CN111378856B - 一种***包覆纯铝层的b4c增强铝基棒材及其制备方法 - Google Patents
一种***包覆纯铝层的b4c增强铝基棒材及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明为一种***包覆纯铝层的B4C增强铝基棒材及其制备方法，该棒材中心部分为B4C增强铝基复合材料，其中含有5～15wt.％均匀分布的纳米级B4C颗粒，尺寸为30nm～80nm，***包覆纯铝。该制备方法为：首先将B4C颗粒和铝粉均匀混合放入包套中抽真空，在氩气氛围中烧结成棒材，去除表面氧化层，再将此棒材作为砂型铸造的型芯，并将680℃～750℃熔融铝液浇注进去，水冷后使铸件与型芯成为整体，清洁表面后旋锻加工，获得***包覆纯铝层的B4C增强铝基棒材。本发明的制备方法工艺简单，周期短，原料利用率高，制备的棒材强度高于普通纯铝或铝合金棒材，且同时保持较高的塑性韧性，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属复合材料领域，特别涉及一种***包覆纯铝层的B4C增强铝基棒材及其制备方法。
背景技术
传统的纯铝或铝合金棒材由于其密度低、塑性好、易加工等优点被广泛应用，如1050 铝棒、2024铝棒、4A01铝棒等，但是低强度问题限制了其在许多领域的应用。面对材料的要求日益提高，朝轻质和高强的趋势发展，传统单一的金属材料已经无法满足这种需求，所以复合化是一个材料的重要发展方向，以轻质金属为基体添加强化相是复合化的一个重要方向。
颗粒增强铝基复合材料是铝基复合材料中的一个主要体系，主要通过添加如B4C、SiC、Al2O3、TiC、TiB2等硬质颗粒，其中B4C密度为2.51g.cm-1，比SiC、Al2O3、Al2O3、 TiC、TiB2等都低，是密度最小的常用陶瓷材料，同时B4C的硬度非常高，符合轻质化需求。例如，公开号为CN104138921A的中国专利公开了一种原位自生铝基复合材料棒材制备方法，得到拉伸强度为415MPa，断裂延伸率为2.5％的铝基复合材料棒材。该材料存在以下不足：虽然强度大幅度提高，但是塑性损失过于严重，使其成为脆性材料，这种棒材虽然强度明显高于普通纯铝或铝合金棒材，但是满足不了高塑性韧性的要求，而且制备工序繁琐复杂，制造周期冗长。
发明内容
本发明目的在于克服目前上述现有铝棒材的不足，提供一种***包覆纯铝层的B4C 增强铝基棒材及其制备方法。
实现本发明目的通过以下技术方案：
一种***包覆纯铝层的B4C增强铝基棒材，该棒材中心部分为B4C增强铝基复合材料，其中含有5～15wt.％的纳米B4C颗粒，***包覆着纯铝；铝环宽度与心部复合材料半径比值约为1:2～1:1。
进一步的，棒材长度范围0.5m～2m，半径范围10mm～30mm。
***包覆纯铝层的B4C增强铝基棒材的制备方法，包括以下具体步骤：
准备棒材中心部分的原料B4C颗粒粉末、铝粉与纯铝；将B4C粉末和铝粉混合均匀后烧结成B4C增强铝基棒材；制作圆环柱木模后，将木模和B4C增强铝基棒材套起来成两端对称，分型面过其轴线，用型砂制作成铸型，将B4C增强铝基棒材作为型芯放入铸型中，熔融铝液浇注后并水冷；放入旋锻机中旋锻，得到***包覆纯铝层的B4C增强铝基棒材。
进一步的，B4C颗粒粉末纯度≥99.5％和尺寸为30nm～80nm，铝粉纯度≥99.7％和尺寸为50μm～100μm，***部分原料纯铝为纯度≥99.7％的纯铝。
进一步的，B4C增强铝基棒材烧结步骤具体为：将B4C粉末和铝粉混合均匀后放入包套中，抽真空后放入热等静压机中，在氩气氛围中，100MPa～200MPa和550℃～650℃的压力及温度下保温保压2～4小时烧结成材，之后用钢刷去除表面氧化层。
进一步的，制作的圆环柱木模，确保木模内径与(2)中B4C增强铝基棒材半径相同，环宽与其半径比值为1.1:2～1.1:1，长度比其小80mm～150mm。
进一步的，熔融铝液浇注后并水冷具体过程为：将680℃～750℃熔融铝液浇注进去，水冷后取出，并用钢刷清洁表面。
与现有技术相比，本发明具有显著优点：
(1)本发明采用热等静压、砂型铸造和旋锻工艺组合制备，制品致密性好，工艺简单易操作，成本低。
(2)本发明可以通过改变B4C颗粒的配比及铝环宽度与心部复合材料半径比值来调控棒材的强韧性，以符合不同的使用需求。
(3)本发明制备的棒材在具有高强度的同时，还能保持良好的塑性韧性。
(4)本发明的制备方法绿色环保，且材料利用率高。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明：
