專利名稱：一種顆粒增強(qiáng)鋁基耐磨管材及其制備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鑄造鋁合金和復(fù)合材料領(lǐng)域，涉及到用離心鑄造方式成型的顆粒非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料管材及其制備。非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料與其基體金屬相比具有強(qiáng)度高、剛度高、耐熱、耐磨、抗蠕變性等優(yōu)異力學(xué)性能，而且其價(jià)格較低，易加工和回收再利用，因此在航空航天及民用工業(yè)中有著廣闊的應(yīng)用前景。
目前，采用離心鑄造方式制備管材已用于批量生產(chǎn)，但無論是以有色金屬還是以黑色金屬為原料，所得管材組織都相對均勻，使管材耐磨性在徑向上不存在制度分布，為此，要得到耐磨性好的管材，必須提高原材料的整體耐磨性，而這種方法有時(shí)會大幅度增加管材的重量。為克服這一缺點(diǎn)，現(xiàn)在已有工藝選取顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料為離心鑄管的原材料。在用于鋁合金基體的顆粒增強(qiáng)相中，絕大多數(shù)增強(qiáng)相的密度大于基體合金，因此，在離心鑄造過程中，增強(qiáng)相顆粒偏聚于管材外壁，從而使管材耐磨性在徑向上有從里向外，由低到高的梯度分布。于是，離心鑄造顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料比一般的復(fù)合材料鑄造工藝節(jié)約了價(jià)格較高的增強(qiáng)相，與具有相同耐磨性的常規(guī)材料相比又減輕了管材的重量。但是，在大多數(shù)管材的應(yīng)用中，希望管材有較好的內(nèi)壁耐磨性，以保證輸送過程的安全性。這樣，一般顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料在離心鑄造中就難以達(dá)到這一要求。為在復(fù)合材料的離心鑄造中得到內(nèi)壁耐磨的管材，必須選取密度明顯小于鋁合金基體的顆粒增強(qiáng)相。同時(shí)為在管材的外壁也得到增強(qiáng)相，這種密度明顯小于鋁合金基體的顆粒增強(qiáng)相必須原位生成。
目前制取非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的工藝方法主要有以下幾種1．粉末金法將基體金屬粉末和增強(qiáng)體(顆粒或晶須)經(jīng)過混合后，采用熱壓、熱擠壓或熱等靜壓等方法成型，其工藝較復(fù)雜，成型性差，成本相對較高。
2．XD法是把兩種能夠反應(yīng)的元素通過混合、壓實(shí)、燒結(jié)等過程加入到基體金屬中，陶瓷增強(qiáng)相在燒結(jié)過程中形成，該工藝較為復(fù)雜，成本高。
3．?dāng)D壓鑄造法首先把增強(qiáng)體做成一定形狀的預(yù)制件，利用壓力把液態(tài)金屬浸滲到預(yù)制件中并凝固成型制取復(fù)合材料，該工藝要求顆粒與液態(tài)金屬具有良好的潤濕性，否則很難得到均勻無孔隙的復(fù)合材料。
4．通氣原位自生法在含有與C或N能夠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成穩(wěn)定陶瓷相的基體合金熔體中通入能夠分解出碳的氣體或N2氣，使兩者反慶生成硬質(zhì)增強(qiáng)體。該工藝雖然使用了原位反應(yīng)的概念，但由于通入氣體分解后產(chǎn)生較多的有害氣體(尤其是H2)，使復(fù)合材料的性能得不到保證，而且要求反應(yīng)溫度較高，為得到足夠多的顆粒增強(qiáng)相耗時(shí)較多，因此生產(chǎn)成本較高。
總之，以上方法均不滿足上述為在離心鑄管內(nèi)外壁同時(shí)分布耐磨顆粒的條件。
本發(fā)明的目的在于提供一種顆粒增強(qiáng)鋁基耐磨管材及其制備技術(shù)，其內(nèi)外壁均具有很高的耐磨性，價(jià)格低廉，工藝上易于實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明提供了一種顆粒增強(qiáng)鋁基耐磨管材，其特征在于在鋁基體中含有10～60％wt的自生Mg2Si顆粒增強(qiáng)相，且Mg2Si主要分布于管內(nèi)壁和外壁區(qū)域。Mg2Si含量最好為25～35％wt。
