專利名稱：基于電渣重熔法的原位內(nèi)生鋁基復合材料制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種金屬基復合材料技術領域的制備方法，具體是一種基于電渣 重熔法的原位內(nèi)生鋁基復合材料制備方法。
背景技術：
目前，在制備鋁基復合材料技術領域，混合鹽反應法(LSM)是一種典型的原位自 生反應制備顆粒增強鋁基復合材料的方法。該方法是通過向鋁熔體中加入混合鹽，經(jīng)原位 自生反應在基體內(nèi)部生成TiB2增強顆粒。制備的鋁基復合材料增強顆粒尺寸細小，在基體 中分布較為均勻，復合材料的力學性能和基體比較基體有較大提高，且工藝簡單，成本低。對現(xiàn)有技術的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，J. V. Wood在《Key Engineering Materials))(《關 鍵工程材料》)雜志1993年第77卷第8期357-362頁發(fā)表的文章“Development of Cast Aluminum MMCS (鋁基復合材料的發(fā)展概況)”，該文中提出采用混合鹽法制備鋁基復合材 料，一般工藝是將K2TiF6 (氟鈦酸鉀)和KBF4 (氟硼酸鉀)混合鹽加入過熱到750°C以上的 鋁熔體中進行攪拌，使其發(fā)生原位反應，除去生成的鹽渣，澆鑄冷卻后即可獲得TiB2顆粒增 強鋁基復合材料。雖然用此法可制備一定顆粒含量的復合材料，但是并不能保證整個反應 過程中混合鹽與鋁液的充分接觸而完全反應，且反應所需時間長，生成的鹽渣難以去除，且 夾在鋁基體中嚴重影響材料性能。雖然通過機械攪拌可以促進鹽反應的進行，但強烈攪拌 會使熔體卷氣體量增加，鑄造性能變差。關于如何采用合理的工藝手段去解決傳統(tǒng)混合鹽 法制備鋁基復合材料所帶來的上述問題卻未見報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術存在的上述不足，提供一種基于電渣重熔法的原位內(nèi)生鋁基 復合材料制備方法，在傳統(tǒng)混合鹽法的基礎之上，采用電渣重熔技術制備鋁基復合材料。采 用基本渣料與氟硼酸鉀混合氟鈦酸鉀一起作為渣劑，純鋁和鋁合金熔化后通過熔融的渣 池，與混合氟鹽充分接觸發(fā)生反應，生成TiB2顆粒，由于TiB2顆粒與鋁液的潤濕性比與渣劑 的潤濕性好，反應生成的液態(tài)渣與鋁熔體完全分離，待整個反應結束后，冷卻即可得到優(yōu)質 鋁基復合材料。本發(fā)明通過以下技術方案實現(xiàn)通過分別將純鋁及鋁合金澆注成自耗電極棒后放 入電渣爐內(nèi)，與含有基本渣料、氟鈦酸鉀和氟硼酸鉀的渣劑混合后進行電渣重熔，反應結束 冷卻得到原位內(nèi)生鋁基復合材料。所述的鋁合金是指牌號分別為2014鋁合金和鋁硅鑄造合金A356 ；所述的渣劑中基本渣料的質量與氟鈦酸鉀和氟硼酸鉀的質量和的比例為0. 2 2. 5 ；所述的基本渣料為下列組合物中的任意一種a)組分及其質量百分比為35 45% KC1、35 45% NaCl、5 15% CaF2以及 10 20% Na3AlF6 ；
b)組分及其質量百分比為20 30%KC1、20 30%NaCl、15 35%MgCl2以及 15 25% Na3AlF6 ；c)組分及其質量百分比為20 30%NaCl、30 40%MgCl2、5 15%MgF2以及 30 45% Na3AlF6 ；d)組分及其質量百分比為30 40% KC1、5 15% CaF2、10 25% NaN03以及 20 35% Na3AlF6。所述電渣重熔的電流為400 1200A，電壓為40 70V。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明可使混合鹽反應的時間縮短一半以上，鋁液逐滴進入渣 池有效地增大了鋁熔體與混合鹽的接觸面積，電渣重熔過程中產(chǎn)生的電磁攪拌作用可以促 進了鹽反應的充分進行，避免了直接攪拌鑄造工藝帶來的卷氣等弊端；同時所配的渣料本 身具有精煉作用，反應生成的液渣與鋁熔體明顯分離，解決了傳統(tǒng)方法中除渣困難的問題。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施 例。實施例1將工業(yè)純鋁按照要求澆注成圓柱形自耗電極棒，直徑為0. 3 0. 8倍結晶器內(nèi)徑， 長度為1. 5 2. 5倍結晶器高度；然后將鋁合金自耗電極棒放入電渣爐內(nèi)，加入基本渣料40% KCl+40% NaCl+10% CaF2+10% Na3AlF6，加入的混合鹽總量與基本渣料的重 量比為0. 2 ；渣料和混合鹽在加入前200°C烘烤不少于5小時，使其充分干燥，不含水分及結 晶水。在重熔電流為500 600A，電壓為65V的條件下進行電渣重熔，純鋁自耗電極棒逐 漸熔化，在金屬熔滴通過熔融渣池的過程中，鋁與氟硼酸鉀和氟鈦酸鉀充分發(fā)生反應，在鋁 基體內(nèi)原位自生得到TiB2顆粒。