一種鋁基複合材料、其製備方法及其應用與流程
2023-10-29 09:25:18 1
本發明涉及複合材料技術領域，尤其涉及一種鋁基複合材料、其製備方法及其應用。
背景技術：
20世紀初，鋁矽共晶合金系列材料的密度小、熱傳導性好、較低的熱膨脹係數等特點被人們認識，開始用來製造各種輕便零部件，廣泛應用於汽車業、航天航空等領域。但鋁矽共晶合金系列材料高溫強度低，強度、硬度有著自生極限，不能同時滿足未來向高強度、高耐磨及耐高溫的發展需要。有鑑於此，原位自生成顆粒增強鋁基複合材料由於具有耐疲勞和質量輕等優點，成為當前複合材料的研究熱點。
原位自生技術是根據所需材料成分設計的要求，選擇適當的反應物，通過基體金屬與所加鹽在合適的反應溫度下發生化學反應，在金屬基體中直接生成所需增強相。中國專利CN1180383A公開了一種TiB2顆粒陶瓷增強鋁合金金屬基複合材料，該發明提供了一種方法製備鋁合金金屬基複合材料：氯化物熔劑被熔融鋁或其合金元素(Mg，Ca)原位還原生成不同晶粒尺寸和尺寸分布的TiB2微晶，通過確定熔劑和合金組成及工藝溫度可預先確定微晶的尺寸和尺寸分布。
該合金中TiB2顆粒雖然具有高模量，有很大的界面能，但容易在晶界處偏聚，鑄造工藝性差，使得製備的複合材料的硬度較差，且高溫抗拉強度低。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明的目的在於提供一種鋁基複合材料、其製備方法及其應用，本發明提供的鋁基複合材料具有較高硬度和高溫抗拉強度。
本發明提供了一種鋁基複合材料，包括鋁基體及分布於所述鋁基體中的NbB2增強相和NbAl3增強相。
優選地，所述NbB2增強相和NbAl3增強相的總質量佔鋁基體的1.0wt％～12.0wt％。
優選地，所述NbB2增強相的粒徑為400～600nm；
所述NbAl3增強相的粒徑為4～6μm。
優選地，所述合金元素選自稀土元素、Si、Zr、Ni、Mg、Cu、Ti、Sc、Mn和B中的一種或多種。
優選地，所述合金元素由Si和Zr組成。
優選地，所述Si在鋁基複合材料中的質量含量為11.0wt％～12.5wt％；
所述Zr在鋁基複合材料中的質量含量為1.0wt％～2.5wt％。
本發明提供了一種上述技術方案所述鋁基複合材料的製備方法，包括以下步驟：
a)、將鈮、氟硼酸鉀與熔融的鋁混合，反應，得到鋁基複合材料。
優選地，所述步驟a)中反應的溫度為900℃～950℃；
所述反應的時間為1h～3.0h。
優選地，所述步驟a)中反應後還包括以下步驟：
將得到的反應產物與合金元素混合，保溫，澆注，得到鋁基複合材料。
本發明提供了一種上述技術方案所述鋁基複合材料或上述技術方案所述製備方法製備的鋁基複合材料在製備汽車零部件中的應用。
本發明提供了一種鋁基複合材料，包括鋁基體及分布於所述鋁基體中的NbB2增強相和NbAl3增強相。本發明提供的鋁基複合材料中包括NbB2增強相和NbAl3增強相，它們彌散分布於鋁基體中，NbB2增強相與鋁基體界面間存在部分共格關係，NbB2增強相作為鋁基體非均勻形核的異質形核核心，細化鋁基體組織；NbAl3增強相與鋁晶格係數相近，能夠與鋁基體很好地結合，使得鋁基複合材料具有較高硬度和高溫抗拉強度。另外，本發明提供的鋁基複合材料的延伸率良好和耐磨性優異。實驗結果表明：本發明提供的鋁基複合材料的抗拉強度：155～280MPa(20℃)，71～95MPa(360℃)；延伸率為1.6％～2.0％；硬度：110～160HBW(20℃)；隨著NbB2增強相和NbAl3增強相的總質量佔鋁基體的1.0wt％～12.0wt％百分比增加，其硬度值和耐磨性也明顯增加。
