CN1327014C - 挤压铸造法制备AlCuFe准晶颗粒增强铝基复合材料的方法 - Google Patents

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Abstract

一种挤压铸造法制备AlCuFe准晶颗粒增强铝基复合材料的方法，属于复合材料制备领域。本发明是在铝基复合材料的材质符合一定条件的前提下实施；本发明采用高压惰性气体雾化方法制取AlCuFe粉末，过筛后得到20-100μm的准晶颗粒，经过真空热处理，得到单一准晶相，然后进行冷压，将冷压后的准晶颗粒按设计的体积比压成预制件，将预制件随模具一起进行加热保温，同时进行铝合金的熔炼，保温后进行挤压浸渗，从而制备出准晶增强铝基复合材料。本发明工艺过程简单、成本低，制备出的金属基复合材料的致密度高、准晶颗粒分布均匀，具有良好的综合性能。

Description

挤压铸造法制备AlCuFe准晶颗粒增强铝基复合材料的方法
技术领域
本发明涉及的是一种准晶颗粒增强铝基复合材料的制备方法，特别是一种挤压铸造法制备AlCuFe准晶颗粒增强铝基复合材料的方法，属于复合材料制备领域。
背景技术
准晶由于其结构特征存在着本质脆性，不宜单独作为结构材料使用。但准晶材料具有高硬度、低摩擦系数等特点，可用作增强体制备复合材料。目前准晶增强铝基复合材料的方法主要有搅拌铸造、热压、原位反应等。
经对现有技术的检索发现，美国专利申请号为：US05851317，申请日期为：Dec.22，1998，专利名称：Composites reinforced by atomized quasicrystal particlesand it’s manufacture method(雾化准晶颗粒增强复合材料及其制备方法)，该专利采用雾化制备AlCuFe准晶颗粒，采用粉末冶金方法将准晶颗粒和铝合金粉混和均匀后通过热等静压、烧结和锻造等方法制备准晶颗粒增强复合材料。该工艺过程较为复杂，成本较高，排气如果不理想材料中会存在气孔。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术中的不足，提供一种挤压铸造法制备AlCuFe准晶颗粒增强铝基复合材料的方法，使其工艺过程简单、成本低，制备出的金属基复合材料的致密度高、准晶颗粒分布均匀，具有良好的综合性能。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明是在铝基复合材料的材质符合以下条件的前提下实施：基体材料成分为：AlaMbNC，其中，a、b、c为重量百分比(a+b+c＝100)：86≤a≤100，0≤b≤13，0≤c≤1，M表示Mg，Cu，Si，Zn中至少一种，N表示Fe，Ni，Cr中的一种或几种；AlCuFe准晶颗粒，其成分为：AlxCuyFez，其中x、y、z为原子百分比(x+y+z＝100)，62≤x≤67，21≤y≤26，12≤z≤15；本发明采用高压惰性气体雾化方法制取AlCuFe粉末，过筛后得到尺寸为20-100μm的准晶颗粒，经过真空热处理，得到单一准晶相，然后进行冷压，将冷压后的准晶颗粒按设计的体积比压成预制件，将预制件随模具一起进行加热保温，同时进行铝合金的熔炼，保温后进行挤压浸渗，从而制备出准晶增强铝基复合材料。
所述的高压惰性气体雾化方法，是在中频炉中按Al63Cu25Fe12的配比进行配料，在中频炉中熔炼后，采用高压惰性气体N2将金属熔体充分雾化，喷水进行强制冷却，雾化工艺参数如下：雾化气压为1.1MPa，液流量为6kg/min，雾化时熔体温度为1200℃。
所述的冷压后的准晶颗粒，其体积百分数为15-25％。
所述的真空热处理，其工艺参数为：温度850℃，时间12小时，真空度1.33×10-2Pa。
所述的冷压，其压制压力为300MPa。
所述的将预制件随模具一起进行加热保温，其加热温度500-550℃，保温时间为1-2小时。
所述的铝合金的熔炼，其加热温度750-800℃，保温时间30分钟。
所述的挤压，其工艺参数为：压头下降速度50-100mm/min，压力50-100MPa，保压时间30-60s。
本发明原材料和压铸设备成本低，工艺过程简单，准晶增强颗粒与基体金属界面结合良好，且弥散均匀分布在基体金属内，材料致密度高，综合性能良好。特别值得一提的是，由于准晶颗粒具有热膨胀系数低、硬度高、不粘性、耐磨等特点，使复合材料具有很好的尺寸稳定性和耐磨性。本发明可以制备近净成型(Near Net Shape)的复合材料，还可以制备部分增强复合材料，含有准晶颗粒的部分耐磨性、尺寸稳定性好，而不含准晶颗粒的部分保持了基体材料的塑性和良好的机械加工性，因此，这种部分增强复合材料特别适合制造活塞、机床导轨等零部件。
具体实施方式
实施例1
基体选用6061铝合金(1.0Mg，0.6Si，0.3Cu，0.2Cr)，在中频炉中按Al63Cu25Fe12的配比进行配料在中频炉中熔炼后，采用高压惰性气体N2将金属熔体充分雾化，喷水进行强制冷却，雾化工艺参数如下：雾化气压为1.1MPa，液流量为6kg/min，雾化时熔体温度为1200℃，过筛后得到20-100μm的准晶颗粒，经过850℃12小时真空热处理，真空度1.33×10-2Pa，得到单一准晶相。预制件的制备采用冷压方法，准晶颗粒体积百分数为15％，冷压压制压力为300MPa，将预制件随模具一起进行加热保温，加热温度500℃，保温时间为60min；铝合金加热温度750℃，保温时间30分钟，铸造压力100MPa，保压时间60s。
挤压铸造态复合材料的弹性模量为115GPa，抗拉强度为420MPa，延伸率为4.6％。ALCuFe准晶颗粒表现出良好的增强效果，复合材料的弹性模量与抗拉强度明显高于基体合金。复合材料的塑性降低，这主要是基体与增强体之间的热错配以及弹、塑性差异造成的。
实施例2
基体选用6061铝合金(1.0Mg，0.6Si，0.3Cu，0.2Cr)，在中频炉中按Al63Cu25Fe12的配比进行配料在中频炉中熔炼后，采用高压惰性气体N2将金属熔体充分雾化，喷水进行强制冷却，雾化工艺参数如下：雾化气压为1.1MPa，液流量为6kg/min，雾化时熔体温度为1200℃，过筛后得到20-100μm的准晶颗粒，经过850℃12小时真空热处理，真空度1.33×10-2Pa，得到单一准晶相。预制件的制备采用冷压方法，准晶颗粒体积分数为20％，冷压压制压力为300MPa，预制件与模具加热至525℃，保温时间为90min；铝合金加热温度785℃，保温时间30分钟，铸造压力75MPa，保压时间45s。
复合材料弹性模量为139GPa，抗拉强度为435MPa，延伸率为2.7％。材料的弹性模量与抗拉强度不仅高于基体，而且高于实施例1，而延伸率较实施例1略有下降。
实施例3
基体选用6061铝合金(1.0Mg，0.6Si，0.3Cu，0.2Cr)，在中频炉中按Al63Cu25Fe12的配比进行配料在中频炉中熔炼后，采用高压惰性气体N2将金属熔体充分雾化，喷水进行强制冷却，雾化工艺参数如下：雾化气压为1.1MPa，液流量为6kg/min，雾化时熔体温度为1200℃，过筛后得到20-100μm的准晶颗粒，经过850℃12小时真空热处理，真空度1.33×10-2Pa，得到单一准晶相。预制件的制备采用冷压方法，准晶颗粒体积分数为25％，冷压压制压力为300MPa，预制件与模具加热至550℃，保温时间为120min；铝合金加热温度800℃，保温时间30分钟，压力50MPa，保压时间30s。
复合材料弹性模量为145GPa，抗拉强度为440MPa，延伸率为2.3％。ALCuFe准晶颗粒表现出良好的增强效果。准晶增强复合材料的弹性模量与抗拉强度随着准晶颗粒体积分数的增加而提高，而延伸率的变化规律恰好相反，这是金属基复合材料普遍的特点。