实施例1
(1)准备棒材中心部分的原料：纯度≥99.5％和尺寸为30nm～80nm的B4C颗粒粉末5wt.％，纯度≥99.7％和尺寸为50μm～100μm的铝粉95wt.％。***部分原料为纯度≥99.7％的纯铝。
(2)将B4C粉末和铝粉混合均匀后放入包套中，抽真空后放入热等静压机中，在氩气氛围中，在100MPa和550℃的压力和温度下保温保压2小时烧结成材，之后用钢刷去除表面氧化层。
(3)制作一个圆环柱木模：内径与(2)中所得材料半径相同，环宽与其半径比值为1.1:1，长度比其小80mm～150mm。然后把木模和(2)中所得材料套起来成两端对称，分型面过其轴线，用型砂制作成铸型，将(2)中得到的棒材作为型芯放入铸型中，然后将750℃熔融铝液浇注进去，水冷后取出，用钢刷清洁表面。
(4)将(3)中所得材料放入旋锻机中旋锻，送进速率800mm/min，旋转速率 15r/min，断面收缩率30％。
所制备的环形层状B4C增强铝基棒材组成为：
中心部分为B4C增强铝基复合材料，其中含有5wt.％的纳米B4C颗粒，***包覆着纯铝，铝环宽度与心部复合材料半径比值约为1:1。
实施例2
(1)准备棒材中心部分的原料：纯度≥99.5％和尺寸为30nm～80nm的B4C颗粒粉末10wt.％，纯度≥99.7％和尺寸为50μm～100μm的铝粉90wt.％。***部分原料为纯度≥99.7％的纯铝。
(2)将B4C粉末和铝粉混合均匀后放入包套中，抽真空后放入热等静压机中，在氩气氛围中，在150MPa和600℃的压力和温度下保温保压3小时烧结成材，之后用钢刷去除表面氧化层。
(3)制作一个圆环柱木模：内径与(2)中所得材料半径相同，环宽与其半径比值为1.1:1.5，长度比其小80mm～150mm。然后把木模和(2)中所得材料套起来成两端对称，分型面过其轴线，用型砂制作成铸型，将(2)中得到的棒材作为型芯放入铸型中，然后将720℃熔融铝液浇注进去，水冷后取出，用钢刷清洁表面。
(4)将(3)中所得材料放入旋锻机中旋锻，送进速率1000mm/min，旋转速率 20r/min，断面收缩率20％。
所制备的环形层状B4C增强铝基棒材组成为：
中心部分为B4C增强铝基复合材料，其中含有10wt.％的纳米B4C颗粒，***包覆着纯铝，铝环宽度与心部复合材料半径比值约为1:1.5。
实施例3
(1)准备棒材中心部分的原料：纯度≥99.5％和尺寸为30nm～80nm的B4C颗粒粉末15wt.％，纯度≥99.7％和尺寸为50μm～100μm的铝粉85wt.％。***部分原料为纯度≥99.7％的纯铝。
(2)将B4C粉末和铝粉混合均匀后放入包套中，抽真空后放入热等静压机中，在氩气氛围中，在200MPa和650℃的压力和温度下保温保压4小时烧结成材，之后用钢刷去除表面氧化层。
(3)制作一个圆环柱木模：内径与(2)中所得材料半径相同，环宽与其半径比值为1.1:2，长度比其小80mm～150mm。然后把木模和(2)中所得材料套起来成两端对称，分型面过其轴线，用型砂制作成铸型，将(2)中得到的棒材作为型芯放入铸型中，然后将680℃熔融铝液浇注进去，水冷后取出，用钢刷清洁表面。
(4)将(3)中所得材料放入旋锻机中旋锻，送进速率1200mm/min，旋转速率 25r/min，断面收缩率10％。
制备的环形层状B4C增强铝基棒材组成为：
中心部分为B4C增强铝基复合材料，其中含有15wt.％的纳米B4C颗粒，***包覆着纯铝，铝环宽度与心部复合材料半径比值约为1:2。
利用本发明的方法制备出的***包覆纯铝层的B4C增强铝基棒材并非普通的纯铝棒材或铝合金棒材，也不是强化颗粒均匀分布的铝基棒材，而是分层的异构棒材。棒材中间的B4C颗粒增强铝基复合材料由于B4C颗粒的加入并且均匀分布在铝基体中，位错密度大量增加，材料的强度有大幅度提升，而且裂纹扩展路径会因B4C颗粒阻碍而延长，同时铝基的含量较大，也能保持良好的塑性韧性。***的纯铝经过旋锻后，晶粒尺寸变小，在塑性略有下降的情况下，强度会有所提升。这种棒材整体强度就高于普通铝棒，而且弯曲变形情况下(中心变形量少，***变形量大)，中心“硬”，***“软”的形式正好符合弯曲变形，同时中心部分的B4C颗粒对裂纹向中心扩展有较好的阻碍作用。此外，热等静压、砂型铸造和旋锻工艺都较为简便，成本较低，所以此棒材适用于工业化生产。
Claims (7)
1.一种***包覆纯铝层的B4C增强铝基棒材，其特征在于，该棒材中心部分为B4C增强铝基复合材料，其中含有5~15 wt.%的纳米B4C颗粒，***包覆着纯铝；铝环宽度与心部复合材料半径比值为1:2~1:1；该棒材通过如下步骤制得：
