專利名稱：擠壓鑄造法制備AlCuFe準(zhǔn)晶顆粒增強鋁基復(fù)合材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種準(zhǔn)晶顆粒增強鋁基復(fù)合材料的制備方法，特別是一種擠壓鑄造法制備AlCuFe準(zhǔn)晶顆粒增強鋁基復(fù)合材料的方法，屬于復(fù)合材料制備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
準(zhǔn)晶由于其結(jié)構(gòu)特征存在著本質(zhì)脆性，不宜單獨作為結(jié)構(gòu)材料使用。但準(zhǔn)晶材料具有高硬度、低摩擦系數(shù)等特點，可用作增強體制備復(fù)合材料。目前準(zhǔn)晶增強鋁基復(fù)合材料的方法主要有攪拌鑄造、熱壓、原位反應(yīng)等。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，美國專利申請?zhí)枮閁SO5851317，申請日期為Dec.22，1998，專利名稱Composites reinforced by atomized quasicrystal particlesand it’s manufacture method(霧化準(zhǔn)晶顆粒增強復(fù)合材料及其制備方法)，該專利采用霧化制備AlCuFe準(zhǔn)晶顆粒，采用粉末冶金方法將準(zhǔn)晶顆粒和鋁合金粉混和均勻后通過熱等靜壓、燒結(jié)和鍛造等方法制備準(zhǔn)晶顆粒增強復(fù)合材料。該工藝過程較為復(fù)雜，成本較高，排氣如果不理想材料中會存在氣孔。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種擠壓鑄造法制備AlCuFe準(zhǔn)晶顆粒增強鋁基復(fù)合材料的方法，使其工藝過程簡單、成本低，制備出的金屬基復(fù)合材料的致密度高、準(zhǔn)晶顆粒分布均勻，具有良好的綜合性能。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明是在鋁基復(fù)合材料的材質(zhì)符合以下條件的前提下實施基體材料成分為AlaMbNC，其中，a、b、c為重量百分比(a+b+c＝100)86≤a≤100，0≤b≤13，0≤c≤1，M表示Mg，Cu，Si，Zn中至少一種，N表示Fe，Ni，Cr中的一種或幾種；AlCuFe準(zhǔn)晶顆粒，其成分為AlxCuyFez，其中x、y、z為原子百分比(x+y+z＝100)，62≤x≤67，21≤y≤26，12≤z≤15；本發(fā)明采用高壓惰性氣體霧化方法制取AlCuFe粉末，過篩后得到尺寸為20-100μm的準(zhǔn)晶顆粒，經(jīng)過真空熱處理，得到單一準(zhǔn)晶相，然后進行冷壓，將冷壓后的準(zhǔn)晶顆粒按設(shè)計的體積比壓成預(yù)制件，將預(yù)制件隨模具一起進行加熱保溫，同時進行鋁合金的熔煉，保溫后進行擠壓浸滲，從而制備出準(zhǔn)晶增強鋁基復(fù)合材料。
所述的高壓惰性氣體霧化方法，是在中頻爐中按Al63Cu25Fe12的配比進行配料，在中頻爐中熔煉后，采用高壓惰性氣體N2將金屬熔體充分霧化，噴水進行強制冷卻，霧化工藝參數(shù)如下霧化氣壓為11atm，液流量為6kg/min，霧化時熔體溫度為1200℃。
所述的冷壓后的準(zhǔn)晶顆粒，其體積百分?jǐn)?shù)為15-25％。
所述的真空熱處理，其工藝參數(shù)為溫度850℃，時間12小時，真空度1×10-4Torr。
所述的冷壓，其壓制壓力為300Mpa。
所述的將預(yù)制件隨模具一起進行加熱保溫，其加熱溫度500-550℃，保溫時間為1-2小時。
所述的鋁合金的熔煉，其加熱溫度750-800℃，保溫時間30分鐘。
所述的擠壓，其工藝參數(shù)為壓頭下降速度50-100mm/min，壓力50-100MPa，保壓時間30-60s。
本發(fā)明原材料和壓鑄設(shè)備成本低，工藝過程簡單，準(zhǔn)晶增強顆粒與基體金屬界面結(jié)合良好，且彌散均勻分布在基體金屬內(nèi)，材料致密度高，綜合性能良好。特別值得一提的是，由于準(zhǔn)晶顆粒具有熱膨脹系數(shù)低、硬度高、不粘性、耐磨等特點，使復(fù)合材料具有很好的尺寸穩(wěn)定性和耐磨性。本發(fā)明可以制備近凈成型(Near Net Shape)的復(fù)合材料，還可以制備部分增強復(fù)合材料，含有準(zhǔn)晶顆粒的部分耐磨性、尺寸穩(wěn)定性好，而不含準(zhǔn)晶顆粒的部分保持了基體材料的塑性和良好的機械加工性，因此，這種部分增強復(fù)合材料特別適合制造活塞、機床導(dǎo)軌等零部件。
