专利名称：陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种陶瓷颗粒增强的铝合金基体复合材料的制备方法。
陶瓷增强铝基复合材料由铝合金基体和陶瓷颗粒(氧化物、碳化物、氮化物)组成。其中陶瓷颗粒是人为地按一定的含量加入，在铝合金基体中均匀分布。颗粒增强铝基复合材料具有耐磨损性能好、比强度比刚度高、高温性能及尺寸稳定性好等特性，是深具潜力的结构和功能材料。目前，在制备颗粒增强铝基复合材料的工艺有很多种，如粉末冶金法、预制件浸渗法、搅拌法和喷射沉积法等，以搅拌法最简单、经济，是在机械搅拌铝合金熔体的同时，将颗粒加入并分散在铝合金熔体中。该方法中，由于颗粒表面存在氧化物、吸附气体、水分等污染物，铝合金熔体表面存在氧化膜，阻止了颗粒与熔体的真正接触，制备温度下颗粒与熔体间润湿性差，使得颗粒很难加入和分散。为改善二者的润湿性，一般采用的方法有颗粒表面涂覆Ni、Cu等金属；在熔体中加入Li、Mg等表面活性元素；对颗粒表而进行有机溶剂清洗、高温烘烤、真空等离子轰击等处理，以净化其表面。例如中国专利申请CN1030445A公开了一种“金属基质复合材料”，是加入金属Mg助浸，并通入N2气体以形成AlN改善陶瓷颗粒的浸润性。同时在现有技术中，搅拌法制备该颗粒增强铝基复合材料需要使用特殊的装置，在真空或惰性气体保护下才能完成，例如美国专利US4786467公开了一种“非金属粒子增强金属基复合材料的制备方法”是在真空下以剪切方式进行搅拌，使颗粒与金属液相互剪切作用，以增进润湿，该方法需要较好的高温动密封，在操作中不易实现。
本发明的目的旨在根据现有技术中存在的问题对其进行改进，得到一种陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备方法，在大气环境下完成，不需采用专用设备和真空保护，制造工艺简单。
为实现上述目的，本发明提出的技术解决方案为一种陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备方法，是将陶瓷颗粒置于铝液中进行搅拌，将陶瓷颗粒用氟酸盐助浸剂处理后，放在铝液底部，保温一段时间后进行平稳搅拌一定时间后，将铝液浇入铸型。
将用氟酸盐助浸剂处理过的陶瓷颗粒放在加热至铝合金熔炼温度的坩埚底部，从上面浇入熔化并精炼除气的铝液，或者放置所需重量的铝块并保温一段时间。
所述的助浸剂氟酸盐为K2ZrF6、K2TiF6、Na3AlF6、NaF、CaF2。
用氟酸盐助浸剂处理陶瓷颗粒的方法为用所需浓度的氟酸盐如K2ZrF6、K2TiF6水溶液浸泡后烘干，或者将陶瓷颗粒与氟酸盐混合后烘干。
用K2ZrF6、K2TiF6水溶液浸泡陶瓷颗粒的方法为在80～95℃下，浓度5～15％的溶液中浸泡5～15分钟。
助浸剂氟酸盐粉末与陶瓷颗粒的比例为1∶5～1∶1。
下面结合实施例对本发明做进一步详细描述。
本发明使用氟酸盐作为助浸剂，氟酸盐是铝合金熔炼中常用的溶剂，能清除颗粒与铝熔体接触表面的Al2O3薄膜，促进铝液与陶瓷颗粒的润湿，起到助润作用。
下面以SiC颗粒为例介绍其预处理过程，使用的绿色SiC颗粒是由大块的SiC粉碎筛分得到的，其它的陶瓷颗粒与SiC颗粒类似。
本发明采用的助浸剂氟酸盐有K2ZrF6、K2TiF6、Na3AlF6、NaF、CaF2，其中K2ZrF6、K2TiF6的性状是微溶于冷水，溶于热水。为了在SiC颗粒表面覆盖一薄层K2ZrF6、K2TiF6晶体，K2ZrF6、K2TiF6水溶液必须达到一定的浓度，所以溶液必须在80～95℃配制，浓度范围为5～15％，向配制好并继续保温的溶液放入SiC颗粒，浸泡5～15分钟后滤出SiC烘干。烘干是为了防止水分与铝液发生如下反应，水分少时氢溶解进入铝液，凝固后析出形成针孔，对性能不利；水分多时会引起爆炸。为防止烘干过程中水分蒸发使K2ZrF6、K2TiF6被带到外层颗粒，造成K2ZrF6、K2TiF6分布不均匀，烘干时可采取先低温后高温，或者在烘干过程中不断翻动颗粒。另一种预处理方法是将颗粒按下列质量比陶瓷颗粒助浸剂(重量)＝5∶1～1∶1，助浸剂氟酸盐包括K2ZrF6、K2TiF6、Na3AlF6、NaF、CaF2，其中Na3AlF6微溶于水，CaF2不溶于水；NaF由于水溶液腐蚀性强，不便于操作，因此Na3AlF6、NaF、CaF2只能混合处理。将上述氟酸盐粉末与陶瓷颗粒混合后烘干即可，该方法操作更简便，容易控制用量。
