專利名稱：一種二元陶瓷顆粒增強(qiáng)高溫耐磨鋁合金的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種高溫抗磨損鋁合金材料，具體是一種二元陶瓷顆粒增強(qiáng)高溫耐磨鋁合金的制備方法，實(shí)現(xiàn)了鋁合金高溫耐磨損性能的明顯改善。
背景技術(shù)：
2系合金為鋁銅系合金，是鋁合金中的典型高強(qiáng)硬鋁合金，由于其成份比較合理，綜合性能優(yōu)良，是鋁合金中用量較大系列之一；該合金的特點(diǎn)是比強(qiáng)度高，韌性好，有一定的耐熱性，可用作150° C以下的工作零件，其中2124合金的強(qiáng)度在125° C以上時(shí)比7075合金的還高，一直是航空航天、推進(jìn)和武器系統(tǒng)的重要材料。廣泛用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)、鉚釘、卡車輪轂、螺旋槳元件及其他中高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件；此外，在汽車、IT工業(yè)設(shè)備、以及辦公室設(shè)備等應(yīng)用也非常廣泛，很多工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都生產(chǎn)這種合金。隨著航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)鋁合金的性能提出越來越高的要求，除了追求較高的抗拉強(qiáng)度以外，還要求合金具有 優(yōu)良的耐磨性能，尤其是高溫耐磨性能，如渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，發(fā)電機(jī)機(jī)葉輪窩殼，球磨機(jī)內(nèi)襯以及高速焊接機(jī)械使用的焊絲喂絲機(jī)構(gòu)等，他們工作溫度高，每秒鐘需要高速運(yùn)轉(zhuǎn)多次，因此對(duì)輕質(zhì)、高強(qiáng)尤其是高溫耐磨材料需求十分迫切。反應(yīng)合成技術(shù)(Reactive Synthesis)是1989年由Koczak等首先提出，又稱原位復(fù)合材料(In-situ Composites)用于制備內(nèi)生顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料,這種技術(shù)生成增強(qiáng)體表面無污染，避免了與基體相容性不良的問題，界面結(jié)合強(qiáng)度高是由于增強(qiáng)體是從金屬基體中原位形核、長(zhǎng)大的熱力學(xué)穩(wěn)定相，因而該類技術(shù)被譽(yù)為具有突破性的新技術(shù)，已成為金屬基(特別是鋁基)復(fù)合材料研究中的一個(gè)新熱點(diǎn)。原位反應(yīng)技術(shù)的發(fā)展也為提高材料的抗磨損性能提供了一條新的途徑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種二元陶瓷顆粒增強(qiáng)高溫耐磨顆鋁合金材料，該材料具有高的強(qiáng)度，良好的韌性和耐磨損性能，本發(fā)明另一目的是提供一種耐磨鋁合金基復(fù)合材料的制備方法，利用超聲化學(xué)原位反應(yīng)技術(shù)工藝制備二元陶瓷顆粒增強(qiáng)耐磨鋁合金，實(shí)現(xiàn)原材料高溫耐磨性能的明顯提升,磨損試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明高溫耐磨性能提高原材料的4-6倍。本發(fā)明的技術(shù)方案
本發(fā)明的二元陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁合金的制備方法是在2124合金熔體中，置入按一定摩爾比例預(yù)配制好的K2ZrF6-KBF4-Al微球，通過在高能超聲的聲流、空穴等效應(yīng)作用下，使得K2ZrF6-KBF4-Al微球破碎彌散，加速合金熔體發(fā)生劇烈原位化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而原位內(nèi)生二元增強(qiáng)陶瓷顆粒Al3Zr和ZrB2，最終制得本發(fā)明的二元陶瓷顆粒增強(qiáng)高溫耐磨鋁合金材料。其具體制備方法是
