CN114752872A - 一种碳纤维金属复合材料结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于碳纤维复合材料技术领域，具体涉及一种碳纤维金属复合材料的制备方法。一种碳纤维金属复合材料的制备方法：将碳纤维原料丝束与金属件复合，得到原料丝束复合体；所述复合包括缠绕复合或填充复合，所述缠绕复合为将金属件缠绕在所述碳纤维原料丝束的侧壁上；所述填充复合为将碳纤维原料丝束填充于金属件的开口腔体中；将所述原料丝束复合体预氧化、热处理和碳化，得到碳纤维金属复合材料。本发明提供的制备方法制备得到的碳纤维金属复合材料具备耐高温，耐磨，高强度，韧性好等性能，结合性能好，使用寿命长。

Description

一种碳纤维金属复合材料结构及其制备方法
技术领域
本发明属于碳纤维复合材料技术领域，具体涉及一种碳纤维金属复合材料的制备方法。
背景技术
金属材料是当今制造业的支柱，而碳纤维是目前人类发现的最适宜代替金属的材料。碳纤维为含碳量在90％以上的高强度高模量纤维。碳纤维重量轻，制造出来的零部件运动惯性小，从而速度快、精度高、噪音低、，这在所有存在机械运动的场合都具有明显的优势。
但是，碳纤维材料同时具有耐磨性差和抗冲击性差的缺陷，因此，碳纤维复合材料应运而生，将碳纤维材料和基体材料复合得到的复合材料同时具有碳纤维和基体材料的性能实现两种材料的性能互补。目前，按基体不同，碳纤维增强复合材料可分为碳纤维树脂复合材料、碳纤维碳复合材料、碳纤维金属复合材料和碳纤维陶瓷复合材料等。
碳纤维金属复合材料不仅具有较高的强度和弹性模量，更重要的是改善了金属的高温性能。即有较高的高温强度和模量，在温度较高时有较好的尺寸稳定性，因此提高了零件的使用温度。同时还具有较好的机械加工性能和连接性能，不会存在碳纤维树脂复合材料易老化等问题。已用于卫星、宇航方面的结构件。但由于碳纤维与金属界面的润湿性差，导致碳纤维和金属结合不牢固。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种碳纤维金属复合材料的制备方法，本发明提供的制备方法制备得到的碳纤维金属复合材料具备耐高温，耐磨，高强度，韧性好等性能，结合性能好，使用寿命长。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种碳纤维金属复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将碳纤维原料丝束与金属件复合，得到原料丝束复合体；所述复合包括缠绕复合或填充复合，所述缠绕复合为将金属件缠绕在所述碳纤维原料丝束的侧壁上；所述填充复合为将碳纤维原料丝束填充于金属件的开口腔体中；
将所述原料丝束复合体进行预氧化处理，得到预氧化件；
将所述预氧化件进行热处理，得到热处理件；所述热处理包括第一热处理或第二热处理；
所述第一热处理包括：在保护气体中，将所述原料丝束复合体在第一温度条件下进行碳化，得到碳纤维复合体；将所述碳纤维复合体在第二温度条件下进行第一锻压成型，所述第二温度大于所述第一温度，所述第二温度大于所述金属异型体的液相线温度；
所述第二热处理包括：在保护气体中，将所述原料丝束复合体在第三温度条件下进行第二锻压成型，所述锻压成型中发生石墨化，所述第三温度大于所述金属异型体的液相线温度；
将所述热处理件进行渗碳处理，得到所述碳纤维金属复合材料。
优选的，所述金属件包括圆弧形金属异型体或工字型金属异型体；
所述圆弧形金属异型体与碳纤维原料丝束复合为缠绕复合；
所述工字型金属异型体与碳纤维原料丝束复合为填充复合。
优选的，所述渗碳处理包括液体渗碳处理或气体渗碳处理。
优选的所述渗碳处理得到渗碳处理件；所述渗碳处理后还包括：采用高温粘合剂粘合所述渗碳处理件中的碳纤维、金属和金属面，得到所述碳纤维金属复合材料，所述高温粘合剂包括氧化铜或磷酸二氢铝。
优选的，所述高温粘合剂还包括氧化铜或磷酸二氢铝添加二硫化钼和/或铝氢氧化铝灰。
优选的，所述粘合得到粘合件，所述粘合件包括碳纤维、渗透于碳纤维之间的金属和形成于碳纤维表面的金属面；所述粘合后还包括：以金属面为焊接面，将多个粘合件进行焊接，得到所述碳纤维金属复合材料；所述焊接时，还包括对所述粘合件的非焊接面施压。
优选的，所述缠绕复合为等间隔复合缠绕，相邻缠绕的两圈圆弧形金属异型体之间的间隔距离为所述碳纤维原料丝束的直径。