具體實施例方式
實施例1基體選用6061鋁合金(1.0Mg，0.6Si，0.3Cu，0.2Cr)，在中頻爐中按Al63Cu25Fe12的配比進行配料在中頻爐中熔煉后，采用高壓惰性氣體N2將金屬熔體充分霧化，噴水進行強制冷卻，霧化工藝參數(shù)如下霧化氣壓為11atm，液流量為6kg/min，霧化時熔體溫度為1200℃，過篩后得到20-100μm的準(zhǔn)晶顆粒，經(jīng)過850℃12小時真空熱處理，真空度1×10-4Torr，得到單一準(zhǔn)晶相。預(yù)制件的制備采用冷壓方法，準(zhǔn)晶顆粒體積百分?jǐn)?shù)為15％，冷壓壓制壓力為300MPa，將預(yù)制件隨模具一起進行加熱保溫，加熱溫度500℃，保溫時間為60min；鋁合金加熱溫度750℃，保溫時間30分鐘，鑄造壓力100MPa，保壓時間60s。
擠壓鑄造態(tài)復(fù)合材料的彈性模量為115GPa，抗拉強度為420MPa，延伸率為4.6％。ALCuFe準(zhǔn)晶顆粒表現(xiàn)出良好的增強效果，復(fù)合材料的彈性模量與抗拉強度明顯高于基體合金。復(fù)合材料的塑性降低，這主要是基體與增強體之間的熱錯配以及彈、塑性差異造成的。
實施例2基體選用6061鋁合金(1.0Mg，0.6Si，0.3Cu，0.2Cr)，在中頻爐中按Al63Cu25Fe12的配比進行配料在中頻爐中熔煉后，采用高壓惰性氣體N2將金屬熔體充分霧化，噴水進行強制冷卻，霧化工藝參數(shù)如下霧化氣壓為11atm，液流量為6kg/min，霧化時熔體溫度為1200℃，過篩后得到20-100μm的準(zhǔn)晶顆粒，經(jīng)過850℃12小時真空熱處理，真空度1×10-4Torr，得到單一準(zhǔn)晶相。預(yù)制件的制備采用冷壓方法，準(zhǔn)晶顆粒體積分?jǐn)?shù)為20％，冷壓壓制壓力為300MPa，預(yù)制件與模具加熱至525℃，保溫時間為90min；鋁合金加熱溫度785℃，保溫時間30分鐘，鑄造壓力75MPa，保壓時間45s。
復(fù)合材料彈性模量為139GPa，抗拉強度為435MPa，延伸率為2.7％。材料的彈性模量與抗拉強度不僅高于基體，而且高于實施例1，而延伸率較實施例1略有下降。
實施例3
基體選用6061鋁合金(1.0Mg，0.6Si，0.3Cu，0.2Cr)，在中頻爐中按Al63Cu25Fe12的配比進行配料在中頻爐中熔煉后，采用高壓惰性氣體N2將金屬熔體充分霧化，噴水進行強制冷卻，霧化工藝參數(shù)如下霧化氣壓為11atm，液流量為6kg/min，霧化時熔體溫度為1200℃，過篩后得到20-100μm的準(zhǔn)晶顆粒，經(jīng)過850℃12小時真空熱處理，真空度1×10-4Torr，得到單一準(zhǔn)晶相。預(yù)制件的制備采用冷壓方法，準(zhǔn)晶顆粒體積分?jǐn)?shù)為25％，冷壓壓制壓力為300MPa，預(yù)制件與模具加熱至550℃，保溫時間為120min；鋁合金加熱溫度800℃，保溫時間30分鐘，壓力50MPa，保壓時間30s。
復(fù)合材料彈性模量為145GPa，抗拉強度為440MPa，延伸率為2.3％。ALCuFe準(zhǔn)晶顆粒表現(xiàn)出良好的增強效果。準(zhǔn)晶增強復(fù)合材料的彈性模量與抗拉強度隨著準(zhǔn)晶顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加而提高，而延伸率的變化規(guī)律恰好相反，這是金屬基復(fù)合材料普遍的特點。
權(quán)利要求
