专利名称：一种磁场下原位生成的混合颗粒增强耐磨铝基复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种铝基复合材料及其制备工艺，特别涉及一种多元混合颗粒原位增强耐磨铝基复合材料及其磁场下制备方法。
背景技术：
7系铝合金中Zn的含量高达5. 1-6. 1%，使得其具有较高的强度和耐磨损性能，合金中其他元素如镁、硅、铜、钛等含量也较合理，使得7系铝合金的抗拉强度与屈服强度都较高，同时这些元素和高温条件下通入的氨气也可能相互反应生成一些其他的能提高复合材料性能的增强颗粒。7系铝合金机械性能与物化性能都较好，在航空航天、机械设备、磨具加工、工装夹具等方面应用较广泛。在这些工作场合中摩擦磨损会消耗机器运转的能量，损坏设备，缩短机器与零件的使用寿命，因而提高材料的耐磨损性能有着重要的意义。在目前以增强材料的耐磨性为主要目的材料制备中，较少有用到原位复合技术尤其是其中的气一液合成技术。原位复合所得材料中增强相与基体有良好的相容性，生成增强颗粒的速度较快，接触表面洁净无污染，所生成的增强颗粒尺寸细小且分布均匀，材料性能较好。由于原位复合材料的各种优异性能，原位复合技术得到了迅速的发展，广泛运用于材料制备中。原位复合技术在改善材料性能，增强材料耐磨性等方面也有着广阔的前景。近年来人们发现各种外场在材料的制备中会影响增强颗粒的形成与分布，如旋转磁场具有细化晶粒、改变晶体生长形态和影响颗粒分布等作用。在适当的低频旋转磁场中，颗粒将随熔体做旋转运动和在离心力与电磁挤压应力的作用下做径向的迁移运动，因此适当的旋转磁场下颗粒将分布的更均匀。同时颗粒在迁移的过程中受到摩擦力作用，颗粒的边缘将逐渐钝化，颗粒的形态更圆润。因而适当旋转磁场下制备的复合材料的性能将会有极大的改善。研究表明，旋转磁场作用下，金属熔液还将进行对流运动，在本实验中，可以驱除未参加反应的惰性气体，防止生成的复合材料中含有气泡空洞。
发明内容
本发明的目的在于提供一种原位混合颗粒增强耐磨铝基复合材料的制备方法，在7系铝合金高温熔液中加入K2TiF6粉末添加剂并通入含氨气体后通过气一液合成生成增强颗粒，然后在反应体系外加上低频旋转磁场，从而得到性能较好的混合颗粒增强铝基复合材料。这种制备方法能明显的提高铝基复合材料的强度、韧性以及耐磨性能，而且工艺连续性好，反应所得金属熔液可直接浇注成型。本发明一种磁场下原位生成的混合颗粒增强耐磨铝基复合材料，是通过下述步骤制得
(1)将K2TiF6粉剂预制为粉末添加剂备用；
(2)将7系招合金加入樹祸，在闻温下溶融；
(3)将粉末添加剂置于高温铝合金熔液中，并向熔液中通入含有氨气的惰性气体，进行原位反应；
(4)在坩埚外围加上低频旋转磁场，对反应体系进行处理；
(5)将处理后的金属熔液精炼、扒渣、静置，然后浇铸到模具中，得到耐磨铝基复合材料。上述步骤(I)中反应*K2TiF6粉剂在350°C下烘烤3h，充分去除结晶水，然后冷却、研磨和筛选得到粒度< 300 μ m的粉末添加剂。上述方法中原位反应温度为900— 12000C。步骤(3)中按金属熔体质量的5-25%加入K2TiF6粉末添加剂，并通过石英导管向金属溶液中通入含有氨气的惰性气体，进行原位反应，通入气体时间为20-50分钟。
上述方法中所述的含有氨气的惰性气体中氨气体积分数为20-50%，其流量为50-150ml/min (标准状况下)。上述方法中所述的低频旋转磁场的磁场频率为3 Hz，励磁电流为200 A，磁场作用时间为3-7min。上述方法中所述的静置温度为650-750°C，静置的时间为5_15min。
本发明利用K2TiF6粉末添加剂、铝液和7系铝合金中各种其它合金元素在高温中与氨气相互反应生成A13T1、AlN、Mg3N2等多种增强颗粒来制备铝基复合材料，并在制备过程中加上低频旋转磁场来改善颗粒的形态与分布。原位制备的复合材料中的增强颗粒外表面干净无污染，形态圆润，颗粒尺寸细小，在基体中分布均匀，颗粒与基体的界面结合优良。低频旋转磁场下通过气一液合成技术制备的多元混合颗粒增强铝基复合材料中A13Ti和AlN和其它一些增强颗粒都一定程度上增强了 7系铝合金材料的耐磨性能，也提高了材料的强度和韧性。且各种增强体颗粒不同性质相互补充，能进一步提高所制备材料的性能。该铝基复合材料可大规模替代许多合金用于军事、生产和生活中，如柴油发动机的活塞，汽车驱动轴和刹车盘，各种传动齿轮和结构连接件等，能够明显提高机械设备利用率和安全性，延长零件使用寿命，提高资源利用率。综上所述，本发明制备的铝基复合材料界面干净，颗粒形态圆润尺寸较小，分布均匀，能明显提高原铝合金的强度、模量和耐磨性。且此发明操作步骤简单，能够一次成型，用材也较简单，价格低廉，适合工业大规模生产。
图1是低频旋转磁场下气液合成多元混合颗粒增强耐磨铝基复合材料实验装置图。1.电阻炉，2.石墨坩埚，3.旋转磁场发生器，4熔体，5.石英入气导管。
