专利名称：基于电渣重熔法的原位内生铝基复合材料制备方法
技术领域：
本发明涉及的是一种金属基复合材料技术领域的制备方法，具体是一种基于电渣 重熔法的原位内生铝基复合材料制备方法。
背景技术：
目前，在制备铝基复合材料技术领域，混合盐反应法(LSM)是一种典型的原位自 生反应制备颗粒增强铝基复合材料的方法。该方法是通过向铝熔体中加入混合盐，经原位 自生反应在基体内部生成TiB2增强颗粒。制备的铝基复合材料增强颗粒尺寸细小，在基体 中分布较为均勻，复合材料的力学性能和基体比较基体有较大提高，且工艺简单，成本低。对现有技术的文献检索发现，J. V. Wood在《Key Engineering Materials))(《关 键工程材料》)杂志1993年第77卷第8期357-362页发表的文章“Development of Cast Aluminum MMCS (铝基复合材料的发展概况)”，该文中提出采用混合盐法制备铝基复合材 料，一般工艺是将K2TiF6 (氟钛酸钾)和KBF4 (氟硼酸钾)混合盐加入过热到750°C以上的 铝熔体中进行搅拌，使其发生原位反应，除去生成的盐渣，浇铸冷却后即可获得TiB2颗粒增 强铝基复合材料。虽然用此法可制备一定颗粒含量的复合材料，但是并不能保证整个反应 过程中混合盐与铝液的充分接触而完全反应，且反应所需时间长，生成的盐渣难以去除，且 夹在铝基体中严重影响材料性能。虽然通过机械搅拌可以促进盐反应的进行，但强烈搅拌 会使熔体卷气体量增加，铸造性能变差。关于如何采用合理的工艺手段去解决传统混合盐 法制备铝基复合材料所带来的上述问题却未见报道。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于电渣重熔法的原位内生铝基 复合材料制备方法，在传统混合盐法的基础之上，采用电渣重熔技术制备铝基复合材料。采 用基本渣料与氟硼酸钾混合氟钛酸钾一起作为渣剂，纯铝和铝合金熔化后通过熔融的渣 池，与混合氟盐充分接触发生反应，生成TiB2颗粒，由于TiB2颗粒与铝液的润湿性比与渣剂 的润湿性好，反应生成的液态渣与铝熔体完全分离，待整个反应结束后，冷却即可得到优质 铝基复合材料。本发明通过以下技术方案实现通过分别将纯铝及铝合金浇注成自耗电极棒后放 入电渣炉内，与含有基本渣料、氟钛酸钾和氟硼酸钾的渣剂混合后进行电渣重熔，反应结束 冷却得到原位内生铝基复合材料。所述的铝合金是指牌号分别为2014铝合金和铝硅铸造合金A356 ；所述的渣剂中基本渣料的质量与氟钛酸钾和氟硼酸钾的质量和的比例为0. 2 2. 5 ；所述的基本渣料为下列组合物中的任意一种a)组分及其质量百分比为35 45% KC1、35 45% NaCl、5 15% CaF2以及 10 20% Na3AlF6 ；
b)组分及其质量百分比为20 30%KC1、20 30%NaCl、15 35%MgCl2以及 15 25% Na3AlF6 ；c)组分及其质量百分比为20 30%NaCl、30 40%MgCl2、5 15%MgF2以及 30 45% Na3AlF6 ；d)组分及其质量百分比为30 40% KC1、5 15% CaF2、10 25% NaN03以及 20 35% Na3AlF6。所述电渣重熔的电流为400 1200A，电压为40 70V。与现有技术相比，本发明可使混合盐反应的时间缩短一半以上，铝液逐滴进入渣 池有效地增大了铝熔体与混合盐的接触面积，电渣重熔过程中产生的电磁搅拌作用可以促 进了盐反应的充分进行，避免了直接搅拌铸造工艺带来的卷气等弊端；同时所配的渣料本 身具有精炼作用，反应生成的液渣与铝熔体明显分离，解决了传统方法中除渣困难的问题。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。