（1）准备棒材中心部分的原料B4C颗粒粉末、铝粉与纯铝；
（2）将B4C粉末和铝粉混合均匀后烧结成B4C增强铝基棒材；
（3）制作圆环柱木模后，将木模和B4C增强铝基棒材套起来成两端对称，分型面过其轴线，用型砂制作成铸型，将B4C增强铝基棒材作为型芯放入铸型中，熔融铝液浇注后并水冷；
（4）放入旋锻机中旋锻，得到***包覆纯铝层的B4C增强铝基棒材。
2.根据权利要求1所述的***包覆纯铝层的B4C增强铝基棒材，其特征在于，所述的棒材长度范围0.5m~2m，半径范围10mm~30mm。
3.一种基于权利要求1-2任一项所述的***包覆纯铝层的B4C增强铝基棒材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）准备棒材中心部分的原料B4C颗粒粉末、铝粉与纯铝；
（2）将B4C粉末和铝粉混合均匀后烧结成B4C增强铝基棒材；
（3）制作圆环柱木模后，将木模和B4C增强铝基棒材套起来成两端对称，分型面过其轴线，用型砂制作成铸型，将B4C增强铝基棒材作为型芯放入铸型中，熔融铝液浇注后并水冷；
（4）放入旋锻机中旋锻，得到***包覆纯铝层的B4C增强铝基棒材。
4.根据权利要求3所述的***包覆纯铝层的B4C增强铝基棒材的制备方法，其特征在于，所述的B4C颗粒粉末纯度≥99.5%和尺寸为30nm~80nm，铝粉纯度≥99.7%和尺寸为50μm~100μm，***部分原料纯铝为纯度≥99.7%的纯铝。
5.根据权利要求3所述的***包覆纯铝层的B4C增强铝基棒材的制备方法，其特征在于，B4C增强铝基棒材烧结步骤具体为：将B4C粉末和铝粉混合均匀后放入包套中，抽真空后放入热等静压机中，在氩气氛围中，100MPa~200MPa和550℃~650℃的压力及温度下保温保压2~4小时烧结成材，之后用钢刷去除表面氧化层。
6.根据权利要求3所述的***包覆纯铝层的B4C增强铝基棒材的制备方法，其特征在于，制作的圆环柱木模，确保木模内径与（2）中B4C增强铝基棒材半径相同，环宽与其半径比值为1.1:2 ~1.1:1，长度比其小80mm~150mm。
7.根据权利要求3所述的***包覆纯铝层的B4C增强铝基棒材的制备方法，其特征在于，熔融铝液浇注后并水冷具体过程为：将680℃~750℃熔融铝液浇注进去，水冷后取出，并用钢刷清洁表面。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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Effective date of registration: 20230410 Address after: No. 9 Fengming Avenue, Wanjiang Jiangnan Emerging Industry Concentration Zone, Guichi District, Chizhou City, Anhui Province, 247124 Patentee after: Anhui Wanfeng precision aluminum Technology Co.,Ltd. Address before: 210094 No. 200, Xiaolingwei, Jiangsu, Nanjing Patentee before: NANJING University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
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Denomination of invention: A B4C reinforced aluminum based rod with a pure aluminum coating on the periphery and its preparation method Granted publication date: 20210910 Pledgee: China Postal Savings Bank Limited by Share Ltd. Chizhou branch Pledgor: Anhui Wanfeng precision aluminum Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2024980020885 |