优选的，所述预氧化处理的温度为200～400℃。
优选的，所述工字型金属异型体的工字型开口的深度为：工字型开口填充碳纤维所承受的拉力与碳纤维和金属异型体所接触面化合后所承受的拉力之和≥与工字型开口相同厚度的碳纤维在长度方向上产生的拉力。
优选的，所述焊接后得到焊接件，还包括将所述焊接件依次进行碾压和平整处理，得到所述碳纤维金属复合材料。
本发明提供一种碳纤维金属复合材料的制备方法，包括以下步骤：将碳纤维原料丝束与金属件复合，得到原料丝束复合体；所述复合包括缠绕复合或填充复合，所述缠绕复合为将金属件缠绕在所述碳纤维原料丝束的侧壁上；所述填充复合为将碳纤维原料丝束填充于金属件的开口腔体中；将所述原料丝束复合体进行预氧化处理，得到预氧化件；将所述预氧化件进行热处理，得到热处理件；所述热处理包括第一热处理或第二热处理；所述第一热处理包括：在保护气体中，将所述原料丝束复合体在第一温度条件下进行碳化，得到碳纤维复合体；将所述碳纤维复合体在第二温度条件下进行第一锻压成型，所述第二温度大于所述第一温度，所述第二温度大于所述金属异型体的液相线温度；所述第二热处理包括：在保护气体中，将所述原料丝束复合体在第三温度条件下进行第二锻压成型，所述锻压成型中发生石墨化，所述第三温度大于所述金属异型体的液相线温度；将所述热处理件进行渗碳处理，得到所述碳纤维金属复合材料。本发明提供的制备方法在金属基体中原位自生长碳纤维增强相：首先采用碳纤维原料丝束与金属件复合，然后通过预氧化处理、热处理和渗碳处理实现原料丝束原位碳化或石墨化得到碳纤维增强相与金属基体相成型，相较于碳纤维增强相通过外加的方式与金属基体复合时，碳纤维与基体之间为非共格取向关系，导致碳纤维增强相与基体间存在一定的间隙，界面结合较弱。本发明原位生长的碳纤维金属复合材料中碳纤维和金属属于共格或半共格界面结合，因此界面结合力可得到显著提升，有利于从源头上解决碳纤维金属复合材料界面结合较弱的力学问题。
附图说明
图1为横截面为圆弧形的金属长条的示意图；
图2为横截面为圆弧形的金属长条的横截面图；
图3为横截面为工字型的金属长条的示意图；
图4为横截面为工字型的金属长条的横截面图；
图5为碳纤维原料丝束与横截面为圆弧形的金属长条复合的示意图；
图6为碳纤维原料丝束与横截面为工字型的金属长条复合的示意图；
图7为碳纤维金属复合材料示意图；
图8为碳纤维金属复合材料示意图。
具体实施方式
本发明提供一种碳纤维金属复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将碳纤维原料丝束与金属件复合，得到原料丝束复合体；所述复合包括缠绕复合或填充复合，所述缠绕复合为将金属件缠绕在所述碳纤维原料丝束的侧壁上；所述填充复合为将碳纤维原料丝束填充于金属件的开口腔体中；
将所述原料丝束复合体进行预氧化处理，得到预氧化件；
将所述预氧化件进行热处理，得到热处理件；所述热处理包括第一热处理或第二热处理；
所述第一热处理包括：在保护气体中，将所述原料丝束复合体在第一温度条件下进行碳化，得到碳纤维复合体；将所述碳纤维复合体在第二温度条件下进行第一锻压成型，所述第二温度大于所述第一温度，所述第二温度大于所述金属异型体的液相线温度；
所述第二热处理包括：在保护气体中，将所述原料丝束复合体在第三温度条件下进行第二锻压成型，所述锻压成型中发生石墨化，所述第三温度大于所述金属异型体的液相线温度；
将所述热处理件进行渗碳处理，得到所述碳纤维金属复合材料。。
本发明将碳纤维原料丝束与金属件复合，得到原料丝束复合体；所述复合包括缠绕复合或填充复合，所述缠绕复合为将金属件缠绕在所述碳纤维原料丝束的侧壁上；所述填充复合为将碳纤维原料丝束填充于金属件的开口腔体中。
在本发明中，所述碳纤维原料丝束优选为粘胶纤维、聚丙烯腈纤维和沥青纤维中的一种多种形成的丝束。
在本发明的具体实施例中，所述粘胶纤维的化学式为(C6H10O5)n。
在本发明的具体实施例中，所述聚丙烯腈纤维的化学式为(C3H3N)n。
在本发明的具体实施例中，所述述粘胶纤维的碳含量优选为45wt％。
在本发明的具体实施例中，所述聚丙烯腈纤维的碳含量优选为68wt％。
在本发明的具体实施例中，所述沥青纤维的碳含量优选为95wt％。
在本发明中，所述粘胶纤维的碳纤维收率优选为21～35wt％。
在本发明中，所述聚丙烯腈纤维的碳纤维收率优选为40～55wt％.
