是传统的碳化硅颗粒增强铝基复合材料的耐温性能不佳，温度超过400℃时，材料的强度就下降明显。因此，寻找一种具有较好力学性能和耐温性能的新型碳化硅颗粒增强铝基复合材料成为当务之急。
发明内容
基于此，有必要提供一种高温力学性能优异的新型碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备方法。
一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
提供以下原料：碳化硅颗粒，Al-Si合金粉，Cu-Ni粉和铝粉，所述Al-Si合金粉中Si的质量含量为8％～20％，所述Cu-Ni粉中Ni的质量含量为0～20％；
将所述原料混合均匀后，依次进行模压成形、烧结、热锻，得到所述碳化硅颗粒增强铝基复合材料。
在其中一个实施例中，以质量百分含量计，各原料组成如下：
Figure BDA0003367760060000021
在其中一个实施例中，所述Al-Si合金粉为Si的质量含量为12.1％的Al-Si共晶粉；以质量百分含量计，各原料组成如下：
Figure BDA0003367760060000022
在其中一个实施例中，所述碳化硅颗粒的粒度为20μm～50μm；所述Al-Si合金粉的粒度为-200目；所述Cu-Ni粉的平均粒度为10μm～20μm；所述铝粉的粒度为10μm～15μm。
在其中一个实施例中，所述Al-Si合金粉中还含有总质量含量不大于2％的其它合金元素，所述其它合金元素选自Mg、Mn、Ti中的至少一种。
在其中一个实施例中，所述模压成形的单位压制压力为400MPa～500MPa，保压时间3s～15s。
在其中一个实施例中，所述烧结的条件为：在保护性气体氛围中，以5℃/min～15℃/min的加热速率先升温至150℃～200℃，保温45min～90min，再升温至480℃～520℃，保温45min～90min，最后以3℃/min～10℃/min的加热速率升温至550℃～570℃，保温60min～120min，随炉冷却。
在其中一个实施例中，所述热锻的温度为500℃～540℃，压力为350MPa～500MPa，保压时间为5s～15s。
上述碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备方法，以SiC颗粒、Al-Si合金粉、Cu-Ni粉和Al粉为原料，将上述原料混合均匀形成的混合料在模压成形时，易塑性变形的软粉末(如Al粉、Cu-Ni粉)能够充分分散在难变形粉末(如Al-Si合金粉、SiC颗粒)周围或填充在它们的间隙内，提升了混合粉末的压制性能，可获得较高的压坯密度，有效避免裂纹、边角开裂脱落等压制缺陷的产生，高压制密度也有利于压坯后续烧结，形成瞬时液相烧结，破坏铝粉和Al-Si合金粉末表面的致密Al2O3膜，促进粉末颗粒间的烧结，在进一步强化铝合金基体烧结的同时，使合金元素均匀化，最后通过热锻可有效消除孔洞，实现充分致密化。
上述方法制备得到的碳化硅颗粒增强铝基复合材料，硬质相SiC颗粒分散均匀且与铝合金基体结合紧密，铝合金基体还弥散分布Si相等硬质粒子，因而具有较好的耐磨性。因铝合金基体弥散分布了热稳定性较好的Si、Al2Cu相粒子，复合材料具有较好的高温强度，应用在制动盘上，可避免制动过程中高温导致的材料软化，并且该复合材料导热性好，可有效降低摩擦面温升。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，并给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
一实施方式的碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤S110～S150：
S110、提供以下原料：碳化硅(SiC)颗粒、Al-Si合金粉、Cu-Ni粉和铝(Al)粉。
其中，Al-Si合金粉中Si的质量含量为8％～20％。进一步的，Al-Si合金粉中还含有少量的其它合金元素，该些合金元素选自Mg、Mn、Ti中的至少一种，Al-Si合金粉中其它合金元素的质量含量≤2％。
