CN115786779A

CN115786779A - 一种陶瓷增强铝基复合材料及复合材料螺母和复合材料螺母的制备方法

Info

Publication number: CN115786779A
Application number: CN202211523761.6A
Authority: CN
Inventors: 黄小忠; 罗伟; 王培生; 成有为; 张攀; 鲁先孝
Original assignee: Hunan Boom New Materials Co ltd
Current assignee: Hunan Boom New Materials Co ltd
Priority date: 2022-11-30
Filing date: 2022-11-30
Publication date: 2023-03-14

Abstract

本发明公开了一种陶瓷增强铝基复合材料及复合材料螺母和复合材料螺母的制备方法。该复合材料中陶瓷增强材料与铝合金基体的质量比为1：2～4，所述铝合金基体包括Al、Cu、Mg、Mn等元素，其中Al的占比≥95％，Mg与Mn的质量比为1：0.05～0.2。该复合材料基于原料组分间的协同作用，通过调节增强材料与铝合金基体、铝合金基体内部Mg与Mn的质量比，来共同控制该材料的致密性和耐磨性，从而在提高材料力学性能的前提下实现了材料的轻量化。基于该复合材料制备所得的螺母采用一体化成型方式，可有效消除螺母的内部应力，强化材料抗拉强度，使得螺母内部的过渡金属与增强材料形成“钉扎”效果，大幅提升螺母的力学强度和耐磨性。

Description

一种陶瓷增强铝基复合材料及复合材料螺母和复合材料螺母的制备方法

技术领域

本发明涉及一种陶瓷增强复合材料，具体涉及一种陶瓷增强铝基复合材料及复合材料螺母和复合材料螺母的制备方法。

背景技术

丝杆和螺母是一对摩擦副。摩擦副通常选用性质不同的材料。原因有二：

第一是降低两者之间的摩擦系数，从而减少摩擦力，使得操作省力轻便；并且可以减少磨损及移损，提高使用寿命。

第二丝杆与螺母间不容易咬死，能实现丝杆和螺母之间的间隙达到很小，从而提高设备的精度；另外选用既耐磨、硬度又比丝杆软的材料(如铜合金)，可保护贵重零件丝杆不被磨损，使它更耐用。

目前常用的配合为钢丝杆配铜螺母。因铜的密度较大，铜合金材质软，在某些应用场景不适用，也容易导致磨损严重；且铜密度过大对于重量有特殊要求的领域无法满足，而使用密度较小的金属材料例如铝，难以在强度、耐磨性等方面达标。因此采用低密度、高强度、较高硬度的复合材料替代铜合金用作螺母具有较大的前景。

CN111169038A公开了一种纤维增强复合材料制备螺母的方法，包括将螺母内部芯材和缠绕在其外部的复合缠绕层，其内部芯材由重叠纤维-织物预浸料材料压制成型，复合缠绕层由连续纤维预浸渍材料固化制成。该纤维增强复合材料螺母相较于金属材料制备的螺母，具有绝缘、耐腐蚀、轻质等特点，但受材料限制，无法媲美金属螺母优良的强度。

因此，研发一种既有金属螺母优良的力学性能、耐磨性能，同时又能实现一定程度的轻量化的复合材料螺母，对航天航空领域来说具有十分重要的意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明所提供的第一个目的在于提供一种陶瓷增强铝基复合材料，该复合材料基于原料组分间的协同作用，主要通过调节增强材料与铝合金基体、铝合金基体内部Mg与Mn的质量比，来共同控制该材料的致密性和耐磨性，从而在提高材料力学性能的前提下实现了材料的轻量化。

本发明的第二个目的在于提供一种陶瓷增强铝基复合材料螺母。该螺母由本发明所提供的陶瓷增强铝基复合材料制成，具有优异的强韧性和耐磨性，且通过陶瓷增强改性，从而实现了整体性能的轻质高强。

本发明的第三个目的在于提供一种陶瓷增强铝基复合材料螺母的制备方法。本发明螺母采用一体式成型制备工艺，即从复合材料原料直接制备，基于制备过程中各流程的协同作用，控制烧结温度略低于Al的熔点温度，使得基体具有良好的浸润效果，对陶瓷增强基体具有良好的包裹性，进一步的，通过均匀化和热处理工艺，有效消除螺母的内部应力，强化材料抗拉强度，使得螺母内部的过渡金属与增强材料形成“钉扎”效果，从而大幅提升螺母的力学强度和耐磨性。

