一種制備碳納米管粉末增強(qiáng)錫鉛合金的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種錫鉛合金材料領(lǐng)域，特別是涉及一種制備碳納米管粉末增強(qiáng)錫鉛合金的方法。通過配制下列金屬鈣Ca、鎂Mg、銅Cu、鋁Al、鎳Ni和鈷與水H2O的硝酸鹽溶液，其成分配比均為1：1：1：1：1：1：11。將上述硝酸鹽溶液、硝酸和氫氧化鈉水溶液混合，按質(zhì)量1：1：1比例混合均勻，將沉淀物進(jìn)行過濾獲得，然后置于真空干燥箱中于550℃，煅燒18小時(shí)，然后在球磨機(jī)中球磨為20μm的超細(xì)粉末為反應(yīng)催化劑，將上述方法制備的粉末置于鋼反應(yīng)器中，向鋼反應(yīng)器中吹入體積比為9:1的丙烯和氮?dú)獾幕旌蠚怏w，體的壓力為0.05?0.3Mpa，氣體流量為0.4 m3/Min，反應(yīng)溫度為660℃，反應(yīng)時(shí)間為60 Min，制得碳納米管干粉。碳納米管粉末增強(qiáng)錫鉛合金材料的耐磨性、強(qiáng)度和性顯著提高，同時(shí)組織穩(wěn)定性好，導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能得到有效提高。
【專利說明】
一種制備碳納米管粉末増強(qiáng)錫鉛合金的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種錫鉛合金材料領(lǐng)域，特別是涉及一種制備碳納米管粉末增強(qiáng)錫鉛合金的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]錫鉛合金的一個(gè)重要用途是用做錫鉛焊料，以錫鉛合金為主，有的錫焊料還含少量的銻。含鉛38.1%的錫合金俗稱焊錫，熔點(diǎn)約183°C，用于電器儀表工業(yè)中元件的焊接，以及汽車散熱器、熱交換器、食品和飲料容器的密封等。錫鉛合金在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是作為錫鉛焊料，通過錫鉛焊料對各種元件進(jìn)行連接成型，但是連接結(jié)合部存在力學(xué)性能差的問題。近年來隨著開發(fā)高端機(jī)電產(chǎn)品的要求，對錫焊合金的力學(xué)性能的要求需要進(jìn)一步提高，粉末增強(qiáng)錫鉛合金材料能夠同時(shí)發(fā)揮錫焊合金基體與增強(qiáng)相的優(yōu)勢，顯著提高錫鉛合金的強(qiáng)度、彈性模量、硬度及耐磨性。同時(shí)粉末增強(qiáng)錫鉛合金材料因其成本低廉，強(qiáng)度、剛度高，在先進(jìn)制造等現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
[0003]基于上述目的，采用在錫焊合金中添加無毒、無污染的碳納米管粉末來增強(qiáng)錫焊合金材料的強(qiáng)度，獲得良好的韌性和硬度，同時(shí)，導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能得到有效提高。本發(fā)明基體材料錫鉛合金的化學(xué)成分為:鉛Pb:37-42，剩余成份為錫Sn。目前我國現(xiàn)有的錫鉛合金在專利94120102.3中，為了提高連接強(qiáng)度該錫鉛合金的成份中含有0.1_5%的銀和0.1_5%的鋪兀素。在專利00115593.8中，也是含有鋪、銀、秘、混合稀土等貴金屬，雖然能提尚錫鉛合金材料的韌性、硬度和耐磨性，但是增加了錫鉛合金的熔煉成本，同時(shí)，要達(dá)到更高的強(qiáng)度和耐磨性，需要進(jìn)一步進(jìn)行深入研究。本發(fā)明提出了一種加工工藝穩(wěn)定、生產(chǎn)成本低廉、無污染排放、可在常規(guī)熔煉條件下組織生產(chǎn)的碳納米管粉末增強(qiáng)錫鉛合金材料的制備方法，較傳統(tǒng)的錫鉛合金材料的強(qiáng)度、韌性、硬度和耐磨性大幅提升。因此，在本發(fā)明中通過添加碳納米管粉末達(dá)到增強(qiáng)錫鉛合金材料力學(xué)性能的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是:在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種加工工藝穩(wěn)定、生產(chǎn)成本低廉、無污染排放、可在常規(guī)熔煉條件下組織生產(chǎn)的碳納米管粉末增強(qiáng)錫鉛合金材料的制備方法，較傳統(tǒng)的錫鉛合金材料的強(qiáng)度、韌性、硬度和耐磨性大幅提升。
