一種壓布腳的製作方法

2023-04-22 17:40:41 1

本發明屬於紡織技術領域，涉及一種縫紉機零部件，尤其涉及一種壓布腳。

背景技術：

壓布腳，又稱壓腳，是縫紉機在縫料表面上施加壓力的構件。在長期服役後，壓布腳的主要損壞形式為疲勞斷裂、過量磨損、變形等。因此，設計初期，壓布腳的工作條件要求其具有較高的強度、耐磨性和抗疲勞性能，又要求具有足夠的鋼性和韌性等。

目前，傳統的壓布腳的加工工藝中其材料一般採用調質鋼、鋁合金等。其中，鋁合金材料的密度低，強度接近或超過優質鋼，塑性好，導熱性和耐蝕性優良，且易於加工，是目前製備縫紉機配件的主要材料之一。經過長期發展，採用鋁合金材料製備縫紉機零配件已經處於一種穩定的狀態，在技術上已經難以突破。因此，在現有技術基礎上，採用傳統鋁合金製備，難以獲得一種綜合性能得以突破的壓布腳。

技術實現要素：

本發明的目的是針對現有技術中存在的上述問題，提出了一種採用泡沫碳骨架增強鋁基複合材料製成的，綜合性能更優的壓布腳。

本發明的目的可通過下列技術方案來實現：一種壓布腳，所述壓布腳由泡沫碳骨架增強鋁基複合材料製成，所述泡沫碳骨架增強鋁基複合材料主要由體積比為30-50％的泡沫碳骨架和餘量的鋁合金基體通過壓力熔滲複合而成。

在上述的一種壓布腳中，所述泡沫碳骨架增強鋁基複合材料包括體積比為5-15％的超硬耐磨顆粒與體積比為30-50％的泡沫碳骨架、35-65％的鋁合金基體通過壓力熔滲複合而成。

本發明壓布腳採用泡沫碳骨架增強鋁基複合材料製成，其中，泡沫碳是一種由孔泡和相互連接的孔泡壁組成的具有三維網狀結構的輕質多孔材料，除具有碳材料的常規性能外，泡沫碳還具有密度小、強度高、抗熱震、易加工等特性和良好的物理和化學性能，通過與鋁合金材料複合，可以獲得高性能的結構性材料。與傳統晶須、顆粒等增強鋁合金材料相比，它們具有更高的機械強度和韌性，而且，在長期服役過程中，不會像顆粒、晶須增強的鋁基複合材料一樣，增強體存在容易從基體中拔出、脫落，磨屑形成硬磨粒的缺陷。因此，本發明泡沫碳骨架增強鋁基複合材料製成的壓布腳具有更好的綜合性能。

在上述的一種壓布腳中，所述泡沫碳骨架的孔徑為100-300μm，開孔率為80-90％。

作為優選，所述泡沫碳骨架表面形成有強化層，所述強化層為金屬及其化合物層，強化層通過化學氣相滲透或沉積法得到。在泡沫碳表面形成強化層既可以提高泡沫碳的抗氧化、耐磨蝕等性能，又可以提高泡沫碳的強度等力學性能。

在上述的一種壓布腳中，所述鋁合金基體由以下質量百分比成分組成：Si：0.4-0.8％，Mg：0.8-1.2％，Mn：0.13-0.17％，Cr：0.08-0.22％，Cu：0.11-0.16％，Zn：0.18-0.22％，Zr：0.12-0.15％，Ti：0.11-0.15％，Sc：0.03-0.05％，Sb：0.06-0.1％，Ba：0.3-0.5％，稀土元素：0.01-0.02％，Hf：0.1-0.2％，Fe＜0.025％，餘量為Al以及不可避免的雜質元素。

本發明鋁合金基體的主要合金元素是鎂與矽，可以形成Mg2Si相，Mg2Si相固溶於鋁中，是鋁合金的強化相。另外，本發明採用的是壓力熔滲複合技術，合金元素Si和Mg能破壞氧化鋁膜，縮短浸滲過程的孕育期。而微量的錳與鉻用於中和鐵的壞作用，微量的銅和鋅用於提高鋁合金基體的強度，微量的鋯和鈦用於細化晶粒與控制再結晶組織。使鋁合金具有較好強度、抗腐蝕性等性能。