(I)根據(jù)原位反應(yīng)方程式I將K2ZrF6、KBF4粉和鋁粉按摩爾比例6:6:23混勻并壓制成K2ZrF6- KBF4-Al預(yù)制微球備用，直徑4_6mm,烘干；預(yù)制微球目的是讓反應(yīng)物更好的進(jìn)入合金熔體中，否則將出現(xiàn)反應(yīng)物漂浮熔體表面無法深入熔體內(nèi)部；(2)將2124合金熔融，熔體溫度控制在850°C-870°C ；
(3)按照生成的增強(qiáng)顆粒占生成的二元陶瓷顆粒增強(qiáng)高溫耐磨鋁合金的質(zhì)量百分比10-15%計(jì)算并稱量預(yù)制微球，將其置于2124合金熔體中，進(jìn)行如下原位反應(yīng)
23A1+ 6KBF4 +6K2ZrF6=3Al3Zr+3ZrB2+2K3AlF6+12KAlF4 (I)
(4)在加入微球后，同時(shí)使用高能超聲對(duì)反應(yīng)熔體進(jìn)行超聲化學(xué)處理；利用高能超聲的聲流、空穴等效應(yīng)優(yōu)化原位化學(xué)反應(yīng)環(huán)境，將K2ZrF6-KBF4-Al微球破碎彌散，使反應(yīng)產(chǎn)物分布均勻，超聲變幅桿進(jìn)入熔體深度為8-10mm，超聲頻率20kHz，超聲功率分為O. 8kff-l. 8kff,作用時(shí)間150s-300s ；
(5)將超聲處理后的熔體850°C保溫5-10分鐘，精煉、扒渣后 澆鑄工件模具內(nèi)，最后制得二元陶瓷顆粒增強(qiáng)高強(qiáng)耐磨鋁合金。所述步驟(I)中的烘干指烘烤溫度150_160°C，時(shí)間1_2小時(shí)。本發(fā)明是利用超聲化學(xué)原位反應(yīng)技術(shù)制備高強(qiáng)耐磨鋁合金，實(shí)現(xiàn)了 2124合金材料耐磨性能的明顯改善，高溫磨損試數(shù)據(jù)表明在220°C，150N，24h干滑動(dòng)摩損量為16 24mg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于2124基體合金96mg數(shù)值，將耐磨性能提高原來的4_6倍；此外，本發(fā)明的材料具有較高的強(qiáng)度及良好的韌性其擠壓態(tài)％.2彡295 MPa，因而不僅可用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)、鉚釘、卡車輪轂、螺旋槳元件等中高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件，而且可以用于機(jī)械、汽車等工業(yè)為抗磨損件材料，可明顯提高工業(yè)零件的使用壽命，降低零件使用成本。本發(fā)明的制備方法工藝簡(jiǎn)單，操作方便，容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)，并且所用原料合金為2124鋁合金鑄錠和K2ZrF6、KBF4及鋁粉反應(yīng)粉劑，均為工業(yè)純度級(jí)別，來源豐富，價(jià)格低廉。綜上，本發(fā)明的不但較好保持了原有的比強(qiáng)度與韌性，而且大幅度提高了原合金高溫耐磨性能，此外提供了成本低廉易于推廣的制備方法。


圖I是超聲化學(xué)原位反應(yīng)合成高耐磨材料裝置 I.超聲波發(fā)生器2.換能器3.變幅桿4.熔體5.石墨坩堝6.耐火磚7.電阻爐
8.電動(dòng)機(jī)9.支架10測(cè)溫儀11熱電偶；
圖2是制得二元陶瓷顆粒增強(qiáng)的鋁合金材料試樣的XRD圖譜。X射線衍射光譜結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證生成相為二元陶瓷顆粒ZrB2和Al3Zr ；
圖3是制備的二元陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁合金高倍電子掃描顯微鏡圖片；從圖中可以清晰看到原位內(nèi)生二元陶瓷顆粒ZrB2和Al3Zr的形貌,它們相關(guān)性能如下表
顆粒晶格^熔點(diǎn)^
__結(jié)構(gòu)-(lQ-3kg/m3) ;(K) ^ 硬度(MEa) +
Al3Zr,體心四方.4 P1850#74.W
ZrB2,: 單■六'角6.09*-'272Ojj2250-*-
由于二元陶瓷顆粒具有較高的熔點(diǎn)和硬度，在材料受到外界摩擦?xí)r是主要磨擦承載體，基體鋁合金得到保護(hù)，因此基體2124合金整體高溫耐磨性能得到大幅度提升。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的闡述。具體實(shí)施例I
制備IOkg 二元陶瓷顆粒增強(qiáng)耐磨鋁合金，其中ZrB2和Al3Zr組分重量百分比為10%，其余為2124基體鋁合金；