[0005]本發(fā)明專利的技術(shù)方案是:本發(fā)明是一種碳納米管粉末增強(qiáng)錫鉛合金材料的制備方法，配制下列金屬鈣Ca、鎂Mg、銅Cu、鋁Al、鎳Ni和鈷與水H20的硝酸鹽溶液，其成分配比均為1: 1: 1: 1: 1: 1:11。將上述硝酸鹽溶液、硝酸和氫氧化鈉水溶液混合，按質(zhì)量I: 1:1比例混合均勻，將沉淀物進(jìn)行過濾獲得，然后置于真空干燥箱中于550°C，煅燒18小時(shí)，然后在球磨機(jī)中球磨為20μπι的超細(xì)粉末為反應(yīng)催化劑，將上述方法制備的粉末置于鋼反應(yīng)器中，向鋼反應(yīng)器中吹入體積比為9:1的丙烯和氮?dú)獾幕旌蠚怏w，體的壓力為0.05-0.3Mpa，氣體流量為0.4 m3/Min，反應(yīng)溫度為660°C，反應(yīng)時(shí)間為60 Min，制得碳納米管干粉，將干粉經(jīng)過球磨24小時(shí)獲得超細(xì)碳納米管干粉，通過氬氣將超細(xì)碳納米管干粉吹入錫鉛合金熔體中，生成增強(qiáng)粉末，再經(jīng)過機(jī)械化混合攪拌、變質(zhì)處理、精煉、澆注，即獲得碳納米管粉末增強(qiáng)錫鉛合金材料。
[0006]上述制備方法中金屬鈣Ca、鎂Mg、銅Cu、鋁Al、鎳Ni和鈷與水H20的硝酸鹽溶液，其成分配比均為I:l:l:l:l:l:llo
[0007]上述制備方法中硝酸鹽溶液、硝酸和氫氧化鈉水溶液按照質(zhì)量I: 1:1比例混合均勻，將沉淀物進(jìn)行過濾獲得，然后置于真空干燥箱中于550°C，煅燒18小時(shí)，然后在球磨機(jī)中球磨為20μπι的超細(xì)粉末為反應(yīng)催化劑。
[0008]上述制備方法中的氣體為9:1丙烯和氮?dú)獾幕旌衔?，氣體的壓力為0.05-0.3Mpa，氣體流量0.4m3/Min。氮?dú)鉃橄♂寗糜谡{(diào)節(jié)反應(yīng)速度及粉末生長速度。
[0009]上述制備方法中的錫鉛合金熔體的溫度必須控制在280°C以下，防止碳納米管在金屬熔體中分解。
[0010]碳納米管粉末增強(qiáng)錫鉛合金材料的制備方法，錫鉛合金熔體的溫度180-260°C。反應(yīng)生成增強(qiáng)粉末的時(shí)間為10-60分鐘，粉末含量要求越高反應(yīng)生成增強(qiáng)粉末的時(shí)間越長。[0011 ] (I)反應(yīng)增強(qiáng)相為熔體狀態(tài)下合成的碳納米管片狀粉末，在熔體狀態(tài)下與錫鉛合金恪體充分反應(yīng)與結(jié)合。
[0012]增強(qiáng)粉末的尺寸為0.1-1μπι。通過對反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、混合氣體的組成等進(jìn)行相關(guān)調(diào)節(jié)，可以控制反應(yīng)生成增強(qiáng)粉末的組成、粉末尺寸、數(shù)量及分布，從而滿足不同部位的使用要求。
[0013]本發(fā)明的基體使用合金的化學(xué)成分為:鉛Pb:37_42，剩余成份為錫Sn?？梢酝ㄟ^上述成分要求進(jìn)行熔煉。在錫鉛合金基體材料在電阻加熱坩禍爐內(nèi)熔煉，最終可獲得強(qiáng)度、韌性和硬度大幅提升的錫鉛合金材料。
[0014]該碳納米管粉末增強(qiáng)錫鉛合金材料無需專用設(shè)備(無需采用真空熔煉爐、高溫高壓等設(shè)備)，在常規(guī)錫鉛合金廠即可組織生產(chǎn)，將熔煉后的錫金屬熔體直接澆入預(yù)先制備好的鑄型內(nèi)，冷卻后制成假牙，本發(fā)明投資少，見效快，能快速收回投資成本。
[0015]與現(xiàn)有錫鉛合金技術(shù)相比，碳納米管粉末增強(qiáng)錫鉛合金材料的制備方法具有如下優(yōu)點(diǎn):
(I)耐磨性、強(qiáng)度和性顯著提高，間隔2小時(shí)澆注試樣的力學(xué)性能差小于6%，這將有利于大批量、小尺寸材料的穩(wěn)定生產(chǎn)。增強(qiáng)粉末尺寸細(xì)小，分布均勻，組織穩(wěn)定性高，表面無污染，與在錫鉛合金基體結(jié)合良好。材料的室溫力學(xué)性能和耐磨性能顯著提高，尤其適合于電器儀表工業(yè)中的元件等方面的應(yīng)用。
[0016](2)組織穩(wěn)定性好，導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能得到有效提高，同時(shí)，不會(huì)分解有毒氣體或溶解物，本發(fā)明因增強(qiáng)粉末是在是在錫鉛合金熔體中反應(yīng)生成，解決了外加粉末與錫金屬基體潤濕性差、易發(fā)生界面反應(yīng)以及組織穩(wěn)定性差等問題。因生成的粉末尺寸小，因比重差導(dǎo)致的上浮/下沉速度小，不易偏析，生產(chǎn)的工藝穩(wěn)定性高。
【附圖說明】
[0017]下面是結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的具體實(shí)施方案進(jìn)行詳細(xì)地說明。
