專利名稱：納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料及其生產(chǎn)工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬基復(fù)合材料。具體而言，本發(fā)明構(gòu)思了一種增強型鋁基復(fù)合材料及其生產(chǎn)工藝。本說明書中所用術(shù)語的定義。本說明書中所使用的術(shù)語“氣動”指采用空氣、氣體(如載氣/惰性氣體或氣體混合物等)完成的工藝(功能/操作)。
背景金屬基復(fù)合材料(MMC)至少由兩部分構(gòu)成，一部份是金屬，另一部份是一種不同的非金屬材料，如陶瓷或無機化合物。金屬基復(fù)合材料(MMC)是一種定制材料，增強物質(zhì)散布在金屬基中。增強物質(zhì)可在外部合成，然后添加到金屬基中，也可以在金屬中進(jìn)行原位化學(xué)反應(yīng)來制備。近期備受關(guān)注的一種MMC就是顆粒增強鋁基復(fù)合材料，采用原位化學(xué)反應(yīng)技術(shù)來制備。這類復(fù)合材料較鋁基具有更優(yōu)的機械性能，已在運輸、電子和娛樂產(chǎn)品中獲得應(yīng)用。美國專利US 4，772，452公開了一種生產(chǎn)TiC增強鋁基復(fù)合材料的工藝，所需的金屬鋁、含鈦化合物和碳化物均以粉末形式提供，經(jīng)過預(yù)先混合、壓實，然后在接近鋁熔點的反應(yīng)溫度下加熱生成復(fù)合材料。美國專利US 6，843，865公開了一種生產(chǎn)TiC增強鋁基復(fù)合材料的工藝，熔融態(tài)的鋁鈦金屬混合物與鹵化碳反應(yīng)生成復(fù)合材料。反應(yīng)在劇烈的機械攪拌下進(jìn)行。美國專利US 4，748，001公開了一種生產(chǎn)TiC增強鋁基復(fù)合材料的工藝。將碳粉預(yù)熱至700°C后添加到熔融的鋁鈦金屬混合物中，然后在高溫下劇烈攪拌，接著在非常高的溫度(1100至1400°C )下做后續(xù)處理，生成所需的復(fù)合材料。熔體采用機械式攪拌。上述工藝的一個最大局限就是增強顆粒呈異構(gòu)分布，從而導(dǎo)致樣本和批次間的性能不穩(wěn)定。而且其他因素，如在非常高的溫度(1100至1400°C)下做后續(xù)處理、預(yù)熱前體以使粉末熔化、以及嚴(yán)格控制粉末粒度在規(guī)格范圍內(nèi)而使之充分混合及熔化，都會導(dǎo)致處理成本增加。使用部份上述公開的工藝所制得的復(fù)合材料含有最大5 %的顆粒增強物質(zhì)，超出會使混合效果很差。因此，感覺需要開發(fā)一種復(fù)合材料，含有更高的顆粒增強物質(zhì)，顆粒增強物質(zhì)的分布均勻，以獲得優(yōu)異的機械性能。發(fā)明目的本發(fā)明的主要目的是，制備具有精細(xì)和均勻顆粒分布的鋁基復(fù)合材料。本發(fā)明的另一個目的是，提供具有良好機械性能的鋁基復(fù)合材料。本發(fā)明還有一個目的，就是提供一種低成本制備鋁基復(fù)合材料的工藝。發(fā)明概述一種制備納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料的工藝，所述工藝包括以下步驟a)將混合物注入熔融的金屬鋁中，并維持溫度在750°C至1200°C范圍以得到熔體，混合物包含(i)至少一種含金屬的化合物，該化合物選自鈦化合物、釩化合物和鋯化合物，以及(ii)至少一種含非金屬的化合物，該化合物選自含碳化合物、含硼化合物和含氧化合物；c)攪拌熔體5至60分鐘以獲得熔融的復(fù)合材料；以及d)澆鑄并固化熔融的復(fù)合材料。在本發(fā)明的首選實施例中，注入步驟采用氣動方式，以注入混合物中的至少一個化合物。通常，在注入步驟中使用壓力載氣來實施氣動注入。通常，透過裝有浸入式噴槍的給料機，將步驟a)中混合物所包含的至少一種化合物氣動注入熔融鋁中，所述噴槍浸入熔融的金屬鋁中。
