一種混合空心球金屬基輕質(zhì)復合材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種混合空心球金屬基輕質(zhì)復合材料的制備方法，它是在金屬基中填充空心球而形成含有封閉泡孔的金屬基復合材料，該空心球為SiC空心球、Al2O3空心球、C空心球或玻化微珠中兩種及兩種以上按任何比例混合的直徑相同或不同的混合空心球；該金屬基是市售的鋁、鎂、鋅、銅、鈦或鐵或鋁合金、鎂合金、鋅合金、銅合金、鈦合金或鐵合金。用本發(fā)明制備的混合空心球金屬基復合材料孔隙率達到50％以上，在顯著降低密度的同時，可保持材料的壓縮強度，從而實現(xiàn)高強、輕質(zhì)，同時具備阻尼減震、隔音降噪、能量吸收等多種功能性，并具有成本低、工藝簡單、對空心球種類及尺寸適應范圍廣，可連續(xù)鑄造生產(chǎn)，大大提高生產(chǎn)效率。
【專利說明】一種混合空心球金屬基輕質(zhì)復合材料的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種混合空心球金屬基輕質(zhì)復合材料的制備方法，具體是在金屬基中加入兩種或兩種以上直徑相同或不相同的混合空心球和增粘劑，采用電磁攪拌制造得到泡沫結(jié)構(gòu)金屬基復合材料的方法。它解決了現(xiàn)有泡沫結(jié)構(gòu)金屬基復合材料制備時工藝難控制、生產(chǎn)成本高的問題，在保證材料性能的條件下，可顯著降低材料密度，從而達到輕量化目的。

【背景技術(shù)】
[0002]金屬基復合材料是以金屬或合金為基體，并以纖維、晶須、顆粒等為增強體的復合材料，明顯地改善單一金屬材料的熱膨脹性、強度、斷裂韌性、沖擊韌性、耐磨損性等，其綜合力學性能得到明顯改善，而且，電性能、磁性能、導熱性能等某些物理性能往往也得到顯著提高，但是，同時也存在造價高、制備工藝復雜等缺點。例如纖維、晶須等增強體的價格昂貴，制備工藝復雜，導致這類金屬基復合材料的應用受到限制。近年來，高強輕質(zhì)合金材料在航空、航天、汽車、建材等領(lǐng)域的應用越來越廣泛，在不影響壓縮性能的情況下降低金屬基復合材料的密度是合金材料輕量化的主要途徑。泡沫金屬材料是材料輕量化的主要方向，按孔洞的結(jié)構(gòu)分為通孔和閉孔兩類，其中閉孔泡沫金屬材料具有更好的強度，因其兼具結(jié)構(gòu)材料和功能材料特性而具有更廣泛的用途。
[0003]以空心球體作為增強體的顆粒，價格相對低廉，基體可選擇的范圍寬，并能夠采用傳統(tǒng)工藝方法制備和二次加工，易于實現(xiàn)批量和大規(guī)模生產(chǎn)，具有很好的經(jīng)濟效益。由此得到的空心球金屬基復合材料具有輕質(zhì)、高強度、耐磨性好以及良好的緩沖吸能效果等特性。其增強體主要有Al2O3空心球、SiC空心球、S1 2空心球、C空心球、玻璃微珠、粉煤灰或有一定配比的混合空心球等。基體主要是鋁合金，也有鎂基、鐵基、銅基、鈦基、鉛基等。根據(jù)復合材料的密度控制和空心球可溶入量，復合材料中空心球體積分數(shù)可以達到40% -60%。
[0004]經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)金屬基空心球復合材料的方法主要有以下幾種:一種是中國專利CN103614586介紹的壓力滲流鑄造法，其借助外界壓力使金屬熔體滲流進入空心球間隙，但這種方法無法控制滲流進程、補縮能力差，同時由于壓力作用造成鋁基體密度增大；一種是粉末冶金法，將基體金屬粉末、粘合劑和空心微球均勻攪拌，在一定壓力下壓制燒結(jié)成型，但該工藝過程復雜，空心球強度要求高且受粒徑限制；一種是中國專利CN1174895A介紹的攪拌法，其利用鋁及其合金為基體，以火電廠廢料飛灰作為添加料的鋁基復合材料，但這種方法采用機械攪拌裝置致使添加料的分布不均勻，使用的飛灰粒徑較小且與基體的潤濕性較差，這都影響了所制復合材料的性能；還有一種方法是CN102601342A介紹的真空反重力滲流法，其通過抽真空使鑄造室形成負壓，金屬熔體經(jīng)導流部件進入空心球預制體中冷卻，但此方法是以空心球預制體為骨架，金屬液作為填料，從而造成壓縮性能的降低，且工藝過程復雜。