为实现上述技术目的，本发明提供一种陶瓷增强铝基复合材料，包括铝合金基体和陶瓷增强材料；所述陶瓷增强材料与铝合金基体的质量比为1：2～4；所述铝合金基体包括以下组分：Al、Cu、Mg、Mn，其中Al的占比≥95％，Mg与Mn的质量比为1：0.05～0.2。

本发明所提供的复合材料，基于原料各组分间的协同作用，采用陶瓷增强材料与铝合金基材，通过调节增强材料与铝合金基体、铝合金基体内部Mg与Mn的质量比，来共同控制该材料的致密性和耐磨性，从而在提高材料力学性能的前提下实现了材料的轻量化。

作为一项优选的方案，所述陶瓷增强材料与铝合金基体的质量比为1：2.5～3。

作为一项优选的方案，所述铝合金还包括以下组分：Sn、Cr、Ti、Pb、Fe和Zn，其中Pb、Fe、Zn的占铝合金集体的质量百分比分别为0～0.15％、0～0.25％和0～0.25％。

作为一项优选的方案，所述陶瓷增强材料与铝合金基材的质量比为1：3。

陶瓷增强材料与铝合金基材的比例的质量比需严格按照上述要求执行，陶瓷增强相过多虽然会提高材料的硬度及力学强度，但会降低材料的耐磨性及强韧性；而铝合金基材过多则会导致材料整体质地过“软”，无法适应高温下的工况环境。

作为一项优选的方案，所述铝合金基体中，Mg与Mn的质量比为1：0.1。

Mg作为铝合金最常见的强化元素之一，但其在铝基体中溶解度的增加与温度的增加为负相关关系，因此，这类合金的热处理强化效果有限，具有热裂缺陷，而通过添加Mn元素，则可以有效降低Al-Mg合金的热裂缺陷，提升铝合金基材的整体强度。

本发明所提供的铝合金基体中，Mg和Mn的质量比要严格按照上述要求执行，由于Mn、Mg之间不具有互溶效果，虽然Mn元素可以降低Al-Mg合金的热裂缺陷，但Mn含量对于Al-Mg合金强度的提升效果为倒马鞍型，若Mn的比例过低，则Mn的提升效果有限，无法使得铝合金基材具热处理强化性能，而Mn的含量过高，则会影响复合材料的均匀化，产生部分偏析和细纹，大幅降低合金的耐磨性能。

作为一项优选的方案，所述陶瓷增强材料为BN、Al₂O₃、SiC和Si₃N₄中的至少一种。

作为一项优选的方案，所述陶瓷增强材料为Si₃N₄。

本发明还提供了采用上述陶瓷增加基复合材料制备的一种陶瓷增强铝基复合材料螺母。

基于本发明所提供的复合材料所制备的铝基复合材料螺母具有高强度、高模量、高耐磨性及轻质化的特点，其抗拉强度大于600MPa，布氏硬度大于180HB，弹性模量大于110GPa，各项力学性能指标均优于普通铝合金和铜合金材料螺母。

本发明还提供了一种陶瓷增强铝基复合材料螺母的制备方法，将包括铝合金基体与陶瓷增强材料在内的原料机械混合后，依次经模压、烧结、均匀化、热锻、热处理和机加工，即得。

作为一项优选的方案，所述铝合金基材与陶瓷增强材料为粉末材料。

作为一项优选的方案，所述铝合金基材粉末的粒径为10μm～80μm，陶瓷增强材料粉末的粒径为10μm～80μm。进一步优选，所述铝合金基材粉末的粒径为20～50μm，陶瓷增强材料粉末的粒径为20～50μm。

作为一项优选的方案，所述机械混合的方式为干磨，干磨条件为：转速为5～15转/min，球料比为1:1～5，时间为5～100min

作为一项优选的方案，所述模压的条件为：100MPa～250Mpa压力下，保压时间为5s～60s。进一步优选，所述模压的条件为：250Mpa压力下，保压10s。

作为一项优选的方案，所述烧结工艺的条件为：在保护性气体氛围下，升温速率为5～10K/min，温度为550～650℃，时间为1～4h。

作为一项优选的方案，所述烧结工艺的条件为：在氮气氛围下，升温速率为5～10K/min，温度为600～650℃，时间为2～4h。进一步优选，所述烧结工艺的条件为：在氮气氛围下，升温速率为5K/min，温度为620℃，时间为4h。烧结结束后随炉冷却至室温。

通过控制烧结温度600～650℃略低于Al的熔点温度660℃，能使得铝合金基体具有良好的浸润效果，在氮气氛围下，实现对陶瓷增强基体良好的包裹性，提高材料的致密性。低于这个温度Al合金基体难以实现对陶瓷增强基体的浸润包裹，高于这个温度，Al合金基体会熔化为流状液体，也难以对陶瓷增强基体进行包裹。

