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一种混合颗粒增强型 铝基 复合材料的挤压铸造方法

阅读：222发布：2022-07-05

专利汇可以提供一种混合颗粒增强型铝基复合材料的挤压铸造方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种混合颗粒增强型铝基复合材料的挤压铸造方法，是针对铝基复合材料存在抗拉强度及硬度低的问题，以铝合金为基体材料，以铝铜铁铍准晶、碳酸锆为增强剂，以铝钪中间合金为变质剂，经在真空熔炼炉熔炼、机械搅拌、氩气底吹保护、挤压和热处理，制成混合颗粒增强型铝基复合材料，此制备方法工艺先进、工序严密、数据精确翔实，大幅度提高了铝基复合材料的力学性能，抗拉强度达409MPa，硬度达150.2HV，伸长率达4.7％，是先进的混合颗粒增强型铝基复合材料的挤压铸造方法。，下面是一种混合颗粒增强型铝基复合材料的挤压铸造方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种混合颗粒增强型铝基复合材料的挤压铸造方法，其特征在于：使用的化学物质材料为：铝合金、铝铜铁铍准晶、铝钪中间合金、碳酸锆、氧化锌、滑石粉、水玻璃、铝粉、铝箔、无水乙醇、去离子水、氩气，其组合准备用量如下：以克、毫升、厘米3为计量单位制备方法如下：
(1)制备开合式挤压铸造模具
开合式挤压铸造模具用热作模具钢制造，模具型腔呈矩形，型腔尺寸为200mm×160mm×90mm，型腔表面粗糙度为Ra0.08-0.16μm；
(2)配置涂覆剂
①称取氧化锌60g±1g、滑石粉40g±1g，量取水玻璃20mL±1mL、去离子水250mL±1mL，加入混浆机中，进行搅拌，搅拌转速65r/min，搅拌时间90min，搅拌后成粘稠状液体，即涂覆剂；
(3)预处理铝铜铁铍准晶
①球磨，称取铝铜铁铍准晶300g±1g、铝粉50g±1g，量取无水乙醇20mL±1mL，置于行星式球磨机的球磨罐中，进行球磨，球磨转速为300r/min，球磨时间50min，球磨后成混合粉；
② 真空干燥，将球磨后的混合粉置于石英容器中，然后置于真空干燥箱中干燥，干燥温度300℃，真空度2Pa，干燥时间2h，干燥后得铝粉和铝铜铁铍准晶的混合细粉；
③将干燥后的混合细粉置于热压模具内，在压力机上压制成块，压力机压力为380MPa，压制成长条状块体，即铝铜铁铍准晶预制件；
④将铝铜铁铍准晶预制件用铝箔包覆，并置于干燥箱中，预热温度200℃，干燥时间1h；
(5)预热碳酸锆、铝钪中间合金和开合式挤压铸造模具
①称取碳酸锆330g±1g、铝钪中间合金90g±1g，分别用铝箔包覆，并置于真空干燥箱中，预热温度250℃，真空度2Pa，干燥时间1h；
②预热开合式挤压铸造模具，将配置的涂覆剂均匀涂覆在模具型腔表面，然后将开合式挤压铸造模具置于加热炉中，开启电加热器，预热温度220℃，预热时间1h；
(6)熔炼混合颗粒增强型铝基复合材料
混合颗粒增强型铝基复合材料的熔炼是在真空熔炼炉内进行的，是在中频感应加热、抽真空、氩气底吹和机械搅拌过程中完成的；
①打开真空熔炼炉，清理熔炼坩埚内部，使坩埚内部洁净；
②称取铝合金3000g±1g、铝钪中间合金90g±1g，置于熔炼坩埚底部，关闭中频感应熔炼炉，并密闭；
③开启真空泵，抽取炉内空气，使炉内压强达到2Pa；
开启中频感应加热器，开始加热；