因此，尋找降低金屬基復合材料密度和制作成本的方法，生產(chǎn)適用于航空、航天、汽車、建材等領(lǐng)域的應用的各種輕質(zhì)金屬基復合材料成為急需解決的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種混合空心球金屬基輕質(zhì)復合材料的制造方法，它解決了一般空心球金屬基復合材料成本高、密度大、制備工藝復雜的問題。用這種方法得到的泡沫結(jié)構(gòu)金屬基復合材料在降低金屬基復合材料密度的同時，可避免其壓縮性能的降低。
[0006]為了達到上述目的，本發(fā)明的泡沫結(jié)構(gòu)金屬基復合材料是在金屬基中鑄有空心球體而形成的含有封閉泡孔的金屬基空心球復合材料，該空心體為310空心球、八1203空心球、
空心球、?；⒅榈葍煞N及兩種以上相同或不同尺寸混合的空心球。本發(fā)明的輕質(zhì)金屬基復合材料的制備方法按如下步驟進行:
[0007]八，金屬基的處理:將作為金屬基的金屬或合金熔化，得到液態(tài)金屬，保溫；
[0008]8，空心球的預處理:將空心球放入濃度50%質(zhì)量百分比的氫氟酸中進行酸洗處理，然后在電爐中預熱到500-8001 ；
[0009]0，金屬基復合材料的制備:將增粘劑和空心球依次加入攪拌下的液態(tài)金屬中，使空心球均勾分布在液態(tài)金屬中，停止加熱，打開冷卻器快速冷卻，控制冷卻速度為
10-2000 /3,從而使空心球來不及向上運動而凝固在金屬中，得到成型的金屬基復合材料；空心球的加入體積是液態(tài)金屬體積的20% -50% ；
[0010]0，檢測金屬基復合材料的性能:取出成型的金屬基復合材料，稱量計算密度和孔隙度，同時采用壓縮試驗方法檢測其力學性能，與已有方法制備的空心球復合材料的力學性能相比，此方法選用多種不同粒徑的混合空心球作為填充料，在保證材料性能的前提下，孔隙率達50%以上，從而最大化地降低材料密度；
[0011]上述金屬是市售的鋁、鎂、鋅、銅、鈦或鐵；
[0012]上述合金是市售的銷合金、鎂合金、鋅合金、銅合金、鈦合金或鐵合金；
[0013]上述空心球選自市售的直徑為0.5-5.0臟，壁厚為0.2-1.0臟的310空心球、八1203空心球X空心球、?；⒅橹械膬煞N或兩種以上的按任何比例混合的直徑相同的混合空心球，或者直徑不相同的混合空心球；
[0014]上述增粘劑是市售的粉煤灰、鈣，或兩者按任何比例的混合，增粘劑的加入量是金屬基重量的1-5% ；
[0015]上述攪拌是電磁攪拌，通過調(diào)節(jié)電壓參數(shù)改變液態(tài)金屬中的磁場，從而控制攪拌速度為150-2501^(1/111111，攪拌時間為5-20111111，使空心球與金屬液混合均勾。
[0016]所述的增粘劑是直徑為0.5-1.0臟的310空心球，加入量為金屬基體積的3-5%。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點是:
[0018]1，由于本發(fā)明對空心球進行高溫氧化、酸洗等預處理，提高了金屬基體和空心球之間的浸潤性和粘結(jié)力，同時合理選擇空心球的直徑和壁厚，以及與金屬的配比，因此，在保證不影響目標產(chǎn)物金屬基復合材料壓縮性能的前提下，能夠最大化地降低復合材料密度，同時工藝流程簡單，易實現(xiàn)連續(xù)化鑄造生產(chǎn)。