附圖說明
圖1為本發明實施例1製備的鋁基複合材料100倍下的掃描電鏡圖；
圖2為本發明實施例1製備的鋁基複合材料8000倍下的NbB2顆粒形貌圖；
圖3為本發明實施例2製備的鋁基複合材料500倍下的掃描電鏡圖；
圖4為本發明實施例2製備的鋁基複合材料2000倍下的掃描電鏡圖；
圖5為本發明實施例3製備的鋁基複合材料的掃描電鏡圖。
具體實施方式
本發明提供了一種鋁基複合材料，包括鋁基體及分布於所述鋁基體中的NbB2增強相和NbAl3增強相。
本發明提供的鋁基複合材料中包括NbB2增強相和NbAl3增強相，它們彌散分布於鋁基體中，NbB2增強相與鋁基體界面間存在部分共格關係，NbB2增強相作為鋁基體非均勻形核的異質形核核心，能夠細化鋁基體組織；NbAl3增強相與鋁晶格係數相近，能夠與鋁基體很好地結合，它們共同使得鋁基複合材料具有較高硬度和高溫抗拉強度。另外，本發明提供的鋁基複合材料的延伸率良好和耐磨性優異。實驗結果表明：本發明提供的鋁基複合材料的抗拉強度：155～280MPa(20℃)，71～95MPa(360℃)；延伸率為1.6％～2.0％；硬度：110～160HBW(20℃)；隨著NbB2增強相和NbAl3增強相的總質量佔鋁基體的1.0wt％～12.0wt％百分比增加，其硬度值和耐磨性也明顯增加。
本發明提供的鋁基複合材料包括鋁基體。在本發明中，所述鋁基體選自純鋁或鋁合金；所述鋁合金由鋁元素和合金元素組成。在本發明中，所述合金元素優選選自稀土元素、Si、Zr、Ni、Mg、Cu、Ti、Sc、Mn和B中的一種或多種。在本發明的某些實施例中，所述合金元素由Si和Zr組成。在本發明中，所述Si在鋁基複合材料中的質量含量優選為11.0wt％～12.5wt％，此含量的矽處在共晶點時能夠提高液態狀的鋁基體的流動性，增加鋁基體的耐磨性和強度，提高鑄造性能。在本發明的某些實施例中，鋁基體為鋁合金基體，所述鋁合金基體中含有Zr元素，所述Zr在鋁基複合材料中的質量含量優選為1.0wt％～2.5wt％；Zr元素在NbAl3增強相中的溶解度極大，一般會形成Nb(AlZr)3化合物，其具有優良的固溶強化作用和彌散強化作用，能夠提高NbAl3和NbB2細化晶粒效果，改善NbAl3增強相的分布均勻性。
本發明提供的鋁基複合材料包括NbB2增強相和NbAl3增強相；所述NbB2增強相和NbAl3增強相的總質量優選佔鋁基體的1.0wt％～12.0wt％。在本發明中，所述NbB2增強相和NbAl3增強相的摩爾比優選為0.8～1.2:1.0，更優選為1：1。在本發明中，所述NbB2增強相的粒徑優選為400～600nm；所述NbAl3增強相的粒徑優選為4～6μm；在本發明中，所述NbB2熔點為3050℃，密度為6.4g/cm3，NbB2增強相為顆粒狀的，呈六方形，其結構為C32型，在晶粒的一個或多個表面上均存在明顯的生長臺階，晶格常數a＝0311nm，c＝0326nm。NbB2與鋁基體之間存在以下位向關係：
NbB2//[110]Al (0111)NbB2//(002)Al；
NbB2增強相與鋁基體界面間存在部分共格關係，NbB2增強相作為鋁基體非均勻形核的異質形核核心，能夠細化鋁基體組織。
在本發明中，所述NbAl3的熔點為1605℃，密度為4.54g/cm3，與鋁晶格係數相近，能夠與鋁基體很好的結合。
在本發明中，所述NbB2增強相和NbAl3增強相是由鈮和氟硼酸鉀在熔融的鋁中原位自生得到的，具體反應式如式①～式④所示：
Nb+3Al→NbAl3 ①
2KBF4+3Al→AlB2+2KAlF4 ②
A1B2+NbAl3→NbB2+4Al ③
總反應式為：