进一步的，Al-Si合金粉为Si的质量含量为12.1％的Al-Si共晶粉。
Cu-Ni粉中Ni的质量含量为0～20％。可以理解，当Cu-Ni粉中Ni的质量含量为0时，其即为铜(Cu)粉。
进一步的，SiC颗粒的粒度为20μm～50μm。Al-Si合金粉的粒度为-200目。Cu-Ni粉的平均粒度为10μm～20μm。铝粉的粒度为10μm～15μm。
进一步的，SiC颗粒由-500目的SiC粉末组成或由等量的-500目的SiC粉末和-320目的碳化硅粉末组成。
需要说明的是，原料粉末粒度的合理选择是保障复合材料性能的一个关键因素。SiC颗粒过细，易在复合材料中团聚，应用在制动盘上，制动时容易从基体中脱出，从而加剧制动盘表面的磨损，影响制动盘的使用寿命；SiC颗粒过粗，则会降低其对基体的强硬化作用，制动时基体易发生塑性变形、粘滞流动，也会加剧制动盘的磨损，影响制动盘的使用寿命。采用平均粒度为10μm～20μm的Cu-Ni粉有利于保障复合材料组织结构的均匀性，混合料中Cu-Ni粉末颗粒分布弥散，压坯烧结过程中出现瞬时液相时，熔池小、流动迁移距离短，可避免液相大范围的流动迁移与聚集带来的SiC颗粒的团聚，也有利合金元素的烧结均匀化。采用粒度范围10μm～15μm的细铝粉，可保障混合料和压坯中SiC颗粒周围分布足够数量的金属及合金粉末颗粒，烧结及锻造后复合材料中的SiC颗粒与铝合金基体结合紧密，不易脱出。
进一步的，Al-Si合金粉由气雾化工艺制备。
S120、将上述原料混合均匀，得到混合料。
具体的，将上述原料按以下质量配比混合均匀：
Figure BDA0003367760060000051
进一步的，Al-Si合金粉选用Si质量含量为12.1％的Al-Si共晶粉，然后按以下质量配比混合均匀：
Figure BDA0003367760060000052
进一步的，本申请采用不锈钢或尼龙材质的混料罐对上述原料进行翻转混合，混料罐自转的转速为20r/min～90r/min，混料时间为8小时～24小时。
可以理解，混料罐的转速和混料时间可根据混料罐的尺寸及实际需要进行调整，只要能将上述原料混合均匀即可。
进一步的，为了更好的分散易团聚的SiC颗粒和Al粉，混料罐中还加入了直径6mm～10mm钢球或硬质合金球。
S130、将上述混合料进行模压成形，得到压坯。
其中，模压成形的单位压制压力为400MPa～500MPa，保压时间为3s～15s。
进一步的，为了方便模压成形后的压坯脱模，在压制前，需采用硬脂酸锌与无水乙醇的混合液对模冲表面和阴模内壁进行润滑。
S140、将上述压坯进行烧结，得到烧结体。
在本实施方式中，烧结的条件为：在保护性气体氛围中，以5℃/min～15℃/min的加热速率先升温至150℃～200℃，保温45min～90min，再升温至480℃～520℃，保温45min～90min，最后以3℃/min～10℃/min的加热速率升温至550℃～570℃，保温60min～120min，随炉冷却。
需要说明的是，在150℃～200℃保温45min～90min，主要用于脱除原料粉末表面物理吸附的空气，在480℃～520℃保温处理，可使铝、铜元素反应生成Al2Cu相；随后继续加热升温时，Al2Cu相可与Si相和Al基固溶体相于524℃附近反应生成三元共晶液相，若Al2Cu相有剩余，它还可与Al基固溶体相于548℃附近反应生成二元共晶液相，两种液相都可使金属、合金粉末间形成瞬时液相烧结，破坏Al粉和Al-Si合金粉末表面的致密Al2O3膜，促进粉末颗粒间的烧结。最后在550℃～570℃保温为固相烧结，可避免稳态液相烧结中铝合金熔体持续的迁移、聚集、及表面溢出，而且在进一步强化铝合金基体烧结的同时，也可使合金元素均匀化。此外，Al-Si合金粉末中少量的Mg、Ti元素除可强化铝合金基体外，也有破坏粉末表面Al2O3膜、促进粉末颗粒烧结的功效。
S150、将上述烧结体进行热锻，得到碳化硅颗粒增强铝基复合材料。
