硼酸鋁晶須/鑄造鋁合金複合材料及其製備方法
2023-11-02 07:51:42 3
專利名稱：硼酸鋁晶須/鑄造鋁合金複合材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種鑄造的鋁合金複合材料及其製備方法，具體說是一種硼酸鋁晶須與氧化鋅晶須共混在碳纖維上進行「晶須化」為增強體的鑄造鋁合金複合材料及其製備方法。
背景技術：
近些年來發展起來的碳化矽晶須/6061鋁合金複合材料，其性能好，如強度高，模量大，具有耐磨性、尺寸穩定性，耐熱性等，但價格昂貴，現只用於航天、航空業；硼酸鋁晶須上述性能與碳化矽晶須相當，而價格僅為其1/10，為降低鋁合金複合材料的成本，使之能夠廣泛的用於工業和民用領域，迫切需要研究硼酸鋁晶須為增強體的鑄造鋁合金為基體的複合材料及其製備方法。
發明內容
本發明的目的在於提供一種硼酸鋁晶須/鑄造鋁合金複合材料及其製備方法，該材料強度高，模量大，具有耐磨性、尺寸穩定性，耐熱性比現有合金有很大改善；其製備方法較為簡便。
本發明的技術方案如下本發明的複合材料由如下重量份數的原料製成鑄造鋁合金 90-100份硼酸鋁晶須 10-15份氧化鋅晶須 5-7.5份碳纖維 5-7.5份鋯粉0.3-0.5份。
上述複合材料的進一步方案為鑄造鋁合金 100份硼酸鋁晶須 15份氧化鋅晶須 5份碳纖維 5份鋯粉0.5份。
上述的鑄造鋁合金是鑄造鋁矽合金，其代號為ZL102。
上述的硼酸鋁晶須的分子式為9AI2O3.2B2O3。
上述的氧化鋅晶須為四腳狀三維空間結構。
上述的碳纖維是G40-700型的。
上述的硼酸鋁晶須/鑄造鋁合金複合材料的製備方法，由如下步驟組成1、按上述比例稱取硼酸鋁晶須、氧化鋅晶須和碳纖維，用粘結劑粘結起來；製備預製塊；2、將鋯粉噴塗在預製塊表面，製成表面含鋯粉均勻噴塗層的預製塊；3、將含鋯粉的預製塊預熱到700℃，模具加熱到300℃，將含鋯粉噴塗層的預製塊投入到模腔內，澆入690-700℃的鑄造鋁合金ZL102熔體，澆入時間一次完成，操作時間儘可能的短；施加12-18MPa的壓力，保持壓力至凝固為止，使鋁合金熔體滲入上述晶須和碳纖維塊，均勻分散，冷卻凝固便得到成型的產品。
本發明的優點在於1，本複合材料各項性能優良，用15份硼酸鋁晶須/5份氧化鋅晶須/5份碳纖維增強鑄造鋁矽合金ZL102，鋁合金複合材料的強度達到538MPa，模量達120GPa，其強度從ZL102鋁合金的175MPa提高到538MPa；模量則從68.6GPa增至120GPa。其耐磨性、尺寸穩定性，耐熱性比原合金有很大改善；保持了原有合金的抗裂性能和很好的氣密性，以及很好的流動性，不用熱處理強化適用於澆注、壓鑄、液態模鍛等新加工工藝。2、由於以上優良性能，本複合材料可用於多個領域。因其在常溫下的強度和彈性模量大，能代替鑄鋼和各種金屬，通用的鋼材強度為500-600MPa，本發明的複合材料的強度相當於鋼材強度，若用本發明材料取代傳統金屬材料，因其耐磨工作壽命可延長2倍，其與生物體的相容性也比鋼材好，用作人體骨骼、關節、顱蓋骨補塊等比其它材料好。