在本发明中，所述沥青纤维的碳纤维收率优选为82～90wt％。
在本发明中，所述复合之前，本发明优选还包括将所述碳纤维原料丝依次进行清洗、上浆和干燥。本发明对所述清洗、上浆和干燥的具体实施过程没有特殊要求。
在本发明中，所述金属件优选为金属异形体。
在本发明中，所述金属件优选包括圆弧形金属异型体或工字型金属异型体；
在本发明中，所述圆弧形金属异型体与碳纤维原料丝束复合优选为缠绕复合。
在本发明中，所述工字型金属异型体与碳纤维原料丝束复合优选为填充复合。
在本发明中，所述金属异型体的材质优选为合金异型体。
本发明对所述合金异型体的合金的种类根据所加工件的应用领域而定。
在本发明中，所述金属异型体的成型方法优选包括模锻成型、极压成型或热熔喷成型。
在本发明中，所述合金异型体的合金组分中优选包括能够形成碳化物的微合金元素。
在本发明中，所述合金异型体中能够形成碳化物的微合金元素包括B、Cr、Zr和Ti中的一种或多种。
在本发明中，所述金属异型体包括圆弧形金属异型体，如图1所示。
在本发明中，所述金属异型体包括工字型金属异型体，如图2所示。
在本发明中，所述圆弧形金属异型体的横截面为圆弧形，如图3所示。
在本发明中，所述工字型金属异型体的横截面为工字型，如图4所示。
在本发明中，采用圆弧形金属异型体进行复合的方法为：将所述金属异型体均匀缠绕在所述碳纤维原料丝束的侧壁上，如图5所示。
在本发明中，所述缠绕复合为等间隔复合缠绕，相邻缠绕的两圈圆弧形金属异型体之间的间隔距离为所述碳纤维原料丝束的直径，如图5所示。
在本发明中，图5中的R为采用缠绕复合时，所述碳纤维原料丝束的半径为R，直径为2R。
本发明通过图5所示的缠绕方式能够达到碳纤维金属复合结构质轻、强度高的最佳状态。
在本发明中，采用工字型金属异型体进行复合的方法为：将所述碳纤维原料丝束填充于所述金属异型体的工字型开口中，如图6所示。
本发明对所述填充的具体实施方式没有特殊要求。
在本发明中，所述工字型金属异型体的工字型开口的深度优选为：工字型开口填充碳纤维所承受的拉力与碳纤维和金属异型体所接触面化合后所承受的拉力之和≥与工字型开口相同厚度的碳纤维在长度方向上产生的拉力。
得到原料丝束复合体后，本发明将所述原料丝束复合体进行预氧化处理，得到预氧化件。
在本发明中，所述热稳定处理的保温温度优选为200～400℃，更优选为250～350℃。
在本发明中，所述预氧化处理使聚丙烯腈基(PAN)碳纤维原丝的线型分子链转化为具有耐热梯结构的预氧丝；在惰性气体保护下的高温碳化环境中，PAN不融不燃，保持纤维形态，进而化为具有乱层石墨结构的碳纤维。
在本发明中，所述预氧化处理防止原丝的线型分子链在高温热解断链，转化为树脂碳而不是只有一定强度的纤维状碳，碳化收率极低。
在本发明中，所述预氧化处理的热环境中，高取向PAN原丝发生物理收缩，构象增多，使其处于热力学稳定状态。为防止其自由收缩，纤维疏松粉化，没有强度。采用张力牵伸以防解取向。发生化学反应必然产生化学收缩，要施加张力牵伸控制其收缩的程度。牵伸要贯穿预氧化过程的自始至终。
在本发明中，所述预氧化处理过程中发生了各式各样的化学反应，主要反应是环化、氧化和脱氢三大类型这三大反应都是放热反应，把这些放出热量瞬时排除带走。防止在纤维内部造成蓄热和过热，引起单丝之间的热融。
在本发明中，本发明优选通过预氧化处理，在所述碳纤维原料丝表面引入含有O、F、N等非金属原子的官能团，一方面利用碳纤维金属复合材料后期的高温烧结成型，在碳纤维相-合金界面处形成金属-O-C形式的共价键，从而达到提高碳纤维和金属界面结合强度的目的，另一方面通过C-O、C-N和C-F等共价键的形成，改善碳纤维增强相-金属界面的传导性，实现碳纤维金属复合材料导电、导热性能的提高。
得到预氧化件后，本发明将所述预氧化件进行热处理，得到热处理件；所述热处理包括第一热处理或第二热处理；所述第一热处理包括：在保护气体中，将所述原料丝束复合体在第一温度条件下进行碳化，得到碳纤维复合体；将所述碳纤维复合体在第二温度条件下进行第一锻压成型，所述第二温度大于所述第一温度，所述第二温度大于所述金属异型体的液相线温度；所述第二热处理包括：在保护气体中，将所述原料丝束复合体在第三温度条件下进行第二锻压成型，所述锻压成型中发生石墨化，所述第三温度大于所述金属异型体的液相线温度；。
在本发明中，所述第一热处理中，所述第一温度优选为400～1400℃，更优选为450～1350℃。
在本发明中，所述第二温度优选优选为1300～1500℃，更优选为1350～1450℃。
在本发明中，所述第二热处理中，所述第三温度优选≥1800℃，更优选为1800～2000℃。
在本发明中，所述保护气体优选为惰性气体，更优选氩气。
本发明对将所述原料丝束复合体加入至第一温度、第二温度或第三温度的加热方式没有特殊要求。
作为本发明的一个具体实施例，本发明用温度传感器，PLC控制，保证碳纤维和金属异型体具有进行化合反应的最佳温度，保温时间至碳纤维与金属异型体充分化合时间。