Claims (10)

1.一种挤压铸造法制备AlCuFe准晶颗粒增强铝基复合材料的方法，其特征在于，铝基复合材料的材质符合以下条件的前提下实施：基体材料成分为：AlaMbNc，其中，a、b、c为重量百分比(a+b+c＝100)：86≤a≤100，0≤b≤13，0≤c≤1，M表示Mg，Cu，Si，Zn中至少一种，N表示Fe，Ni，Cr中的一种或几种；AlCuFe准晶颗粒，其成分为：AlxCuyFez，其中x、y、z为原子百分比(x+y+z＝100)，62≤x≤67，21≤y≤26，12≤z≤15；工艺过程为：采用高压惰性气体雾化方法制取AlCuFe粉末，过筛后得到20-100μm的准晶颗粒，经过真空热处理，得到单一准晶相，然后进行冷压，将冷压后的准晶颗粒按设计的体积比压成预制件，将预制件随模具一起进行加热保温，同时进行铝合金的熔炼，保温后进行挤压浸渗，从而制备出准晶增强铝基复合材料。
2.根据权利要求1所述的挤压铸造法制备AlCuFe准晶颗粒增强铝基复合材料的方法，其特征是，所述的高压惰性气体雾化方法，是在中频炉中按Al63Cu25Fe12的配比进行配料在中频炉中熔炼后，采用高压惰性气体N2将金属熔体充分雾化，喷水进行强制冷却。
3.根据权利要求2所述的挤压铸造法制备AlCuFe准晶颗粒增强铝基复合材料的方法，其特征是，所述的雾化，其工艺参数：雾化气压为1.1MPa，液流量为6kg/min，雾化时熔体温度为1200℃。
4.根据权利要求1所述的挤压铸造法制备AlCuFe准晶颗粒增强铝基复合材料的方法，其特征是，所述的冷压后的准晶颗粒，其体积百分数为15-25％。
5.根据权利要求1所述的挤压铸造法制备AlCuFe准晶颗粒增强铝基复合材料的方法，其特征是，所述的真空热处理，其真空度为1.33×10-2Pa。
6.根据权利要求5所述的挤压铸造法制备AlCuFe准晶颗粒增强铝基复合材料的方法，其特征是，所述的真空热处理，其工艺参数为：温度850℃，时间12小时。
7.根据权利要求1所述的挤压铸造法制备AlCuFe准晶颗粒增强铝基复合材料的方法，其特征是，所述的冷压，其压制压力为300MPa。
8.根据权利要求1所述的挤压铸造法制备AlCuFe准晶颗粒增强铝基复合材料的方法，其特征是，所述的将预制件随模具一起进行加热保温，其加热温度500-550℃，保温时间为1-2小时。
9.根据权利要求1所述的挤压铸造法制备AlCuFe准晶颗粒增强铝基复合材料的方法，其特征是，所述的铝合金的熔炼，其加热温度750-800℃，保温时间30分钟。
10.根据权利要求1所述的挤压铸造法制备AlCuFe准晶颗粒增强铝基复合材料的方法，其特征是，所述的挤压，其工艺参数为：压头下降速度50-100mm/min，压力50-100MPa，保压时间30-60s。
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