CN107723496B - 铝硅基复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种铝硅基复合材料的制备方法，其特征在于该复合材料元素组分及其重量百分比如下：Si：5.0～7.0％，Mg：0.5～1.0％，Ti：0.05～0.1％，其余为Al；该复合材料通过如下步骤制备：配料、熔炼、石英砂加入、浇铸、重熔，精炼，浇注等。与现有技术相比，本发明的优点在于：使用廉价石英砂作为制备增强相原料，采用原位合成方法生成Al2O3颗粒增强相，同时完成Si元素原位合金化，大幅度降低了材料制造成本，同时获得的材料又具有良好的抗拉强度和相对延伸率。

Description

铝硅基复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种铝合金材料制备方法，尤其涉及一种铝硅基材料的制备方法。
背景技术
铝基复合材料与传统基体合金材料相比，具有更高的比刚度、比强度、低膨胀系数和优良的耐磨性能，在汽车、交通以及航空航天工艺具有广阔的应用前景。
然而，现阶段很多研究中使用价格昂贵的纤维、晶须作为增强相，提高了材料制造成本，使其大规模工业化应用受到限制。现有技术中公开了一种改进方案，见申请号为03117895.2的中国发明专利申请公开《高强度铝硅合金及其生产方法》(公开号为CN1456698A)，该在铝硅合金中添加了稀土元素来改善铝硅合金性能，并且添加了较高的镁元素，仍然存在合金制备成本高、工艺复杂等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述的技术现状而提供一种成本低且强度高、韧性好、耐磨性优良的铝硅基复合材料的制备方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种铝硅基复合材料的制备方法，其特征在于该复合材料元素组分及其重量百分比如下：Si：5.0～7.0％，Mg：0.5～1.0％，Ti：0.05～0.1％，其余为Al；
该复合材料通过如下步骤制备：
①以重量百分数计算，分别称取相应设计组分的纯铝、纯镁、铝钛中间合金以及纯石英砂，备用；
②将粒度在0.2～0.3mm的石英砂，经水洗后在烘干箱中进行烘干，温度为120～150℃，时间为50～60分钟；
③再将步骤①中准备好的纯铝、铝钛中间合金进行熔炼，将熔炼炉开始加热到700～750℃，然后停止加热；
④控制合金液温度，使熔体温度保持在590～610℃，得到半固态合金液；
⑤将石英砂颗粒加入到步骤④半固态合金液中，进行机械搅拌，使石英砂颗粒均匀分散到半固态合金液中；
⑥浇铸出含石英砂颗粒的铝合金块，作为下一步重熔的原料；
⑦将步骤⑥中的铝合金块重新加热，升温到810～860℃，使熔体完全熔化形成合金液，并保温40～60分钟；
⑧当合金液温度达到730～750℃时，加入占合金液总重量1～1.5％的精炼剂，静置熔体10～15分钟，然后除渣；
⑨精炼完成后，再用钟罩法加入镁，静置熔体5～10分钟，然后浇注；
⑩合金经过固溶处理，在60～75℃水温度淬火，时效处理后即得到铝硅基复合材料。
作为优选，步骤⑤中所述的机械搅拌速度为110～140rpm，机械搅拌时间为30～50min。
作为优选，步骤⑧中所述的精炼剂组分和重量配比如下：
NaCl 0.2～0.3％；
KCl 0.3～0.5％；
Na3AlF6 0.5～0.7％。
作为优选，步骤⑩中所述的固溶处理温度为540℃～560℃，时间为3.5～4.5小时。
作为优选，步骤⑩中所述的时效处理温度为180℃下，时效处理时间为5.5～6.5小时。
与现有技术相比，本发明的优点在于：使用廉价石英砂作为制备增强相原料，大幅度降低了材料制造成本，且不使用大量合金化元素，降低合金成本的同时又具有显著的环保效益，是一种经济、环保又实用的制备方法，整体工艺方法简单，流程短，易于实现工业推广。通过设计Al还原SiO2的原位化学反应，在不高的反应温度下，直接在熔体中实现铝元素还原氧化硅的化学反应，生成亚微米级Al2O3颗粒增强相，界面反应小。由于颗粒增强相是原位合成，结合界面干净，增强相尺寸细小且分布均匀，第二相弥散强化效果显著，从而大幅度提升了铝硅基复合材料的性能。材料抗拉强度σb不低于370MPa，相对延伸率σ不小于3.0％。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
(1)分别称取纯铝26.6kg，纯镁0.2kg，AlTi10中间合金0.15kg，高纯石英砂3.0kg，作为原料备用；
(2)将石英砂经水洗后在烘干箱中烘干，温度为120℃，时间为50分钟；
(3)再将步骤1中准备好的铝、铝钛中间合金加入到石墨坩埚中，将熔炼炉开始加热到700～750℃，然后停止加热；
(4)降低熔炼炉的加热功率，使熔体温度降低到在600℃，此时合金液为半固态；
(5)再将烘干过的石英砂缓慢加入到半固态合金液中，并使用搅拌装置不停地进行机械搅拌，搅拌速度120rpm，搅拌时间40min；
(6)浇铸出含石英砂颗粒的铝熔体若干块，作为制备增强相的原料；
(7)将已制备好的含石英砂的铝合金块放入到坩埚内，开始对合金重新加热，升温到820℃，并持续40～60分钟；
(8)降低合金液温度到730℃，加入占熔体总重量1％的精炼剂，然后静置15分钟待精炼结束，然后除渣。精炼剂组分和重量配比如下：NaCl 0.2％；KCl 0.3％；Na3AlF60.5％。
(9)精炼完成后，再用钟罩法加入镁，静置熔体5～10分钟，然后浇注出炉；(10)合金经过550℃固溶处理4小时，在60～75℃水温度淬火，然后在180℃下时效6小时，出炉。
采用上述方法制备的铝硅基复合材料，经过光谱分析法测定后，合金主要成分含量为：Si：5.2％，Mg：0.6％，Ti：0.06％；材料的抗拉强度可达到384MPa，相对延伸率可达3.4％。
实施例2：
(1)分别称取纯铝25.8kg，纯镁0.25kg，AlTi10中间合金0.225kg，高纯石英砂3.9kg，作为原料备用；
(2)将石英砂经水洗后在烘干箱中烘干，温度为120℃，时间为50分钟；
(3)再将步骤1中准备好的铝、铝钛中间合金加入到石墨坩埚中，将熔炼炉开始加热到700～750℃，然后停止加热；
(4)降低熔炼炉的加热功率，使熔体温度降低到在600℃，此时合金液为半固态；
(5)再将烘干过的石英砂缓慢加入到半固态合金液中，并使用搅拌装置不停地进行机械搅拌，搅拌速度130rpm，搅拌时间45min；
(6)浇铸出含石英砂颗粒的铝熔体若干块，作为制备增强相的原料；
(7)将已制备好的含石英砂的铝合金块放入到坩埚内，开始对合金重新加热，升温到830℃，并持续40～60分钟；
(8)降低合金液温度到730℃，加入占熔体总重量1％的精炼剂，然后静置15分钟待精炼结束，然后除渣，精炼剂组分和重量配比如下：NaCl 0.2％；KCl 0.3％；Na3AlF60.5％。
(9)精炼完成后，再用钟罩法加入镁，静置熔体5～10分钟，然后浇注出炉；(10)合金经过550℃固溶处理4小时，在60～75℃水温度淬火，然后在180℃下时效6小时，出炉。
采用上述方法制备的铝硅基复合材料，经过光谱分析法测定后，合金主要成分含量为：Si：6.2％，Mg：0.82％，Ti：0.07％；其抗拉强度可达到390MPa，相对延伸率可达3.9％。
实施例3：
(1)分别称取纯铝24.9kg，纯镁0.3kg，AlTi10中间合金0.3kg，高纯石英砂4.5kg，作为原料备用；
(2)将石英砂经水洗后在烘干箱中烘干，温度为120℃，时间为50分钟；
(3)再将步骤1中准备好的铝、铝钛中间合金加入到石墨坩埚中，将熔炼炉开始加热到700～750℃，然后停止加热；
(4)降低熔炼炉的加热功率，使熔体温度降低到在600℃，此时合金液为半固态；
(5)再将烘干过的石英砂缓慢加入到半固态合金液中，并使用搅拌装置不停地进行机械搅拌，搅拌速度130rpm，搅拌时间50min；
(6)浇铸出含石英砂颗粒的铝熔体若干块，作为制备增强相的原料；
(7)将已制备好的含石英砂的铝合金块放入到坩埚内，开始对合金重新加热，升温到850℃，并持续40～60分钟；
(8)降低合金液温度到730℃，加入占熔体总重量1.3％的精炼剂，然后静置15分钟待精炼结束，然后除渣，精炼剂组分和重量配比如下：NaCl 0.25％；KCl 0.35％；Na3AlF60.7％。
(9)精炼完成后，再用钟罩法加入镁，静置熔体5～10分钟，然后浇注出炉；(10)合金经过550℃固溶处理4小时，在60～75℃水温度淬火，然后在180℃下时效6小时，出炉。
采用上述方法制备的铝硅基复合材料，经光谱分析法测定，Si：6.9％，Mg：1.0％，Ti：0.1％；其抗拉强度可达到372MPa，相对延伸率可达3.2％。