当加热温度为550℃±2℃时，在坩埚底部通过氩气底吹管向坩埚内输入氩气，氩气底吹流量为200cm3/min，调整炉内压强，使炉内压强恒定在1个大气压；
当熔体温度为605℃±2℃时，熔体处于半固态状态，在此阶段保温10min，并开启机械搅拌器，利用机械搅拌的方法，打碎枝晶组织，搅拌转速为100r/min；
④停止机械搅拌，继续加热，当熔体温度为850℃±2℃时，将铝箔包覆的碳酸锆通过加料管加入铝合金熔体中，继续进行机械搅拌熔炼10min，搅拌转速80r/min，使碳酸锆与铝熔液混合，从而生成氧化铝和铝化锆增强相；
⑤搅拌后，将熔体温度降至740℃，将用铝箔包覆的铝铜铁铍准晶预制件通过加料管加入熔炼坩埚内的铝合金熔体中，继续搅拌熔炼10min；然后关闭搅拌器及氩气底吹管，静置
5min；
(7)挤压铸造
①打开真空熔炼炉，除去坩埚内熔液表面熔渣，将合金熔液浇铸到挤压模具型腔内，并进行挤压，挤压压力230MPa，保压时间为20s，挤压凸模压入金属液，制成混合颗粒增强型铝基复合材料；
②顶出铸件，在空气中冷却至25℃，成混合颗粒增强型铝基复合材料块体；
(8)铸件热处理
将混合颗粒增强型铝基复合材料块体置于热处理炉内进行固溶处理，通入氩气，氩气
3
通入速度为120cm/min；固溶温度530℃±1℃，恒温保温时间7h，恒温保温后，迅速将铸件放到55℃的温水中进行淬火处理，淬火时间20s；
将淬火后的铸件置于热处理炉内进行时效处理，时效温度为170℃±1℃，保温时间为
10h；保温后，停止加热，随热处理炉冷却至25℃，即获得终产物：混合颗粒增强型铝基复合材料；
(9)清洗、检测、分析、表征
用无水乙醇清洗铸件表面，使其洁净；
用光学显微镜进行金相组织分析；
用万能拉伸试验机及硬度计进行抗拉强度和硬度测试；
用扫描电镜进行断口形貌分析；
结论：混合颗粒增强型铝基复合材料为块体，抗拉强度达409MPa，硬度达150.2HV，伸长率达4.7％。
2.根据权利要求1所述的一种混合颗粒增强型铝基复合材料的挤压铸造方法，其特征在于：铝基复合材料的熔炼是在真空熔炼炉内进行的，是在中频感应加热、机械搅拌、氩气底吹保护中完成的；
真空熔炼炉为立式，真空熔炼炉(1)的底部为炉座(2)、内部为炉腔(3)；在炉腔(3)内底部设有工作台(6)，在工作台(6)上置放熔炼坩埚(7)，熔炼坩埚(7)外部由中频感应加热器(8)环绕，熔炼坩埚(7)内为合金熔液(9)；在真空熔炼炉(1)的右上部设有出气管(4)，并由出气阀(5)控制；在真空熔炼炉(1)的左部设有氩气瓶(15)，氩气瓶(15)上设有氩气管(16)、氩气阀(17)，氩气管(16)连接底吹电机(11)，底吹电机(11)连接底吹管(12)，底吹管(12)穿过炉座(2)、工作台(6)通入熔炼坩埚(7)内，并对合金熔液(9)进行底吹；在炉座(2)的右下部设有真空泵(13)，并通过真空管(14)连通炉腔(3)；在真空熔炼炉的顶部设有加料管(27)、加料阀(28)及搅拌器(29)，加料管(27)、搅拌器(29)穿过炉顶座伸入熔炼坩埚(7)内；
在真空熔炼炉(1)的右部设有电控箱(18)，在电控箱(18)上设有显示屏(19)、指示灯(20)、电源开关(21)、中频加热调控器(22)、底吹电机调控器(23)、真空泵调控器(24)；电控箱(18)通过第一电缆(25)连接中频感应加热器(8)；电控箱(18)通过第二电缆(26)连接底吹电机(11)、真空泵(13)；炉腔(3)内由氩气(10)充填。

