耐磨铝合金的制备工艺的制作方法

本发明涉及材料领域，具体涉及一种耐磨铝合金的制备工艺。

背景技术：

铝合金是以铝为基添加一定量其他合金化元素的合金，是轻金属材料之一。铝合金除具有铝的一般特性外，由于添加合金化元素的种类和数量的不同又具有一些合金的具体特性。其为结构工程中最常用的材料，具有比重小、传热性好、导电性好、环保、可回收循环利用，被广泛应用于3c、汽车交通运输、家居、航空航天、化工、火箭等各个领域，随着经济的发展，对合金的要求越来越高。

但是，目前市场上的铝合金普遍存在耐磨强度高，但材料的韧性较差或者，耐磨强度不够，延展性能较好的问题，因此，迫切的需要一种新的方案解决该技术问题，因此我们研究开发了梯度铝基复合材料的制备工艺。

技术实现要素：

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种耐磨铝合金的制备工艺，解决现有技术的铝合金心部韧性差或者耐磨性能不足的技术问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种耐磨铝合金的制备工艺，具体包括以下步骤：

s1:铝合金表面通过电化学腐蚀造孔；

s2:制备不同成分浓度的耐磨添加粒子，所述耐磨添加粒子包括碳化硅和铝合金粉末；

s3:将步骤s2中制备的不同浓度的耐磨添加粒子，分层按浓度递增的顺序均匀平铺于步骤s1中造孔后的铝合金表面，通过热压复合成型后，采用等离子烧结得到耐磨梯度铝合金。

优选的，所述步骤s1中，通过电化学造孔包括以下步骤：

s1-1:清洗铝合金表面；

s1-2:以铝合金为阳极，置于电解槽中，阴极为石墨电极，加入辅助电极，通电进行电解腐蚀造孔。

优选的，所述步骤s1-1的具体步骤如下：

铝合金浸渍于硫酸和硝酸混合液，浸渍时间为2～10min，用酒精将

铝合金表面清洗干净；所述硫酸的浓度为2～5％，所述硝酸的浓度为2～10％。

优选的，所述步骤s1-2电解槽中的电解液为alcl3溶液。

优选的，所述步骤s1-2中，电解的条件为：电流密度为8-20a/dm2，电解时间为30-120分钟，电解液温度控制在60-90℃。

优选的，所述步骤s2中制备不同浓度的耐磨添加粒子，包括以下步骤：

s2-1:将碳化硅和铝合金粉末添加至滚动球磨机，加入二氧化锆球以酒精为介质，在气氛保护下进行球磨得到球磨粉；

s2-2:将步骤s2-1得到的球磨混合粉进行过滤，真空干燥制备得到耐磨添加粒子。

优选的，所述步骤s2-1中，碳化硅和铝合金粉末质量百分比为2～20∶80～98，且所述碳化硅和铝合金粉末的总重量与所述二氧化锆球的重量比为5～7∶1，所述气氛为惰性气体。

优选的，所述s3的具体步骤如下：

s3-1:将造孔后的铝合金放置于模具中；

s3-2:将不同浓度的耐磨添加粒子分层按浓度梯加或梯减的顺序平铺于造孔后的铝合金表面，合上模具；

s3-3:将模具放置到负压装置的吸盘底座上，放置于等离子烧结炉中，并将模具连通于压力为-2kpa～-40kpa的负压装置在氮气或氩气保护下，使耐磨粒子与铝合金在半固熔状态下快速形成铝合金复合材料。

优选的，所述步骤s3-3等离子烧结炉中热压符合的条件为热压温度为400～600℃、保压时间为0.1h～0.5h、烧结时间为5～20min。

优选的，将步骤s3制备得到的耐磨梯度铝合金在20～60wt％ptfe悬浊液浸渍。

(三)有益效果

本发明提供了一种耐磨铝合金的制备工艺。与现有技术相比，具备以下有益效果：

1、本发明通过梯度耐磨铝合金的设计，采用电化学腐蚀、机械合金化(球磨)与等离子快速烧结的方式，将不同浓度梯度耐磨粒子分层覆盖，制备了梯度耐磨铝合金，解决了铝合金耐磨与机械性能间矛盾的技术瓶颈，在提高了铝合金耐磨性的同时，确保铝合金的机械性能。电化学造孔可以提高基材与复合金属粉直接的机械咬合附着力，后续烧结后形成冶金结合。机械合金化可以提高铝合金粉末与耐磨粒子之间的混合均匀度和耐磨粒子与铝粉之间结合的结合能。

