本發(fā)明屬于紡織技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種縫紉機(jī)零部件，尤其涉及一種針棒連動桿。
背景技術(shù)：
針棒連動桿屬于縫紉機(jī)傳動裝置配件，起到將運(yùn)動的動力傳給工作機(jī)構(gòu)的作用。在長期服役后，針棒連動桿的主要損壞形式為疲勞斷裂、過量磨損、變形等。因此，設(shè)計初期，針棒連動桿的工作條件要求連動桿具有較高的強(qiáng)度、耐磨性和抗疲勞性能，又要求具有足夠的鋼性和韌性等。
目前，傳統(tǒng)的針棒連動桿的加工工藝中其材料一般采用調(diào)質(zhì)鋼、鋁合金等。其中，鋁合金材料的密度低，強(qiáng)度接近或超過優(yōu)質(zhì)鋼，塑性好，導(dǎo)熱性和耐蝕性優(yōu)良，且易于加工，是目前制備縫紉機(jī)配件的主要材料之一。經(jīng)過長期發(fā)展，采用鋁合金材料制備縫紉機(jī)零配件已經(jīng)處于一種穩(wěn)定的狀態(tài)，在技術(shù)上已經(jīng)難以突破。因此，在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，采用傳統(tǒng)鋁合金制備，難以獲得一種綜合性能得以突破的針棒連動桿。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，提出了一種采用陶瓷骨架增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制成的，綜合性能更優(yōu)的針棒連動桿。
本發(fā)明的目的可通過下列技術(shù)方案來實現(xiàn)：一種針棒連動桿，所述針棒連動桿由陶瓷骨架增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制成，所述陶瓷骨架增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料主要由體積比為30-50％的陶瓷骨架以及余量的鋁合金基體通過壓力熔滲復(fù)合而成。
在上述的一種針棒連動桿中，所述陶瓷骨架增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料包括體積比為5-15％的超硬耐磨顆粒與體積比為30-50％的陶瓷骨架、35-65％的鋁合金基體通過壓力熔滲復(fù)合而成。
本發(fā)明針棒連動桿采用陶瓷骨架增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制成，這種陶瓷骨架增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料是一種網(wǎng)絡(luò)交叉復(fù)合材料，與傳統(tǒng)晶須、顆粒等增強(qiáng)鋁合金材料相比，它們具有更高的機(jī)械強(qiáng)度和韌性，顯示出了網(wǎng)絡(luò)交叉結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。在長期服役過程中，本發(fā)明這種網(wǎng)絡(luò)交叉復(fù)合材料不會像顆粒、晶須增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料一樣，增強(qiáng)體存在容易從基體中拔出、脫落，磨屑形成硬磨粒的缺陷。因此，本發(fā)明陶瓷骨架增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制成的針棒連動桿具有更好的綜合性能。
在上述的一種針棒連動桿中，所述陶瓷骨架為三維網(wǎng)絡(luò)陶瓷骨架，所述三維網(wǎng)絡(luò)陶瓷骨架的孔徑為50-300μm，孔隙率為65-75％。
本發(fā)明優(yōu)選具有三維聯(lián)結(jié)方式的三維網(wǎng)絡(luò)陶瓷骨架，因此可以使陶瓷骨架和鋁合金材料能更有效的結(jié)合，從而使復(fù)合材料獲得更高的強(qiáng)度、斷裂韌性，良好的耐磨性能以及耐熱震性能等。