2Nb+2KBF4+5Al→NbB2+NbAl3+2KF+2AlF3 ④
在本發明中，原位合成法製備NbB2和NbAl3增強鋁基複合材料的過程中會生成AlB2雜質相，由於AlB2雜質相在鋁基體熔體中多呈條塊狀，尺寸又比較粗大，所以會大大降低複合材料的塑性。而NbAl3相在熔融的鋁中是穩定的熱力相，與反應產生的高溫下AlB2相會分解為Al和B，分解產生的B與NbAl3結合會生成Al和NbB2相。
本發明提供了一種上述技術方案所述鋁基複合材料的製備方法，包括以下步驟：
a)、將鈮、氟硼酸鉀與熔融的鋁混合，反應，得到鋁基複合材料。
在本發明中，所述鈮的純度為99at.％；所述氟硼酸鉀的純度為99.0％。在本發明的具體實施例中，所述鈮、氟硼酸鉀與鋁基體混合具體為：
將鈮和氟硼酸鉀混合，得到混合物；
將混合物和熔融的鋁基體混合，反應，得到鋁基複合材料。
在本發明中，所述鈮為粉狀，鈮粉的純度優選為99.0％。在本發明中，所述氟硼酸鉀的化學式為KBF4，氟硼酸鉀為粉狀，其分子量為125.9g/mol；密度為2.5g/cm3；熔點為530℃。在本發明中，所述鈮和氟硼酸鉀優選在145℃～155℃下保溫7～9h，使它們乾燥並混合均勻。
在本發明中，所述熔融的鋁優選通過以下方法製得：
將固態鋁加熱，熔化，得到熔融的鋁。
本發明優選將固態鋁置於本領域技術人員熟知的坩堝中進行加熱。本發明優選採用Ar氣作為保護氣對熔融的鋁表面進行保護。
本發明優選將熔融的鋁加熱到900℃～950℃後再和混合物混合。本發明優選將混合物加入到熔融的鋁中。
本發明優選在攪拌的條件下進行鈮、氟硼酸鉀與熔融的鋁反應；本發明優選每隔10min攪拌一次，使得反應充分；所述步驟a)中反應的時間優選為1h～3h；所述步驟a)中反應的溫度優選為900℃～950℃。
在本發明中，鋁在較高溫度下會發生氧化而生成副產物氧化鋁，此時優選加入冰晶石，即六氟鋁酸鈉(Na3AlF6)，它會對鋁基體起到精煉作用，還能起還原氧化鋁的作用，從而也消除了雜質相Al2O3，其反應如化學方程式⑤所示：
2Na3AlF6+Al2O3→3Na2O+4Al+6F2 ⑤。
本發明優選將Nb粉、KBF4粉與熔融的鋁反應得到的產物中浮於表面的熔渣清除。本發明對清除的方法沒有特殊的限制，採用本領域技術人員熟知的清除方式即可，如自然揮發或扒揸。在本發明的具體實施例中，上述反應產生的產物KAlF4、Na2O和F2即可通過上述方式清除。
本發明優選將步驟a)反應後得到的反應產物和精煉劑混合，精煉後得到鋁基複合材料。本發明優選六氯乙烷(C2Cl6)為精煉劑對步驟a)反應後得到的反應產物進行除氣精煉；所述精煉的溫度優選為780℃～850℃；所述精煉的時間優選為10～15min。
在鈮、氟硼酸鉀與熔融的鋁混合併反應後，得到反應產物，本發明優選將合金元素和所述反應產物混合，保溫，澆注，得到鋁基複合材料。在本發明中，所述保溫的溫度優選為750℃～780℃，更優選為760℃；所述保溫的時間優選為8～15min，更優選為10～12min。在本發明中，所述合金元素優選選自稀土元素、Si、Zr、Ni、Mg、Cu、Ti、Sc、Mn中的一種或多種。在本發明的某些實施例中，所述合金元素選自Si、Zr、Cu、Mg和Ti；在本發明的某些實施例中，所述合金元素選自Si、Cu、Ni、Mg、Ti、Sc、Mn、Zr和V。
本發明對澆注的方法沒有特殊的限制，採用本領域技術人員熟知的澆注技術方案即可。
本發明提供了一種上述技術方案所述鋁基複合材料或上述技術方案所述製備方法製備的鋁基複合材料在製備汽車零部件中的應用。
在本發明的具體實施中，所述汽車零部件具體為發動機缸體、發動機缸套或發動機活塞。