Claims (3)

1.一种铝硅基复合材料的制备方法，其特征在于该复合材料元素组分及其重量百分比如下：Si：5.0～7.0％，Mg：0.5～1.0％，Ti：0.05～0.1％，其余为Al；
该复合材料通过如下步骤制备：
①以重量百分数计算，分别称取相应设计组分的纯铝、纯镁、铝钛中间合金以及纯石英砂，备用；
②将粒度在0.2～0.3mm的石英砂，经水洗后在烘干箱中进行烘干，温度为120～150℃，时间为50～60分钟；
③再将步骤①中准备好的纯铝、铝钛中间合金进行熔炼，将熔炼炉开始加热到700～750℃，然后停止加热；
④控制合金液温度，使熔体温度保持在590～610℃，得到半固态合金液；
⑤将石英砂颗粒加入到步骤④半固态合金液中，进行机械搅拌，使石英砂颗粒均匀分散到半固态合金液中；
⑥浇铸出含石英砂颗粒的铝合金块，作为下一步重熔的原料；
⑦将步骤⑥中的铝合金块重新加热，升温到810～860℃，使熔体完全熔化形成合金液，并保温40～60分钟；
⑧当合金液温度达到730～750℃时，加入占合金液总重量1～1.5％的精炼剂，静置熔体10～15分钟，然后除渣；
⑨精炼完成后，再用钟罩法加入纯镁，静置熔体5～10分钟，然后浇注；
⑩合金经过固溶处理，在60～75℃温度的水中淬火，时效处理后即得到铝硅基复合材料；
步骤⑩中所述的固溶处理温度为540℃～560℃，时间为3.5～4.5小时；
步骤⑩中所述的时效处理温度为180℃条件下，时效处理时间为5.5～6.5小时。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤⑤中所述的机械搅拌速度为110～140rpm，机械搅拌时间为30～50min。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤⑧中所述的精炼剂组分和重量配比如下：
NaCl 0.2～0.3％；
KCl 0.3～0.5％；
Na3AlF6 0.5～0.7％。
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