本發(fā)明的三維網(wǎng)絡(luò)陶瓷骨架是將多孔聚氨酯泡沫塑料浸涂陶瓷漿料制成坯體后燒結(jié)而成，進(jìn)一步優(yōu)選制成的陶瓷骨架為三維網(wǎng)絡(luò)氮化硅陶瓷骨架。因為，氮化硅陶瓷具有密度小、強(qiáng)度高、耐高溫、低熱導(dǎo)、熱膨脹系數(shù)小、耐腐蝕以及不易在高溫下氧化等一系列的優(yōu)越性能。同時，氮化硅與鋁合金即使在較低的溫度下(≤780℃)也具有良好的潤濕性，從而有助于三維網(wǎng)絡(luò)氮化硅陶瓷骨架與鋁合金獲得良好的界面結(jié)合，保證最終得到的陶瓷骨架增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的性能。
另外，作為增強(qiáng)骨架，三維網(wǎng)絡(luò)陶瓷首先得具備較好的抗壓強(qiáng)度等性能。而三維網(wǎng)絡(luò)陶瓷的抗壓強(qiáng)度受到陶瓷骨架的形狀、均勻性、粉料顆粒度、孔隙率等因素的多重影響，其中，孔隙率是主要的影響因素。降低孔隙率，形狀規(guī)則、結(jié)構(gòu)致密的陶瓷骨架，以及顆粒細(xì)小的粉料都有助于提高三維網(wǎng)絡(luò)陶瓷骨架的抗壓強(qiáng)度?？紫堵蔬^高的三維網(wǎng)絡(luò)陶瓷骨架細(xì)小，抗壓強(qiáng)度很低，在很小的載荷下就發(fā)生斷裂，無法滿足金屬浸滲的要求，難以保證在金屬液充填過程中陶瓷骨架的完整性。隨著孔隙率的降低，骨架直徑增加，其承受載荷的能力增加明顯，并且隨著孔隙率的降低，抗壓強(qiáng)度值的增幅更加顯著。在本發(fā)明上述限定的孔徑和孔隙率的范圍內(nèi)，使本發(fā)明三維網(wǎng)絡(luò)陶瓷骨架具有均勻的開孔結(jié)構(gòu)，且孔隙相互貫通，孔筋結(jié)構(gòu)較為均勻致密，增強(qiáng)效果尤佳。
在上述的一種針棒連動桿中，所述鋁合金基體由以下質(zhì)量百分比成分組成：Si：0.4-0.8％，Mg：0.8-1.2％，Mn：0.13-0.17％，Cr：0.08-0.22％，Cu：0.11-0.16％，Zn：0.18-0.22％，Zr：0.12-0.15％，Ti：0.11-0.15％，Sc：0.03-0.05％，Sb：0.06-0.1％，Ba：0.3-0.5％，稀土元素：0.01-0.02％，Hf：0.1-0.2％，F(xiàn)e＜0.025％，余量為Al以及不可避免的雜質(zhì)元素。
本發(fā)明鋁合金基體的主要合金元素是鎂與硅，可以形成Mg2Si相，Mg2Si相固溶于鋁中，是鋁合金的強(qiáng)化相。另外，本發(fā)明采用的是壓力熔滲復(fù)合技術(shù)，合金元素Si和Mg能破壞氧化鋁膜，縮短浸滲過程的孕育期。而微量的錳與鉻用于中和鐵的壞作用，微量的銅和鋅用于提高鋁合金基體的強(qiáng)度，微量的鋯和鈦用于細(xì)化晶粒與控制再結(jié)晶組織。使鋁合金具有較好強(qiáng)度、抗腐蝕性等性能。
另外，本發(fā)明還添加了微量的Sc，微量的Sc與合金中的Zr會在凝固過程中形成初生Al3(Sc,Zr)，可顯著細(xì)化合金鑄態(tài)晶粒，起到輔助細(xì)化晶粒與控制再結(jié)晶組織的作用。而均勻化時形成的次生Al3(Sc,Zr)粒子可以強(qiáng)烈釘扎位錯和亞晶界，有效抑制變形組織的再結(jié)晶，顯著提高合金的力學(xué)性能。
本發(fā)明還添加的微量合金元素Hf，可以改善合金的高溫強(qiáng)度和持久壽命。
除此之外，稀土元素是現(xiàn)在合金改性中常添加的元素成分，可以細(xì)化晶粒、凈化雜質(zhì)，達(dá)到提高合金的硬度、強(qiáng)度等效果。而Ba元素一般被認(rèn)為是雜質(zhì)元素，會降低鋁合金的純度，影響鋁合金的綜合性能，所以一般情況下，鋁合金中不含有或含極少量Ba雜質(zhì)元素。但是，本發(fā)明研究表明，將Ba元素含量提高，且同時配伍Sb元素和微量的稀土元素，可起到很好的增強(qiáng)效果，同時，可降低稀土元素的用量。
在上述的一種針棒連動桿中，所述超硬耐磨顆粒為鋁的氧化物、鋁的氮化物中的至少一種，粒徑小于陶瓷骨架的孔徑。在陶瓷骨架增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中添加超硬耐磨顆粒，通過簡單的物理共混，可以提高復(fù)合材料的耐磨性和其它力學(xué)性能。