说明书全文

一种混合颗粒增强型铝基 复合材料的挤压铸造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种混合颗粒增强型铝基复合材料的挤压铸造方法，属金属基复合材料制备的技术领域。

背景技术

[0002] 铝硅合金具有良好的铸造性能，耐腐蚀性能好，膨胀系数低,是铸造铝合金中品种较多、用途较广的合金，已广泛应用于航空航天、船舶和汽车等领域。

[0003] 颗粒增强铝基复合材料是一种有效提高铝合金性能的方法，目前陶瓷增强铝基复合材料备受关注，当陶瓷颗粒加入铝基体时存在颗粒团聚、颗粒与铝基体不润湿、颗粒与铝基体热膨胀失配等现象，严重限制了铝基复合材料的应用。

[0004] 准晶具有硬度高、耐磨、耐蚀、抗氧化和摩擦系数低的性能，常被用作复合材料的增强相，但随着科技的发展，准晶增强铝基复合材料的性能已不能满足产品所需，目前，混合颗粒协同增强铝基复合材料还处于研究阶段。

发明内容

[0005] 发明目的

[0006] 本发明的目的是针对背景技术的情况，以铝合金为基体材料，以碳酸锆和铝铜铁铍准晶为增强剂，经真空熔炼、氩气底吹、机械搅拌、挤压成型，制成混合颗粒增强型铝基复合材料，以提高铝基复合材料的力学性能。

[0007] 技术方案

[0008] 本发明使用的化学物质材料为：铝合金、铝铜铁铍准晶、铝钪中间合金、碳酸锆、氧化锌、滑石粉、水玻璃、铝粉、铝箔、无水乙醇、去离子水、氩气，其组合准备用量如下：以克、毫升、厘米3为计量单位

[0009]

[0010] 制备方法如下：

[0011] (1)制备开合式挤压铸造模具

[0012] 开合式挤压铸造模具用热作模具钢制造，模具型腔呈矩形，型腔尺寸为200mm×160mm×90mm，型腔表面粗糙度为Ra0.08-0.16μm；

[0013] (2)配置涂覆剂

[0014] ①称取氧化锌60g±1g、滑石粉40g±1g，量取水玻璃20mL±1mL、去离子水250mL±1mL，加入混浆机中，进行搅拌，搅拌转速65r/min，搅拌时间90min，搅拌后成粘稠状液体，即涂覆剂；

[0015] (3)预处理铝铜铁铍准晶

[0016] ①球磨，称取铝铜铁铍准晶300g±1g、铝粉50g±1g，量取无水乙醇20mL±1mL，置于行星式球磨机的球磨罐中，进行球磨，球磨转速为300r/min，球磨时间50min，球磨后成混合粉；

[0017] ②真空干燥，将球磨后的混合粉置于石英容器中，然后置于真空干燥箱中干燥，干燥温度300℃，真空度2Pa，干燥时间2h，干燥后得铝粉和铝铜铁铍准晶的混合细粉；

[0018] ③将干燥后的混合细粉置于热压模具内，在压力机上压制成块，压力机压力为380MPa，压制成长条状块体，即铝铜铁铍准晶预制件；

[0019] ④将铝铜铁铍准晶预制件用铝箔包覆，并置于干燥箱中，预热温度200℃，干燥时间1h；

[0020] (5)预热碳酸锆、铝钪中间合金和开合式挤压铸造模具

[0021] ①称取碳酸锆330g±1g、铝钪中间合金90g±1g，分别用铝箔包覆，并置于真空干燥箱中，预热温度250℃，真空度2Pa，干燥时间1h；

[0022] ②预热开合式挤压铸造模具，将配置的涂覆剂均匀涂覆在模具型腔表面，然后将开合式挤压铸造模具置于加热炉中，开启电加热器，预热温度220℃，预热时间1h；