作为本发明的一个具体实施例，本发明采用激光将碳纤维上的金属异型体融化成融熔态，然后再用激光(聚焦)脉冲，垂直于合金碳纤维表面，冲击熔融态金属合金使冲击到的金属熔体进入到碳纤维与碳纤维之间的孔隙中，所述激光(聚焦)脉冲点有规则的变换激光(聚焦)脉冲位置，防止碳纤维和金属熔体不均匀规则的结合，并且激光(聚焦)脉冲点根据金属异型体的材质元素成分及元素成分含量，熔融状态的温度进行设置激光(聚焦)脉冲点进入碳纤维的距离及变换时间，使之达到最佳状态。
本发明优选对碳纤维和金属异型体的接触界面进行共价键修饰。
本发明优选通过所述共价键修饰既能改善碳纤维增强相与合金基体间的界面润湿性，提高碳纤维金属复合材料的界面结合力，又能实现对碳纤维金属复合材料界面传导性能的调控。
在本发明中，所述共价键修饰优选对碳纤维和金属元素的成键原子种类和含量进行调控。
在本发明中，所述金属异型体优选包括B、Cr、Zr和Ti中的一种或多种，能够改善金属基体与碳纤维增强相之间的润湿性，所述B、Cr、Zr和Ti在碳纤维和金属的界面处与碳纤维增强相反应生成碳化物，且碳化物的厚度优选通过调整上述元素的含量进行调控。
本发明通过金属基体合金化不仅能显著提高碳纤维合金复合材料的力学性能，在提高导热性能方面同样具有优势。
本发明优选在合金基体中原位自生增强相的制备方法。
本发明优选采用界面共价键修饰和增强相的表面合金化进一步提高碳纤维和金属基体的界面结合力。
本发明优选采用原位生长碳纤维增强相的制备方法，不仅能利用金属基体本身做催化剂，简化制备工艺，还可从源头上解决碳纤维增强相与合金基体界面结合较弱的问题。主要在于相比于外加碳纤维增强相与金属基体的非共格取向关系，原位生长的碳纤维金属复合材料属于共格或半共格界面结合，因此界面结合力可得到显著提升。
在本发明中，所述碳纤维增强相和金属基体的界面结构优优选通过界面共价键修饰、碳纤维增强相的表面合金化、合金基体合金化、界面反应和碳纤维增强相的原位生长实现。
得到热处理件后，在本发明将所述热处理件进行渗碳处理的，得到所述碳纤维金属复合材料。
在本发明中，所述热处理件优选包括碳纤维、渗透于碳纤维之间的金属和形成于碳纤维部分表面的金属面。
在本发明中，所述渗碳处理的碳浓度优选为0.8～1.5％，优选为0.8～1.2，更优选为0.9～1.0％。
在本发明中，所述渗碳处理的保温温度优选为900～950℃，更优选为920～940℃。
在本发明中，所述渗碳处理优选还包括催渗剂，所述催渗剂具体优选为BaCO3，在本发明中，所述BaCO3的质量用量≥4％，优选为4～7％。在本发明中，所述催渗剂优选以活性渗碳介质的质量计算。
在本发明中，所述液体渗碳处理优选包括以下步骤：
将所述热处理件工置入活性渗碳介质中进行液体渗碳。
在本发明中，所述液体渗碳的具体实施方式优选为：将所述热处理件置入具有活性渗碳介质中，加热到900～950℃的单相奥氏体区，保温足够时间后，使渗碳介质中分解出的活性碳原子渗入金属表层，从而获得表层高碳，再经过淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着合金钢的韧性和塑性。
在本发明中，对于在交变载荷、冲击载荷、较大接触应力和严重磨损条件下工作的机器零件，如齿轮、活塞销、凸轮轴等，要求工件表面具有很高的耐磨性、疲劳强度和抗弯强度，而心部具有足够的强度和韧性，采用渗碳热处理可满足性能要求。
在本发明中，所述渗透处理后，将渗碳处理得到的工件进行后处理，得到所述渗碳处理件。
在本发明中，所述后处理优选包括：依次进行淬火和回火。在本发明中，所述萃火优选为将工件由渗碳温度降低至淬火温度进行。
在本发明中，所述工件自渗碳炉中取出直接淬火，然后回火以获得表面所需的硬度及金相组织.工艺特点。
在本发明中，所述淬火温度优选为800～850℃。
在本发明中，在上述温度进行淬火目的是减小淬火变形，使表面的残留奥氏体因碳化物的析出而减少。
在本发明中，所述活性渗碳介质具体优选为煤油、苯、酒精、丙酮、碳化硅和603渗碳剂中的一种或多种。
在本发明中，所述气体渗碳优选为：将热处理件件装入密闭的渗碳炉内，通入气体渗碳剂，在高温下分解出活性碳原子，渗入工件表面，以获得高碳表面层的一种渗碳操作工艺。
在本发明中，所述气体渗碳剂优选包括甲烷和/或乙烷。
在本发明中，所述渗碳处理与其他化学热处理一样，也包含3个基本过程。依次为分解、吸附和扩散。在本发明中，所述分解为渗碳介质的分解产生活性碳原子。所述吸附为活性碳原子被金属表面吸收后即溶到表层奥氏体中，使奥氏体中含碳量增加。所述扩散为表面含碳量增加便与心部含碳量出现浓度差，表面的碳遂向内部扩散。
在本发明中，碳在金属中的扩散速度主要取决于温度，同时与工件中被渗元素内外浓度差和钢中合金元素含量有关。渗碳淬火后，工件表面产生压缩内应力，对提高工件的疲劳强度有利。
在本发明中，所述渗碳优选在800～850℃进行时，所述渗碳处理件的组织及性能特点为：可以减少工件淬火变形，渗层中残余奥氏体量也可稍有降低，表面硬度略有提高，但奥氏体晶粒没有变化。原因为：让钢材表层接受各类负荷(磨损、疲劳、机械负载及化学腐蚀)最多的地方，通过渗入碳等元素达到高的表面硬度、高的耐磨性和疲劳强度及耐蚀性。为了防止渗碳过程中奥氏体晶粒的粗化，在钢材中添加适量的钛，当钛含量超过0.032％，就会在渗碳钢冶炼凝固时析出氮化钛。这种氮化钛尺寸达到微米数量级，起不到阻止奥氏体晶粒长大的作用，反而由于这种呈立方体的粒子的尖角效应以及与基体组织的不连续性而成为微裂纹和裂纹扩展，严重损害金属的韧塑性。将钛含量降至0.02～0.032％，仍然能够同样有效地起到控制奥氏体晶粒长大的作用，而又可避免有害氮化钛粒子的形成。