具体实施例方式实施例1
以7075A1合金为基体制备900g混合颗粒增强耐磨铝基复合材料，该复合材料中添加的Ti和N元素的质量分数都为5%。本发明制备过程如下
Ξ将K2TiF6粉剂在350 °C下烘烤3h，去除结晶水后冷却、研磨和筛选制得粒度^ 300 μ m的粉末添加剂备用。t称量900g7075Al合金置于石墨坩埚2中后将电阻炉I中升温至1000°c使其熔化。f再称量45g制备好的K2TiF6粉末添加剂加入到合金熔体4中，同时通过石英导管5向熔液中通入氩气与氨气混合惰性气体，其中氨气体积分数为20%，其流量为5L/min，持续同期时间为32min。 停止通气后在体系外开通旋转磁场发生器3产生频率为3 Ηζ，励磁电流为200 A的低频旋转磁场，磁场作用时间为3min。1:然后精炼，扒去浮渣，温度降至650°C，静置5min，将熔液浇铸到模具中。将制备好的铝基复合材料在行星式球磨机上进行磨损试验，试验结果表明本发明制备的铝基复合材料比7075A1合金耐磨性能提高了 16. 7%。实施例2
以7A10A1合金为基体制备900g混合颗粒增强耐磨铝基复合材料，该复合材料中Ti和N元素的质量分数都为25%。本发明制备过程如下
Γ将K2TiF6粉剂在350 °C下烘烤3h，去除结晶水后冷却、研磨和筛选制得粒度^ 300 μ m的粉末添加剂。f称量860g7075Al合金置于石墨坩埚2中后将电阻炉I中升温至1000°C使其熔化。言.再称量215g制备好的K2TiF6粉末添加剂加入到合金熔体4中，同时通过石英导管5向熔液中通入氨气体积分数为50%的含氨惰性气体，其流量为5L/min，持续时间为44.8min。T停止通气后在体系外开通旋转磁场发生器3产生频率为3 Hz，励磁电流为200 A的低频旋转磁场，磁场作用时间为7min。I然后精炼，扒去浮渣，温度降至700°C，静置15min，将熔液浇铸到模具中。将制备好的铝基复合材料在行星式球磨机上进行磨损试验，试验结果表明本发明制备的铝基复合材料比7A10A1合金耐磨性提高了 19. 4%。
权利要求
1.一种磁场下原位生成的混合颗粒增强耐磨铝基复合材料制备方法，其特征在于包括以下步骤(1)将K2TiF6粉剂预制为粉末添加剂备用；(2)将7系招合金加入樹祸，在闻温下溶融；(3)将粉末添加剂置于高温铝合金熔液中，并向熔液中通入含有氨气的惰性气体，进行原位反应；(4)在坩埚外围加上低频旋转磁场，对反应体系进行处理；(5)将处理后的金属熔液精炼、扒渣、静置，然后浇铸到模具中，得到耐磨铝基复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，原位反应温度为900—1200°C。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的含有氨气的惰性气体中氨气体积分数为20-50%，其流量为50-150ml/min。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的低频旋转磁场的磁场频率为3 Hz，励磁电流为200 A，磁场作用时间为3-7min。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的静置温度为650-750°C，静置的时间为5_15min。
6.一种磁场下原位生成的混合颗粒增强耐磨铝基复合材料，其特征在于通过下述步骤制得(1)将K2TiF6粉剂预制为粉末添加剂备用；(2)将7系招合金加入樹祸，在闻温下溶融；(3)将粉末添加剂置于高温铝合金熔液中，并向熔液中通入含有氨气的惰性气体，进行原位反应；(4)在坩埚外围加上低频旋转磁场，对反应体系进行处理；(5)将处理后的金属熔液精炼、扒渣、静置，然后浇铸到模具中，得到耐磨铝基复合材料。
全文摘要
本申请涉及一种原位生成混合多元增强颗粒耐磨铝基复合材料及其磁场下制备方法，该铝基复合材料以7系铝合金为基体材料，向高温基体溶液中加入K2TiF6粉末添加剂，并通入适量含氨惰性气体，在低频旋转磁场中原位生成多元混合增强颗粒从而制得耐磨铝基复合材料。本发明的铝基复合材料是通过气—液合成技术和磁化学复合技术制备而成的。该复合材料相比原合金不仅在硬度和韧性方面有很大的提高，更使得7系铝合金较好的耐磨性能得到进一步增强。此耐磨复合材料可广泛应用于民用生活与工业生产中，减少材料磨损，延长设备使用寿命，提高了工作效率和经济收益，是一种应用前景广阔的耐磨材料。
文档编号C22C21/00GK102994814SQ20121047876
公开日2013年3月27日 申请日期2012年11月22日 优先权日2012年11月22日
发明者赵玉涛, 焦雷, 李惠, 陈龙 申请人:江苏大学