CN1318623C

CN1318623C - 原位颗粒增强耐蚀铸造铝基复合材料的制备方法

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Publication number: CN1318623C
Application number: CNB2005100298825A
Authority: CN
Inventors: 王浩伟; 马乃恒; 易宏展; 李险峰; 张亦杰
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2005-09-22
Filing date: 2005-09-22
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2025-09-22
Also published as: CN1740353A

Abstract

一种原位颗粒增强耐蚀铸造铝基复合材料的制备方法，所述复合材料组分重量百分比为：7.5～9.5%Mg，1.0～1.5%Zn、0.03～0.1%Be，0.1～0.2%Ti，1～20%TiB₂，余量为Al，制备步骤：(1)将工业纯铝加入电阻炉内坩锅中进行熔炼，升温，用覆盖剂覆盖；(2)将KFB₄、KTiF₆均匀混合，烘干后加入熔体中，进行机械搅拌；(3)反应结束后，取出副产物，加入Al-Be中间合金、Al-Ti中间合金，覆盖；(4)在坩锅内液面上空通保护气体；(5)合金液降温冷却后，加入工业纯Mg、Al-Zn中间合金，搅拌，扒去浮渣，抽真空静置；(6)采用低压铸造成形。本发明制得的复合材料具有良好的耐蚀强度、塑性，并具备高的模量，方法简单，成本低、适合于大规模生产应用。

Description

原位颗粒增强耐蚀铸造铝基复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种材料技术领域的制备方法，特别是一种原位颗粒增强耐蚀铸造铝基复合材料的制备方法。

背景技术

铸造铝合金耐腐蚀，密度低，有一定的比强度和比刚度，船舶上一些重要结构如雷达底座、箱类、舷窗、把手、发动机和电器部件等，采用铸造合金来减轻船舶的自重以提高航速和稳定性。目前船舶上广泛应用的铸造铝合金主要有两类：一类是具有良好铸造工艺性能，又有较好的耐蚀性的Al-Si系铸造铝合金(如ZL101)；另一类是具有优异的耐海水腐蚀但铸造工艺性能相对较差的Al-Mg系铸造铝合金(ZL301、ZL305)。这些材料总的来说具有一定的耐蚀性能。工业用的ZL301合金，含9.5～11.0％Mg，淬火后有良好的力学性能，但该合金由于自然时效的不稳定性而易引起铸件产生应力腐蚀开裂，或延迟开裂。外加颗粒制备铝基复合材料，存在着增强颗粒与基体浸润性差，界面反应难以控制，增强颗粒分布不均匀等缺陷，使得复合材料的耐蚀性变差，影响了铝基复合材料的性能。

经对现有技术的文献检索发现，张林和等在《铝加工》2002，25(2)：38-40上发表的“新型船舶用铸造铝合金腐蚀性能研究”，该文介绍的材料为一种新型的Al-Mg-Si合金(1.32％Mg，1.8％Si，0.35％Mn，0.16％Cr)，其制备方法为：在电阻坩锅炉内用石墨坩锅进行熔炼，合金液浇入预热的金属模具中。虽然该材料的制备方法简单，并且该材料具有一定的耐蚀性能和较好的铸造性能，但是该材料的比强度和比模量相对较低，限制了其使用。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种原位颗粒增强耐蚀铸造铝基复合材料的制备方法，使其制得的复合材料具有良好的耐蚀强度、塑性，并具备高的模量，方法简单，成本低、适合于大规模生产应用。

本发明是通过以下技术方案实现的，所述的原位颗粒增强耐蚀铸造铝基复合材料组分重量百分比为：7.5～9.5％Mg，1.0～1.5％Zn、0.03～0.1％Be，0.1～0.2％Ti，1～20％TiB₂，余量为Al。该材料的制备包括以下步骤：

(1)将工业纯铝加入电阻炉内坩锅中进行熔炼，熔化后，升温至680～800℃，用覆盖剂覆盖，覆盖剂为Al-Mg合金无Na覆盖剂。

(2)将KFB₄、KTiF₆以约为1∶1.5的质量比均匀混合，烘干后加入熔体中，进行机械搅拌，搅拌速度为200～500rpm，搅拌时间为10～30min。

(3)反应结束后，取出副产物，加入Al-Be中间合金、Al-Ti中间合金，并覆盖。

(4)在坩锅内液面上空通保护气体。

(5)降温冷却到680～760℃后，加入工业纯Mg、Al-Zn中间合金，搅拌10～30min，扒去浮渣，抽真空静置，静置时间为5～15min，静置温度680～760℃。