2、本发明在采用电化学腐蚀、机械合金化(球磨)与等离子快速烧结的方式，将不同浓度梯度耐磨粒子分层覆盖，制备了梯度耐磨铝合金后，对该梯度耐磨铝合金采用浸渍工艺将具有自润滑功能ptfe填充浸入孔洞，进一步提高梯度耐磨铝合金的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为步骤s3的示意图；

图2为实施例3为以铝合金7075为原料制备的耐磨铝基复合材料的表面金相；

图3为实施例5以铝合金7075为原料制备的耐磨铝基复合材料的表面金相。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例中耐磨添加粒子是通过机械合金化将铝合金粉末与sic混合而成，其中浓度是指sic的添加量，不同浓度即为耐磨添加粒子中sic的添加量不同。

一种耐磨铝合金的制备工艺，具体包括以下步骤：

s1:铝合金表面通过电化学腐蚀造孔；

s2:制备不同成分浓度的耐磨添加粒子，所述耐磨添加粒子包括碳化硅和铝合金粉末

s3:将步骤s2中制备的不同浓度的耐磨添加粒子，分层按浓度递增的顺序均匀平铺于步骤s1中造孔后的铝合金表面，通过热压复合成型制备得到耐磨梯度铝合金。

上述实施例在具体实施过程中，其中s1和s2步骤顺序，本领域技术人员可以根据需要进行调整，即也可以先执行步骤s2。

具体的如图1所示，按照浓度递增的顺序将不同浓度的耐磨添加粒子均匀平铺于步骤s1中造孔后的铝合金表面。其中图中的低浓度复合粒子即为低浓度的耐磨添加粒子，图中低浓度复合粒子、中等浓度复合粒子、高浓度复合粒子即为sic的添加量不同，其中低浓度表示sic添加量低。

并且，所述耐磨添加粒子可以以溶液形式或者粉状混合物形式均匀平铺与造孔后的铝合金表面。

具体实施时，所述步骤s1中，通过电化学造孔包括以下步骤：

s1-1:清洗铝合金表面，目的是为了去除氧化膜和油渍等；

s1-2:以铝合金为阳极，置于电解槽中，阴极为石墨电极，加入辅助电极，通电进行电解腐蚀造孔。

具体实施时，所述步骤s2中制备不同浓度的耐磨添加粒子，包括以下步骤：

s2-1:将碳化硅和铝合金粉末添加至滚动球磨机，加入二氧化锆球以酒精为介质，在气氛保护下进行球磨得到球磨粉。

s2-2:将步骤s2-1得到的球磨混合粉进行过滤，真空干燥制备得到耐磨添加粒子。

具体实施时，所述s3的具体步骤如下：

s3-1:将造孔后的铝合金放置于模具中；

s3-2:将不同浓度的耐磨添加粒子分层按浓度梯加或梯减的顺序平铺于造孔后的铝合金表面，合上模具；具体的为了便于后期的脱模，在模具内部表面涂覆上一层润滑剂，该润滑剂可以为石蜡、聚氨酯、石墨粉等；

s3-3:将模具放置到负压装置的吸盘底座上，放置于等离子烧结炉中，并将模具连通于压力为-2kpa～-40kpa的负压装置在氮气或氩气保护下，使耐磨粒子与铝合金在半固熔状态下快速形成铝合金复合材料。

本发明通过梯度耐磨铝合金的设计，采用电化学腐蚀、机械合金化(球磨)与等离子快速烧结的方式，将不同浓度梯度耐磨粒子分层覆盖，制备了梯度耐磨铝合金，解决了铝合金耐磨与机械性能间矛盾的技术瓶颈，在提高了铝合金耐磨性的同时，确保铝合金的机械性能。电化学造孔可以提高基材与复合金属粉直接的机械咬合附着力，后续烧结后形成冶金结合。机械合金化可以提高铝合金粉末与耐磨粒子之间的混合均匀度和耐磨粒子与铝粉之间结合的结合能。

