CN1381322A - 颗粒增强铝合金基功能负梯度复合管的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及功能梯度复合材料,具体地说是一种颗粒增强铝合金基功能负梯度复合管的制备方法。它采用液态法制备浆体,通过控制感应炉的供电功率,使富集颗粒的浆体沉集于坩埚的底部,然后直接浇铸,利用水平式离心铸造机成型,制备出颗粒(颗粒密度大于基体铝合金的密度)增强铝合金基功能负梯度复合管。它在颗粒密度大于基体铝合金的条件下,使颗粒的体积百分数从复合管的外表面至内表面增加,使内层具有良好的耐磨、耐蚀性以及热膨胀系数低的优点。
Description
本发明涉及功能梯度复合材料，具体地说是一种颗粒增强铝合金基功能负梯度复合管的制备方法。
功能梯度材料是一位日本科学家新野正之在《材料基础》1987，卷10，页31(M.Niino：Funct.Mater.，1987，vol.10，p.31)中提出的一种新型复合材料，目前关于制备SiC或Al2O3等密度大于基体铝合金的颗粒增强铝合金基功能梯度复合管采用离心铸造法，根据胡克雅史、瓦特博雅史，《冶金及材料汇刊A》，1996，卷27A，页4145(Y.Fukui，and Y.Watanabe：Metall.Mater.TransA.，1996，vol.27A，p4145)和刘清民、焦玉宁、杨院生、胡壮麒，《冶金材料汇刊B》，1996，卷27B，页1025(Q.M.Liu，Y.N.Jiao，Y.S.Yang，and Z.Q.Hu：Metall.Mater.Trans B.，1996，vol.27B，p1025)报道，其产品为外表面铺设一层密度大于基体铝合金的颗粒增强复合材料的结构，铸管中的颗粒体积百分数从复合管的外表面至内表面是逐渐降低的，本发明申请称之为一种功能正梯度复合管，这种复合管虽在外表面具有良好的性能，但由于内表面没进行处理，所以其内表面性能的不足影响了产品的应用。目前已有人将密度小于基体铝合金的石墨加入到内表面，但只能起到润滑等作用。在颗粒密度大于基体铝合金的条件下，采用离心铸造法所制备的复合管，颗粒体积百分数从外表面至内表面是逐渐升高的情况还未见报道。
本发明的目的是提供一种在颗粒密度大于基体铝合金的条件下，使颗粒的体积百分数从复合管的外表面至内表面是增加的颗粒增强铝合金基功能负梯度复合管的制备方法。
本发明的技术方案是采用非真空感应炉，水平式离心铸造机，其具体制备工艺过程如下：
1.在非真空感应炉中将铝合金基体和密度大于基体铝合金的颗粒，采用无旋涡法制备成浆体，温度控制在1003～1023K范围，使所述浆体中颗粒与基体铝合金已经润湿且具有良好的接触界面，然后降温使浆体处于半固态；
2.将准备好的所述浆体在非真空感应炉中加热，采用大功率快速升温(升温速度为8～10K/分钟)的方式使富集颗粒的浆体沉积到坩埚的底部，当温度上升至1023～1043K时降低功率保温，等待浇铸；
3.将浇道预热至873～1073k；
4.启动离心铸造机，铸模不预热，根据管径和壁厚确定铸机转速；
5.在带电的情况下，直接将步骤2制备好的浆体浇入铸机，制得密度大于基体铝合金的颗粒增强的功能负梯度复合管，密度大于基体铝合金的颗粒在复合管内层富集。
所述基体铝合金为铸造铝合金或变形铝合金；密度大于基体铝合金的颗粒为SiC、Al2O3或ZrO2等，直径为3.5μm～100μm。
本发明具有如下优点：
本发明利用非真空感应炉加热和水平式离心铸造机成型，使密度大于基体铝合金(铸造铝合金或变形铝合金)的颗粒(SiC、Al2O3、ZrO2等)分布在铸管的内层，使内层具有高强度、高硬度，热膨胀系数低以及良好的耐磨、耐蚀性等。而外层由于颗粒贫集，具有良好的韧性和塑性，对内层有支撑和缓冲的作用，即材料具有梯度性能，与现有技术相比，颗粒体积百分数沿复合管径向从外表面至内表面是呈提高趋势的。可应用在内层需要良好耐磨性和热膨胀系数低的高温、磨损量大和外层并不要求良好耐磨性和热膨胀系数低的场合，如汽车活塞采用均质材料，由于热应力作用，易使内表面发生裂纹，采用本发明可达到理想效果。
图1为本发明实施例1颗粒增强铝合金基功能负梯度复合管四分之一横截面的低倍相(灰色部分为SiC颗粒富集层)。
图2为本发明实施例1颗粒增强铝合金基功能负梯度复合管八分之一纵截面的低倍相(灰色部分为SiC颗粒富集层)。