其中，热锻的温度为500℃～540℃，压力为350MPa～500MPa，保压5s～15s。
具体的，热锻在模具中进行，对模具和上述烧结体进行预热，模具的预热温度为500±10℃，烧结体的预热温度为520±10℃。
需要说明的是，由于混合料中含有高体积分数的硬度较高、压缩变形性能较差的粉末原料，混合料经压制、烧结后都含有一定的孔隙度，且相较于常规的粉末冶金铝合金，本申请的烧结体的变形抗力大、塑性流变性差，通过控制热锻的温度、压力和保压时间，可有效消除孔洞，大幅提高复合材料的密度，达到充分致密。
上述方法制备得到的碳化硅颗粒增强铝基复合材料不仅具有较好的耐磨性，而且具有较好的高温强度，应用在制动盘上，可避免制动过程中高温导致的材料软化，并且该复合材料导热性好，可有效降低摩擦面温升。
以下为具体实施例。
实施例1和实施例2的原料组成如表1所示。
表1
原料配比 实施例1 实施例2
-500目SiC颗粒(wt.％) 18.0 10.0
-320目SiC颗粒(wt.％) —— 10.0
Al-Si共晶粉(wt.％) 54.0 40.0
Cu-20Ni粉(wt.％) 5.0 5.0
Al粉(wt.％) 23.0 35.0
实施例1和实施例2的制备方法如下：
(1)将上述原料采用混料罐翻转混合均匀，得到混合料，混料罐自转的转速为90r/min，混料时间为21小时。
(2)将上述混合料模压成形，得到压坯，模压成形的单位压制压力为400MPa，保压时间为7s。
(3)将上述压坯进行烧结，得到烧结体，烧结的条件为：在氮气氛围中，以10℃/min的升温速率加热到200℃，保温60min,再将温度升高到490℃后保温60min,最后以3℃/min加热到570℃，保温120min，随炉冷却。
(4)将上述烧结体置于模具中进行热锻，得到碳化硅颗粒增强铝基复合材料，烧结体的加热温度为520℃，模具预热温度为500℃，压力为450MPa，保压时间为10s。
实施例1制备得到的碳化硅颗粒增强铝基复合材料可以表示为：Al-18SiC-7Si-4Cu-1Ni-0.25Mg-0.25Mn。实施例2制备得到的碳化硅颗粒增强铝基复合材料可以表示为：Al-20SiC-5.2Si-4Cu-1Ni-0.2Mg-0.2Mn。相关密度数据如表2所示。
表2
实施例1 实施例2
压坯密度(g/cm<sup>3</sup>) 2.42 2.55
压坯相对密度(％) 86.4 89.2
锻坯密度(g/cm<sup>3</sup>) 2.83 2.85
锻坯相对密度(％) 99.3 99.5
表3为实施例1和实施例2制备的碳化硅颗粒增强铝基复合材料经不同热处理工艺后的室温力学性能表。其中，T4表示固溶处理后自然时效至基本稳定的状态；T6表示固溶处理加完全人工时效，人工时效直接在大气中进行(T8、T9处理相同)，加热到165℃，保温8h，炉冷；T8表示固溶处理后，退火软化加热到280℃，保温4h，炉冷；T9表示循环软化处理，先加热到450℃，保温15min，取出样品室温冷却15min，循环上述步骤15次。其中，固溶处理的温度为525℃，保温7h，氮气氛保护，保温结束后取出样品，淬入50～80℃的温水中。
表3
Figure BDA0003367760060000091
表4为实施例1和实施例2制备的碳化硅颗粒增强铝基复合材料经不同热处理工艺分别在250℃、300℃、350℃、400℃下的高温强度表。
表4
Figure BDA0003367760060000092
表5为实施例1和实施例2制备的碳化硅颗粒增强铝基复合材料经不同热处理工艺后分别在25℃、200℃和300℃下的导热系数表。
表5
Figure BDA0003367760060000101
实施例3和实施例4的原料组成如表6所示。
表6
原料配比 实施例3 实施例4
SiC颗粒(wt.％) 22 15
Al-Si合金粉(wt.％) 55 40
Cu粉或Cu-20Ni粉(wt.％) 2 3
Al粉(wt.％) 21 42
实施例3和实施例4的制备方法如下：
