一种陶瓷增强层状Al基复合材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及金属基复合材料领域，尤其是涉及一种陶瓷增强层状al基复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、由于环保和节能的需要，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。在汽车制动设备中，制动盘与摩擦片配合，将来自驾驶员的踏板力转化为阻止车辆运动的制动力，使得车辆减速或停止。制动盘是盘式制动器的摩擦偶件，在工作时不仅受到制动块施加的很大法向力和切向力，而且还承受比制动鼓大得多的热负荷，其表面最高温度可达到800℃，故其应具有作为构件所需要的强度和刚度外，还需有尽可能高而稳定的摩擦系数，以及适当的耐磨性、耐热性、散热性和热容量等。在现有技术中比较常见的制动盘材质是铸铁，但是铸铁材料的密度比较大，不利于减轻车身的整体质量，而且铸铁的耐腐蚀性较差。

2、铝是一种轻质、耐腐蚀、导热性能良好的金属，通过加入其他合金元素，铝合金具有较高的机械强度和优良的耐腐蚀性。铝及铝合金是目前应用最广泛的金属材料之一，但是其耐热性和耐磨性能较差，将其应用于车辆制动盘等关键零部件时有很大的局限性。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种陶瓷增强层状al基复合材料及其制备方法和应用，本发明具体包括以下内容：

2、一种陶瓷增强层状al基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

3、(1)制备陶瓷增强熔体：将基体材料加入到第一熔炼炉中，升温熔融，然后除气、精炼，得到基体材料熔体；在保护气氛围中，边搅拌基体材料熔体边向其中加入陶瓷颗粒，得到陶瓷增强熔体；所述基体材料为纯铝、6061合金、或4032合金中的一种，所述陶瓷颗粒为b4c、sic或al2o3粉末中的一种或几种；

4、(2)制备基底熔体：将基底材料加入到第二熔炼炉中，升温熔融，然后除气、精炼，得到基底熔体；所述基底材料为纯铝、6061合金、或4032合金中的一种；

5、(3)浇注：将步骤(1)得到的陶瓷增强熔体倒入浇筑模具中，降温10-30s，待所述陶瓷增强熔体降温至570℃-630℃，形成半固态时，倒入步骤(2)得到的基底熔体，完成浇注，得到陶瓷增强层状al基复合材料坯料；

6、(4)形变处理：将步骤(3)得到的陶瓷增强层状al基复合材料坯料冷却，冷却过程中对其进行形变处理，得到陶瓷增强层状al基复合材料。

7、优选的，步骤(1)所述陶瓷增强熔体中陶瓷颗粒的含量为11.5-15.5wt％。

8、优选的，所述陶瓷颗粒的平均粒度为5-50μm；本发明所述基体材料为陶瓷增强层中的铝或铝合金基体材料；所述基底材料为基底层所用的材料，在本发明中，所述基体材料和基底材料的种类和成分保持一致。

9、优选的，步骤(1)：所述熔融温度为730-780℃；所述保护气为氮气；所述搅拌方式为机械搅拌，所述搅拌转速为120-200r/min，边搅拌边加入陶瓷颗粒，待陶瓷颗粒添加完成后，继续搅拌15-25min，得到陶瓷增强熔体。

10、优选的，步骤(2)所述熔融温度为730-780℃。

11、优选的，步骤(3)将陶瓷增强熔体倒入浇筑模具之前，还包括将浇筑模具预热至400-500℃；所述降温时间为10-30s。

12、优选的，步骤(4)所述形变处理的方法为：待步骤(3)得到的陶瓷增强层状al基复合材料坯料自然冷却至300-400℃时，启动压力机下压所述坯料，下压量控制在3％-5％，然后保温保压15-30min，最后自然冷却至室温，得到所述陶瓷增强层状al基复合材料。

13、一种采用所述的制备方法制备得到的陶瓷增强层状al基复合材料，包括基底层和陶瓷增强层，所述基底层和陶瓷增强层的体积比为(3-5):1；所述基底层的材料为纯铝、6061合金、或4032合金中的一种；所述陶瓷增强层的成分和质量百分含量为：11.5-15.5％的陶瓷颗粒、余量为基体材料。

14、优选的，所述基底层和陶瓷增强层之间的界面连接强度＞490mpa，所述材料的抗拉强度＞500mpa、屈服强度＞390mpa。

15、一种采用所述的制备方法制备得到的陶瓷增强层状al基复合材料在汽车中的应用。

16、本发明所述的陶瓷增强层状al基复合材料中，陶瓷增强层是最重要的功能层，主要承担着高硬度、高耐热、高耐磨性；基底层是主要的结构层，发挥着重要的强度特性。本方案中，所述陶瓷增强层中的基体材料与基底层材料的选材一致且陶瓷增强层中陶瓷颗粒含量较低，两层材料通过搅拌熔铸的方法结合时，具有良好的界面相容性。