实施例1将工业纯铝按照要求浇注成圆柱形自耗电极棒，直径为0. 3 0. 8倍结晶器内径， 长度为1. 5 2. 5倍结晶器高度；然后将铝合金自耗电极棒放入电渣炉内，加入基本渣料40% KCl+40% NaCl+10% CaF2+10% Na3AlF6，加入的混合盐总量与基本渣料的重 量比为0. 2 ；渣料和混合盐在加入前200°C烘烤不少于5小时，使其充分干燥，不含水分及结 晶水。在重熔电流为500 600A，电压为65V的条件下进行电渣重熔，纯铝自耗电极棒逐 渐熔化，在金属熔滴通过熔融渣池的过程中，铝与氟硼酸钾和氟钛酸钾充分发生反应，在铝 基体内原位自生得到TiB2颗粒。最后高温熔体进入到结晶器中的凝固区，在强制水冷的条 件下进行凝固，重熔完成后，切断电源，所制备的铝基复合材料在结晶器内自然冷却。本实 施例可以获得TiB2颗粒体积含量为3%的铝基复合材料。实施例2本实施例与实施例1区别之处在于，采用的基本渣料为30% KCl+30% NaCl+30% MgCl2+10% Na3AlF6，加入的混合盐总量跟渣料相同；重 熔电流为600 700A，电压为50V ；其余步骤与实施例1相同。本实施例可以获得TiB2颗 粒体积含量为6%的铝基复合材料。实施例3本实施例与实施例1区别之处在于，采用的基本渣料为30% NaCl+30% MgCl2+15% MgF2+25% Na3AlF6，加入的混合盐总量为渣料总量的 1. 5倍；重熔电流为500 600A，电压为65V ；其余步骤与实施例1相同。本实施例可以获 得TiB2颗粒体积含量为8%的铝基复合材料。实施例4本实施例与实施例1区别之处在于，采用的基本渣料为
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5% KCl+25% CaF2+20% NaN03+20% Na3AlF6,加入的混合盐总量为渔料总量的 2. 5 倍；重熔电流为700 800A，电压为60V ；其余步骤与实施例1相同。本实施例可以获得TiB2 颗粒体积含量为10%的铝基复合材料。实施例5本实施例与实施例1区别之处在于，将2014铝合金按照要求浇注成圆柱形自耗电 极棒，其余步骤与实施例1相同。本实施例可以获得TiB2颗粒体积含量为3%的铝基复合 材料。实施例6本实施例与实施例1区别之处在于，将2014铝合金按照要求浇注成圆柱形自耗电 极棒，30% KCl+30% NaCl+30% MgCl2+10% Na3AlF6，加入的混合盐总量跟渣料相同；重熔电 流为600 700A，电压为50V ；其余步骤与实施例1相同。本实施例可以获得TiB2颗粒体 积含量为6%的铝基复合材料。实施例7本实施例与实施例1区别之处在于，将2014铝合金按照要求浇注成圆柱形自耗电 极棒，采用的基本渣料为30% NaCl+30% MgCl2+15% MgF2+25% Na3AlF6，加入的混合盐总 量为渣料总量的1. 5倍；重熔电流为500 600A，电压为65V ；其余步骤与实施例1相同。 本实施例可以获得TiB2颗粒体积含量为8%的铝基复合材料。实施例8本实施例与实施例1区别之处在于，将2014铝合金按照要求浇注成圆柱形自耗电 极棒，采用的基本渣料为35% KCl+25% CaF2+20% NaN03+20% Na3AlF6，加入的混合盐总量 为渣料总量的2. 5倍；重熔电流为700 800A，电压为60V ；其余步骤与实施例1相同。本 实施例可以获得TiB2颗粒体积含量为10%的铝基复合材料。实施例9本实施例与实施例1区别之处在于，将A356铝合金按照要求浇注成圆柱形自耗电 极棒，其余步骤与实施例1相同。