在本发明中，所述渗碳处理存在以下常见缺陷：
第一、碳浓度过高产生原因及危害：如果渗碳时急剧加热，温度又过高或固体渗碳时用全新渗碳剂，或用强烈的催渗剂过多都会引起渗碳浓度过高的现象。随着碳浓度过高，工件表面出现块状粗大的碳化物或网状碳化物。由于这种硬脆组织产生，使渗碳层的韧性急剧下降。并且淬火时形成高碳马氏体，在磨削时容易出现磨削裂纹；防止的方法：①不能急剧加热，需采用适当的加热温度，不使钢的晶粒长大为好。如果渗碳时晶粒粗大，则应在渗碳后正火或两次淬火处理来细化晶粒。②严格控制炉温均匀性，不能波动过大。③固体渗碳时，渗碳剂要新、旧配比使用。催渗剂最好采用4～7％的BaCO3，不使用Na2CO3作催渗剂。碳浓度过低。
第二、温度波动很大或催渗剂过少都会引起表面的碳浓度不足。在本发明中，所述碳浓度不足时，零件容易磨损；防止的方法：①渗碳温度一般采用920—940℃，渗碳温度过低就会引起碳浓度过低，且延长渗碳时间；渗碳温度过高会引起晶粒粗大。②催渗剂(BaCO3)的用量不应低于4％。渗碳后表面局部贫碳。
第三、固体渗碳时，木炭颗粒过大或夹杂有石块等杂质，或催渗剂与木炭拌得不均匀，或工件所接触都会引起局部无碳或贫碳。工件表面的污物也可以引起贫碳；防止的方法：①固体渗碳剂一定要按比例配制，搅拌均匀。②装炉的工件注意不要有接触。固体渗碳时要将渗碳剂捣实，勿使渗碳过塌而使工件接触。③却除表面的污物。渗碳浓度加剧过渡
第四、渗碳浓度突然过渡就是表面与中心的碳浓度变化加剧，不是由高到低的均匀过渡，而是突然过渡。产生此缺陷的原因是渗碳剂作用很强烈(如新配制的木炭，旧渗碳剂加得很少)，同时钢中有Cr、Mn、Mo等合金元素是促使碳化物形成强烈，而造成表面高浓度，中心低浓度，并无过渡层。产生此缺陷后造成表里相当大的内应力，在淬火过程中或磨削过程中产生裂纹或剥落现象；防止的方法：渗碳剂新旧按规定配比制，使渗碳缓和。用BaCO3作催渗剂较好，因为Na2CO3比较急剧。磨加工时产生回火及裂纹
在本发明中，所述渗碳得到碳钢，所述碳钢特点为：
(1)渗碳钢的含碳量一般都在0.15～0.25％范围内,对于重载的渗碳体,可以提高到0.25～0.30％碳素渗碳钢中,用得最多的是15和20钢，它们经渗碳和热处理后表面硬度可达56～62HRC。但由于淬透性较低，只适用于心部强度要求不高、受力小、承受磨损的小型零件,如轴套、链条等。
(2)合金元素在渗碳钢中的作用是提高淬透性，细化晶粒，强化固溶体，影响渗层中的含碳量、渗层厚度及组织.在渗碳钢中通常加入的合金元素有锰、铬、镍、钼、钨、钒、硼等.低合金渗碳钢如20Cr、20Cr2MnVB、20Mn2TiB等，其渗透性和心部强度均较碳素渗碳钢高，可用于制造一般机械中的较为重要的渗碳件,如汽车、拖拉机中的齿轮、活塞销等。合金渗碳钢如20Cr2Ni4、18Cr2N4W、15Si3MoWV等,由于具有很高的淬透性和较高的强度及韧性,主要用以制造截面较大、承载较重、受力复杂的零件,如航空发动机的齿轮、轴等。
在本发明中，所述固体渗碳、液体渗碳或气体渗碳的渗碳温度优选为900～950℃，表面层碳含量优选为0.8～1.2％，所述渗碳层深为优选0.5～2.0mm。
在本发明中，渗碳后的淬火和回火热处理---渗碳工件实际上应看作是由一种表面与中心含量相差悬殊的复合材料。渗碳只能改变工件表面的含碳量，而其表面以及心部的最终强化则必须经过适当的热处理才能实现。渗碳后的工件均需进行淬火和低温回火。淬火的目的是使在表面形成高碳马氏体或高碳马氏体和细粒状碳化物组织。
在本发明中，所述低温回火温度优选为150～200℃。
在本发明中，所述渗碳处理之前，优选对热处理件进行正火预处理。
在本发明中，渗碳前的预处理正火目的是改善材料原始组织、减少带状、消除魏氏组织，使表面粗糙度变细，消除材料流线不合理状态。
在本发明中，所述正火处理的保温温度优选为860～980℃。
在本发明中，所述正火处理后的热处理件空冷至室温后的工件的硬度优选为179～217HBS。
在本发明中，所述渗碳处理后需进行机械加工的工件，所述工件的硬度不应高于30HRC。
在本发明中，对于有薄壁沟槽的渗碳淬火零件，薄壁沟槽处不能先于渗碳之前加工。
在本发明中，不得用镀锌的方法防渗碳。
在本发明中，所述渗碳处理得到渗碳处理件；所述渗碳处理后本发明优选还包括：采用高温粘合剂粘合所述渗碳处理件中的碳纤维、金属和金属面，得到所述碳纤维金属复合材料，所述高温粘合剂包括氧化铜或磷酸二氢铝。
在本发明中，所述高温粘合剂优选还包括氧化铜或磷酸二氢铝添加二硫化钼和/或铝氢氧化铝灰。
在本发明中，所述氢氧化铝灰能够提高所述高温粘合剂的耐高温性能。
在本发明中，所述二硫化钼能够提高所述高温粘合剂的耐摩擦性能和硬度。
在本发明中，当所述高温粘合剂优选包括氧化铜、氢氧化铝灰和二硫化钼时，所述耐高温无机粘合剂为氧化铜、氢氧化铝灰和二硫化钼形成的耐高温无机纳米复合粘结剂。