在本發(fā)明的一個首選實施例中，熔體采用載氣來攪拌。通常，采用載氣攪拌熔體5至20分鐘。通常,載氣選自気氣和氮氣。通常，在步驟a)至步驟b)的溫度維持在850°C至1000°C范圍。在本發(fā)明的首選實施例中，步驟a)中的化合物選自氟化鉀鈦、氧化鈦、二硼化鈦。通常，化合物是鈦化合物，選自氟化鉀鈦和氧化鈦。通常，鈦化合物呈粉末狀。 在本發(fā)明的首選實施例中，碳選自石墨粉、二氧化碳和甲烷氣。在本發(fā)明的首選實施例中，氧選自氧氣、氧化硅、氧化鋁、氧化鋅和氧化亞銅。在本發(fā)明的首選實施例中，制成的納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料含有最大15%的碳化鈦化合物。在本發(fā)明的其他方面，納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料還包含至少一種合金金屬，選自鎂、銅、鋅和硅。附圖
的簡短說明圖I示出根據(jù)本發(fā)明和常規(guī)方法所制備樣本的XRD(X射線衍射)圖。圖2示出根據(jù)本發(fā)明和常規(guī)方法所制備樣本的電子掃描顯微鏡照片。圖3示出采用本發(fā)明制備的鑄鋁樣本和復(fù)合材料的拉伸曲線。圖4示出采用(a)本發(fā)明的方法和(b)常規(guī)攪拌澆鑄方法所生產(chǎn)樣本的照片。圖5示出采用本發(fā)明(用二氧化碳作為碳源)所制備樣本的光學(xué)顯微鏡照片。圖6示出采用本發(fā)明的方法所制備復(fù)合材料樣本的老化曲線。圖7示出擠壓成形的復(fù)合材料樣本。圖8示出鍛壓成形的復(fù)合材料樣本。本發(fā)明的詳細(xì)說明金屬基復(fù)合材料(MMC)是一種定制材料,增強物質(zhì)散布在金屬基中。金屬基是一種單一物質(zhì)，增強物質(zhì)被滲入其中。增強物質(zhì)用于改善金屬的物理性質(zhì)，如耐磨性、摩擦系數(shù)或?qū)嵝?。用于制備MMC的方法各式各樣，如i)固態(tài)方法，該法將金屬粉末與增強物質(zhì)混合，然后透過壓實、脫氣和熱機械處理工藝結(jié)合在一起。ii)液態(tài)方法，該法將增強物質(zhì)拌入熔融金屬中，然后固化。iii)形成增強物質(zhì)的反應(yīng)物在金屬基中進(jìn)行原位化學(xué)反應(yīng)。iv)氣相沉積，該法將纖維穿過氣化的金屬濃霧而涂于其上。鋁基復(fù)合材料的制造方法有粉末冶金(燒結(jié))、攪拌澆鑄和滲透法等。通常，增強型金屬與純金屬的性能相比，經(jīng)過增強的鋁基復(fù)合材料具有高強度、高剛度(彈性模量)、低密度、高導(dǎo)熱性和優(yōu)良的耐磨性。鋁基復(fù)合材料(AMC)用于制造汽車零件(活塞、推桿、制動元件)、高速火車的剎車盤、自行車、高爾夫俱樂部、電子基板、高壓電纜車。本發(fā)明提供一種生產(chǎn)原位增強鋁基復(fù)合材料的工藝。鋁基復(fù)合材料的增強物質(zhì)至少包含一種化合物，該化合物由選自以下含金屬化合物的反應(yīng)產(chǎn)生鈦化合物、釩化合物、鋯化合物、及一種含非金屬的化合物。含非金屬化合物選自含碳化合物、含硼化合物和含氧化合物，其中首選的增強化合物是碳化鈦。TiC顆粒透過注入含鈦化合物和一種含碳化合物于熔融鋁中來制備。鈦化合物選自氟化鉀鈦、硼化鈦和氧化鈦。壓力噴槍用于注入混合料于熔融鋁中。透過浸入池子底部的噴槍，將粉狀含鈦化合物(如氟化鉀鈦、氧化鈦)氣動注入熔融鋁中。碳可以用石墨粉與含鈦鹽的混合物添加，也可以采用二氧化碳/甲烷氣。惰性氣體或反應(yīng)氣體用作粉末載體，將粉末散布于熔體中。氣體還可以攪拌熔體，確保充分混合，從而增強反應(yīng)動力，降低處理溫度(750-1200°C )和時間(5至60分鐘)。該工藝因而 可避免使用機械式攪拌所致的顆粒度不均勻。機械性能的均勻性也得到改善，如鑄錠內(nèi)的硬度變化< 5%。