下面结合具体的实施例进行详细的说明：

实施例1：

一种耐磨铝合金的制备工艺，具体包括以下步骤：

s1:铝合金表面通过电化学腐蚀造孔，具体的造孔步骤为：

s1-1:清洗铝合金表面，铝合金浸渍于硫酸和硝酸混合液，浸渍时间为2min，用酒精将铝合金表面清洗干净；所述硫酸的浓度为2％，所述硝酸的浓度为2％；

s1-2:以铝合金为阳极，置于电解槽中，阴极为石墨电极，加入辅助电极，通电进行电解腐蚀造孔；

其中电解槽中的电解液为alcl3溶液；电解的条件为：电流密度为8-a/dm2，电解时间为120分钟，电解液温度控制在90℃；

其中辅助电极为铂电极。

s2:制备耐磨添加粒子，其为碳化硅和铝合金粉末混合物，制备碳化硅的质量分数分别为5wt％、10wt％、20wt％的耐磨添加粒子；

具体的为：

s2-1:将碳化硅和铝合金粉末添加至滚动球磨机，加入二氧化锆球以酒精为介质，在气氛保护下进行球磨得到球磨粉。

其中，铝合金粉末10μm；sic颗粒大小采用20nm；

且所述碳化硅和铝合金粉末的总重量与所述二氧化锆球的重量比为5∶1，所述气氛为惰性气体。

s2-2:将步骤s2-1得到的球磨混合粉进行过滤，真空干燥制备得到耐磨添加粒子。

s3:将步骤s2中制备的不同浓度的耐磨添加粒子，分层按浓度递增的顺序均匀平铺于步骤s1中造孔后的铝合金表面，通过热压复合成型后，在经过等离子烧结以及后续热处理得到耐磨梯度铝合金。

s3-1:将造孔后的铝合金放置于模具中；

s3-2:将不同浓度的耐磨添加粒子分层按浓度梯加或梯减的顺序平铺于造孔后的铝合金表面，合上模具；模具内部表面涂覆上一层润滑剂，润滑剂可以为石蜡、聚氨酯、石墨粉等来保证制备完成后顺利脱膜；

s3-3:将模具放置到负压装置的吸盘底座上，放置于等离子烧结炉中，并将模具连通于压力为-2kpa的负压装置在氮气或氩气保护下，使耐磨粒子与铝合金在半固熔状态下快速形成铝合金复合材料。

等离子烧结炉中热压符合的条件为热压温度为400℃、保压时间为0.5h、烧结时间为20min。

上述铝合金采用7075铝合金粉末和sic进行复合耐磨涂层，对基材7075铝合金和表面进行耐磨涂覆的7075铝合金材料进行摩擦实验，采用基材摩斑面积为4.63mm²,涂层处理后的样品摩斑面积为2.82mm²，耐磨性能提高2倍以上。

实施例2：

一种耐磨铝合金的制备工艺，具体包括以下步骤：

s1:铝合金表面通过电化学腐蚀造孔，具体的造孔步骤为：

s1-1:清洗铝合金表面，铝合金浸渍于硫酸和硝酸混合液，浸渍时间为10min，用酒精将铝合金表面清洗干净；所述硫酸的浓度为5％，所述硝酸的浓度为10％；

s1-2:以铝合金为阳极，置于电解槽中，阴极为石墨电极，加入辅助电极，通电进行电解腐蚀造孔；电解槽中的电解液为alcl3溶液；电解的条件为：电流密度为20a/dm2，电解时间为30分钟，电解液温度控制在60℃，辅助电极为铂电极；

s2:制备耐磨添加粒子，其为碳化硅和铝合金粉末混合物，制备碳化硅的质量分数分别为5wt％、10wt％、20wt％的耐磨添加粒子；

s2-1:将碳化硅和铝合金粉末添加至滚动球磨机，加入二氧化锆球以酒精为介质，在气氛保护下进行球磨得到球磨粉。

铝合金粉末50μm，sic颗粒大小采用500um。

所述碳化硅和铝合金粉末的总重量与所述二氧化锆球的重量比为7∶1，所述气氛为惰性气体。

s2-2:将步骤s2-1得到的球磨混合粉进行过滤，真空干燥制备得到耐磨添加粒子。

s3:将步骤s2中制备的不同浓度的耐磨添加粒子，分层按浓度递增的顺序均匀平铺于步骤s1中造孔后的铝合金表面，通过热压复合成型制备得到耐磨梯度铝合金。

s3-1:将造孔后的铝合金放置于模具中；

s3-2:将不同浓度的耐磨添加粒子分层按浓度梯加或梯减的顺序平铺于造孔后的铝合金表面，合上模具；模具内部表面涂覆上一层润滑剂，润滑剂可以为石蜡、聚氨酯、石墨粉等来保证制备完成后顺利脱膜；

s3-3:将模具放置到负压装置的吸盘底座上，放置于等离子烧结炉中，并将模具连通于压力为-40kpa的负压装置在氮气或氩气保护下，使耐磨粒子与铝合金在半固熔状态下快速形成铝合金复合材料。