(6)采用低压铸造成形。工艺过程为：装配中隔板、升液管、模具，模具温度：25～400℃，采用可控工艺参数的低压设备低压成形，低压成形的具体工艺参数如下：该复合材料低压成形的充型温度为680～760℃，充型速度20～150mm/s，充型最高压力10～150KPa，当型腔充满后，凝固保压，保压压力为100～500KPa，保压时间10s～10min。

本发明采用铸造Al-Mg合金作基体，加入Zn，Cu，Al，Mn等元素，降低原子的扩散速度，控制了析出相的形状和尺寸，可以改善了合金的自然时效稳定性，而原位自生的TiB₂颗粒在基体中稳定性很好，长时间时效，颗粒与基体界面也不会发生反应，因而使得该类复合材料的时效稳定性很好。又由于基体的热膨胀系数要比增强相的热膨胀系数大许多，因而在制备和热处理过程中均可在基体材料中形成高密度位错，晶内和晶界的位错都会对滑移产生阻碍，产生强化用，这就使得该类材料具有较高的比强度；当然，高模量TiB₂颗粒的加入，可以明显的提高材料的模量。

综合这些因素使得该类复合材料具有较好的比强度和比刚度，同时具有非常好的耐蚀性能。该工艺可以用于铸造耐腐蚀，密度低，有一定的比强度和比刚度的原位铝基复合材料。本发明制得的TiB₂增强颗粒耐蚀铸造铝基复合材料，其新淬火状态抗拉强度为335～362MPa，时效18个月后抗拉强度为：349～373MPa，模量范围：77.2～92.5GPa，制备工艺简单，成本低、适合于大规模生产应用，可广泛使用于船舶上一些重要结构件中，如雷达底座、箱类、舷窗、把手、发动机和电器部件等，用来减轻船舶的自重以提高航速和稳定性。

具体实施方式

下面通过实施例说明本发明。

实施例1：

制备成分质量百分比组成9.5％Mg、1.0％Zn、0.1％Be、0.2％Ti、1％TiB₂，其余为Al的耐蚀铸造铝基复合材料。

制备过程如下：

将工业纯铝锭放入坩锅中，升温至680℃，加入覆盖剂覆盖熔体，熔化后，扒去覆盖剂，将经过烘干的质量比为1∶1.5的KFB₄、KTiF₆混合均匀加入到熔体中，进行搅拌，搅拌速度200rpm，搅拌时间30min，取出副产物，加入Al-Be中间合金、Al-Ti中间合金，覆盖，通入保护气体CO₂，降温到680℃，加入工业纯Mg、Al-Zn中间合金，覆盖，搅拌10min，抽真空静置，静置温度680℃，静置时间15min，破真空，继续通保护气体，扒渣，装配中隔板、升液管、模具，金属模具温度25℃，采用可控工艺参数的低压设备低压成形，低压成形的具体工艺参数如下：该复合材料低压成形的充型温度为680℃，充型速度20mm/s，充型最高压力10KPa，当型腔充满后，凝固保压，保压压力为100KPa，保压时间10s。该材料颗粒界面干净，颗粒分布均匀，材料T4态室温力学性能：