另外，本發明還添加了微量的Sc，微量的Sc與合金中的Zr會在凝固過程中形成初生Al3(Sc,Zr)，可顯著細化合金鑄態晶粒，起到輔助細化晶粒與控制再結晶組織的作用。而均勻化時形成的次生Al3(Sc,Zr)粒子可以強烈釘扎位錯和亞晶界，有效抑制變形組織的再結晶，顯著提高合金的力學性能。

本發明還添加的微量合金元素Hf，可以改善合金的高溫強度和持久壽命。

除此之外，稀土元素是現在合金改性中常添加的元素成分，可以細化晶粒、淨化雜質，達到提高合金的硬度、強度等效果。而Ba元素一般被認為是雜質元素，會降低鋁合金的純度，影響鋁合金的綜合性能，所以一般情況下，鋁合金中不含有或含極少量Ba雜質元素。但是，本發明研究表明，將Ba元素含量提高，且同時配伍Sb元素和微量的稀土元素，可起到很好的增強效果，同時，可降低稀土元素的用量。

在上述的一種壓布腳中，所述超硬耐磨顆粒為鋁的氧化物、鋁的氮化物中的至少一種，粒徑小於泡沫碳骨架的孔徑。在泡沫碳骨架增強鋁基複合材料中添加超硬耐磨顆粒，通過簡單的物理共混，可以提高複合材料的耐磨性和其它力學性能。

在上述的一種壓布腳中，所述壓力熔滲的壓力範圍為10-15MPa，溫度為660-700℃。本發明通過壓力熔滲製得的複合材料泡沫碳與鋁合金基體相結合緊密，邊界分明，在界面處無孔洞等微觀缺陷，效果較優。

在上述的一種壓布腳中，所述泡沫碳骨架增強鋁基複合材料經過均勻化處理，均勻化處理的溫度為500-550℃，時間為10-12h。本發明通過壓力熔滲製得複合材料後，經過均勻化處理，鋁合金基體中的相的數量、分布和尺寸尤佳，合金硬度也相對較高。

在上述的一種壓布腳中，所述泡沫碳骨架增強鋁基複合材料經過均勻化處理後還進行固溶處理，固溶處理的溫度為630-640℃，時間為1-2h。

在上述的一種壓布腳中，所述泡沫碳骨架增強鋁基複合材料經過固溶處理後還進行時效處理，時效處理的溫度為170-190℃，時間為8-10h。

與現有技術相比，本發明具有以下幾個優點：

1.本發明壓布腳採用泡沫碳骨架增強鋁基複合材料製成，具有更高的機械強度、韌性、耐磨性，綜合性能更好。

2.本發明泡沫碳骨架的密度小、強度高，鋁合金基體的力學性能佳，且泡沫碳骨架與鋁合金基體具有良好的界面結合能力，通過壓力熔滲技術製得泡沫碳骨架與基體結合緊密，邊界分明，界面處無孔洞等微觀缺陷的複合材料。

具體實施方式

以下是本發明的具體實施例，對本發明的技術方案作進一步的描述，但本發明並不限於這些實施例。

實施例1：

本實施例壓布腳由體積比為30％的泡沫碳骨架和70％的鋁合金基體通過壓力熔滲複合而成。具體製備過程如下：

將孔徑為100μm、開孔率為90％的泡沫碳骨架製成呈壓布腳狀。

熔煉鋁液，鋁液的組成成分及其質量百分比為：Si：0.4％，Mg：0.8％，Mn：0.13％，Cr：0.08％，Cu：0.11％，Zn：0.18％，Zr：0.12％，Ti：0.11％，Sc：0.03％，Sb：0.06％，Ba：0.3％，稀土元素Ce：0.01％，Hf：0.1％，Fe：0.015％，餘量為Al以及不可避免的雜質元素。

採用壓力熔滲技術，在10MPa與660℃溫度下，將上述呈壓布腳狀的泡沫碳骨架與鋁液壓滲成壓布腳坯件。坯件分別在500℃下均勻化處理12h，在630℃下固溶處理2h，在170℃下時效處理10h，製得最終壓布腳。

實施例2：

本實施例壓布腳由體積比為35％的泡沫碳骨架和65％的鋁合金基體通過壓力熔滲複合而成。具體製備過程如下：

將孔徑為150μm、開孔率為88％的泡沫碳骨架製成呈壓布腳狀。

熔煉鋁液，鋁液的組成成分及其質量百分比為：Si：0.5％，Mg：0.9％，Mn：0.14％，Cr：0.10％，Cu：0.12％，Zn：0.19％，Zr：0.13％，Ti：0.12％，Sc：0.037％，Sb：0.07％，Ba：0.35％，稀土元素Ce：0.014％，Hf：0.13％，Fe：0.02％，餘量為Al以及不可避免的雜質元素。