[0023] (6)熔炼混合颗粒增强型铝基复合材料

[0024] 混合颗粒增强型铝基复合材料的熔炼是在真空熔炼炉内进行的，是在中频感应加热、抽真空、氩气底吹和机械搅拌过程中完成的；

[0025] ①打开真空熔炼炉，清理熔炼坩埚内部，使坩埚内部洁净；

[0026] ②称取铝合金3000g±1g、铝钪中间合金90g±1g，置于熔炼坩埚底部，关闭中频感应熔炼炉，并密闭；

[0027] ③开启真空泵，抽取炉内空气，使炉内压强达到2Pa；

[0028] 开启中频感应加热器，开始加热；

[0029] 当加热温度为550℃±2℃时，在坩埚底部通过氩气底吹管向坩埚内输入氩气，氩气底吹流量为200cm3/min，调整炉内压强，使炉内压强恒定在1个大气压；

[0030] 当熔体温度为605℃±2℃时，熔体处于半固态状态，在此阶段保温10min，并开启机械搅拌器，利用机械搅拌的方法，打碎枝晶组织，搅拌转速为100r/min；

[0031] ④停止机械搅拌，继续加热，当熔体温度为850℃±2℃时，将铝箔包覆的碳酸锆通过加料管加入铝合金熔体中，继续进行机械搅拌熔炼10min，搅拌转速80r/min，使碳酸锆与铝熔液混合，从而生成氧化铝和铝化锆增强相；

[0032] ⑤搅拌后，将熔体温度降至740℃，将用铝箔包覆的铝铜铁铍准晶预制件通过加料管加入熔炼坩埚内的铝合金熔体中，继续搅拌熔炼10min；然后关闭搅拌器及氩气底吹管，静置5min；

[0033] (7)挤压铸造

[0034] ①打开真空熔炼炉，除去坩埚内熔液表面熔渣，将合金熔液浇铸到挤压模具型腔内，并进行挤压，挤压压力230MPa，保压时间为20s，挤压凸模压入金属液，制成混合颗粒增强型铝基复合材料；

[0035] ②顶出铸件，在空气中冷却至25℃，成混合颗粒增强型铝基复合材料块体；

[0036] (8)铸件热处理

[0037] 将混合颗粒增强型铝基复合材料块体置于热处理炉内进行固溶处理，通入氩气，氩气通入速度为120cm3/min；固溶温度530℃±1℃，恒温保温时间7h，恒温保温后，迅速将铸件放到55℃的温水中进行淬火处理，淬火时间20s；

[0038] 将淬火后的铸件置于热处理炉内进行时效处理，时效温度为170℃±1℃，保温时间为10h；保温后，停止加热，随热处理炉冷却至25℃，即获得终产物：混合颗粒增强型铝基复合材料；

[0039] (9)清洗、检测、分析、表征

[0040] 用无水乙醇清洗铸件表面，使其洁净；

[0041] 用光学显微镜进行金相组织分析；

[0042] 用万能拉伸试验机及硬度计进行抗拉强度和硬度测试；

[0043] 用扫描电镜进行断口形貌分析；

[0044] 结论：混合颗粒增强型铝基复合材料为块体，抗拉强度达409MPa，硬度达150.2HV，伸长率达4.7％。

[0045] 有益效果

[0046] 本发明与背景技术相比具有明显的先进性，是针对铝基复合材料存在抗拉强度及硬度低的问题，以铝合金为基体材料，以铝铜铁铍准晶、碳酸锆为增强剂，以铝钪中间合金为变质剂，经真空熔炼炉熔炼、变质、挤压和热处理，制成混合颗粒增强型铝基复合材料，此制备方法工艺先进，数据精确翔实，大幅度提高了铝基复合材料的力学性能，抗拉强度达409MPa，硬度达150.2HV，伸长率达4.7％，是先进的混合颗粒增强型铝基复合材料的挤压铸造方法。
附图说明

