CN114737086B

CN114737086B - 一种NbCr2增强的铝基复合材料

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Publication number: CN114737086B
Application number: CN202110017310.4A
Authority: CN
Inventors: 聂小武
Original assignee: Hunan University of Technology
Current assignee: Xiangshan Chuangyi Metal Products Co ltd
Priority date: 2021-01-07
Filing date: 2021-01-07
Publication date: 2022-09-06
Anticipated expiration: 2041-01-07
Also published as: CN114737086A

Abstract

本发明公开了一种高速列车制动盘用轻质、高强、耐磨的铝基复合材料，通过配料、混料、机械合金化和热压烧结等步骤制备而成。把NbCr₂作为有益的增强颗粒引入到铝合金中的新思路，细化了合金组织，协同增强了合金的强度、韧性和耐磨性等性能。

Description

一种NbCr2增强的铝基复合材料

技术领域

本发明涉及铝基合金材料领域，具体的说，是涉及一种高强度铝基复合材料。

背景技术

目前列车普遍采用铸钢、铸铁制动盘具有如下不足之处：密度大增大了簧下重量，容易热疲劳裂纹并且裂纹容易扩展，造成制动盘存在安全隐患。随着我国高速铁路的快速发展，高速列车速度在200km/h以上，而轻量化是高速列车的关键技术之一，因此对制动盘的性能提出了更加严格的要求。目前CRH2型和CRH3型高速列车都采用铸钢制动盘，且都依赖于进口，国外公司对制动盘生产技术严格保密。因此加强制动盘基础科学问题及制备工艺的研究，打破制动盘长期依赖进口的被动局面开发具有自主知识产权的制动盘是目前的当务之急，开发新型轻质高速列车用制动盘具有非常重要的工程价值。

NbCr₂合金具有1770℃的熔点、密度为7.7g/cm³,具有高硬度、高耐磨性特点。目前，选择铝基复合材料的增强相主要有SiC颗粒，将NbCr₂用作铝合金的增强颗粒目前尚未见报道。中国专利“一种轴装式 SiC 颗粒增强铝基复合材料制动盘”（专利号：CN200510086696），采用SiC颗粒作为增强相，与本发明专利采用NbCr₂增强相的铝基复合材料明显不同。采用SiC作为增强颗粒，其强度得到了一定的提高，但其高温强度提高的并不明显，抗氧化、抗腐蚀性能没有得到改善。

另外，目前颗粒增强铝基复合材料的影响规律及机制还需要进一步揭示，关于改善铝基复合材料强度及塑性的研究是当前国际上急需解决的世界难题。关于增强颗粒种类、含量及颗粒结构、尺寸、形状、数量、分布对铝合金强度和塑性的影响机制尚不明确。很多研究人员试图在铝合金中添加一定数量的增强体，以期获得较好的综合力学性能。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高强度铝基复合材料，该铝基复合材料具有熔点高、低密度、高屈服强度和断裂强度等性能。

本发明高强度铝基复合材料的技术思想为：铝合金低密度、有较高的强度、有良好的铸造性能，良好的塑性性能。通过加入合适的增强颗粒，可以实现第二相颗粒强化及细化晶粒等的技术效果，进一步改善铝合金的室温和高温综合力学性能。NbCr₂具有熔点、高硬度、高耐磨性特点，是一种新型的增强颗粒。NbCr₂加入到铝合金中，因其扩散速度慢而抑制铝基体晶粒长大，在烧结过程中细化了合金组织，提高了合金的力学性能，显著提高了合金高温强度。

本发明加入适量的Mg可协同提高合金的力学性能，改善合金的加工性和耐腐蚀性能。

本发明加入适量的Si、Zn，可以改善合金的铸造性能及耐磨性。

本发明加入少量的Cu、Mn，可以提高合金的高温强度，改善铝基体的力学性能。

本发明加入少量的Cr、Ti，可以细化晶粒、提高合金耐热性。

本发明采用的技术方案是：一种高强度铝基复合材料，其特征在于：所述铝基复合材料含有下述重量百分比的组分：NbCr₂：5-10%，Mg：0.8-1.2%，Si：0.4-0.8%，Cu：0.15-0.4%，Mn： 0.15-0.18%，Zn：0.25-0.27%，Cr：0.04-0.35%，Ti：0.15-0.18%，Fe：≤0.7%，余量为Al及不可避免的杂质；

所述铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）配料：按照上述的重量百分比称取相应量的NbCr₂粉、镁粉、硅粉、铜粉、锰粉、锌粉、铬粉、钛粉，进行配料；

（2）混料：将所述配料后得到的粉料和不锈钢球按适当的球料比放入混料罐中，在转速为300-400r/min的混料机上进行混料，混料时间为10-12小时，得到混好的粉料；