1.一種擠壓鑄造法制備AlCuFe準(zhǔn)晶顆粒增強鋁基復(fù)合材料的方法，其特征在于，鋁基復(fù)合材料的材質(zhì)符合以下條件的前提下實施基體材料成分為AlaMbNC，其中，a、b、c為重量百分比(a+b+c＝100)86≤a≤100，0≤b≤13，0≤c≤1，M表示Mg，Cu，Si，Zn中至少一種，N表示Fe，Ni，Cr中的一種或幾種，AlCuFe準(zhǔn)晶顆粒，其成分為AlxCuyFez，其中x、y、z為原子百分比(x+y+z＝100)，62≤x≤67，21≤y≤26，12≤z≤15。采用高壓惰性氣體霧化方法制取AlCuFe粉末，過篩后得到20-100μm的準(zhǔn)晶顆粒，經(jīng)過真空熱處理，得到單一準(zhǔn)晶相，然后進行冷壓，將冷壓后的準(zhǔn)晶顆粒按設(shè)計的體積比壓成預(yù)制件，將預(yù)制件隨模具一起進行加熱保溫，同時進行鋁合金的熔煉，保溫后進行擠壓浸滲，從而制備出準(zhǔn)晶增強鋁基復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擠壓鑄造法制備AlCuFe準(zhǔn)晶顆粒增強鋁基復(fù)合材料的方法，其特征是，所述的高壓惰性氣體霧化方法，是在中頻爐中按Al63Cu25Fe12的配比進行配料在中頻爐中熔煉后，采用高壓惰性氣體N2將金屬熔體充分霧化，噴水進行強制冷卻。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的擠壓鑄造法制備AlCuFe準(zhǔn)晶顆粒增強鋁基復(fù)合材料的方法，其特征是，所述的霧化，其工藝參數(shù)霧化氣壓為11atm，液流量為6kg/min，霧化時熔體溫度為1200℃。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擠壓鑄造法制備AlCuFe準(zhǔn)晶顆粒增強鋁基復(fù)合材料的方法，其特征是，所述的冷壓后的準(zhǔn)晶顆粒，其體積百分?jǐn)?shù)為15-25％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擠壓鑄造法制備AlCuFe準(zhǔn)晶顆粒增強鋁基復(fù)合材料的方法，其特征是，所述的真空熱處理，其真空度為1×10-4Torr。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的擠壓鑄造法制備AlCuFe準(zhǔn)晶顆粒增強鋁基復(fù)合材料的方法，其特征是，所述的真空熱處理，其工藝參數(shù)為溫度850℃，時間12小時。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擠壓鑄造法制備AlCuFe準(zhǔn)晶顆粒增強鋁基復(fù)合材料的方法，其特征是，所述的冷壓，其壓制壓力為300Mpa。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擠壓鑄造法制備AlCuFe準(zhǔn)晶顆粒增強鋁基復(fù)合材料的方法，其特征是，所述的將預(yù)制件隨模具一起進行加熱保溫，其加熱溫度500-550℃，保溫時間為1-2小時。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擠壓鑄造法制備AlCuFe準(zhǔn)晶顆粒增強鋁基復(fù)合材料的方法，其特征是，所述的鋁合金的熔煉，其加熱溫度750-800℃，保溫時間30分鐘。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擠壓鑄造法制備AlCuFe準(zhǔn)晶顆粒增強鋁基復(fù)合材料的方法，其特征是，所述的擠壓，其工藝參數(shù)為壓頭下降速度50-100mm/min，壓力50-100MPa，保壓時間30-60s。
全文摘要
一種擠壓鑄造法制備AlCuFe準(zhǔn)晶顆粒增強鋁基復(fù)合材料的方法，屬于復(fù)合材料制備領(lǐng)域。本發(fā)明是在鋁基復(fù)合材料的材質(zhì)符合一定條件的前提下實施；本發(fā)明采用高壓惰性氣體霧化方法制取AlCuFe粉末，過篩后得到20－100μm的準(zhǔn)晶顆粒，經(jīng)過真空熱處理，得到單一準(zhǔn)晶相，然后進行冷壓，將冷壓后的準(zhǔn)晶顆粒按設(shè)計的體積比壓成預(yù)制件，將預(yù)制件隨模具一起進行加熱保溫，同時進行鋁合金的熔煉，保溫后進行擠壓浸滲，從而制備出準(zhǔn)晶增強鋁基復(fù)合材料。本發(fā)明工藝過程簡單、成本低，制備出的金屬基復(fù)合材料的致密度高、準(zhǔn)晶顆粒分布均勻，具有良好的綜合性能。
文檔編號C22C1/04GK1687471SQ200510026389
公開日2005年10月26日 申請日期2005年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月2日
發(fā)明者嚴(yán)峰, 徐洲, 李小平, 李衛(wèi)紅 申請人:上海交通大學(xué)