本發明採用CMT-7105型電子萬能材料試驗機對上述鋁基複合材料進行高溫抗拉強度和延伸率的測試，複合材料室溫拉伸性能的測定，高溫(360℃)拉伸性能的測定，將澆鑄好的複合材料試樣按國標加工拉伸試樣，每種材料加工3個試樣進行測試，取其平均值作為複合材料的測試結果。測試結果表明：本發明提供的鋁基複合材料具有較高的高溫抗拉強度和延伸率。
本發明採用布氏硬度機對複合材料進行硬度測試，載荷為613N，壓頭的鋼球，加載時間為30s，卸載後用讀數顯微鏡測量壓痕直徑d，然後由d查得材料的布氏硬度值。對於每一個試樣，取6個不同位置硬度值，將其平均值作為複合材料的硬度值。對上述鋁基複合材料進行硬度的測試，測試結果表明：本發明提供的鋁基複合材料具有優異的硬度值。
本發明採用摩擦磨損實驗採用MHK-500環塊摩擦磨損試驗機，試驗時，環為基體合金，試驗條件如下：轉速＝800轉/分鐘，1轉＝0.15m，載荷＝76N，試驗時間為30min。對上述鋁基複合材料進行耐磨性μ的測試，測試結果表明：本發明提供的鋁基複合材料具有較高的耐磨性。
本發明提供了一種鋁基複合材料，包括鋁基體及分布於所述鋁基體中的NbB2增強相和NbAl3增強相。本發明提供的鋁基複合材料中包括NbB2增強相和NbAl3增強相，它們彌散分布於鋁基體中，NbB2增強相與鋁基體界面間存在部分共格關係，NbB2增強相作為鋁基體非均勻形核的異質形核核心，細化鋁基體組織；NbAl3增強相與鋁晶格係數相近，能夠與鋁基體很好地結合，使得鋁基複合材料具有較高硬度和高溫抗拉強度。另外，本發明提供的鋁基複合材料的延伸率良好和耐磨性優異。實驗結果表明：本發明提供的鋁基複合材料的抗拉強度：155～280MPa(20℃)，71～95MPa(360℃)；延伸率為1.6％～2.0％；硬度：110～160HBW(20℃)；隨著NbB2增強相和NbAl3增強相的總質量佔鋁基體的1.0wt％～12.0wt％百分比增加，其硬度值和耐磨性也明顯增加。
為了進一步說明本發明，下面結合實施例對本發明提供的一種鋁基複合材料、其製備方法及其應用進行詳細地描述，但不能將它們理解為對本發明保護範圍的限定。
實施例1
(1)將186g Nb粉和152g KBF4粉末充分球磨混合後在153℃保溫8h，使其均勻並乾燥；
(2)將500g純鋁放入坩堝中加熱，當熔化後使用Ar氣對鋁液表面進行保護，並將熔融的鋁加熱到930℃；
(3)將Nb粉和KBF4混合鹽加入到鋁熔體中，同時使用攪拌器對熔融的鋁進行攪拌：每過10min攪拌一次，持續1h，使混合鹽與熔融的鋁在坩堝內充分發生反應生成NbB2和NbAl3，反應完成後清除浮於熔融的鋁表面的熔渣；
(4)將熔融的鋁溫度降至800℃，投入佔鋁質量分數2.5％的精煉劑六氯乙烷(C2Cl6)進行除氣精煉12min，澆注入模具，得到鋁基複合材料。
本發明對得到的鋁基複合材料進行掃描電鏡-能譜分析，如圖1和圖2所示，圖1為本發明實施例1製備的鋁基複合材料100倍下的掃描電鏡圖，圖2為本發明實施例1製備的鋁基複合材料8000倍下的NbB2顆粒形貌圖。從圖1和圖2可以看出試樣合金的顯微組織形態，NbB2和NbAl3相通過原位自生反應均勻的分布在純鋁基體中，尺寸小，需在高倍下觀察。
本發明採用上述技術方案所述測試方法對實施例1製備的鋁基複合材料進行延伸率、硬度值、抗拉強度和耐磨性進行測試，測試結果見表1，表1為本發明實施例1～3製備的鋁基複合材料的性能測試結果：
本發明實施例1～3製備的鋁基複合材料的性能測試結果(T6熱處理)
實施例2
(1)將2450g Nb粉和2000g KBF4粉末充分球磨混合後在150℃保溫8.5h，使其均勻並乾燥；