在上述的一種針棒連動桿中，所述壓力熔滲的壓力范圍為10-15MPa，溫度為660-700℃。本發(fā)明通過壓力熔滲制得的復(fù)合材料陶瓷與基體相結(jié)合緊密，邊界分明，在界面處無孔洞等微觀缺陷，效果較優(yōu)。
在上述的一種針棒連動桿中，所述陶瓷骨架增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料經(jīng)過均勻化處理，均勻化處理的溫度為500-550℃，時間為10-12h。本發(fā)明通過壓力熔滲制得復(fù)合材料后，經(jīng)過均勻化處理，鋁合金基體中的相的數(shù)量、分布和尺寸尤佳，合金硬度也相對較高。
在上述的一種針棒連動桿中，所述陶瓷骨架增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料經(jīng)過均勻化處理后還進(jìn)行固溶處理，固溶處理的溫度為630-640℃，時間為1-2h。
在上述的一種針棒連動桿中，所述陶瓷骨架增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料經(jīng)過固溶處理后還進(jìn)行時效處理，時效處理的溫度為170-190℃，時間為8-10h。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下幾個優(yōu)點：
1.本發(fā)明針棒連動桿采用陶瓷骨架增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制成，具有更高的機(jī)械強(qiáng)度、韌性、耐磨性，綜合性能更好。
2.本發(fā)明陶瓷骨架的抗壓強(qiáng)度好，鋁合金基體的力學(xué)性能佳，且陶瓷骨架與鋁合金基體具有良好的界面結(jié)合能力，通過壓力熔滲技術(shù)制得陶瓷骨架與基體結(jié)合緊密，邊界分明，界面處無孔洞等微觀缺陷的復(fù)合材料。
具體實施方式
以下是本發(fā)明的具體實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的描述，但本發(fā)明并不限于這些實施例。
實施例1：
本實施例針棒連動桿由體積比為30％的陶瓷骨架和70％的鋁合金基體通過壓力熔滲復(fù)合而成。具體制備過程如下：
將多孔聚氨酯泡沫塑料浸涂氮化硅陶瓷漿料制成坯體后燒結(jié)成三維網(wǎng)絡(luò)氮化硅陶瓷骨架，骨架呈針棒連動桿狀，三維網(wǎng)絡(luò)陶瓷骨架的孔徑為50μm，孔隙率為75％。
熔煉鋁液，鋁液的組成成分及其質(zhì)量百分比為：Si：0.4％，Mg：0.8％，Mn：0.13％，Cr：0.08％，Cu：0.11％，Zn：0.18％，Zr：0.12％，Ti：0.11％，Sc：0.03％，Sb：0.06％，Ba：0.3％，稀土元素Ce：0.01％，Hf：0.1％，F(xiàn)e：0.015％，余量為Al以及不可避免的雜質(zhì)元素。
采用壓力熔滲技術(shù)，在10MPa與660℃溫度下，將上述呈針棒連動桿狀的三維網(wǎng)絡(luò)陶瓷骨架與鋁液壓滲成針棒連動桿坯件。坯件分別在500℃下均勻化處理12h，在630℃下固溶處理2h，在170℃下時效處理10h，制得最終針棒連動桿。
實施例2：
本實施例針棒連動桿由體積比為35％的陶瓷骨架和65％的鋁合金基體通過壓力熔滲復(fù)合而成。具體制備過程如下：
將多孔聚氨酯泡沫塑料浸涂氮化硅陶瓷漿料制成坯體后燒結(jié)成三維網(wǎng)絡(luò)氮化硅陶瓷骨架，骨架呈針棒連動桿狀，三維網(wǎng)絡(luò)陶瓷骨架的孔徑為100μm，孔隙率為72％。
熔煉鋁液，鋁液的組成成分及其質(zhì)量百分比為：Si：0.5％，Mg：0.9％，Mn：0.14％，Cr：0.10％，Cu：0.12％，Zn：0.19％，Zr：0.13％，Ti：0.12％，Sc：0.037％，Sb：0.07％，Ba：0.35％，稀土元素Ce：0.014％，Hf：0.13％，F(xiàn)e：0.02％，余量為Al以及不可避免的雜質(zhì)元素。