[0047] 图1、混合颗粒增强型铝基复合材料熔炼状态图

[0048] 图2、混合颗粒增强型铝基复合材料金相组织图

[0049] 图3、混合颗粒增强型铝基复合材料断口形貌图

[0050] 图中所示，附图标记清单如下：

[0051] 1、真空熔炼炉，2、炉座，3、炉腔，4、出气管，5、出气阀，6、工作台，7、熔炼坩埚，8、中频感应加热器，9、合金熔液，10、氩气，11、底吹电机，12、底吹管，13、真空泵，14、真空管，15、氩气瓶，16、氩气管，17、氩气阀，18、电控箱，19、显示屏，20、指示灯，21、电源开关，22、中频加热调控器，23、底吹电机调控器，24、真空泵调控器，25、第一电缆，26、第二电缆，27、加料管，28、加料阀，29、搅拌器。

具体实施方式

[0052] 以下结合附图对本发明做进一步说明：

[0053] 图1所示，为混合颗粒增强型铝基复合材料熔炼状态图，各部位置、连接关系要正确，按量配比，按序操作。

[0054] 制备熔炼使用的化学物质材料的量值是按预先设置的范围确定的，以克、毫升、厘米3为计量单位。

[0055] 铝基复合材料的熔炼是在真空熔炼炉内进行的，是在中频感应加热、机械搅拌、氩气底吹保护中完成的；

[0056] 真空熔炼炉为立式，真空熔炼炉1的底部为炉座2、内部为炉腔3；在炉腔3内底部设有工作台6，在工作台6上置放熔炼坩埚7，熔炼坩埚7外部由中频感应加热器8环绕，熔炼坩埚7内为合金熔液9；在真空熔炼炉1的右上部设有出气管4，并由出气阀5控制；在真空熔炼炉1的左部设有氩气瓶15，氩气瓶15上设有氩气管16、氩气阀17，氩气管16连接底吹电机11，底吹电机11连接底吹管12，底吹管12穿过炉座2、工作台6通入熔炼坩埚7内，并对合金熔液9进行底吹；在炉座2的右下部设有真空泵13，并通过真空管14连通炉腔3；在真空熔炼炉的顶部设有加料管27、加料阀28及搅拌器29，加料管27、搅拌器29穿过炉顶座伸入熔炼坩埚7内；在真空熔炼炉1的右部设有电控箱18，在电控箱18上设有显示屏19、指示灯20、电源开关21、中频加热调控器22、底吹电机调控器23、真空泵调控器24；电控箱18通过第一电缆25连接中频感应加热器8；电控箱18通过第二电缆26连接底吹电机11、真空泵13；炉腔3内由氩气10充填。

[0057] 图2所示，为混合颗粒增强型铝基复合材料的金相组织图，图中所示，混合颗粒在基体中均匀分布，颗粒间无团聚现象，没有气孔缺陷。

[0058] 图3所示，为混合颗粒增强型铝基复合材料的断口形貌图，图中分布有大量的韧窝，表明其具有良好的韧性。

[0059] 实施例

[0060] 混合颗粒增强型铝基复合材料的挤压铸造原理如下：

[0061] 复合材料的挤压铸造过程中合金熔液存在氧化铝、铝化锆和铝铜铁铍准晶增强相，将合金熔液浇铸到挤压模具型腔内，开启挤压铸造机，挤压凸模压入金属液，挤压压力230MPa，保压时间为20s，使金属熔体在此压力下结晶，使铸件的晶粒组织得到细化，使增强相分布得到改善，提高了合金组织的均匀性，从而获得组织致密，性能优良的混合颗粒增强型铝基复合材料。

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一种混合颗粒增强型铝基复合材料的挤压铸造方法

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