制备复合材料的过程为在电阻炉中放置坩埚，升温至铝合金熔炼温度再放入陶瓷颗粒。如果将陶瓷颗粒与坩埚同时升温，达到铝熔化温度时由于高温时间过长，SiC颗粒易烧结结块，影响以后SiC的均匀分散。将处理过的热态SiC颗粒放入坩埚底部，平整松散颗粒后，向坩埚内浇入的铝合金液。这是由于铝与氧的亲和力很大，极易氧化，即使在氧气分压很小的低真空条件下，铝液表面也形成连续的Al2O3薄膜，若从上面加入陶瓷颗粒，必须施加搅拌，使颗粒进入铝液，当颗粒被加入铝液的同时，必然破坏铝液表面的氧化膜，并将部分表面的氧化膜带入，而露出的新鲜表面又马上氧化，这样被搅拌进去的氧化膜最终在复合材料内部形成氧化物夹杂，恶化其性能。本发明从底部加入陶瓷颗粒，由于颗粒间隙气体量有限，可以避免铝液的大量氧化，同时铝液的水静压力也有利于铝液向陶瓷颗粒间隙浸渗。还可将处理好的陶瓷颗粒压制成块，用熔炼用钟罩压入铝合金液，铝液在重力及助浸剂的作用下向SiC颗粒间隙浸渗，这样一方面便于操作，同时压入铝液后颗粒压块与外界隔绝，可防止铝液的大量氧化。然后保温1～30分钟，将搅拌器放入铝液中，开动马达搅拌15～30分钟，由于本发明是在大气环境下进行制备，搅拌时应防止铝液面翻滚、产生旋涡，造成铝液氧化。搅拌结束后，取出坩埚，将铝液浇入铸型，得到颗粒均匀分布、组织致密的SiC颗粒增强铝基复合材料铸坯或者铸件，SiC颗粒的体积白分数为5～20％。
另外，还可以将上述处理过的颗粒放在升温好的坩埚底部，上面放置铝块，待铝块熔化后保温一段时间，铝液在重力及助浸剂的作用下向SiC颗粒间隙浸渗，保温1～30分钟，然后将搅拌器放入铝液中，平稳搅拌15～30分钟。
下面介绍本发明的实施例。
实施例1底置法制备10％(体积)SiC颗粒增强ZL109合金复合材料，ZL109合金的主要化学成分为(重量％)Si11.0～13.0，Cu0.5～1.5，Mg 0.8～1.5，其余为Al。
在90℃水浴下，按20克K2ZrF6+180毫升水，配制10％K2ZrF6水溶液，然后将100克150目SiC颗粒放入水溶液，浸泡15分钟后滤出SiC，平摊在表面皿上，放入红外线干燥器，每15分钟打开干燥器，翻动颗粒，防止K2ZrF6分布不均匀，烘干后，用研钵研碎结块的SiC颗粒，放入200℃烘箱备用。
平底刚玉坩埚在电阻炉中升温至750℃，将处理后的颗粒放在坩埚底部，平整后倒入900克750℃的ZL109合金液，保温20分钟后，用圆盘式搅拌器进行搅拌，其搅拌叶片是与搅拌轴垂直安装的圆盘，转速为800转/分，搅拌过程中搅拌叶片逐渐下降，到坩埚底部后又回到铝液中部，搅拌15分钟后停止，取出坩埚，将复合材料浇入200℃预热的圆柱形铸铁型腔凝固冷却，观察复合材料的金相组织表明，颗粒分布均匀，组织致密。
实施例2压入法制备10％(体积)SiC颗粒颗粒增强ZL109合金复合材料将100克150目SiC颗粒与50克K2ZrF6粉末(SiC颗粒与K2ZrF6粉末的质量比为2∶1)在研钵中研磨混合后，在模具中压制成圆饼状，放入250℃烘箱烘烤，ZL109合金熔化后，将圆饼压入铝合金液，保温1分钟，其它步骤与实施例1相同。
与现有技术相比，本发明由于采用氟酸盐作为助浸剂，可以改善铝液对陶瓷颗粒表面的润湿性，保证操作时可以从铝液的下部加入陶瓷颗粒，并通过进行平稳搅拌，可以在大气环境下制备出所需的复合材料，无需专用设备，无需真空或惰性气体保护，工艺简单，制造成本较低。
权利要求
1.一种陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备方法，是将陶瓷颗粒置于铝液中进行搅拌，其特征在于将陶瓷颗粒用氟酸盐助浸剂处理后，放在铝液底部，保温一段时间后进行平稳搅拌一定时间后，将铝液浇入铸型。
2.根据权利要求1所述的陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于将用氟酸盐助浸剂处理过的陶瓷颗粒放在加热至铝合金熔炼温度的坩埚底部，从上面浇入熔化并精炼除气的铝液，或者放置所需重量的铝块并保温一段时间。
3.根据权利要求1所述的陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于所述的助浸剂氟酸盐为K2ZrF6、K2TiF6、Na3AlF6、NaF、CaF2。
4.根据权利要求1中所述的陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于所述的用氟酸盐助浸剂处理陶瓷颗粒的方法为用所需浓度的氟酸盐如K2ZrF6、K2TiF6水溶液浸泡后烘干，或者将陶瓷颗粒与氟酸盐混合后烘干。
5.根据权利要求4所述的陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于所述的用K2ZrF6、K2TiF6水溶液浸泡陶瓷颗粒的方法为在80～95℃下，浓度5～15％的溶液中浸泡5～15分钟。
6.根据权利要求4所述的陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备方法，其特征在于所述的助浸剂氟酸盐粉末与陶瓷颗粒的比例为1∶5～1∶1。
全文摘要
一种陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备方法,将陶瓷颗粒用助浸剂氟酸盐如K
文档编号C22C1/10GK1182063SQ9712194
公开日1998年5月20日 申请日期1997年11月27日 优先权日1997年11月27日
发明者谢国宏 申请人:宝山钢铁(集团)公司