采用壓力熔滲技術(shù)，在10MPa與680℃溫度下，將上述呈針棒連動桿狀的三維網(wǎng)絡(luò)陶瓷骨架與鋁液壓滲成針棒連動桿坯件。坯件分別在510℃下均勻化處理12h，在635℃下固溶處理1.5h，在175℃下時效處理10h，制得最終針棒連動桿。
實施例3：
本實施例針棒連動桿由體積比為40％的陶瓷骨架和60％的鋁合金基體通過壓力熔滲復(fù)合而成。具體制備過程如下：
將多孔聚氨酯泡沫塑料浸涂氮化硅陶瓷漿料制成坯體后燒結(jié)成三維網(wǎng)絡(luò)氮化硅陶瓷骨架，骨架呈針棒連動桿狀，三維網(wǎng)絡(luò)陶瓷骨架的孔徑為200μm，孔隙率為70％。
熔煉鋁液，鋁液的組成成分及其質(zhì)量百分比為：Si：0.6％，Mg：1.0％，Mn：0.15％，Cr：0.15％，Cu：0.14％，Zn：0.20％，Zr：0.13％，Ti：0.13％，Sc：0.04％，Sb：0.08％，Ba：0.4％，稀土元素La：0.016％，Hf：0.15％，F(xiàn)e：0.02％，余量為Al以及不可避免的雜質(zhì)元素。
采用壓力熔滲技術(shù)，在12MPa與670℃溫度下，將上述呈針棒連動桿狀的三維網(wǎng)絡(luò)陶瓷骨架與鋁液壓滲成針棒連動桿坯件。坯件分別在520℃下均勻化處理11h，在635℃下固溶處理1.5h，在180℃下時效處理9h，制得最終針棒連動桿。
實施例4：
本實施例針棒連動桿由體積比為45％的陶瓷骨架和55％的鋁合金基體通過壓力熔滲復(fù)合而成。具體制備過程如下：
將多孔聚氨酯泡沫塑料浸涂氮化硅陶瓷漿料制成坯體后燒結(jié)成三維網(wǎng)絡(luò)氮化硅陶瓷骨架，骨架呈針棒連動桿狀，三維網(wǎng)絡(luò)陶瓷骨架的孔徑為250μm，孔隙率為68％。
熔煉鋁液，鋁液的組成成分及其質(zhì)量百分比為：Si：0.7％，Mg：1.1％，Mn：0.16％，Cr：0.20％，Cu：0.15％，Zn：0.21％，Zr：0.14％，Ti：0.14％，Sc：0.046％，Sb：0.09％，Ba：0.45％，稀土元素La：0.018％，Hf：0.18％，F(xiàn)e：0.01％，余量為Al以及不可避免的雜質(zhì)元素。
采用壓力熔滲技術(shù)，在13MPa與690℃溫度下，將上述呈針棒連動桿狀的三維網(wǎng)絡(luò)陶瓷骨架與鋁液壓滲成針棒連動桿坯件。坯件分別在540℃下均勻化處理11h，在640℃下固溶處理1.5h，在185℃下時效處理8h，制得最終針棒連動桿。
實施例5：
本實施例針棒連動桿由體積比為50％的陶瓷骨架和50％的鋁合金基體通過壓力熔滲復(fù)合而成。具體制備過程如下：
將多孔聚氨酯泡沫塑料浸涂氮化硅陶瓷漿料制成坯體后燒結(jié)成三維網(wǎng)絡(luò)氮化硅陶瓷骨架，骨架呈針棒連動桿狀，三維網(wǎng)絡(luò)陶瓷骨架的孔徑為300μm，孔隙率為65％。
熔煉鋁液，鋁液的組成成分及其質(zhì)量百分比為：Si：0.8％，Mg：1.2％，Mn：0.17％，Cr：0.22％，Cu：0.16％，Zn：0.22％，Zr：0.15％，Ti：0.15％，Sc：0.05％，Sb：0.1％，Ba：0.5％，稀土元素Ce：0.02％，Hf：0.2％，F(xiàn)e：0.02％，余量為Al以及不可避免的雜質(zhì)元素。
采用壓力熔滲技術(shù)，在15MPa與700℃溫度下，將上述呈針棒連動桿狀的三維網(wǎng)絡(luò)陶瓷骨架與鋁液壓滲成針棒連動桿坯件。坯件分別在550℃下均勻化處理10h，在640℃下固溶處理1h，在190℃下時效處理8h，制得最終針棒連動桿。
實施例6：
本實施例針棒連動桿由體積比為30％的陶瓷骨架、60％的鋁合金基體和10％的超硬耐磨顆粒通過壓力熔滲復(fù)合而成。超硬耐磨顆粒為三氧化二鋁，粒徑小于陶瓷骨架的孔徑。陶瓷骨架、鋁合金基體、具體制備過程與實施例1相同。
實施例7：
本實施例針棒連動桿由體積比為30％的陶瓷骨架、65％的鋁合金基體和5％的超硬耐磨顆粒通過壓力熔滲復(fù)合而成。超硬耐磨顆粒為三氧化二鋁，粒徑小于陶瓷骨架的孔徑。陶瓷骨架、鋁合金基體、具體制備過程與實施例2相同。
實施例8：