(1)将上述原料(实施例3采用Si质量含量为8％的Al-Si合金粉；实施例4采用Si质量含量为20％的Al-Si合金粉)采用混料罐翻转混合均匀，得到混合料，混料罐自转的转速为65r/min，混料时间为24h。
(2)将上述混合料模压成形(实施例3的模压成形的单位压制压力为500MPa，保压时间为15s；实施例4的模压成形的单位压制压力为400MPa，保压时间为5s)，得到压坯。
(3)将上述压坯进行烧结，得到烧结体，烧结的条件为：在氮气氛围中，以10℃/min的升温速率加热到180℃，保温60min，再将温度升高到510℃后保温60min，最后以3℃/min加热到560℃，保温120min，随炉冷却。
(4)将上述烧结体进行热锻(实施例3的烧结体加热温度为530℃，模具预热温度500℃，压力为500MPa，保压时间为10s；实施例4的烧结体加热温度为500℃，模具预热温度500℃，压力为350MPa，保压时间为10s)，得到碳化硅颗粒增强铝基复合材料。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供以下原料：碳化硅颗粒、Al-Si合金粉、Cu-Ni粉和铝粉，所述Al-Si合金粉中Si的质量含量为8％～20％，所述Cu-Ni粉中Ni的质量含量为0～20％；
将所述原料混合均匀后，依次进行模压成形、烧结、热锻，得到所述碳化硅颗粒增强铝基复合材料。
2.根据权利要求1所述的碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，以质量百分含量计，各原料组成如下：
Figure FDA0003367760050000011
3.根据权利要求2所述的碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述Al-Si合金粉为Si的质量含量为12.1％的Al-Si共晶粉；以质量百分含量计，各原料组成如下：
Figure FDA0003367760050000012
4.根据权利要求1～3任一项所述的碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述碳化硅颗粒的粒度为20μm～50μm；所述Al-Si合金粉的粒度为-200目；所述Cu-Ni粉的平均粒度为10μm～20μm；所述铝粉的粒度为10μm～15μm。
5.根据权利要求1～3任一项所述的碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述Al-Si合金粉中还含有总质量含量不大于2％的其它合金元素，所述其它合金元素选自Mg、Mn、Ti中的至少一种。
6.根据权利要求1～3任一项所述的碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述模压成形的单位压制压力为400MPa～500MPa，保压时间为3s～15s。
7.根据权利要求1～3任一项所述的碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述烧结的条件为：在保护性气体氛围中，以5℃/min～15℃/min的加热速率先升温至150℃～200℃，保温45min～90min，再升温至480℃～520℃，保温45min～90min，最后以3℃/min～10℃/min的加热速率升温至550℃～570℃，保温60min～120min，随炉冷却。
8.根据权利要求1～3任一项所述的碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述热锻的温度为500℃～540℃，压力为350MPa～500MPa，保压时间为5s～15s。
9.一种权利要求1～8任一项所述的制备方法制得的碳化硅颗粒增强铝基复合材料。
10.一种权利要求9所述的碳化硅颗粒增强铝基复合材料在制动盘上的应用。
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