本發(fā)明提高了熔體中增強物質(zhì)量(最大15% )，而不降低鑄錠的完整性。與采用常規(guī)機械式攪拌的工藝相比，采用該工藝制備的復(fù)合材料具有更精細(xì)和更均勻的分布。因此，就相同體積的顆粒而言，基于本發(fā)明的復(fù)合材料具有更優(yōu)的機械性能。現(xiàn)結(jié)合以下例子對本發(fā)明進(jìn)行說明，這些例子絕不構(gòu)成對本發(fā)明的限制，而僅僅是本發(fā)明的示范。例I將462克金屬鋁熔于900°C的石墨坩堝中。使用螺旋給料機，將氟化鉀鈦和碳粉(97. 3克K2TiF6和7. 5克碳)的混合物添加到熔融鋁中，給料機與浸入熔體中的氧化鋁噴槍連接，并使用氬氣作為載氣。給料8分鐘后，關(guān)閉螺旋給料機，氬氣攪拌熔體進(jìn)行混合并持續(xù)5分鐘。添加量與5% TiC體積組份的公稱添加量相當(dāng)。攪拌結(jié)束后，將坩堝從爐子上取下，并從熔體中撇去糟柏。一般以序號101表示的復(fù)合材料樣本即在鑄鐵模具中成形。圖I示出該復(fù)合材料的X射線衍射圖，其中波峰分別對應(yīng)鋁、TiC和少量Al3Ti相。圖2a示出電子掃描顯微鏡的分析照片，照片中Al4C3和TiC的同等消減顆粒非常精細(xì)且分布均勻。照片還顯示出存在幾個A13Ti板塊。為了比較采用本發(fā)明及方法所生產(chǎn)鑄錠的均勻性，采用攪拌澆鑄(機械式攪拌)制備的樣本(一般以序號102表不)和米用本發(fā)明方法制備的樣本101均在相同條件下生成(即900°C和反應(yīng)時間30分鐘)。沿鑄錠的縱向部份取約15個硬度值進(jìn)行統(tǒng)計分析。對于根據(jù)本發(fā)明使用浸入式噴槍和氬載氣制備的鑄錠，維氏硬度的測量值為60. 5+/-1. 1，而使用石墨攪拌器制備的鑄錠硬度為65. 1+/-1. 7。這表明，采用本發(fā)明制備鑄錠，可獲得比攪拌澆鑄法更均勻的鑄錠。例2表I列出采用例I中所述兩種不同的方法并在不同的工藝參數(shù)下制備的若干鑄錠。對復(fù)合材料的XRD分析表明，本發(fā)明可促成具有大量TiC沉降物體積組份的復(fù)合材料在低溫下和更短時間內(nèi)制備，而無需預(yù)熱前體。TiC沉降物有助于提高屈服強度、拉伸強度和楊氏樽量,如圖3所示。由于TiC沉降物具有同等消減和分布均勻的性質(zhì)，因此不會降低復(fù)合材料的延展性。例3采用例I所述方法制備金屬基復(fù)合材料。樣本一使用d9(l為300微米的粗K2TiF6粉末來制備，而另一樣本使用經(jīng)過研磨和篩選的d9(l為68微米的K2TiF6粉末來制備。兩個樣本的硬度測量值為51Hv。例4米用例I所述本發(fā)明方法制備復(fù)合材料樣本(一般以序號103表不)ο將12克鋁熔化至900°C成為熔融鋁，然后透過螺旋給料機添加K2TiF6和碳粉的混合物，并使用氬氣作為載氣?？偺砑恿颗c10% TiC體積組份的公稱添加量相當(dāng)。總批次反應(yīng)時間為20分鐘。反應(yīng)完成后，清除坩堝中的糟柏，然后將熔體澆入砂型模中生成鑄錠。圖4a示出無缺陷鑄錠條坯的照片。采用常規(guī)攪拌澆鑄方法，將500克鋁熔化至900°C以制備另一個樣本。將495克K2TiF6與22克碳粉混合后添加到熔體中，同時用石墨攪拌器進(jìn)行攪拌。20分鐘后完成反應(yīng)。由于熔體的粘度高，清除操作無法正常進(jìn)行，熔體中尚存留部份糟柏。將熔體澆入鑄錠模具。圖4b示出鑄錠的照片。例5