採用壓力熔滲技術，在10MPa與680℃溫度下，將上述呈壓布腳狀的泡沫碳骨架與鋁液壓滲成壓布腳坯件。坯件分別在510℃下均勻化處理12h，在635℃下固溶處理1.5h，在175℃下時效處理10h，製得最終壓布腳。

實施例3：

本實施例壓布腳由體積比為40％的泡沫碳骨架和60％的鋁合金基體通過壓力熔滲複合而成。具體製備過程如下：

將孔徑為200μm、開孔率為85％的泡沫碳骨架製成呈壓布腳狀。

熔煉鋁液，鋁液的組成成分及其質量百分比為：Si：0.6％，Mg：1.0％，Mn：0.15％，Cr：0.15％，Cu：0.14％，Zn：0.20％，Zr：0.13％，Ti：0.13％，Sc：0.04％，Sb：0.08％，Ba：0.4％，稀土元素La：0.016％，Hf：0.15％，Fe：0.02％，餘量為Al以及不可避免的雜質元素。

採用壓力熔滲技術，在12MPa與670℃溫度下，將上述呈壓布腳狀的泡沫碳骨架與鋁液壓滲成壓布腳坯件。坯件分別在520℃下均勻化處理11h，在635℃下固溶處理1.5h，在180℃下時效處理9h，製得最終壓布腳。

實施例4：

本實施例壓布腳由體積比為45％的泡沫碳骨架和55％的鋁合金基體通過壓力熔滲複合而成。具體製備過程如下：

將孔徑為250μm、開孔率為82％的泡沫碳骨架製成呈壓布腳狀。

熔煉鋁液，鋁液的組成成分及其質量百分比為：Si：0.7％，Mg：1.1％，Mn：0.16％，Cr：0.20％，Cu：0.15％，Zn：0.21％，Zr：0.14％，Ti：0.14％，Sc：0.046％，Sb：0.09％，Ba：0.45％，稀土元素La：0.018％，Hf：0.18％，Fe：0.01％，餘量為Al以及不可避免的雜質元素。

採用壓力熔滲技術，在13MPa與690℃溫度下，將上述呈壓布腳狀的泡沫碳骨架與鋁液壓滲成壓布腳坯件。坯件分別在540℃下均勻化處理11h，在640℃下固溶處理1.5h，在185℃下時效處理8h，製得最終壓布腳。

實施例5：

本實施例壓布腳由體積比為50％的泡沫碳骨架和50％的鋁合金基體通過壓力熔滲複合而成。具體製備過程如下：

將孔徑為300μm、開孔率為80％的泡沫碳骨架製成呈壓布腳狀。

熔煉鋁液，鋁液的組成成分及其質量百分比為：Si：0.8％，Mg：1.2％，Mn：0.17％，Cr：0.22％，Cu：0.16％，Zn：0.22％，Zr：0.15％，Ti：0.15％，Sc：0.05％，Sb：0.1％，Ba：0.5％，稀土元素Ce：0.02％，Hf：0.2％，Fe：0.02％，餘量為Al以及不可避免的雜質元素。

採用壓力熔滲技術，在15MPa與700℃溫度下，將上述呈壓布腳狀的泡沫碳骨架與鋁液壓滲成壓布腳坯件。坯件分別在550℃下均勻化處理10h，在640℃下固溶處理1h，在190℃下時效處理8h，製得最終壓布腳。

實施例6：

本實施例壓布腳由體積比為30％的泡沫碳骨架、60％的鋁合金基體和10％的超硬耐磨顆粒通過壓力熔滲複合而成。超硬耐磨顆粒為三氧化二鋁，粒徑小於泡沫碳骨架的孔徑。泡沫碳骨架、鋁合金基體、具體製備過程與實施例1相同。

實施例7：

本實施例壓布腳由體積比為30％的泡沫碳骨架、65％的鋁合金基體和5％的超硬耐磨顆粒通過壓力熔滲複合而成。超硬耐磨顆粒為三氧化二鋁，粒徑小於泡沫碳骨架的孔徑。泡沫碳骨架、鋁合金基體、具體製備過程與實施例2相同。