本實施例針棒連動桿由體積比為40％的陶瓷骨架、50％的鋁合金基體和10％的超硬耐磨顆粒通過壓力熔滲復(fù)合而成。超硬耐磨顆粒為三氧化二鋁，粒徑小于陶瓷骨架的孔徑。陶瓷骨架、鋁合金基體、具體制備過程與實施例3相同。
實施例9：
本實施例針棒連動桿由體積比為40％的陶瓷骨架、45％的鋁合金基體和15％的超硬耐磨顆粒通過壓力熔滲復(fù)合而成。超硬耐磨顆粒為氮化鋁，粒徑小于陶瓷骨架的孔徑。陶瓷骨架、鋁合金基體、具體制備過程與實施例4相同。
實施例10：
本實施例針棒連動桿由體積比為50％的陶瓷骨架、35％的鋁合金基體和15％的超硬耐磨顆粒通過壓力熔滲復(fù)合而成。超硬耐磨顆粒為三氧化二鋁與氮化鋁質(zhì)量比為1：1的混合物，粒徑小于陶瓷骨架的孔徑。陶瓷骨架、鋁合金基體、具體制備過程與實施例5相同。
將上述實施例1-10制得的針棒連動桿進(jìn)行性能測試，測試結(jié)果如表1所示。其中，磨損率的條件為：在室溫、6N載荷、1m/s速度下，試件滑行2500m。
表1：
從表1可知，實施例6-10中加入超硬耐磨顆粒后，強(qiáng)度、延伸率等性能略有改善，基本維持穩(wěn)定，但是，磨損率極速下降，針棒連動桿的耐磨性提升明顯。
對比例1：
對比例1與實施例3區(qū)別僅在于，對比例1的針棒連動桿由鋁合金基體直接制成，沒有陶瓷增強(qiáng)骨架。經(jīng)檢測，對比例1的針棒連動桿的極限抗拉強(qiáng)度為135MPa，極限彎曲強(qiáng)度為54MPa，磨損率為6.98％，延伸率為21％。由此可知，鋁合金基體采用陶瓷增強(qiáng)骨架增強(qiáng)后，性能提升明顯。
對比例2：
對比例2與實施例3的區(qū)別僅在于，對比例2的鋁基體中不含Sc元素。
對比例3：
對比例3與實施例3的區(qū)別僅在于，對比例3的鋁基體中不含Zr元素。
經(jīng)檢測，對比例2和對比例3的極限拉伸強(qiáng)度分別為174MPa、165MPa，極限彎曲強(qiáng)度分別為57MPa、59MPa。由此可知，Sc和Zr配伍可以起到強(qiáng)化合金的作用。
對比例4：
對比例4與實施例3的區(qū)別僅在于，對比例4的鋁基體中不含Ba和Sb元素。
對比例5；
對比例5與對比例4的區(qū)別僅在于，對比例4的鋁基體中的稀土元素擴(kuò)大20倍。
經(jīng)檢測，對比例4和對比例5的極限拉伸強(qiáng)度分別為180MPa、217MPa，極限彎曲強(qiáng)度分別為55MPa、70MPa。由此可知，Ba元素、Sb元素和稀土元素配伍可以起到強(qiáng)化合金的作用，降低稀土的使用量，保護(hù)資源。
對比例6：
對比例6與實施例3的區(qū)別僅在于，對比例6的陶瓷增強(qiáng)骨架的孔隙率為80％。在壓滲過程中，陶瓷骨架部分?jǐn)嗔?，骨架不完整?/p>
對比例7：
對比例7與實施例7的區(qū)別僅在于，對比例7的超硬耐磨顆粒的粒徑大于陶瓷骨架的孔徑。經(jīng)檢測，對比例7的針棒連動桿的極限抗拉強(qiáng)度為197MPa，極限彎曲強(qiáng)度為65MPa，性能有所降低。這是因為，超硬耐磨顆粒粒徑大于陶瓷骨架孔徑時，會使部分顆粒堵塞孔徑，鋁合金基體在壓滲過程中無法完全填充陶瓷骨架，復(fù)合材料的致密性不足，導(dǎo)致復(fù)合材料的性能降低。
鑒于本發(fā)明方案實施例眾多，各實施例實驗數(shù)據(jù)龐大眾多，不適合于此處逐一列舉說明，但是各實施例所需要驗證的內(nèi)容和得到的最終結(jié)論均接近。故而此處不對各個實施例的驗證內(nèi)容進(jìn)行逐一說明，僅以實施例1-10作為代表說明本發(fā)明申請優(yōu)異之處。
本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對所描述的具體實施例做各種修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。
盡管對本發(fā)明已作出了詳細(xì)的說明并引證了一些具體實施例，但是對本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員來說，只要不離開本發(fā)明的精神和范圍可作各種變化或修正是顯然的。