在本发明中，所述高温粘合剂优选为PH值为中性的悬浮分散体系，不仅粘结力强且对碳纤维合金基体无腐蚀性，而且可以在高温下保持良好的粘接性能和抗腐蚀性，使用寿命长。
在本发明中，所述粘合得到粘合件，所述粘合件包括碳纤维、渗透于碳纤维之间的金属和形成于碳纤维部分表面的金属面。
在本发明，所述碳纤维金属复合材料的制备方法优选还包括：以金属面为焊接面，将多个粘合件进行焊接，得到所述碳纤维金属复合材料；所述焊接时，还包括对所述粘合件的非焊接面施压。
在本发明中，进行所述焊接之前，本发明优选对所述粘合件进行前处理，在本发明中，所述前处理优选包括：依次进行碾压、清理所述焊接面和将多个粘合件按照焊接面对齐后校平相接处的焊接面。本发明优选通过碾压增加所述粘合件的平整度，进而提高焊接面的平整度。本发明对所述清理的具体实施过程没有特殊要求。在本发明中，所述对齐和校平焊接面优选采用X光或红外线进行。
在本发明的具体实施例中，本发明采用X光或红外线将所述粘合件沿金属平面与金属平面(或金属端面与金属端面)对齐；按焊接的接触点，线，将两层粘合件的板(片)或多层粘结件的板(片)的金属面通电，产生电弧，由于电弧的作用，将相近相连的接触面，线，点焊接在一起，使碳纤维与金属异型体所形成碳纤维金属复合材料具有轻质、高强度的特点。
在本发明，所述焊接优选为氩弧焊焊接、钨极气体保护电弧焊焊接、等离子弧焊接、电阻焊焊接、高频焊焊接、电子束焊接、激光焊接、钎焊、超声波焊或以间接热能为能源的固相焊接方法。
在本发明中，氩弧焊焊接的具体实施优选为：粘合件板(片)经平整后，在板(片)的非氩弧焊接面，施加适当的压力以防止板(片)因碳纤维与合金异形条接触面化合反应、合金异型条焊接所产生的应力，变形(锻压消除应力，改变变形)，有压力传感器，PLC控制系统对其施加的压力来保证焊接质量，将钨丝，金属面分别通电，将通电的钨丝自粘合件每两片间通过(滑过)、产生电弧焊时，对施压力时，所述粘合件优选为两层或多层。根据金属面的材质，焊接面截面的大小选择电流，钨丝，粘合件板(片)间移动的速度。使上下层的粘合件产生最佳的焊接质量。
所述氩弧焊焊接时氩气一边进一边出，供气方向与钨丝运行方向相同,定时定量输送。
在本发明中，所述电阻焊焊接方法优选为：粘合件经平整后，根据金属面的宽度、厚度、材质，采用电阻焊接：使粘合件板(片)处在一定电极(上下滚轮做电极)压力作用下并利用电流通过工件时所产生的电阻热接触的金属面熔化而实现连接的焊接。
在本发明中，所述电阻焊接通电时间短，生产率高，适于大批量生产。主要用于焊接厚度小于3mm的薄板组件。
在本发明中，所述高频焊根据高频电流在工件中产生热的方式可分为接触高频焊和感应高频焊。接触高频焊时，高频电流通过与工件机械接触而传入工件。感应高频焊时，高频电流通过工件外部感应圈的耦合作用而在工件内产生感应电流。
在本发明中，高频焊是专业化较强的焊接方法，要根据产品配备专用设备。生产率高，焊接速度可达30m/min。
在本发明中，所述电子束焊是以集中的高速电子束轰击工件表面时所产生的热能进行焊接的方法。
在本发明中，所述电子束焊接时，由电子枪产生电子束并加速。采用的电子束焊有：高真空电子束焊、低真空电子束焊和非真空电子束焊。前两种方法都是在真空室内进行。焊接准备时间(主要是抽真空时间)较长，工件尺寸受真空室大小限制。
在本发明中，电子束焊特点是焊缝熔深大、熔宽小、焊缝金属纯度高。它既可用于很薄材料的精密焊接，又可用于很厚的(最厚达300mm)构件焊接。
在本发明中，所有用其他焊接方法能进行熔化焊的金属及合金都可以用电子束焊接。主要用于要求高质量的产品的焊接。还能解决异种金属、易氧化金属及难熔金属的焊接。但不适于大批量产品。
在本发明中，激光焊是利用大功率相干单色光子流聚焦而成的激光束为热源进行的焊接。这种焊接方法通常有连续功率激光焊和脉冲功率激光焊。
在本发明中，激光焊优点是不需要在真空中进行，缺点则是穿透力不如电子束焊强。激光焊时能进行精确的能量控制，实现精密微型器件的焊接。它能应用于很多金属，特别是能解决一些难焊金属及异种金属的焊接。
在本发明中，钎焊时加热温度较低，碳纤维与金属不熔化，焊前必须采取一定的措施清除被焊工件表面的油污、灰尘、氧化膜等。这是使工件润湿性好、确保接头质量的重要保证。
在本发明中，钎焊时由于加热温度比较低，故对工件材料的性能影响较小，焊件的应力变形也较小。但钎焊接头的强度一般比较低，耐热能力较差。
在本发明中，钎焊可以用于焊接碳钢、不锈钢、高温合金、铝、铜等金属材料，还可以连接异种金属、金属与非金属。适于焊接受载不大或常温下工作的接头，对于精密的、微型的以及复杂的多钎缝的焊件尤其适用。
在本发明中，声波焊是一种以机械能为能源的固相焊接方法。进行超声波焊时，焊接工件在较低的静压力下，由声极发出的高频振动能使接合面产生强裂摩擦并加热到焊接温度而形成结合。
在本发明中，超声波焊可以用于大多数金属材料之间的焊接。
在本发明中，以间接热能为能源的固相焊接方法优选为：在真空或保护气氛下进行，焊接时使金属与碳纤维的表面在高温和较大压力下接触并保温，以达到原子间距离，经过原子朴素相互扩散而结合。