[0019]2，由于本發(fā)明加入一定比例的增粘劑，減緩了在攪拌過程中空心球向上運動的趨勢，可以根據(jù)目標產(chǎn)物密度要求和空心球可溶入量，加入體積比例20% -50%的空心球，保證空心球與金屬基的混合均勻，因此，金屬基復合材料孔隙率可以達到50%以上，而且力學性能能夠滿足多領(lǐng)域應用的高強輕質(zhì)要求。
[0020]3，由于本發(fā)明使用冷卻器進行快速冷卻，從而使空心球來不及向上運動而凝固在金屬中，因此，制得金屬基復合材料的空心球在金屬液體中分布更均勻，從而實現(xiàn)高強、輕質(zhì)，同時具備阻尼減震、隔音降噪、能量吸收等多種功能性。
[0021]4，本發(fā)明工序少、對空心球種類及尺寸適應范圍廣、操作簡單，還能實現(xiàn)連鑄連車L，從而實現(xiàn)具有機械化和自動化的連續(xù)鑄造生產(chǎn)，大大提高了生產(chǎn)效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明的金屬基復合材料制備工藝流程圖，
[0023]圖2是【具體實施方式】中所用模具的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]其中
[0025]I—爐膽，2—電磁攪拌加熱爐，3—金屬基，4—空心球，5—冷卻器。

【具體實施方式】
[0026]實施例1:
[0027]本實施方式選用鋁合金材料為金屬基3，選用按任意比例混合的SiC空心球和Al2O3空心球4，該空心球的直徑均為0.5mm-5mm, SiC空心球與Al 203空心球熔點高、硬度大，可與鋁合金充分混合又不顯著降低合金材料的壓縮性能。
[0028]制備方法所用的模具(參閱圖2)由爐膽1、電磁攪拌裝置和加熱裝置構(gòu)成的電磁攪拌加熱爐2、冷卻器5組成。其制備步驟是:先將市售的鋁合金錠加入到電磁攪拌加熱爐2中，加熱到500-650°C熔化后保溫；然后按鋁合金錠重量的1.0% -5.0% (質(zhì)量分數(shù))稱量增粘劑并加入電磁攪拌加熱爐2中，增粘劑選用市售的工業(yè)級粉煤灰和Ca粉，兩者按任何比例混合后加入電磁攪拌加熱爐2中，均勻攪拌使其與鋁合金充分混合；接著先量取占液態(tài)鋁合金體積20% -50%的混合空心球，將空心球放入濃度50%的氫氟酸中進行酸洗處理，然后在電爐中預熱到500-800°C ;將預熱后的空心球加入到電磁攪拌加熱爐2中，通過調(diào)節(jié)電磁攪拌器電壓改變金屬溶液中的磁場從而控制攪拌速度為150-250rad/min，攪拌時間為5-20min，使空心球與液態(tài)鋁合金混合均勻；然后關(guān)閉電磁攪拌加熱爐2，停止加熱和攪拌，打開冷卻器5，控制冷卻速度為10-20°C /S，使材料快速冷卻，
[0029]從而使空心球來不及向上運動而凝固在熔體中；最后打開下密封蓋取出成型后的金屬基復合材料。取出成型的金屬基復合材料，稱量計算密度和孔隙度，同時采用壓縮試驗方法檢測其力學性。采用本發(fā)明生產(chǎn)的金屬基復合材料與已有的專利號為CN1174895A的機械攪拌法、專利號為CN102601342的反重力滲流鑄造法、專利號為CN103614586壓力滲流法制備的空心球復合材料相比，由于選用SiC空心球和Al2O3兩種同粒徑的混合空心球作為填充料，在保證材料性能的前提下，孔隙率可達50%以上，從而最大化地降低材料密度，同時工藝流程簡單，更利于實現(xiàn)連續(xù)化鑄造生產(chǎn)。
[0030]實施例2:
[0031]此實施方式與實施例1相比，不同之處是選用大直徑的Al2O3空心球和直徑較小的SiC空心球，其中直徑為l-5mm的Al2O3空心球加入量占液態(tài)鋁合金體積20% _50%，直徑為0.5-lmm的SiC空心球加入量為液態(tài)鋁合金體積的3_5%，其余的條件相同。直徑小的SiC空心球一方面起到鋁液增粘作用，以提高復合材料的均勻性，同時能夠填補大尺寸的Al2O3空心球間的空隙，進一步降低復合材料密度。取出成型的金屬基復合材料，稱量計算密度和孔隙度，同時采用壓縮試驗方法檢測其力學性。與已有制備空心球復合材料的方法相比，此方法選用多種不同粒徑的兩種混合空心球作為填充料，在保證材料性能的前提下，孔隙率可達50%以上，從而最大化地降低材料密度。
[0032]實施例3:
[0033]此實施方式與實施例2相比，除了所選用的空心球中大直徑的八1203空心球和直徑較小的310空心球外，空心球的種類還有0空心球和?；⒅椋?種空心球按任意比例混合，同時增粘劑選用3%-5% (質(zhì)量分數(shù))的粉煤灰，以進一步降低生產(chǎn)成本，其余的條件相同。
[0034]取出成型的金屬基復合材料，稱量計算密度和孔隙度，同時采用壓縮試驗方法檢測其力學性。與已有制備空心球復合材料的方法相比，此方法選用4種不同粒徑的混合空心球作為填充料，在保證材料性能的前提下，孔隙率可達50%以上，從而最大化地降低材料密度，同時也進一步降低了生產(chǎn)成本。
【權(quán)利要求】
1.一種混合空心球金屬基輕質(zhì)復合材料的制備方法，其特征在于: A，金屬基的處理:將作為金屬基的金屬或合金熔化，得到液態(tài)金屬，保溫； B，空心球的預處理:將空心球放入濃度50%質(zhì)量百分比的氫氟酸中進行酸洗處理，然后在電爐中預熱到500-800 °C ； C，金屬基復合材料的制備:將增粘劑和空心球依次加入攪拌下的液態(tài)金屬中，使空心球均勻分布在液態(tài)金屬中，停止加熱，打開冷卻器快速冷卻，控制冷卻速度為10-20°C /S，從而使空心球來不及向上運動而凝固在金屬中，得到成型的金屬基復合材料；空心球的加入體積是液態(tài)金屬體積的20% -50% ； D，檢測金屬基復合材料的性能:取出成型的金屬基復合材料，稱量計算密度和孔隙度，同時采用壓縮試驗方法檢測其力學性能，與已有方法制備的空心球復合材料的力學性能相比，此方法選用多種不同粒徑的混合空心球作為填充料，在保證材料性能的前提下，孔隙率達50%以上，從而最大化地降低材料密度； 上述金屬是市售的鋁、鎂、鋅、銅、鈦或鐵； 上述合金是市售的鋁合金、鎂合金、鋅合金、銅合金、鈦合金或鐵合金； 上述空心球選自市售的直徑為0.5-5.0mm，壁厚為0.2-1.0mm的SiC空心球、Al2O3空心球、C空心球、?；⒅橹械膬煞N或兩種以上的按任何比例混合的直徑相同的混合空心球，或者直徑不相同的混合空心球； 上述增粘劑是市售的粉煤灰、鈣，或兩者按任何比例的混合，增粘劑的加入量是金屬基重量的1-5% ； 上述攪拌是電磁攪拌，通過調(diào)節(jié)電壓參數(shù)改變液態(tài)金屬中的磁場，從而控制攪拌速度為150_250rad/min，攪拌時間為5_20min，使空心球與金屬液混合均勾。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種混合空心球金屬基輕質(zhì)復合材料的制備方法，其特征在于:所述的增粘劑是直徑為0.5-1.0mm的SiC空心球，加入量為金屬基體積的3_5%。
【文檔編號】C22C1/08GK104498759SQ201410719752
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月2日
【發(fā)明者】胡正飛, 張振, 蔡振武, 何大海, 蔣凱雁 申請人:同濟大學