（3）压坯：将所述混好的粉料在液压机上压制成坯，压坯压力为550-600MPa，压坯后获得直径为15-20mm，高为20-30mm的圆柱形压坯料；

（4）热压烧结：将所述压坯料放在石墨模具中，然后将装有所述压坯料的所述石墨模具放入热压成型装置，以适当的升温速度进行加热，当温度达到400-500℃时保温，并开始施加压力，维持所述压力和保温温度60-100s，然后随炉冷却至室温，最终得到铝合金复合材料。

所述配料步骤中，上述各组分的粉末粒度为：NbCr₂粉300-500目、镁粉400-600目、硅粉400-600目、铜粉300-500目、锰粉400-600目、锌粉400-500目、铬粉400-500目、钛粉400-600目.

所述混料步骤中，所述粉料和不锈钢球按球料比（5-10）:1放入混料罐中。

所述热压烧结步骤中，抽真空至（1-3）×10^-3Pa，以60-80℃/min的升温速度进行加热，当温度达到400-500℃时保温，并开始施加压力，压力为60-70MPa。

最终得到的铝基复合材料产品的屈服强度为300-400MPa，断裂强度为450-550MPa，硬度为HB150-180。

本发明的优点是：本发明选用高熔点、高硬度、高耐磨性的NbCr₂作增强颗粒，选用轻质铝合金作基体，制备成的复合材料密度只有3.54g/cm^#，远低于铸钢铸铁的密度（7.8g/cm³）)，具有轻质的效果。NbCr₂增强铝基复合材料的耐磨性好，经测试耐磨性能优于SiC增强铝基复合材料及HT300。由于铝合金具有优越的导热性，NbCr₂增强铝基复合材料导热性好，对扩大铝基复合材料在轨道交通及航空航天等领域的应用将具有巨大的推动作用。

具体实施方式

下面结合实施例和对比例对本发明进一步详细说明。

实施例一

高强度铝基复合材料含有下述重量百分比的组分：NbCr₂：6%，Mg：1.0%，Si：0.5%，Cu：0.19%，Mn： 0.16%，Zn：0.25%，Cr：0.20%，Ti：0.15%，Fe：≤0.7%，余量为Al及不可避免的杂质。首先，按照上述的重量百分比称取相应量的NbCr₂粉、镁粉、硅粉、铜粉、锰粉、锌粉、铬粉、钛粉，进行配料；各组分的粉末粒度为：NbCr₂粉300目、镁粉500目、硅粉400目、铜粉300目、锰粉400目、锌粉400目、铬粉400目、钛粉400目。将所述配料后得到的粉料和不锈钢球按5:1的球料比放入混料罐中，在转速为300r/min的混料机上进行混料，混料时间为10小时，得到混好的粉料。将所述混好的粉料在液压机上压制成坯，压坯压力为550MPa，压坯后获得直径为20mm，高为30mm的圆柱形压坯料。将所述压坯料放在石墨模具中，然后将装有所述压坯料的所述石墨模具放入热压成型装置，抽真空至1×10^-3Pa，以60℃/min升温速度进行加热，当温度达到400℃时保温，并开始施加压力，压力为60MPa，维持所述压力和保温温度60s，然后随炉冷却至室温，最终得到屈服强度为350MPa、断裂强度为450MPa、硬度为HB155的铝合金复合材料。

实施例二

高强度铝基复合材料含有下述重量百分比的组分：NbCr₂：8%，Mg：1.1%，Si：0.6%，Cu：0.28%，Mn：0.17%，Zn：0.26%，Cr：0.28%，Ti：0.16%，Fe：≤0.7%，余量为Al及不可避免的杂质。首先，按照上述的重量百分比称取相应量的NbCr₂粉、镁粉、硅粉、铜粉、锰粉、锌粉、铬粉、钛粉，进行配料；各组分的粉末粒度为：NbCr₂粉400目、镁粉400目、硅粉500目、铜粉400目、锰粉400目、锌粉500目、铬粉400目、钛粉500目。将所述配料后得到的粉料和不锈钢球按7:1的球料比放入混料罐中，在转速为400r/min的混料机上进行混料，混料时间为12小时，得到混好的粉料。将所述混好的粉料在液压机上压制成坯，压坯压力为580MPa，压坯后获得直径为15mm，高为25mm的圆柱形压坯料。将所述压坯料放在石墨模具中，然后将装有所述压坯料的所述石墨模具放入热压成型装置，抽真空至2×10^-3Pa，以80℃/min升温速度进行加热，当温度达到500℃时保温，并开始施加压力，压力为70MPa，维持所述压力和保温温度100s，然后随炉冷却至室温，最终得到屈服强度为380MPa、断裂强度为500MPa、硬度为HB175的铝合金复合材料。