在本发明中，以间接热能为能源的固相焊接方法焊前不仅需要清洗合金与碳纤维表面的氧化物等杂质，而且表面粗糙度要低于一定值才能保证焊接质量。
在本发明中，以间接热能为能源的固相焊接方法对被焊材料的性能几乎不产生有害作用。
在本发明中，所述焊接时，本发明优选还包括对所述粘合件的非焊接面施压。
所述焊接时，本发明优选对所述粘合件的非焊接面进行施压处理能够有效防止粘接件因碳纤维与合金异形条接触面化合反应、合金异型条焊接所产生的应力变形。
在本发明中，所述施压时，本发明优选采用压力传感器，PLC控制系统对其施加的压力进行实时监控以保证焊接质量。
在本发明中，所述焊接后得到焊接件，还包括将所述焊接件依次进行碾压和平整处理，得到所述碳纤维金属复合材料。
在本发明中，所述平整处理优选为激光平整处理。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
采用模锻成型得到高温合金异型体，其中高温合金异型体的横截面为圆弧形，高温合金异型体包括B、Cr、Zr和Ti元素；
将粘胶纤维、聚丙烯腈纤维和沥青纤维分解清洗去除表面污渍后，上浆、干燥，得到碳纤维原料丝束；
将高温合金异型体缠绕在碳纤维原料丝束的侧壁上，如图5所示；得到原料丝束复合体，将原料丝原料丝束复合体在氩气保护中与400～1400℃条件下进行碳化，充分碳化后得到碳纤维复合体；
将碳纤维复合体在于200～400℃条件下进行预氧化处理，得到预氧化件，
将预氧化件在1300～1500℃条件下锻压成型，得到热处理件，热处理件包括碳纤维、渗透于碳纤维之间的金属和形成于碳纤维部分表面的金属面；
将热处理件进行正火处理，正火处理的保温温度为860～980℃，然后对热处理件进行液体渗碳处理，将所述热处理件置入活性渗碳介质中进行液体渗碳，活性渗碳介质具体为煤油，渗碳处理的碳浓度为0.8～1.0％，以BaCO3作为催渗剂，所述BaCO3的质量用量占活性渗碳介质的4～7％，渗碳处理的保温温度为920～940℃，渗碳处理后将工件降温至800～850℃进行淬火处理，最后进行回火处理，渗碳处理件的渗碳层深为0.5～2.0mm；
采用由括氧化铜、氢氧化铝灰和二硫化钼组成的高温粘合剂粘合渗碳处理件中的碳纤维、渗透于碳纤维之间的金属和形成于碳纤维部分表面的金属面，得到粘合件；
将粘合件依次进行碾压、清理粘合件金属面、然后采用X光将多个粘合件按照焊接面对齐后校平相接处的焊接面。以粘合件的金属面为焊接面，将多个粘合件进行焊接，焊接采用氩弧焊焊接，具体实施为：粘合件板(片)经平整后，在板(片)的非氩弧焊接面，施加适当的压力以防止板(片)因碳纤维与合金异形条接触面化合反应、合金异型条焊接所产生的应力，变形(锻压消除应力，改变变形)，有压力传感器，PLC控制系统对其施加的压力来保证焊接质量，将钨丝，金属面分别通电，将通电的钨丝自粘合件每两片间通过(滑过)、产生电弧焊时，对施压力时，所述粘合件优选为两层或多层。根据金属面的材质，焊接面截面的大小选择电流，钨丝，粘合件板(片)间移动的速度。使上下层的粘合件产生最佳的焊接质量。所述氩弧焊焊接时氩气一边进一边出，定时定量输送，得到焊接件，将焊接件进行碾压和激光平整，得到所述碳纤维金属复合材料，如图7所示。
实施例2
采用模锻成型得到高温合金异型体，其中高温合金异型体的横截面为工字型，高温合金异型体包括B、Cr、Zr和Ti元素；
将粘胶纤维、聚丙烯腈纤维和沥青纤维分解清洗去除表面污渍后，上浆、干燥，于200～400℃条件下进行稳定化处理，得到碳纤维原料丝束；
将碳纤维原料丝束填充于金属异型体的工字型开口中，如图6所示；得到原料丝束复合体，将原料丝原料丝束复合体在氩气保护中与400～1400℃条件下进行碳化，充分碳化后得到碳纤维复合体；
将碳纤维复合体在1300～1500℃条件下锻压成型，得到热处理件，热处理件包括碳纤维、渗透于碳纤维之间的金属和形成于碳纤维部分表面的金属面；
将热处理件进行正火处理，正火处理的的保温温度为860～980℃，然后对热处理件进行液体渗碳处理，将所述热处理件置入活性渗碳介质中进行液体渗碳，活性渗碳介质具体为煤油，渗碳处理的碳浓度为0.8～1.0％，以BaCO3作为催渗剂，所述BaCO3的质量用量占活性渗碳介质的4～7％，渗碳处理的保温温度为920～940℃，渗碳处理后将工件降温至800～850℃进行淬火处理，最后进行回火处理，渗碳处理件的渗碳层深为0.5～2.0mm；
采用由括氧化铜、氢氧化铝灰和二硫化钼组成的高温粘合剂粘合渗碳处理件中的碳纤维、渗透于碳纤维之间的金属和形成于碳纤维部分表面的金属面，得到粘合件；
将粘合件依次进行碾压、清理粘合件金属面、然后采用X光将多个粘合件按照焊接面对齐后校平相接处的焊接面。以粘合件的金属面为焊接面，将多个粘合件进行焊接，焊接采用氩弧焊焊接，具体实施为：粘合件板(片)经平整后，在板(片)的非氩弧焊接面，施加适当的压力以防止板(片)因碳纤维与合金异形条接触面化合反应、合金异型条焊接所产生的应力，变形(锻压消除应力，改变变形)，有压力传感器，PLC控制系统对其施加的压力来保证焊接质量，将钨丝，金属面分别通电，将通电的钨丝自粘合件每两片间通过(滑过)、产生电弧焊时，对施压力时，所述粘合件优选为两层或多层。根据金属面的材质，焊接面截面的大小选择电流，钨丝，粘合件板(片)间移动的速度。使上下层的粘合件产生最佳的焊接质量。所述氩弧焊焊接时氩气一边进一边出，定时定量输送，得到焊接件，将焊接件进行碾压和激光平整，得到所述碳纤维金属复合材料，如图8所示。