本發(fā)明還提供了上述顆粒增強(qiáng)鋁基耐磨管材的制備，其特征在于將含有內(nèi)生Mg2Si相顆粒的鋁基復(fù)合材料進(jìn)行離心鑄造澆注溫度1023～1150K模具狀態(tài)水冷或空冷模具轉(zhuǎn)速1000～2500轉(zhuǎn)/分其中內(nèi)生Mg2Si相顆粒的鋁基復(fù)合材料由申請專利97119072.0所提供的方式依下述步驟制備--將基體合金Al加熱熔化，過熱度要求150～400K；--將Si加入熔體中，至全部熔化；--將Mg加入熔體中，至全部熔化；--加入韌化劑，韌化劑為Sr、Si、SiO2、Ti、Ni中的一種或幾種，加入量為熔體重的3～10％；--保溫3～15min以后，加入細(xì)化劑；--保溫20～45min以后，加入除氣劑攪拌。
所述細(xì)化劑為鈉鹽NaCl、Na2SO4、NaF、Na2CO3、Na2SO3，鉀鹽KCl、K2SO4、KF、K2CO3，金屬Ti、Ni，赤磷、磷化物之一種或幾種，加入量為熔體重的3～8％。
本發(fā)明的關(guān)鍵是找到了一種密度明顯小于鋁合金基體的原位內(nèi)生顆粒增強(qiáng)相，該方法是把能夠反應(yīng)生成這種增強(qiáng)相的元素，在熔融基體中直接反應(yīng)生成增強(qiáng)體Mg2Si顆粒，由于Mg2Si密度僅為1.88g/cm3，小于基體鋁的密度，因此，這種增強(qiáng)顆粒能夠在離心鑄造過程中集中分布于管材的內(nèi)壁。同時(shí)，該材料的原位內(nèi)生特性使離心鑄造的復(fù)合材料管材外壁也存在一定數(shù)量的增強(qiáng)相顆粒。
本發(fā)明適用的基體金屬是鋁合金，所形成的增強(qiáng)體是含量大于10wt％的Mg2Si。由于其較高的耐磨性及比強(qiáng)發(fā)和高溫強(qiáng)度，可成為新型的輕質(zhì)耐磨管材。
本發(fā)明的制備工藝部分主要是制備原位內(nèi)生Mg2Si顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，并利用離心鑄造制備輕質(zhì)耐磨復(fù)合材料管材。在熔煉完畢的復(fù)合材料的澆鑄中，利用不同導(dǎo)熱能力的模具配合水冷裝置控制凝固速率，從而控制內(nèi)生Mg2Si顆粒的尺寸及外壁Mg2Si顆粒的厚度，一般不超過8mm利用模具的不同轉(zhuǎn)速及Mg2Si的含量，控制Mg2Si顆粒在內(nèi)壁的分布，在Mg2Si含量很高的情況下，Mg2Si幾乎在整個(gè)管壁內(nèi)呈梯度分布。
本發(fā)明與目前已有技術(shù)相比有如下顯著的優(yōu)點(diǎn)1．由于Mg2Si密度僅為188g/cm3，因此材料比強(qiáng)度較高。含30％體積分?jǐn)?shù)Mg2Si的鋁基復(fù)合材料比現(xiàn)有管材合金重量大幅度降低。在目前應(yīng)用于鋁基復(fù)合材料的顆粒增強(qiáng)相中，只有Mg2Si密度顯著小于鋁基體，因此通過離心鑄造使復(fù)合材料中的顆粒增強(qiáng)相分布在管材的內(nèi)壁，從而大幅度增強(qiáng)管材內(nèi)壁的耐磨性，成為本發(fā)明的特色。
2．自生增強(qiáng)相與基體結(jié)合良好，避免了界面反應(yīng)等問題。
3．可采用現(xiàn)有離心鑄造工藝與設(shè)備。本發(fā)明中提到的其它制備復(fù)合材料技術(shù)都要在目前合金熔煉基礎(chǔ)上做較大的改動，而本發(fā)明的制備方法可利用現(xiàn)有的設(shè)備和手段，極易推廣，為金屬基復(fù)合材料管材大規(guī)模生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。
4．所用原料成本低廉，有利于在民用工業(yè)中推廣應(yīng)用。本發(fā)明選擇的Al、Mg、Si，均為價(jià)格低廉的材料，而且這些原材料早以大規(guī)模商品化，從而使復(fù)合材料價(jià)格大幅度下降，為金屬基復(fù)合材料步入民品應(yīng)用市場奠定了基礎(chǔ)。
5．本發(fā)明所制備的復(fù)合材料容易回收利用。由于本發(fā)明生成的Mg2Si顆粒在重熔過程中全部熔于基體中，因此在反復(fù)熔煉過程中，顆粒不偏析，不長大。再利用時(shí)，僅根據(jù)工件的性能要求，調(diào)整其增強(qiáng)體的含量。