17、本发明所述制备方法是本发明实现的重要手段，通过合理控制熔体温度和搅拌速度，陶瓷颗粒均匀的分散在铝或铝合金中。氮气具有良好的纯度和稳定性，在氮气气氛的保护下，可以防止铝或铝合金的表面氧化和腐蚀，同时也可以控制合金元素的扩散，保证材料制备的纯度，降低熔体中气体和杂质含量。

18、浇注是本发明实现的重要步骤，将陶瓷增强层熔体倒入铸型中，待其降温形成半固态时，其表面会形成一层固化模，本方案通过缓慢加入温度较高的基底层材料铝或铝合金熔体，高温的铝或铝合金熔体在接触陶瓷增强层的固化模时，固化模被瞬间融化，在液体的直接凝固过程中，由于陶瓷增强层与基底层成分相近，铝基体相连，两者间有良好的相容性，界面结合牢固。

19、形变处理是实现本发明方案的重要操作。本方案涉及基底层和陶瓷增强层之间的界面结合，又涉及陶瓷增强层陶瓷颗粒与铝基体间的结合，材料之间存在界面不匹配性。通过形变处理，对坯料施加一个压力，可有效提高其致密度及界面连接强度。

20、本发明的有益效果：

21、(1)本发明提供了一种陶瓷增强层状al基复合材料，将铝或铝合金与铝基复合材料通过搅拌铸造的方式结合起来，制备的陶瓷增强层状al基复合材料力学性能优异，耐热、耐磨性能良好，可用于汽车制动盘等多种零部件。

22、(2)本发明综合考虑搅拌铸造加工工艺的特点，保证陶瓷增强层状al基复合材料的界面结合性。当陶瓷增强层形成半固态时，将基底层熔体缓慢倒入模具中，陶瓷增强层的界面瞬间熔化，液体直接凝固过程中，陶瓷增强层与基底层间的铝基体相连，其抗剪切能力很强，界面载荷传递有效性高。

23、(3)本发明设备成本低且工艺简单，材料的生产成本低，可实现产业化。

技术特征：

1.一种陶瓷增强层状al基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种陶瓷增强层状al基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述陶瓷增强熔体中陶瓷颗粒的含量为11.5-15.5wt％。

3.根据权利要求1所述的一种陶瓷增强层状al基复合材料的制备方法，其特征在于，所述陶瓷颗粒的平均粒度为5-50μm；所述基体材料与基底材料的种类相同。

4.根据权利要求1所述的一种陶瓷增强层状al基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)：所述熔融温度为730-780℃；所述保护气为氮气；所述搅拌方式为机械搅拌，所述搅拌转速为120-200r/min，边搅拌边加入陶瓷颗粒，待陶瓷颗粒添加完成后，继续搅拌15-25min，得到陶瓷增强熔体。

5.根据权利要求1所述的一种陶瓷增强层状al基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述熔融温度为730-780℃。

6.根据权利要求1所述的一种陶瓷增强层状al基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)将陶瓷增强熔体倒入浇筑模具之前，还包括将浇筑模具预热至400-500℃。

7.根据权利要求1所述的一种陶瓷增强层状al基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述形变处理的方法为：待步骤(3)得到的陶瓷增强层状al基复合材料坯料自然冷却至300-400℃时，启动压力机下压所述坯料，下压量控制在3％-5％，然后保温保压15-30min，最后自然冷却至室温，得到所述陶瓷增强层状al基复合材料。

8.一种采用权利要求1-7任一项所述的制备方法制备得到的陶瓷增强层状al基复合材料，其特征在于，包括基底层和陶瓷增强层，所述基底层和陶瓷增强层的体积比为(3-5):1；所述基底层的材料为纯铝、6061合金、或4032合金中的一种；所述陶瓷增强层的成分和质量百分含量为：11.5-15.5％的陶瓷颗粒、余量为基体材料。

9.根据权利要求8所述的一种陶瓷增强层状al基复合材料，其特征在于，所述基底层和陶瓷增强层之间的界面连接强度＞490mpa，所述材料的抗拉强度＞500mpa、屈服强度＞390mpa。

10.一种采用权利要求1-7任一项所述的制备方法制备得到的陶瓷增强层状al基复合材料在汽车中的应用。

技术总结
本发明涉及金属基复合材料领域，尤其是涉及一种陶瓷增强层状Al基复合材料及其制备方法和应用，将铝或铝合金与铝基复合材料通过搅拌铸造的方式结合起来，制备的陶瓷增强层状Al基复合材料力学性能优异，耐热、耐磨性能良好，可用于汽车制动盘等多种零部件。本发明综合考虑搅拌铸造加工工艺的特点，保证陶瓷增强层状Al基复合材料的界面结合性。当陶瓷增强层形成半固态时，将基底层熔体缓慢倒入模具中，陶瓷增强层的界面瞬间熔化，液体直接凝固过程中，陶瓷增强层与基底层间的铝基体相连，其抗剪切能力很强，界面载荷传递有效性高。本发明设备成本低且工艺简单，材料的生产成本低，可实现产业化。

技术研发人员：黄铁明,池海涛,黄小娟
受保护的技术使用者：福建祥鑫股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/29