實施例8：

本實施例壓布腳由體積比為40％的泡沫碳骨架、50％的鋁合金基體和10％的超硬耐磨顆粒通過壓力熔滲複合而成。超硬耐磨顆粒為三氧化二鋁，粒徑小於泡沫碳骨架的孔徑。泡沫碳骨架、鋁合金基體、具體製備過程與實施例3相同。

實施例9：

本實施例壓布腳由體積比為40％的泡沫碳骨架、45％的鋁合金基體和15％的超硬耐磨顆粒通過壓力熔滲複合而成。超硬耐磨顆粒為氮化鋁，粒徑小於泡沫碳骨架的孔徑。泡沫碳骨架、鋁合金基體、具體製備過程與實施例4相同。

實施例10：

本實施例壓布腳由體積比為50％的泡沫碳骨架、35％的鋁合金基體和15％的超硬耐磨顆粒通過壓力熔滲複合而成。超硬耐磨顆粒為三氧化二鋁與氮化鋁質量比為1：1的混合物，粒徑小於泡沫碳骨架的孔徑。泡沫碳骨架、鋁合金基體、具體製備過程與實施例5相同。

實施例11-20：

實施例11-20與實施例1-10的區別僅在於，實施例11-20的泡沫碳骨架表面通過化學氣相滲透有SiC強化層。

將上述實施例1-20製得的壓布腳進行性能測試，測試結果如表1所示。其中，磨損率的條件為：在室溫、6N載荷、1m/s速度下，試件滑行2500m。

表1：

從表1可知，實施例6-10中加入超硬耐磨顆粒後，強度、延伸率等性能略有改善，基本維持穩定，但是，磨損率極速下降，壓布腳的耐磨性提升明顯。實施例11-20中，泡沫碳骨架表面形成強化層後，壓布腳的強度等性能有所提高。

對比例1：

對比例1與實施例3區別僅在於，對比例1的壓布腳由鋁合金基體直接製成，沒有泡沫碳增強骨架。經檢測，對比例1的壓布腳的極限抗拉強度為137MPa，極限彎曲強度為55MPa，磨損率為6.94％，延伸率為20％。由此可知，鋁合金基體採用泡沫碳增強骨架增強後，性能提升明顯。

對比例2：

對比例2與實施例3的區別僅在於，對比例2的鋁基體中不含Sc元素。

對比例3：

對比例3與實施例3的區別僅在於，對比例3的鋁基體中不含Zr元素。

經檢測，對比例2和對比例3的極限拉伸強度分別為177MPa、169MPa，極限彎曲強度分別為58MPa、61MPa。由此可知，Sc和Zr配伍可以起到強化合金的作用。

對比例4：

對比例4與實施例3的區別僅在於，對比例4的鋁基體中不含Ba和Sb元素。

對比例5；

對比例5與對比例4的區別僅在於，對比例4的鋁基體中的稀土元素擴大20倍。

經檢測，對比例4和對比例5的極限拉伸強度分別為183MPa、221MPa，極限彎曲強度分別為57MPa、72MPa。由此可知，Ba元素、Sb元素和稀土元素配伍可以起到強化合金的作用，降低稀土的使用量，保護資源。

對比例6：

對比例6與實施例6的區別僅在於，對比例6的超硬耐磨顆粒的粒徑大於泡沫碳骨架的孔徑。經檢測，對比例6的壓布腳的極限抗拉強度為209MPa，極限彎曲強度為68MPa，性能有所降低。這是因為，超硬耐磨顆粒粒徑大於陶瓷骨架孔徑時，會使部分顆粒堵塞孔徑，鋁合金基體在壓滲過程中無法完全填充陶瓷骨架，複合材料的緻密性不足，導致複合材料的性能降低。

鑑於本發明方案實施例眾多，各實施例實驗數據龐大眾多，不適合於此處逐一列舉說明，但是各實施例所需要驗證的內容和得到的最終結論均接近。故而此處不對各個實施例的驗證內容進行逐一說明，僅以實施例1-20作為代表說明本發明申請優異之處。

本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種修改或補充或採用類似的方式替代，但並不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的範圍。

儘管對本發明已作出了詳細的說明並引證了一些具體實施例，但是對本領域熟練技術人員來說，只要不離開本發明的精神和範圍可作各種變化或修正是顯然的。