等离子烧结炉中热压符合的条件为热压温度为600℃、保压时间为0.1h、烧结时间为5min。

上述铝合金采用7075铝合金粉末和sic进行复合耐磨涂层，对基材7075铝合金和表面进行耐磨涂覆的7075铝合金材料进行摩擦实验，采用基材摩斑面积为4.63mm²,涂层处理后的样品摩斑面积为2.32mm²。

实施例3：

一种耐磨铝合金的制备工艺，具体包括以下步骤：

s1:铝合金表面通过电化学腐蚀造孔，具体的造孔步骤为：

s1-1:清洗铝合金表面，铝合金浸渍于硫酸和硝酸混合液，浸渍时间为5min，用酒精将铝合金表面清洗干净；所述硫酸的浓度为3％，所述硝酸的浓度为5％；

s1-2:以铝合金为阳极，置于电解槽中，阴极为石墨电极，加入辅助电极，通电进行电解腐蚀造孔；电解槽中的电解液为alcl3溶液；电解的条件为：电流密度为15a/dm2，电解时间为60分钟，电解液温度控制在70℃，辅助电极为铂电极。

s2:制备耐磨添加粒子，其为碳化硅和铝合金粉末混合物，制备碳化硅的质量分数分别为5wt％、10wt％、20wt％的耐磨添加粒子；

s2-1:将碳化硅和铝合金粉末添加至滚动球磨机，加入二氧化锆球以酒精为介质，在气氛保护下进行球磨得到球磨粉。

合金粉末为1～7各系列铝合金粉末，铝合金粉末30μm，sic颗粒大小采用10um。

所述碳化硅和铝合金粉末的总重量与所述二氧化锆球的重量比为6∶1，所述气氛为惰性气体。

s2-2:将步骤s2-1得到的球磨混合粉进行过滤，真空干燥制备得到耐磨添加粒子。

s3:将步骤s2中制备的不同浓度的耐磨添加粒子，分层按浓度递增的顺序均匀平铺于步骤s1中造孔后的铝合金表面，通过热压复合成型制备得到耐磨梯度铝合金。

s3-1:将造孔后的铝合金放置于模具中；

s3-2:将不同浓度的耐磨添加粒子分层按浓度梯加或梯减的顺序平铺于造孔后的铝合金表面，合上模具；模具内部表面涂覆上一层润滑剂，润滑剂可以为石蜡、聚氨酯、石墨粉等来保证制备完成后顺利脱膜；

s3-3:将模具放置到负压装置的吸盘底座上，放置于等离子烧结炉中，并将模具连通于压力为-10kpa的负压装置在氮气或氩气保护下，使耐磨粒子与铝合金在半固熔状态下快速形成铝合金复合材料。

等离子烧结炉中热压符合的条件为热压温度为500℃、保压时间为0.3h、烧结时间为10min。

上述铝合金采用7075铝合金粉末和sic进行复合耐磨涂层，对基材7075铝合金和表面进行耐磨涂覆的7075铝合金材料进行摩擦实验，采用基材摩斑面积为4.63mm²，涂层处理后的样品摩斑面积为2.62mm²。

实施例4：

一种耐磨铝合金的制备工艺，分别采用2系和7系铝合金；

其他工艺与实施例3一样在实施例3制备得到梯度耐磨铝合金后继续采用t6固溶时效工艺。固溶热处理工艺采用485℃固溶温度，180℃时效10h小时，获得耐磨性能好，强度高的梯度复合耐磨铝合金。

其中，上述铝合金采用2024铝合金粉末和sic进行复合耐磨涂层，对基材2024铝合金和表面进行耐磨涂覆的2024铝合金材料进行摩擦实验，采用基材摩斑面积为6.63mm²，涂层处理后的样品摩斑面积为3.62mm²。