实施例3
制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：焊接采用电阻焊焊接，电阻焊焊接方法为：粘合件经平整后，根据金属面的宽度、厚度、材质，采用电阻焊接：使粘合件板(片)处在一定电极(上下滚轮做电极)压力作用下并利用电流通过工件时所产生的电阻热接触的金属面熔化而实现连接的焊接。
实施例4
制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：焊接采用激光焊焊接。
实施例5
制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：焊接采用钎焊焊接。
实施例6
制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：焊接采用超声波焊接。
实施例7
制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：焊接采用间接热能为能源的固相焊接方法，具体为：在真空或保护气氛下进行，焊接时使金属与碳纤维的表面在高温和较大压力下接触并保温，以达到原子间距离，经过原子朴素相互扩散而结合。
尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims (10)

1.一种碳纤维金属复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将碳纤维原料丝束与金属件复合，得到原料丝束复合体；所述复合包括缠绕复合或填充复合，所述缠绕复合为将金属件缠绕在所述碳纤维原料丝束的侧壁上；所述填充复合为将碳纤维原料丝束填充于金属件的开口腔体中；
将所述原料丝束复合体进行预氧化处理，得到预氧化件；
将所述预氧化件进行热处理，得到热处理件；所述热处理包括第一热处理或第二热处理；
所述第一热处理包括：在保护气体中，将所述原料丝束复合体在第一温度条件下进行碳化，得到碳纤维复合体；将所述碳纤维复合体在第二温度条件下进行第一锻压成型，所述第二温度大于所述第一温度，所述第二温度大于所述金属异型体的液相线温度；
所述第二热处理包括：在保护气体中，将所述原料丝束复合体在第三温度条件下进行第二锻压成型，所述锻压成型中发生石墨化，所述第三温度大于所述金属异型体的液相线温度；
将所述热处理件进行渗碳处理，得到所述碳纤维金属复合材料。
2.根据权利要求1所述的碳纤维金属复合材料的制备方法，其特征在于，所述金属件包括圆弧形金属异型体或工字型金属异型体；
所述圆弧形金属异型体与碳纤维原料丝束复合为缠绕复合；
所述工字型金属异型体与碳纤维原料丝束复合为填充复合。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述渗碳处理包括液体渗碳处理、气体渗碳处理或固体渗碳处理。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述渗碳处理得到渗碳处理件；所述渗碳处理后还包括：采用高温粘合剂粘合所述渗碳处理件中的碳纤维、金属和金属面，得到所述碳纤维金属复合材料，所述高温粘合剂包括氧化铜或磷酸二氢铝。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述高温粘合剂还包括氧化铜或磷酸二氢铝添加二硫化钼和/或氢氧化铝灰。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述粘合得到粘合件，所述粘合件包括碳纤维、渗透于碳纤维之间的金属和形成于碳纤维表面的金属面；所述粘合后还包括：以金属面为焊接面，将多个粘合件进行焊接，得到所述碳纤维金属复合材料；所述焊接时，还包括对所述粘合件的非焊接面施压。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述缠绕复合为等间隔复合缠绕，相邻缠绕的两圈圆弧形金属异型体之间的间隔距离为所述碳纤维原料丝束的直径。
8.根据权利要求1或7所述的制备方法，其特征在于，所述预氧化处理的温度为200～400℃。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述工字型金属异型体的工字型开口的深度为：工字型开口填充碳纤维所承受的拉力与碳纤维和金属异型体所接触面化合后所承受的拉力之和≥与工字型开口相同厚度的碳纤维在长度方向上产生的拉力。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述焊接后得到焊接件，还包括将所述焊接件依次进行碾压和平整处理，得到所述碳纤维金属复合材料。
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