(I)配料K2ZrF62. 83kg、KBF4l. 26kg 和鋁粉 I. 04kg，2124 合金 5. 87kg(理論值 4. 87kg)，實(shí)際要考慮10%的撥渣和燒損。(2)將K2ZrF6、KBF4和鋁粉粉末均勻混合后，壓制成直徑5mm的微球，在150°C下烘烤Ih0(3)將2124鋁合金錠放入石墨坩堝中，將其置于30kW的井式電爐中進(jìn)行熔煉，升溫至850°C，將烘干好的混合粉末微球置于坩堝內(nèi)，同時(shí)用陶瓷鐘罩壓入熔體中進(jìn)行原位反 應(yīng)。(4)同時(shí)立即將超聲變幅桿置于熔體中，變幅桿進(jìn)入熔體深度為8mm，超聲頻率20kHz，超聲功率為I. 5kW，作用時(shí)間200s。(5)超聲化學(xué)處理結(jié)束后，熔體靜置5min，溫度保持850°C，精煉，扒渣后澆入水冷銅模制得材料。在此說明書中，本發(fā)明一參照其特定的實(shí)施例子作了描述，但是，很顯然仍可以作出各種修改和變換而不背離本發(fā)明的精神和范圍，因此，說明書和附圖應(yīng)被認(rèn)為是說明性的而非限制性的。對(duì)比例I
其余步驟均與實(shí)施例I相同，但K2ZrF6、KBF4和鋁粉混勻后直接加入鋁合金熔體中，制備得到材料，高溫磨損試數(shù)據(jù)表明在220°C，150N，24h干滑動(dòng)摩損量為85mg，性能改善有限，擠壓態(tài)ο 0.2為280 MPa。對(duì)比例2
其余步驟均與實(shí)施例I相同，但不施加高能超聲，制備得到材料，高溫磨損試數(shù)據(jù)表明在220°C，150N，24h干滑動(dòng)摩損量為75mg，性能改善有限，擠壓態(tài)ο 02為275MPa。 因此可以看出，為了改善材料的高溫耐磨性能，必須以微球的形式加入到熔體中并施加聞能超聲，兩者缺一不可。
權(quán)利要求
1.一種二元陶瓷顆粒增強(qiáng)高溫耐磨鋁合金的制備方法，所述鋁合金在220°c，150N,24h干滑動(dòng)摩損量為16 24mg ;擠壓態(tài)σ α2彡295 MPa，其特征在于所述制備方法包括如下步驟 (1)將K2ZrF6、KBF4粉和鋁粉按摩爾比例6:6:23混勻并壓制成K2ZrF6-KBF4-Al預(yù)制微球備用，直徑4-6mm,烘干； (2)將2124合金熔融，熔體溫度控制在850°C-870°C ； (3)按照生成的增強(qiáng)顆粒占所述二元陶瓷顆粒增強(qiáng)高溫耐磨鋁合金的質(zhì)量百分比10-15%計(jì)算并稱量預(yù)制微球，將其置于2124合金熔體中，進(jìn)行原位反應(yīng)； (4)在加入微球后，同時(shí)使用高能超聲對(duì)反應(yīng)熔體進(jìn)行超聲化學(xué)處理；將K2ZrF6-KBF4-Al微球破碎彌散，使反應(yīng)產(chǎn)物分布均勻，超聲變幅桿進(jìn)入熔體深度為8_10mm，超聲頻率20kHz，超聲功率分為O. 8kff-l. 8kW，作用時(shí)間150s_300s ； (5)將超聲處理后的熔體850°C保溫5-10分鐘，精煉、扒渣后澆鑄工件模具內(nèi)，最后制得二元陶瓷顆粒增強(qiáng)高強(qiáng)耐磨鋁合金。
2.如權(quán)利要求I所述的一種二元陶瓷顆粒增強(qiáng)高溫耐磨鋁合金的制備方法，其特征在于所述步驟(I)中的烘干指烘烤溫度150-160°C，時(shí)間1-2小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明屬于材料制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種高溫抗磨損鋁合金材料，具體是一種二元陶瓷顆粒增強(qiáng)高溫耐磨鋁合金的制備方法，本發(fā)明是在2124合金熔體中，置入按一定摩爾比例預(yù)配制好的K2ZrF6-KBF4-Al微球，通過在高能超聲的聲流、空穴等效應(yīng)作用下，使得K2ZrF6-KBF4-Al微球破碎彌散，加速合金熔體發(fā)生劇烈原位化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而原位內(nèi)生二元增強(qiáng)陶瓷顆粒Al3Zr和ZrB2，最終制得本發(fā)明的二元陶瓷顆粒增強(qiáng)高溫耐磨鋁合金材料。
文檔編號(hào)C22C1/02GK102828056SQ20121029729
公開日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月21日
發(fā)明者焦雷, 趙玉濤, 陳剛, 張忠忠, 夏天福, 王曉路 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)