[0018]圖1獲得碳納米管粉末增強(qiáng)錫鉛合金材料的試樣的光學(xué)微觀組織照片；
圖2獲得碳納米管粉末增強(qiáng)錫鉛合金材料的試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
[0019]從圖1所示的碳納米管粉末增強(qiáng)錫鉛合金光學(xué)照片可以看出碳納米管粉末均勻的分布在試樣中，在錫鉛合金的基體中包含著均勻的碳納米管粉末，能夠大大提高錫鉛合金的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能。從圖2所示的碳納米管粉末增強(qiáng)錫鉛合金試樣拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以看出，強(qiáng)度較傳統(tǒng)試樣提高41.1%。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面給出本發(fā)明的最佳實(shí)施例:根據(jù)化學(xué)成分范圍，在電阻加熱坩禍爐內(nèi)熔煉本發(fā)明錫鉛合金。本發(fā)明錫鉛合金基體材料的化學(xué)成分為:鉛Pb:37-42，剩余成份為錫Sn。待其融化并過熱到245°C，扒渣，變質(zhì)、精煉、澆注鑄型;將金屬熔體加熱到260°C，用氬氣將超細(xì)碳納米管干粉吹入錫鉛合金熔體中，氣體壓力0.1Mpa，氣體流量0.05 m3/Min，時(shí)間10分鐘，混合粉末加入量為錫金屬熔體重量的5%，再進(jìn)行變質(zhì)處理和精煉處理，澆注鑄型，再保溫，并分別于20分、80分澆注鑄型。然后進(jìn)行T6處理，并進(jìn)行性能測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明碳納米管粉末增強(qiáng)錫鉛合金材料抗拉強(qiáng)度為55.41Mpa，布氏硬度30，腐蝕性能:失重比例為
0.01699%，成本為3元/Kg。如保溫80分鐘后室溫抗拉強(qiáng)度52.15 Mpa，布氏硬度28，腐蝕性能:失重比例為0.01711%，成本為3元/Kg。由此可見同時(shí)本發(fā)明碳納米管粉末增強(qiáng)錫鉛合金材料的價(jià)格雖然略高于傳統(tǒng)錫鉛合金，但是本發(fā)明材料的抗拉強(qiáng)度，耐磨性、尤其硬度和組織穩(wěn)定性都顯著提高，而且生產(chǎn)工藝穩(wěn)定性好，便于大批量生產(chǎn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種制備碳納米管粉末增強(qiáng)錫鉛合金的方法，其特征是通過氬氣將超細(xì)碳納米管干粉吹入錫鉛合金熔體中，生成增強(qiáng)顆粒，再經(jīng)過機(jī)械化混合攪拌、變質(zhì)處理、精煉、澆注，即獲得碳納米管粉末增強(qiáng)錫鉛合金材料。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備碳納米管粉末增強(qiáng)錫鉛合金的方法，其特征是基體材料錫鉛合金的化學(xué)成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:鉛Pb: 37-42，剩余成份為錫Sn。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備碳納米管粉末增強(qiáng)錫鉛合金的方法，其特征是碳納米管干粉是通過配制下列金屬鈣Ca、鎂Mg、銅Cu、鋁Al、鎳Ni和鈷與水H2O的硝酸鹽溶液，其成分配比均為1:1 = 1:1:1:1:11，將上述硝酸鹽溶液、硝酸和氫氧化鈉水溶液混合，按質(zhì)量I:1:1比例混合均勻，將沉淀物進(jìn)行過濾獲得，然后置于真空干燥箱中于550°C，煅燒18小時(shí)，然后在球磨機(jī)中球磨為20μπι的超細(xì)粉末為反應(yīng)催化劑，將上述方法制備的粉末置于鋼反應(yīng)器中，向鋼反應(yīng)器中吹入體積比為9:1的丙烯和氮?dú)獾幕旌蠚怏w，體的壓力為0.05-0.3Mpa，氣體流量為0.4 m3/Min，反應(yīng)溫度為660°C，反應(yīng)時(shí)間為60 Min，制得碳納米管干粉。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備碳納米管粉末增強(qiáng)錫鉛合金的方法，其特征是錫鉛合金熔體的溫度必須控制在280°C以下，防止碳納米管在金屬熔體中分解。
【文檔編號(hào)】C22C13/00GK106011515SQ201610439129
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月20日
【發(fā)明人】徐淑波, 陳徐磊, 李振東
【申請人】山東建筑大學(xué)