采用530克鋁熔化于950°C的坩堝中以制備鋁基復(fù)合材料樣本(一般以序號104表示)。將113克K2TiF6粉末添加到熔體中，然后用氧化鋁棒攪拌。透過浸入熔體的氧化鋁噴槍，將二氧化碳?xì)夤呐萃ㄈ肴廴诨旌衔?0分鐘。然后從爐子上取下坩堝，清除熔體表面的糟柏后澆入鑄錠模具。XRD分析顯示，在鑄錠中已產(chǎn)生TiC沉降物，硬度的測量值為48.2HV。樣本的光學(xué)顯微鏡照片如圖5所示。例6向鋁與K2TiF6的熔體中鼓泡通入二氧化碳/氮氣的混合氣體，生成Al-AlN-TiC復(fù)合材料。另外，也可以將空氣用作載氣，替代例I中的氬氣以生成Al-AlN-TiC復(fù)合材料。例7米用例I中所述方法制備復(fù)合材料樣本(一般以序號105表不)。在燒入復(fù)合材料模具前額外添加含O. 5%錳和O. 8%硅的合金。測試用樣本取自復(fù)合材料的鑄錠。將測試樣本于550°C固溶I小時后放入水中淬火。然后將各個固溶樣本于170°C進(jìn)行不同時段的熱處理，獲得不同的硬度。老化曲線示于圖6。例8米用例I所述方法制備若干復(fù)合材料樣本。將鑄錠樣本機加工成條還，然后在400至550°C溫度范圍于模具中擠壓成棒形和工字鋼形。圖7示出無任何可視表面缺陷的擠壓成形樣本。部份其他樣本于450°C預(yù)熱后進(jìn)行鍛壓，如圖8所示。表I
權(quán)利要求
1.一種制備納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料的工藝，所述工藝包括以下步驟 a)將混合物注入熔融的金屬鋁中，并維持溫度在750°C至1200°C范圍以得到熔體，混合物包含(i)至少一種含金屬的化合物，該化合物選自鈦化合物、釩化合物和鋯化合物，以及(ii)至少一種含非金屬的化合物，該化合物選自含碳化合物、含硼化合物和含氧化合物； c)攪拌熔體5至60分鐘以獲得熔融的合金；以及 d)澆鑄并固化熔融的合金。
2.在權(quán)利要求I所述的工藝中，注入步驟采用氣動方式，以注入混合物中的至少一個化合物。
3.在前述任一權(quán)利要求所述工藝中，使用壓力載氣來實施氣動注入步驟。
4.在前述任一權(quán)利要求所述的工藝中，透過裝有浸入式噴槍的給料機，將步驟a)中混合物所包含的至少一種化合物氣動注入熔融鋁中，所述噴槍浸入熔融的金屬鋁中。
5.在權(quán)利要求I所述的工藝中，熔體采用載氣進(jìn)行攪拌。
6.在前述權(quán)利要求所述的工藝中，熔體采用載氣攪拌5至60分鐘。
7.在前述任一權(quán)利要求所述的工藝中，載氣選自IS氣和氮氣。
8.在權(quán)利要求I所述的工藝中，步驟a)至b)中的溫度維持在750°C至1200°C范圍。
9.在權(quán)利要求I所述的工藝中，步驟a)中的化合物選自氟化鉀鈦、氧化鈦、二硼化鈦、氧化娃、氧化招、氧化鋅和氧化亞銅。
10.在權(quán)利要求I所述的工藝中，步驟a)中的化合物是鈦化合物，選自氟化鉀鈦、氧化鈦。
11.在權(quán)利要求I所述的工藝中，含金屬化合物呈粉末狀。
12.在權(quán)利要求I所述的工藝中，含非金屬化合物選自含碳化合物，進(jìn)一步選自石墨粉、二氧化碳和甲烷氣。
13.在權(quán)利要求I所述的工藝中，所選含金屬化合物是一種鈦化合物，含非金屬化合物選自含碳化合物，這樣制成的納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料可含有最高15%的碳化鈦化合物。
14.在權(quán)利要求I所述的工藝中，納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料還包含至少一種合金金屬，選自鎂、銅、鋅和硅。
15.一種采用權(quán)利要求I所述工藝制備的鋁基納米復(fù)合材料。
全文摘要
本發(fā)明提供一種生產(chǎn)增強型鋁基復(fù)合材料的工藝。鋁基復(fù)合材料中的增強化合物選自碳化鈦、硼化鈦、釩和鋯化合物。該工藝使用壓力載氣來實施氣動注入。壓力載氣在處理期間還進(jìn)行高效攪拌，致使增強顆粒在鋁基中均勻散布。
文檔編號C22C1/10GK102791893SQ201180006700
公開日2012年11月21日 申請日期2011年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月21日
發(fā)明者維韋克·斯里瓦斯塔瓦, 阿尼爾班·吉里 申請人:埃迪亞貝拉科技有限公司