σ_b＝335MPa，σ_0.2＝266MPa，δ＝4.8％，E＝77.2GPa，

自然时效18个月之后：

σ_b＝349MPa，σ_0.2＝274MPa，δ＝4.7％，E＝78.1GPa。

实施例2：

制备成分质量百分比组成7.5％Mg、1.5％Zn、0.03％Be、0.1％Ti、20％TiB₂，其余为Al的耐蚀铸造铝基复合材料。

制备过程如下：

将工业纯铝锭放入坩锅中，升温至800℃，加入覆盖剂覆盖熔体，熔化后，扒去覆盖剂，将经过烘干的质量比为1∶1.5的KFB₄、KTiF₆混合均匀加入到熔体中，进行搅拌，搅拌速度500rpm，搅拌时间20min，取出副产物，加入Al-Be中间合金、Al-Ti中间合金，覆盖，通入保护气体N₂，降温到730℃，加入工业纯Mg、Al-Zn中间合金，覆盖，搅拌20min，抽真空静置，静置温度730℃，静置时间5min，破真空，继续通保护气体，扒渣，装配中隔板、升液管、模具，金属模具温度400℃，采用可控工艺参数的低压设备低压成形，低压成形的具体工艺参数如下：该复合材料低压成形的充型温度为760℃，充型速度150mm/s，充型最高压力100KPa，当型腔充满后，凝固保压，保压压力为500KPa，保压时间10min。

该材料颗粒界面干净，颗粒分布均匀，材料T4态室温力学性能：

σ_b＝362MPa，σ_0.2＝289MPa，δ＝1.9％，E＝92.5GPa，

自然时效18个月之后：

σ_b＝373MPa，σ_0.2＝297MPa，δ＝1.9％，E＝92.3GPa。

实施例3：

制备成分质量百分比组成8.9％Mg、1.2％Zn、0.02％Be、0.1％Ti、10％TiB₂，其余为Al的耐蚀铸造铝基复合材料。

制备过程如下：

将工业纯铝锭放入坩锅中，升温至780℃，加入覆盖剂覆盖熔体，熔化后，扒去覆盖剂，将经过烘干的质量比为1∶1.5的KFB₄、KTiF₆混合均匀加入到熔体中，进行搅拌，搅拌速度300rpm，搅拌时间20min，取出副产物，加入Al-Be中间合金、Al-Ti中间合金，覆盖，通入保护气体Ar₂，降温到720℃，加入工业纯Mg、Al-Zn中间合金，覆盖，搅拌15min，抽真空静置，静置温度720℃，静置时间10min，破真空，继续通保护气体，扒渣，装配中隔板、升液管、模具，金属模具温度200℃，采用可控工艺参数的低压设备低压成形，低压成形的具体工艺参数如下：该复合材料低压成形的充型温度为730℃，充型速度80mm/s，充型最高压力50KPa，当型腔充满后，凝固保压，保压压力为300KPa，保压时间5min。

σ_b＝353MPa，σ_0.2＝277MPa，δ＝2.9％，E＝83.8GPa，

自然时效18个月之后：

σ_b＝366MPa，σ_0.2＝283MPa，δ＝2.8％，E＝84.1GPa。

Claims

1、一种原位颗粒增强耐腐蚀铝基复合材料的制备方法，其特征在于，原位颗粒增强耐蚀铸造铝基复合材料组分重量百分比为：7.5～9.5％Mg，1.0～1.5％Zn、0.03～0.1％Be，0.1～0.2％Ti，1～20％TiB₂，余量为Al，其制备包括以下步骤：

(1)将工业纯铝加入电阻炉内坩锅中进行熔炼，升温至680～800℃之间，用覆盖剂覆盖，覆盖剂为铝合金无钠覆盖剂；

(2)将KFB₄、KTiF₆均匀混合，KFB₄∶KTiF₆混合质量比为1∶1.5，烘干后加入熔体中，进行机械搅拌，搅拌速度为200～500rpm，搅拌时间10～30min；

(3)反应结束后，取出副产物，加入Al-Be中间合金、Al-Ti中间合金，覆盖；

(4)在坩锅内液面上空通保护气体，保护性气体为CO₂、N₂或Ar₂；

(5)合金液降温冷却到680～760℃后，加入工业纯Mg、Al-Zn中间合金，搅拌，搅拌时间10～30min，扒去浮渣，抽真空静置，静置时间为10～30min，静置温度680～760℃，真空度-0.1MPa；

(6)采用低压铸造成形：装配中隔板、升液管、模具，模具温度：25～400℃，采用可控工艺参数的低压设备低压成形，低压成形的具体工艺参数如下：该复合材料低压成形的充型温度为680～760℃，充型速度20～150mm/s，充型最高压力10～150KPa，当型腔充满后，凝固保压，保压压力为100～500KPa，保压时间10s～10min。