本实施例可以获得TiB2颗粒体积含量为3%的铝基复合 材料。实施例10本实施例与实施例1区别之处在于，将A356铝合金按照要求浇注成圆柱形自耗电 极棒，30% KCl+30% NaCl+30% MgCl2+10% Na3AlF6，加入的混合盐总量跟渣料相同；重熔电 流为600 700A，电压为50V ；其余步骤与实施例1相同。本实施例可以获得TiB2颗粒体 积含量为6%的铝基复合材料。实施例11本实施例与实施例1区别之处在于，将A356铝合金按照要求浇注成圆柱形自耗电 极棒，采用的基本渣料为30% NaCl+30% MgCl2+15% MgF2+25% Na3AlF6，加入的混合盐总 量为渣料总量的1. 5倍；重熔电流为500 600A，电压为65V ；其余步骤与实施例1相同。 本实施例可以获得TiB2颗粒体积含量为8%的铝基复合材料。实施例12本实施例与实施例1区别之处在于，将A356铝合金按照要求浇注成圆柱形自耗电 极棒，采用的基本渣料为35% KCl+25% CaF2+20% NaN03+20% Na3AlF6，加入的混合盐总量为渣料总量的2.5倍；重熔电流为700 800A，电压为60V ；其余步骤与实施例1相同。本 实施例可以获得TiB2颗粒体积含量为10%的铝基复合材料。
权利要求
一种基于电渣重熔法的原位内生铝基复合材料制备方法，其特征在于，通过分别将纯铝及铝合金浇注成自耗电极棒后放入电渣炉内，与含有基本渣料、氟钛酸钾和氟硼酸钾的渣剂混合后进行电渣重熔，反应结束冷却得到原位内生铝基复合材料。
2.根据权利要求1所述的基于电渣重熔法的原位内生铝基复合材料制备方法，其特征 是，所述的铝合金是指牌号分别为2014铝合金和铝硅铸造合金A356。
3.根据权利要求1所述的基于电渣重熔法的原位内生铝基复合材料制备方法，其特征 是，所述的渣剂中基本渣料的质量与氟钛酸钾和氟硼酸钾的质量和的比例为0. 2 2. 5。
4.根据权利要求1所述的基于电渣重熔法的原位内生铝基复合材料制备方法，其特征 是，所述的基本渣料为下列组合物中的任意一种a)组分及其质量百分比为35 45%KC1、35 45% NaCl、5 15% CaF2以及10 20% Na3AlF6 ；b)组分及其质量百分比为20 30%KC1、20 30% NaCl、15 35% MgCl2以及15 25% Na3AlF6 ；c)组分及其质量百分比为20 30%NaCl、30 40% MgCl2、5 15% MgF2以及30 45% Na3AlF6 ；d)组分及其质量百分比为30 40%KC1、5 15% CaF2、10 25% NaN03以及20 35% Na3AlF6。
5.根据权利要求1所述的基于电渣重熔法的原位内生铝基复合材料制备方法，其特征 是，所述电渣重熔的电流为400 1200A，电压为40 70V。
全文摘要
一种金属基复合材料技术领域的基于电渣重熔法的原位内生铝基复合材料制备方法，通过分别将纯铝及铝合金浇注成自耗电极棒后放入电渣炉内，与含有基本渣料、氟钛酸钾和氟硼酸钾的渣剂混合后进行电渣重熔，反应结束冷却得到原位内生铝基复合材料。本发明采用基本渣料、氟硼酸钾和氟钛酸钾一起作为渣剂，纯铝和铝合金熔化后通过熔融的渣池，与混合氟盐充分接触发生反应，生成TiB2颗粒，由于TiB2颗粒与铝液的润湿性比与渣剂的润湿性好，反应生成的液态渣与铝熔体完全分离，待整个反应结束后，冷却即可得到优质铝基复合材料。
文档编号C22B9/18GK101831556SQ20101013784
公开日2010年9月15日 申请日期2010年4月2日 优先权日2010年4月2日
发明者孙宝德, 张佼, 戴永兵, 李盼, 李飞, 毕秋, 王俊, 疏达, 薛菁, 陈冲, 高海奇, 高海燕 申请人:上海交通大学