作为一项优选的方案，所述均匀化的条件为：升温速率为15～25K/min，温度为450～550℃温度下，时间为5～10h。

作为一项优选的方案，所述均匀化的条件为：升温速率为20～25K/min，温度为450～500℃温度下，时间为5～10h。进一步优选，所述均匀化的条件为：升温速率为20K/min，温度为470℃温度下，时间为10h。

作为一项优选的方案，所述热锻工艺的条件为：压力为250MPa～400Mpa，400℃～600℃温度下，保压5s～60s。

作为一项优选的方案，所述热锻工艺的条件为：压力为300～400Mpa，550～600℃，保压10～30s。进一步优选，所述热锻工艺的条件为：压力为300Mpa，550℃，保压15s。

作为一项优选的方案，所述热处理的条件为：150℃～550℃温度下，保温3h～15h。

作为一项优选的方案，所述热处理的条件为：300～550℃温度下，保温3～5h。进一步优选，所述热处理的条件为：550℃温度下，保温3h。保温结束后水淬至室温。

相对于现有技术，本发明带来的优异技术效果为：

1)本发明所提供的复合材料基于原料组分间的协同作用，主要通过调节增强材料与铝合金基体、铝合金基体内部Mg与Mn的质量比，来共同控制该材料的致密性和耐磨性，从而在提高材料力学性能的前提下实现了材料的轻量化。

2)本发明所提供的技术方案中，采用一体式成型制备工艺，根据螺母的外形要求制作的模具内将原料粉末在一定压强下冷压成型，再置于保护气氛下烧结成型，并通过调节Mg和Mn的质量比，提升了复合材料的热处理强化性能。

3)本发明所提供的技术方案中，基于本发明所提供复合材料所制备的螺母，通过控制烧结温度略低于Al的熔点温度，使得基体具有良好的浸润效果，对陶瓷增强基体具有良好的包裹性，进一步的，通过均匀化和热处理工艺，有效消除螺母的内部应力，强化材料抗拉强度，使得螺母内部的过渡金属与增强材料形成“钉扎”效果，从而大幅提升螺母的力学强度和耐磨性。

附图说明

图1实施例1陶瓷颗粒增强铝基复合材料螺母的实体图；

具体实施方式

为了对本发明有更好的理解，下面结合实施例作进一步的详细介绍，但不能理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

本实施例为陶瓷颗粒增强铝基复合材料螺母及其制备方法，包括以下步骤：

称取25wt％颗粒粒径为20μm～50μm的Si₃N₄颗粒与75wt％的铝基合金粉末置于混料机中混料3h，其中铝基合金粉末由Al、Mg、Cu、Sn、Cr、Mn、Ti组成，其中Al含量为95％，Mg与Mn的质量比为1：0.1；将称取得粉料至于混料机中混料3h，保持混料机转速为20r/min，混料结束后得到混合均匀的陶瓷颗粒铝基粉体原料，混料期间应保证混料环境干燥，避免粉体原料接触液体；

将所的混合均匀的陶瓷颗粒铝基粉体原料置于设计好的模具阴模中，装载好上下模冲后，置于液压机下250MPa保压10s，重复两遍，脱模后得到冷压完成的陶瓷颗粒增强铝基复合材料螺母，粉体原料装载于模具的过程中可以通过敲打模具或台面来保证粉体内部足够致密，液压机在脱模过程中应尽量减缓液压机的形成速度，以免过快的脱模速度使得模具对螺母本体造成刮擦损伤；

将冷压好的陶瓷颗粒增强铝基复合材料螺母置于烧结炉中，充满氮气保护气氛后，设置烧结温度为620℃，升温速率为5K/min，保温时间为4h，烧结结束使螺母随炉自然降温冷却，冷却结束后得到烧结好的陶瓷颗粒增强铝基复合材料螺母。

将所述烧结好的陶瓷颗粒增强铝基复合材料螺母置于马弗炉中，进行均匀化处理，马弗炉升温速率为20K/min，均匀化处理的时间为10h，均匀化温度为470℃，均匀化结束后使螺母随炉冷却至接近室温后取出，得到均匀化后的陶瓷颗粒增强铝基复合材料螺母；

将所述均匀化后的陶瓷颗粒增强铝基复合材料螺母，置于设计好的热压模具中，装好上下模冲后置于加热炉内，保温温度为550℃，保温时间为3h，保温结束后取出，置于液压机下300MPa进行压制。保压时间为15，热压结束后使螺母随室温冷却后进行脱模，脱模后得到热压好的陶瓷颗粒增强铝基复合材料螺母。