6．在本發(fā)明得到的復(fù)合材料基礎(chǔ)上，還可以進(jìn)一步制備高性能的多員復(fù)合材料，如Al/Mg2Si/SiCp等，在離心鑄造中，使多元增強(qiáng)相顆粒分別分布于復(fù)合材料管材的內(nèi)外壁。
下面詳述本發(fā)明實(shí)施例1制取25wt％Mg2Si復(fù)合材料管材。按Al∶Mg2Si重量比為85∶15稱取工業(yè)純Al，Mg,Si，將工業(yè)純Al加入坩堝中熔化，在1023～1123K依次加入Si,Mg，待全部熔化后，在1023K加入占總重量5％的細(xì)化劑，細(xì)化劑配比為10∶6∶1∶1的NaCl,NaF,Ti粉和KCl。保溫30分鐘，而后加入除氣劑(六氯乙烷)攪拌，除去灰渣，澆鑄到離心鑄造水冷銅模具中(轉(zhuǎn)速1600轉(zhuǎn)/分)，得到φ80mm(內(nèi)徑)，壁厚15mm的復(fù)合材料管材。管內(nèi)壁(～2mm)室溫鑄態(tài)強(qiáng)度為192MPa，延伸率為17.3％，顆粒體積分?jǐn)?shù)約40％；管外壁(～5mm)室溫鑄態(tài)強(qiáng)度為141MPa，延伸率為5.1％，顆粒體積分?jǐn)?shù)約20％；管中部(～8mm)室溫鑄態(tài)強(qiáng)度為236MPa，延伸率為23％，無增強(qiáng)相顆粒。
實(shí)施例2制取15wt％ Mg2Si復(fù)合材料管材。按Al∶Mg2Si重量比為75∶25稱取工業(yè)純Al,Mg,Si，將工業(yè)純Al加入坩堝中熔化，在1023～1123K依次加入Si,Mg，待全部熔化后，在1023K加入占總重量10％的細(xì)化劑，細(xì)化劑配比為12∶6∶2∶1的NaCl,NaF,Ti粉和KCl。保溫30分鐘，而后加入除氣劑(六氯乙烷)攪拌，除去灰渣，澆鑄到離心鑄造水冷銅模具中(轉(zhuǎn)速1600轉(zhuǎn)/分)，得到φ80mm(內(nèi)徑)，壁厚15mm的復(fù)合材料管材。管內(nèi)壁(～2mm)室溫鑄態(tài)強(qiáng)度為132MPa，延伸率為1.3％，顆粒體積分?jǐn)?shù)約60％；管外壁(～5mm)室溫鑄態(tài)強(qiáng)度為95MPa，延伸率為3.1％，顆粒體積分?jǐn)?shù)約30％；管中部(～8mm)室溫鑄態(tài)強(qiáng)度為214MPa，延伸率為19％，無增強(qiáng)相顆粒。
權(quán)利要求
1．一種顆粒增強(qiáng)鋁基耐磨管材，其特征在于在鋁基體中含有10～60％wt的自生Mg2Si顆粒增強(qiáng)相，且Mg2Si主要分布于管內(nèi)壁和外壁區(qū)域。
2．按照權(quán)利要求1所述顆粒增強(qiáng)鋁基耐磨管材，其特征在于Mg2Si含量為25～35％wt。
3．一種權(quán)利要求1所述顆粒增強(qiáng)鋁基耐磨管材的制備，其特征在于將含有內(nèi)生Mg2Si相顆粒的鋁基復(fù)合材料進(jìn)行離心鑄造澆注溫度1023～1150K模具狀態(tài)水冷或空冷模具轉(zhuǎn)速1000～2500轉(zhuǎn)/分。
4．按照權(quán)利要求3所述顆粒增強(qiáng)鋁基耐磨管材的制備，其特征在于所述內(nèi)生Mg2Si相顆粒的鋁基復(fù)合材料依下述步驟制備--將基體合金Al加熱熔化，過熱度要求150～400K；--將Si加入熔體中，至全部熔化；--將Mg加入熔體中，至全部熔化；--加入韌化劑，韌化劑為Sr、Si、SiO2、Ti、Ni中的一種或幾種，加入量為熔體重的3～10％；--保溫3～15min以后，加入細(xì)化劑；--保溫20～45min以后，加入除氣劑攪拌。
5．按照權(quán)利要求4所述顆粒增強(qiáng)鋁基梯度復(fù)合材料的制備，其特征在于所述細(xì)化劑為鈉鹽NaCl、Na2SO4、NaF、Na2CO3、Na2SO3，鉀鹽KCl、K2SO4、KF、K2CO3，金屬Ti、Ni、赤磷、磷化物之一種或幾種，加入量為熔體重的3～8％。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種顆粒增強(qiáng)鋁基耐磨管材及其制備,特征在于:在鋁基體中含有10－60%wt的自生Mg
文檔編號B22D19/08GK1216350SQ97120229
公開日1999年5月12日 申請日期1997年11月3日 優(yōu)先權(quán)日1997年11月3日
發(fā)明者張健, 王玉慶, 周本濂 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所