实施例三

高强度铝基复合材料含有下述重量百分比的组分：NbCr₂：8%，Mg：1.2%，Si：0.8%，Cu：0.35%，Mn： 0.18%，Zn：0.27%，Cr：0.30%，Ti：0.18%，Fe：≤0.7%，余量为Al及不可避免的杂质。首先，按照上述的重量百分比称取相应量的NbCr₂粉、镁粉、硅粉、铜粉、锰粉、锌粉、铬粉、钛粉，进行配料；各组分的粉末粒度为：NbCr₂粉400目、镁粉600目、硅粉600目、铜粉500目、锰粉600目、锌粉500目、铬粉500目、钛粉600目。将所述配料后得到的粉料和不锈钢球按10:1的球料比放入混料罐中，在转速为400r/min的混料机上进行混料，混料时间为12小时，得到混好的粉料。将所述混好的粉料在液压机上压制成坯，压坯压力为600MPa，压坯后获得直径为20mm，高为25mm的圆柱形压坯料。将所述压坯料放在石墨模具中，然后将装有所述压坯料的所述石墨模具放入热压成型装置，抽真空至3×10^-3Pa，以70℃/min升温速度进行加热，当温度达到480℃时保温，并开始施加压力，压力为68MPa，维持所述压力和保温温度90s，然后随炉冷却至室温，最终得到屈服强度为340MPa、断裂强度为470MPa、硬度为HB168的铝合金复合材料。

对比例一

将与本发明实施例组成成分相同的铝合金，在配料、混料和压坯后，将所述压坯料放在石墨模具中，然后将装有所述压坯料的所述石墨模具放入热压成型装置，抽真空至（1-3）×10^-3Pa，并以以60-80℃/min的升温速度进行加热，将保温温度提高到500℃以上或降低到400℃以下，并调整施加的压力大于70MPa或小于60MPa或不施加压力，保持同样的时间后随炉冷却至室温，最终得到铝合金产品。最终所得到的铝合金产品的屈服强度显著低于300MPa，断裂强度低于450MPa，硬度低于HB150。

对比例二

改变本发明实施例铝合金的组成元素，以常规Mg、Si等元素替代NbCr₂，则采用同样的配料、混料、压坯和热压烧结步骤后，最终所得到的铝合金产品，其屈服强度为150-300MPa，断裂强度为120-300MPa，硬度为HB85-120。

由实施例一至三和对比例一和二可以看出，通过利用根据本发明实施例的一种高强度铝基复合材料，把NbCr₂作为增强颗粒引入到合金中的新思路，在热压烧结过程中抑制了晶粒长大、细化了合金晶粒尺寸；通过加入适量的Mg协同提高合金的力学性能，改善了合金的加工性和耐腐蚀性能；通过加入适量的Si、Zn，改善了合金的铸造性能及耐磨性；通过加入少量的Cu、Mn，提高了合金的高温强度，改善了铝基体的力学性能；通过加入少量的Cr、Ti，进一步细化了晶粒、提高合金耐热性。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种铝基复合材料，其特征在于：所述的铝基复合材料具有下述重量百分比的组分：NbCr₂：5-10%，Mg：0.8-1.2%，Si：0.4-0.8%，Cu：0.15-0.4%，Mn： 0.15-0.18%，Zn：0.25-0.27%，Cr：0.04-0.35%，Ti：0.15-0.18%，Fe：≤0.7%，余量为Al及不可避免的杂质；

所述铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（4）热压烧结：将所述压坯料放在石墨模具中，然后将装有所述压坯料的所述石墨模具放入热压成型装置，以适当的升温速度进行加热，当温度达到400-500℃时保温，并开始施加压力，压力为60-70MPa，维持所述压力和保温温度60-100s，然后随炉冷却至室温，最终得到铝合金复合材料。

2.如权利要求1所述的铝基复合材料，其特征在于：所述配料步骤中，上述各组分的粉末粒度为：NbCr₂粉300-500目、镁粉400-600目、硅粉400-600目、铜粉300-500目、锰粉400-600目、锌粉400-500目、铬粉400-500目、钛粉400-600目。

3.如权利要求1所述的铝基复合材料，其特征在于：所述混料步骤中，所述粉料和不锈钢球按球料比（5-10）:1放入混料罐中。

4.如权利要求1所述的铝基复合材料，其特征在于：所述热压烧结步骤中，抽真空至（1×10^-3-3×10^-3）Pa，以60-80℃/min的升温速度进行加热，当温度达到400-500℃时保温，并开始施加压力，压力为60-70MPa。

5.如权利要求1所述的铝基复合材料，其特征在于：最终得到的铝基复合材料产品的屈服强度为300-400MPa，断裂强度为450-550MPa，硬度为HB150-180。