将所述热压后的陶瓷颗粒增强铝基复合材料螺母置于加热炉中保温处理，保温温度为500℃，保温时间为3h，保温结束后取出螺母迅速浸没淬火池中，待螺母冷却至室温后取出，得到淬火后的陶瓷颗粒增强铝基复合材料螺母。淬火池中水量应保证淬火过程中水温不会过度升高而影响淬火效果。

本实施例中，根据实验方法，加工得到陶瓷颗粒增强铝基复合材料螺母，其规格为外径Φ240mm，内径Φ80mm，高度Φ150mm。其性能指标为：抗拉强度648MPa，布氏硬度187，弹性模量116GPa，密度为2.85g/cm³。

实施例2

本实施例陶瓷颗粒增强铝基复合材料螺母的制备方法与实施例1完全相同，

不同点为，本实施例中，粒径为20μm～50μm的Si₃N₄颗粒与铝基合金粉末的质量比为1:2，然后按实施例1所述的操作方法进行操作。

本实施例中，根据实验方法，加工得到陶瓷颗粒增强铝基复合材料螺母，其规格为外径Φ240mm，内径Φ80mm，高度Φ150mm。其性能指标为：抗拉强度655MPa，布氏硬度188，弹性模量115GPa，密度为2.95g/cm³。

对比例1

本对比例中陶瓷颗粒增强铝基复合材料螺母的制备方法与实施例1完全相同，仅改变铝合金基材中Mg与Mn的质量比为1：1。

本对比例中，根据实验方法，加工得到陶瓷颗粒增强铝基复合材料螺母，其规格为外径Φ240mm，内径Φ80mm，高度Φ150mm。其性能指标为：抗拉强度616MPa，布氏硬度167，弹性模量115GPa，密度为3.00g/cm³。

Claims

1.一种陶瓷增强铝基复合材料，其特征在于：包括铝合金基体和陶瓷增强材料；所述陶瓷增强材料与铝合金基体的质量比为1：2～4；所述铝合金基体包括以下组分：Al、Cu、Mg和Mn，其中Al的占比≥95％，Mg与Mn的质量比为1：0.05～0.2。

2.根据权利要求1所述的一种陶瓷增强铝基复合材料，其特征在于：所述陶瓷增强材料与铝合金基体的质量比为1：2.5～3；所述铝合金还包括以下组分：Sn、Cr、Ti、Pb、Fe和Zn，其中Pb、Fe、Zn占铝合金集体的质量百分比分别为0～0.15％、0～0.25％和0～0.25％。

3.根据权利要求1所述的一种陶瓷增强铝基复合材料，其特征在于：所述陶瓷增强材料与铝合金基材的质量比为1：3；所述铝合金基体中，Mg与Mn的质量比为1：0.1。

4.根据权利要求1所述的一种陶瓷增强铝基复合材料，其特征在于：所述陶瓷增强材料为BN、Al₂O₃、SiC和Si₃N₄中的至少一种。

5.一种陶瓷增强铝基复合材料螺母，其特征在于：由权利要求1～4任意一项所述陶瓷增强铝基复合材料制得。

6.权利要求5所述的一种陶瓷增强铝基复合材料螺母的制备方法，其特征在于：将包括铝合金基体与陶瓷增强材料在内的原料机械混合后，依次经模压、烧结、均匀化、热锻、热处理和机加工，即得。

7.根据权利要求6所述的一种陶瓷增强铝基复合材料螺母的制备方法，其特征在于：所述铝合金基材与陶瓷增强材料为粉末材料；所述铝合金基材粉末的粒径为10μm～80μm，陶瓷增强材料粉末的粒径为10μm～80μm。

8.根据权利要求7所述的一种陶瓷增强铝基复合材料螺母的制备方法，其特征在于：所述机械混合的方式为干磨，干磨条件为：转速为5～15转/min，球料比为1:1～5，时间为5～100min。

9.根据权利要求6所述的一种陶瓷增强铝基复合材料螺母的制备方法，其特征在于：所述模压的条件为：100MPa～250Mpa压力下，保压时间为5s～60s；所述烧结工艺的条件为：在保护性气体氛围下，升温速率为5～10K/min，温度为550～650℃，时间为1～4h。

10.根据权利要求6所述的一种陶瓷增强铝基复合材料螺母的制备方法，其特征在于：所述均匀化的条件为：升温速率为15～25K/min；温度为450～550℃温度下，时间为5～10h；所述热锻工艺的条件为：250MPa～400Mpa压力，400℃～600℃温度下，保压5s～60s；所述热处理的条件为：150℃～550℃温度下，保温3h～15h。