3、用本發明的材料，比鋼、鐵節省材料成本和製造費用，生產工作量可減少10％，比一般製造構件工作量減少50％，構件質量減輕25％，4、安全性能和可靠性高，若用於飛機，其可靠性是傳統材料的數十倍，飛機、汽車、火車、船舶用的鋁合金鑄件從產生裂紋至裂斷時間是1min，而本發明材料因阻尼性好其從產生裂紋至裂斷是50min左右，因此使乘客可以撤離，飛機可降落，大大提高安全性。5、本發明的材料屬鑄造鋁合金複合材料，可多次熔融鑄造，可回收再次利用，也可與其它鋁、鋁合金熔融，再次利用製造鋁製品，因而可降低材料成本，無毒、無害、不汙染環境。6、本發明的製作方法簡便，易操作。
本發明的材料具體可以應用汽車的剎車盤、片、環，內燃機的活塞，發動機葉片，柴油機鑄件等。
圖1是本發明製備過程示意圖。
具體實施例方式
實施例1鑄造鋁合金ZL102 100份、硼酸鋁晶須15份、氧化鋅晶須5份、碳纖維5份、鋯粉0.5份。
實施例2鑄造鋁合金ZL102 95份、硼酸鋁晶須13份、氧化鋅晶須6份、碳纖維6份、鋯粉0.4份。
實施例3鑄造鋁合金ZL102 90份、硼酸鋁晶須10份、氧化鋅晶須7份、碳纖維7份、鋯粉0.3份。
本發明複合材料的製備方法由如下步驟組成，結合
1、按上述比例稱取硼酸鋁晶須、氧化鋅晶須和碳纖維，用粘結劑明膠粘結起來；製備預製塊；圖1(a)中(1)為預製塊，(2)為上模，(3)為模腔；2、鋯粉噴塗在預製塊表面，製成表面含鋯粉均勻噴塗層的預製塊；
3、將含鋯粉的預製塊預熱到700℃，模具加熱到300℃，將含鋯粉噴塗層的預製塊(5)投入到模腔內，圖1的(b)圖，澆入690-700℃的鑄造鋁矽合金ZL102熔體(4)，澆入時間一次完成，操作時間儘可能的短；圖1(c)下模，(d)中用液壓機(6)施加12-18MPa的壓力，保持壓力時間至凝固為止，使鋁合金熔體滲入上述晶須和碳纖維塊，均勻分散，冷卻凝固便得到成型的產品(7)。
本發明選用的鑄造鋁矽合金合金牌號為ZAISi12，其代號為ZL102，為基體材料在碳纖維上進行硼酸鋁晶須與氧化鋅晶須共混物「晶須化」，為增強體材料，在高溫熔融狀態下，採用機械壓力浸滲複合，製備硼酸鋁晶須/鑄造鋁合金複合材料，選用基體材料的主要元素含量(質量分數/％)，矽10.0-13.0，餘量鋁，其雜質鐵S 0.7，鐵J 1.0，銅0.3，鋅0.1，錳0.5，鈦0.2，不含鹼金屬元素，鹼土金屬元素，易於與硼酸鋁晶須、氧化鋅晶須、碳纖維複合，界面反應極小，對ZL102合金含錳0.5％，它是氧化態變化最為豐富的金屬元素，易於界面氧化反應。太原鑄造鋁合金錠廠生產。
選用的硼酸鋁晶須的分子式為9AI2O3.2B2O3，它屬斜方晶系，易和鹼金屬元素，鹼土金屬元素反應，所以選用它和上述鋁矽合金不含鹼金屬元素，鹼土金屬元素的配合。其晶須平均直徑0.5-5μm，長度為10--100μm，密度為2.93g/cm3，熔點為1960℃，拉伸強度8GPa，拉伸模量為400GPa，熱膨脹係數(軸向)為1.9×10-6K。上海晶須複合材料製造有限公司生產。
選用的四腳狀氧化鋅晶須，具有獨特的凹腳狀三維空間結構，強度高，半導體性質，具有吸收紫外線的特性，在700℃以下氧化鋅晶須與硼酸鋁晶須、碳纖維共混製成的鋁合金基複合材料，其抗拉強度增加，機械切削加工性能更好，形成微觀的阻尼結構，起到降低固有振動頻率，增大衰減率的作用，提高尺寸穩定性，耐紫外線老化性，使本發明的綜合性能有較大改善。上海歐誠鋅業有限公司生產。
