一種磁場下原位生成的混合顆粒增強耐磨鋁基復合材料及其制備方法技術

本申請涉及一種原位生成混合多元增強顆粒耐磨鋁基復合材料及其磁場下制備方法，該鋁基復合材料以7系鋁合金為基體材料，向高溫基體溶液中加入K2TiF6粉末添加劑，并通入適量含氨惰性氣體，在低頻旋轉磁場中原位生成多元混合增強顆粒從而制得耐磨鋁基復合材料。本發(fā)明專利技術的鋁基復合材料是通過氣—液合成技術和磁化學復合技術制備而成的。該復合材料相比原合金不僅在硬度和韌性方面有很大的提高，更使得7系鋁合金較好的耐磨性能得到進一步增強。此耐磨復合材料可廣泛應用于民用生活與工業(yè)生產(chǎn)中，減少材料磨損，延長設備使用壽命，提高了工作效率和經(jīng)濟收益，是一種應用前景廣闊的耐磨材料。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術涉及一種鋁基復合材料及其制備工藝，特別涉及一種多元混合顆粒原位增強耐磨鋁基復合材料及其磁場下制備方法。
技術介紹
7系鋁合金中Zn的含量高達5. 1-6. 1%，使得其具有較高的強度和耐磨損性能，合金中其他元素如鎂、硅、銅、鈦等含量也較合理，使得7系鋁合金的抗拉強度與屈服強度都較高，同時這些元素和高溫條件下通入的氨氣也可能相互反應生成一些其他的能提高復合材料性能的增強顆粒。7系鋁合金機械性能與物化性能都較好，在航空航天、機械設備、磨具加工、工裝夾具等方面應用較廣泛。在這些工作場合中摩擦磨損會消耗機器運轉的能量，損壞設備，縮短機器與零件的使用壽命，因而提高材料的耐磨損性能有著重要的意義。在目前以增強材料的耐磨性為主要目的材料制備中，較少有用到原位復合技術尤其是其中的氣一液合成技術。原位復合所得材料中增強相與基體有良好的相容性，生成增強顆粒的速度較快，接觸表面潔凈無污染，所生成的增強顆粒尺寸細小且分布均勻，材料性能較好。由于原位復合材料的各種優(yōu)異性能，原位復合技術得到了迅速的發(fā)展，廣泛運用于材料制備中。原位復合技術在改善材料性能，增強材料耐磨性等方面也有著廣闊的前景。近年來人們發(fā)現(xiàn)各種外場在材料的制備中會影響增強顆粒的形成與分布，如旋轉磁場具有細化晶粒、改變晶體生長形態(tài)和影響顆粒分布等作用。在適當?shù)牡皖l旋轉磁場中，顆粒將隨熔體做旋轉運動和在離心力與電磁擠壓應力的作用下做徑向的遷移運動，因此適當?shù)男D磁場下顆粒將分布的更均勻。同時顆粒在遷移的過程中受到摩擦力作用，顆粒的邊緣將逐漸鈍化，顆粒的形態(tài)更圓潤。因而適當旋轉磁場下制備的復合材料的性能將會有極大的改善。研究表明，旋轉磁場作用下，金屬熔液還將進行對流運動，在本實驗中，可以驅除未參加反應的惰性氣體，防止生成的復合材料中含有氣泡空洞。
技術實現(xiàn)思路
本專利技術的目的在于提供一種原位混合顆粒增強耐磨鋁基復合材料的制備方法，在7系鋁合金高溫熔液中加入K2TiF6粉末添加劑并通入含氨氣體后通過氣一液合成生成增強顆粒，然后在反應體系外加上低頻旋轉磁場，從而得到性能較好的混合顆粒增強鋁基復合材料。這種制備方法能明顯的提高鋁基復合材料的強度、韌性以及耐磨性能，而且工藝連續(xù)性好，反應所得金屬熔液可直接澆注成型。本專利技術一種磁場下原位生成的混合顆粒增強耐磨鋁基復合材料，是通過下述步驟制得(1)將K2TiF6粉劑預制為粉末添加劑備用；(2)將7系招合金加入樹禍，在聞溫下溶融；(3)將粉末添加劑置于高溫鋁合金熔液中，并向熔液中通入含有氨氣的惰性氣體，進行原位反應；(4)在坩堝外圍加上低頻旋轉磁場，對反應體系進行處理；(5)將處理后的金屬熔液精煉、扒渣、靜置，然后澆鑄到模具中，得到耐磨鋁基復合材料。上述步驟(I)中反應*K2TiF6粉劑在350°C下烘烤3h，充分去除結晶水，然后冷卻、研磨和篩選得到粒度< 300 μ m的粉末添加劑。上述方法中原位反應溫度為900— 12000C。步驟(3)中按金屬熔體質量的5-25%加入K2TiF6粉末添加劑，并通過石英導管向金屬溶液中通入含有氨氣的惰性氣體，進行原位反應，通入氣體時間為20-50分鐘。上述方法中所述的含有氨氣的惰性氣體中氨氣體積分數(shù)為20-50%，其流量為50-150ml/min (標準狀況下)。上述方法中所述的低頻旋轉磁場的磁場頻率為3 Hz，勵磁電流為200 A，磁場作用時間為3-7min。上述方法中所述的靜置溫度為650-750°C，靜置的時間為5_15min。本專利技術利用K2TiF6粉末添加劑、鋁液和7系鋁合金中各種其它合金元素在高溫中與氨氣相互反應生成A13T1、AlN、Mg3N2等多種增強顆粒來制備鋁基復合材料，并在制備過程中加上低頻旋轉磁場來改善顆粒的形態(tài)與分布。