(2)將4827g純鋁放入坩堝中加熱，當熔化後使用Ar氣對鋁液表面進行保護，並將熔融的鋁加熱到930℃；
(3)將Nb粉和KBF4混合鹽加入到鋁熔體中，同時使用攪拌器對熔融的鋁進行攪拌：每隔10min攪拌一次，持續1.5h，使混合鹽與熔融的鋁在坩堝內充分發生反應生成NbB2和NbAl3，反應完成後清除浮於熔融的鋁表面的熔渣；
(4)將熔融的鋁溫度降至780℃，投入佔鋁質量分數2.5％的精煉劑六氯乙烷(C2Cl6)進行除氣精煉13min；
(5)向熔融的鋁中添加685g Si、165g Zr、126g Cu、182g Mg和63g Ti，在760℃保溫10min，攪拌10min，靜置後澆注入模具，得到鋁基複合材料。
本發明對得到的鋁基複合材料進行掃描電鏡-能譜分析，如圖3和圖4所示，圖3為本發明實施例2製備的鋁基複合材料500倍下的掃描電鏡圖，圖4為本發明實施例2製備的鋁基複合材料2000倍下的掃描電鏡圖，從圖3和圖4可以看出：原位合成的NbB2和NbAl3相，呈現出圓形、六邊形、四方形的特徵，沒有明顯的尖角，而且在合金基體中分布均勻。
本發明採用上述技術方案所述測試方法對實施例2製備的鋁基複合材料進行延伸率、硬度值、抗拉強度和耐磨性進行測試，測試結果見表1。
實施例3
(1)將3671g Nb粉和3000g KBF4粉末充分球磨混合後在150℃保溫8h，使其均勻並乾燥；
(2)將6955g純鋁放入坩堝中加熱，當熔化後使用Ar氣對鋁液表面進行保護，並將熔融的鋁加熱到930℃；
(3)將Nb粉和KBF4混合鹽加入到鋁熔體中，同時使用攪拌器對熔融的鋁進行攪拌：每隔10min攪拌一次，持續2h，使混合鹽與熔融的鋁在坩堝內充分發生反應生成NbB2和NbAl3，反應完成後清除浮於熔融的鋁表面的熔渣；
(4)將熔融的鋁溫度降至850℃，投入佔鋁質量分數2.5％的精煉劑六氯乙烷(C2Cl6)進行除氣精煉18min；
(5)向熔融的鋁中添加987g Si、651g Cu、200g Ni、164g Mg、163g Ti、153g Sc、187g Mn、306g Zr和180g V，在760℃保溫20min，攪拌30min，靜置後澆注入模具，得到鋁基複合材料。
本發明對得到的鋁基複合材料進行掃描電鏡-能譜分析，如圖5所示，圖5為本發明實施例3製備的鋁基複合材料的掃描電鏡圖，從圖5可以看出：基體合金為鑄造鋁矽共晶合金，短杆狀共晶Si和細小塊狀初生Si晶粒組織均勻分布，NbB2和NbAl3增強相沒有大規模團聚現象。
本發明採用上述技術方案所述測試方法對實施例3製備的鋁基複合材料進行延伸率、硬度值、抗拉強度和耐磨性進行測試，測試結果見表1。
由以上實施例可知，本發明提供了一種鋁基複合材料，包括鋁基體及分布於所述鋁基體中的NbB2增強相和NbAl3增強相。本發明提供的鋁基複合材料中包括NbB2增強相和NbAl3增強相，它們彌散分布於鋁基體中，NbB2增強相與鋁基體界面間存在部分共格關係，NbB2增強相作為鋁基體非均勻形核的異質形核核心，細化鋁基體組織；NbAl3增強相與鋁晶格係數相近，能夠與鋁基體很好地結合，使得鋁基複合材料具有較高的延伸率。另外，本發明提供的鋁基複合材料耐腐蝕、耐高溫和耐磨性好。實驗結果表明：本發明提供的鋁基複合材料的抗拉強度：：155～280MPa(20℃)，71～95MPa(360℃)；延伸率為1.6％～2.0％；硬度：110～160HBW(20℃)；隨著NbB2增強相和NbAl3增強相的總質量佔鋁基體的1.0wt％～12.0wt％百分比增加，其硬度值和耐磨性也明顯增加。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。