選用的碳纖維，在其上進行「晶須化」，可大大提高和改善纖維的強度和模量，能改變碳纖維的表面形態和表面化學性，從而增強與基體的粘接，實現界面優化，這主要是通過控制界面反應實現的。蘭州化纖廠生產。
本發明的複合材料基體中加入少量的鋯金屬，它有較強的真空除氧及耐腐蝕性，對抑制碳纖維、硼酸鋁晶須、氧化鋅晶須與鋁合金基體的反應，抑制基體雜質含錳金屬元素易氧化態變化，形成良好界面結構有明顯作用。鋯粉是淄博永幫鋯粉有限公司生產。
權利要求
1.一種硼酸鋁晶須/鑄造鋁合金複合材料，其特徵在於它由如下重量份數的原料製成鑄造鋁合金90-100份硼酸鋁晶須10-15份氧化鋅晶須5-7.5份碳纖維5-7.5份鋯粉 0.3-0.5份。
2.根據權利要求1所述的一種硼酸鋁晶須/鑄造鋁合金複合材料，其特徵在於它由如下重量份數的原料製成鑄造鋁合金100份硼酸鋁晶須15份氧化鋅晶須5份碳纖維5份鋯粉 0.5份。
3.根據權利要求1所述的一種硼酸鋁晶須/鑄造鋁合金複合材料，其特徵在於它的鑄造鋁合金是鑄造鋁矽合金，其代號為ZL102。
4.根據權利要求1所述的一種硼酸鋁晶須/鑄造鋁合金複合材料，其特徵在於它的硼酸鋁晶須的分子式為9AI2O3.2B2O3。
5.根據權利要求1所述的一種硼酸鋁晶須/鑄造鋁合金複合材料，其特徵在於它的氧化鋅晶須為四腳狀三維空間結構。
6.跟據權利要求1所述的一種硼酸鋁晶須/鑄造鋁合金複合材料，其特徵在於它的碳纖維是G40-700型的。
7.根據權利要求1所述的硼酸鋁晶須/鑄造鋁合金複合材料其製備方法，其特徵在於它由如下步驟組成(1)、按上述比例稱取硼酸鋁晶須、氧化鋅晶須和碳纖維，用粘結劑粘結起來；製備預製塊；(2)、鋯粉噴塗在預製塊表面，製成表面含鋯粉均勻噴塗層的預製塊；(3)、將含鋯粉的預製塊預熱到700℃，模具加熱到300℃，將含鋯粉噴塗層的預製塊投入到模腔內，澆入690-700℃的鑄造鋁合金ZL102熔體，澆入時間一次完成，操作時間儘可能的短；施加12-18MPa的壓力，保持壓力至凝固為止，使鋁合金熔體滲入上述晶須和碳纖維塊，均勻分散，冷卻凝固便得到成型的產品。
全文摘要
本發明公開一種硼酸鋁晶須/鑄造鋁合金複合材料及其製備方法，它由如下重量份數的原料製成鑄造鋁合金90－100份、硼酸鋁晶須10－15份、氧化鋅晶須5－7.5份、碳纖維5－7.5份、鋯粉0.3－0.5份；其製備方法為按比例稱取硼酸鋁晶須、氧化鋅晶須和碳纖維，用粘結劑粘結起來製備預製塊；將鋯粉噴塗在預製塊表面；將預製塊預熱到700℃，模具加熱到300℃，上述預製塊投入到模腔內，澆入690－700℃的鑄造鋁合金熔體，加壓12－18MPa，冷卻凝固便得到成型的產品。本複合材料各項性能優良，因其在常溫下的強度和彈性模量大，能代替鑄鋼和各種金屬，並比鋼、鐵成本低，安全性能和可靠性高。
文檔編號C22C49/14GK101041887SQ20071001121
公開日2007年9月26日 申請日期2007年4月27日 優先權日2007年4月27日
發明者劉春祥 申請人:劉春祥, 劉永祥