原位制備的復合材料中的增強顆粒外表面干凈無污染，形態(tài)圓潤，顆粒尺寸細小，在基體中分布均勻，顆粒與基體的界面結合優(yōu)良。低頻旋轉磁場下通過氣一液合成技術制備的多元混合顆粒增強鋁基復合材料中A13Ti和AlN和其它一些增強顆粒都一定程度上增強了 7系鋁合金材料的耐磨性能，也提高了材料的強度和韌性。且各種增強體顆粒不同性質相互補充，能進一步提高所制備材料的性能。該鋁基復合材料可大規(guī)模替代許多合金用于軍事、生產(chǎn)和生活中，如柴油發(fā)動機的活塞，汽車驅動軸和剎車盤，各種傳動齒輪和結構連接件等，能夠明顯提高機械設備利用率和安全性，延長零件使用壽命，提高資源利用率。綜上所述，本專利技術制備的鋁基復合材料界面干凈，顆粒形態(tài)圓潤尺寸較小，分布均勻，能明顯提高原鋁合金的強度、模量和耐磨性。且此專利技術操作步驟簡單，能夠一次成型，用材也較簡單，價格低廉，適合工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)。附圖說明圖1是低頻旋轉磁場下氣液合成多元混合顆粒增強耐磨鋁基復合材料實驗裝置圖。1.電阻爐，2.石墨坩堝，3.旋轉磁場發(fā)生器，4熔體，5.石英入氣導管。具體實施例方式實施例1以7075A1合金為基體制備900g混合顆粒增強耐磨鋁基復合材料，該復合材料中添加的Ti和N元素的質量分數(shù)都為5%。本專利技術制備過程如下Ξ將K2TiF6粉劑在350 °C下烘烤3h，去除結晶水后冷卻、研磨和篩選制得粒度^ 300 μ m的粉末添加劑備用。t稱量900g7075Al合金置于石墨坩堝2中后將電阻爐I中升溫至1000°c使其熔化。f再稱量45g制備好的K2TiF6粉末添加劑加入到合金熔體4中，同時通過石英導管5向熔液中通入氬氣與氨氣混合惰性氣體，其中氨氣體積分數(shù)為20%，其流量為5L/min，持續(xù)同期時間為32min。 停止通氣后在體系外開通旋轉磁場發(fā)生器3產(chǎn)生頻率為3 Ηζ，勵磁電流為200 A的低頻旋轉磁場，磁場作用時間為3min。1:然后精煉，扒去浮渣，溫度降至650°C，靜置5min，將熔液澆鑄到模具中。將制備好的鋁基復合材料在行星式球磨機上進行磨損試驗，試驗結果表明本專利技術制備的鋁基復合材料比7075A1合金耐磨性能提高了 16. 7%。實施例2以7A10A1合金為基體制備900g混合顆粒增強耐磨鋁基復合材料，該復合材料中Ti和N元素的質量分數(shù)都為25%。本專利技術制備過程如下 Γ將K2TiF6粉劑在350 °C下烘烤3h，去除結晶水后冷卻、研磨和篩選制得粒度^ 300 μ m的粉末添加劑。f稱量860g7075Al合金置于石墨坩堝2中后將電阻爐I中升溫至1000°C使其熔化。言.再稱量215g制備好的K2TiF6粉末添加劑加入到合金熔體4中，同時通過石英導管5向熔液中通入氨氣體積分數(shù)為50%的含氨惰性氣體，其流量為5L/min，持續(xù)時間為44.8min。T停止通氣后在體系外開通旋轉磁場發(fā)生器3產(chǎn)生頻率為3 Hz，勵磁電流為200 A的低頻旋轉磁場，磁場作用時間為7min。I然后精煉，扒去浮渣，溫度降至700°C，靜置15min，將熔液澆鑄到模具中。將制備好的鋁基復合材料在行星式球磨機上進行磨損試驗，試驗結果表明本專利技術制備的鋁基復合材料比7A10A1合金耐磨性提高了 19. 4%。權利要求1.一種磁場下原位生成的混合顆粒增強耐磨鋁基復合材料制備方法，其特征在于包括以下步驟(1)將K2TiF6粉劑預制為粉末添加劑備用；(2)將7系招合金加入樹禍，在聞溫下溶融；(3)將粉末添加劑置于高溫鋁合金熔液中，并向熔液中通入含有氨氣的惰本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種磁場下原位生成的混合顆粒增強耐磨鋁基復合材料制備方法，其特征在于包括以下步驟：（1）將K2TiF6粉劑預制為粉末添加劑備用；（2）將7系鋁合金加入坩堝，在高溫下熔融；（3）將粉末添加劑置于高溫鋁合金熔液中，并向熔液中通入含有氨氣的惰性氣體，進行原位反應；（4）在坩堝外圍加上低頻旋轉磁場，對反應體系進行處理；（5）將處理后的金屬熔液精煉、扒渣、靜置，然后澆鑄到模具中，得到耐磨鋁基復合材料。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：趙玉濤，焦雷，李惠，陳龍，
申請(專利權)人：江蘇大學，
類型：發(fā)明
國別省市：