上述铝合金采用7075铝合金粉末和sic进行复合耐磨涂层，对基材7075铝合金和表面进行耐磨涂覆的7075铝合金材料进行摩擦实验，采用基材摩斑面积为4.63mm²，涂层处理后的样品摩斑面积为1.92mm²。

实施例5：

在实施例4完成t6固溶时效工艺后，采用20wt％ptfe悬浊液浸渍耐磨铝合金复合材料对孔洞进行填充，采用20khz超声波浸渍30min，获得样品，在400°进行加热处理，获得具有自润滑粒子的耐磨铝合金复合材料，同时也保证耐磨铝基复合材料的耐腐蚀性能。

其中上述铝合金采用2024铝合金粉末和sic进行复合耐磨涂层，对基材2024铝合金和表面进行耐磨涂覆的2024铝合金材料进行摩擦实验，采用基材摩斑面积为6.63mm²,涂层处理后的样品摩斑面积为3.62mm²，对此案例进行电化学测试表明涂层处理后的自腐蚀电流下降到3.2e-7μa/cm²，基材为6.3e-4。

上述铝合金采用7075铝合金粉末和sic进行复合耐磨涂层，对基材7075铝合金和表面进行耐磨涂覆的7075铝合金材料进行摩擦实验，采用基材摩斑面积为4.63mm²,涂层处理后的样品摩斑面积为1.32mm²，对材料进行电化学测试表明涂层处理后的自腐蚀电流下降到3.4e-7μa/cm²，基材为8.3e-4μa/cm²。

实施例6：

在实施例4完成t6固溶时效工艺后，采用60wt％ptfe悬浊液浸渍耐磨铝合金复合材料对孔洞进行填充，采用20khz超声波浸渍2h，获得样品，在400°进行加热处理，2h流平工艺处理，获得具有自润滑粒子的耐磨铝合金复合材料。

上述铝合金采用2024铝合金粉末和sic进行复合耐磨涂层，对基材2024铝合金和表面进行耐磨涂覆的2024铝合金材料进行摩擦实验，采用基材摩斑面积为6.63mm²，涂层处理后的样品摩斑面积为3.22mm²，对此案例进行电化学测试表明涂层处理后的自腐蚀电流下降到1.2e-7μa/cm²，基材为6.3e-4。

上述铝合金采用7075铝合金粉末和sic进行复合耐磨涂层，对基材7075铝合金和表面进行耐磨涂覆的7075铝合金材料进行摩擦实验，采用基材摩斑面积为4.63mm²，涂层处理后的样品摩斑面积为1.22mm²，对材料进行电化学测试表明涂层处理后的自腐蚀电流下降到1.4e-7μa/cm²，基材为8.3e-4μa/cm²。

实施例7：

一种耐磨铝合金的制备工艺，分别采用5系和6系铝合金，其他工艺与实施例3一样，因其5系和6系铝合金元素少，一般不需要进行固溶处理，因此仅采用人工完全时效获得最优性能，在180℃烘箱中进行人工时效10h。采用20wt％ptfe悬浊液浸渍耐磨铝合金复合材料对孔洞进行填充，采用20khz超声波浸渍30min，获得样品，在400°进行加热处理，获得具有自润滑粒子的耐磨铝合金复合材料，同时也保证耐磨铝基复合材料的耐腐蚀性能。

上述铝合金采用6068铝合金粉末和sic进行复合耐磨涂层，对基材6065铝合金和表面进行耐磨涂覆的6068铝合金材料进行摩擦实验，采用基材摩斑面积为5.63mm²，涂层处理后的样品摩斑面积为2.22mm²，对此案例进行电化学测试表明涂层处理后的自腐蚀电流下降到1.2e-7μa/cm²'基材为3.3e-4。

上述铝合金采用5065铝合金粉末和sic进行复合耐磨涂层，对基材5065铝合金和表面进行耐磨涂覆的5065铝合金材料进行摩擦实验，采用基材摩斑面积为4.63mm²，涂层处理后的样品摩斑面积为1.22mm²，对材料进行电化学测试表明涂层处理后的自腐蚀电流下降到1.4e-7μa/cm²'基材为8.3e-4μa/cm²。

其中实施例3和实施例5，图2实施例3为以铝合金7075为原料制备的耐磨铝基复合材料的表面金相；图3为施例5以铝合金7075为原料制备的耐磨铝基复合材料的表面金相。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。