图3为本发明实施例1颗粒增强铝合金基功能负梯度复合管试样显微硬度及SiC颗粒体积百分数沿径向的变化曲线(复合管内表面为坐标原点)。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
采用非真空中频感应炉，水平式离心铸造机，在非真空中频感应炉中将铝合金基体(ZL109铸造铝合金)和密度大于基体铝合金的直径为10μm的SiC颗粒，采用无旋涡法制备成浆体，温度控制在1003K，使颗粒与基体铝合金已经润湿且有良好的接触界面，然后降温至963K，并使浆体处于半固态；将所述的浆体在非真空感应炉中加热，采用大功率(升温速度约9K/分钟)快速升温的方式使温度上升至1023K时启动离心铸造机，铸机转速为1800转/分钟，浇道预热至873K；铸模不预热；在带电的情况下，直接将制备好的浆体浇入铸机；制得SiC颗粒(10μm)增强的功能负梯度复合管，复合管管壁厚约16mm，管外径80mm，长94mm。
对本发明沿复合管轴向截取约四分之一后，沿复合管径向和轴向进行机械抛光，得出复合管横截面和纵截面低倍相，如图1和图2所示，图中灰色区域为颗粒富集区，白色区域为颗粒贫集区。采用计算机图象分析法，对颗粒(SiC，10μm)增强功能负梯度复合管沿径向的颗粒体积百分数进行测量，其结果(图3下)表明：颗粒体积百分数沿复合管径向从外表面至内表面是呈升高趋势的，也就是说，颗粒富集区位于复合管的内层，其显微硬度(图3上)与颗粒体积百分数的分布有相似的变化趋势。
实施例2
与实施例1不同之处在于：
在非真空中频感应炉中将铝合金基体(LY12变形铝合金)和密度大于基体铝合金的直径为3.5μm的Al2O3颗粒，采用无旋涡法制备成浆体，温度控制在1023K，使颗粒与基体铝合金已经润湿且有良好的接触界面，然后降温至973K，并使浆体处于半固态；将所述的浆体在非真空感应炉中加热，采用大功率(升温速度约8K/分钟)快速升温的方式使温度上升至1033K时降低功率保温，等待浇铸；浇道预热至973K；启动离心铸造机，铸机转速为1800转/分钟，铸模不预热；在带电的情况下，直接将制备好的浆体浇入铸机；制得Al2O3颗粒(3.5μm)增强的功能负梯度复合管，复合管管壁厚约16mm，管外径80mm，长94mm。
实施例3
与实施例1不同之处在于：
在非真空中频感应炉中将铝合金基体(ZL109铸造铝合金)和密度大于基体铝合金的直径为50μm的ZrO2颗粒，采用无旋涡法制备成浆体，温度控制在1013K，使颗粒与基体铝合金已经润湿且有良好的接触界面，然后降温至983K，并使浆体处于半固态；将所述的浆体在非真空中频感应炉中加热，采用大功率(升温速度约10K/分钟)快速升温的方式使温度上升至1043k时降低功率保温，等待浇铸；浇道预热至1073k；启动离心铸造机，铸机转速为1800转/分钟，铸模不预热；在带电的情况下，直接将制备好的浆体浇入铸机，制得ZrO2颗粒(50μm)增强的功能负梯度复合管，复合管管壁厚约16mm，管外径80mm，长94mm。
Claims (3)
1.一种颗粒增强铝合金基功能负梯度复合管的制备方法，其特征在于：采用非真空感应炉，水平式离心铸造机，其具体制备工艺过程如下：
1)在非真空感应炉中将铝合金基体和密度大于基体铝合金的颗粒，采用无旋涡法制备成浆体，温度控制在1003～1023K范围，使所述浆体中颗粒与基体铝合金已经润湿且具有良好的接触界面，然后降温使浆体处于半固态；
2)将准备好的所述浆体在非真空感应炉中加热，采用大功率快速升温的方式使富集颗粒的浆体沉积到坩埚的底部，升温速度为8～10K/分钟，当温度上升至1023～1043K时降低功率保温，等待浇铸；
3)将浇道预热至873～1073k；
4)启动离心铸造机，铸模不预热，根据管径和壁厚确定铸机转速；
5)在带电的情况下，直接将步骤2制备好的浆体浇入铸机，制得密度大于基体铝合金的颗粒增强的功能负梯度复合管，密度大于基体铝合金的颗粒在复合管内层富集。
2.按照权利要求1所述颗粒增强铝合金基功能负梯度复合管的制备方法，其特征在于：所述基体铝合金为铸造铝合金或变形铝合金。
3.按照权利要求1所述颗粒增强铝合金基功能负梯度复合管的制备方法，其特征在于：密度大于基体铝合金的颗粒为SiC、Al2O3或ZrO2，直径为3.5μm～100μm。
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