最后高溫熔體進入到結晶器中的凝固區(qū)，在強制水冷的條 件下進行凝固，重熔完成后，切斷電源，所制備的鋁基復合材料在結晶器內(nèi)自然冷卻。本實 施例可以獲得TiB2顆粒體積含量為3%的鋁基復合材料。實施例2本實施例與實施例1區(qū)別之處在于，采用的基本渣料為30% KCl+30% NaCl+30% MgCl2+10% Na3AlF6，加入的混合鹽總量跟渣料相同；重 熔電流為600 700A，電壓為50V ；其余步驟與實施例1相同。本實施例可以獲得TiB2顆 粒體積含量為6%的鋁基復合材料。實施例3本實施例與實施例1區(qū)別之處在于，采用的基本渣料為30% NaCl+30% MgCl2+15% MgF2+25% Na3AlF6，加入的混合鹽總量為渣料總量的 1. 5倍；重熔電流為500 600A，電壓為65V ；其余步驟與實施例1相同。本實施例可以獲 得TiB2顆粒體積含量為8%的鋁基復合材料。實施例4本實施例與實施例1區(qū)別之處在于，采用的基本渣料為
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5% KCl+25% CaF2+20% NaN03+20% Na3AlF6,加入的混合鹽總量為漁料總量的 2. 5 倍；重熔電流為700 800A，電壓為60V ；其余步驟與實施例1相同。本實施例可以獲得TiB2 顆粒體積含量為10%的鋁基復合材料。實施例5本實施例與實施例1區(qū)別之處在于，將2014鋁合金按照要求澆注成圓柱形自耗電 極棒，其余步驟與實施例1相同。本實施例可以獲得TiB2顆粒體積含量為3%的鋁基復合 材料。實施例6本實施例與實施例1區(qū)別之處在于，將2014鋁合金按照要求澆注成圓柱形自耗電 極棒，30% KCl+30% NaCl+30% MgCl2+10% Na3AlF6，加入的混合鹽總量跟渣料相同；重熔電 流為600 700A，電壓為50V ；其余步驟與實施例1相同。本實施例可以獲得TiB2顆粒體 積含量為6%的鋁基復合材料。實施例7本實施例與實施例1區(qū)別之處在于，將2014鋁合金按照要求澆注成圓柱形自耗電 極棒，采用的基本渣料為30% NaCl+30% MgCl2+15% MgF2+25% Na3AlF6，加入的混合鹽總 量為渣料總量的1. 5倍；重熔電流為500 600A，電壓為65V ；其余步驟與實施例1相同。 本實施例可以獲得TiB2顆粒體積含量為8%的鋁基復合材料。實施例8本實施例與實施例1區(qū)別之處在于，將2014鋁合金按照要求澆注成圓柱形自耗電 極棒，采用的基本渣料為35% KCl+25% CaF2+20% NaN03+20% Na3AlF6，加入的混合鹽總量 為渣料總量的2. 5倍；重熔電流為700 800A，電壓為60V ；其余步驟與實施例1相同。本 實施例可以獲得TiB2顆粒體積含量為10%的鋁基復合材料。實施例9本實施例與實施例1區(qū)別之處在于，將A356鋁合金按照要求澆注成圓柱形自耗電 極棒，其余步驟與實施例1相同。本實施例可以獲得TiB2顆粒體積含量為3%的鋁基復合 材料。實施例10本實施例與實施例1區(qū)別之處在于，將A356鋁合金按照要求澆注成圓柱形自耗電 極棒，30% KCl+30% NaCl+30% MgCl2+10% Na3AlF6，加入的混合鹽總量跟渣料相同；重熔電 流為600 700A，電壓為50V ；其余步驟與實施例1相同。本實施例可以獲得TiB2顆粒體 積含量為6%的鋁基復合材料。實施例11本實施例與實施例1區(qū)別之處在于，將A356鋁合金按照要求澆注成圓柱形自耗電 極棒，采用的基本渣料為30% NaCl+30% MgCl2+15% MgF2+25% Na3AlF6，加入的混合鹽總 量為渣料總量的1. 5倍；重熔電流為500 600A，電壓為65V ；其余步驟與實施例1相同。 本實施例可以獲得TiB2顆粒體積含量為8%的鋁基復合材料。實施例12本實施例與實施例1區(qū)別之處在于，將A356鋁合金按照要求澆注成圓柱形自耗電 極棒，采用的基本渣料為35% KCl+25% CaF2+20% NaN03+20% Na3AlF6，加入的混合鹽總量為渣料總量的2.5倍；重熔電流為700 800A，電壓為60V ；其余步驟與實施例1相同。本 實施例可以獲得TiB2顆粒體積含量為10%的鋁基復合材料。
權利要求
一種基于電渣重熔法的原位內(nèi)生鋁基復合材料制備方法，其特征在于，通過分別將純鋁及鋁合金澆注成自耗電極棒后放入電渣爐內(nèi)，與含有基本渣料、氟鈦酸鉀和氟硼酸鉀的渣劑混合后進行電渣重熔，反應結束冷卻得到原位內(nèi)生鋁基復合材料。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于電渣重熔法的原位內(nèi)生鋁基復合材料制備方法，其特征 是，所述的鋁合金是指牌號分別為2014鋁合金和鋁硅鑄造合金A356。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于電渣重熔法的原位內(nèi)生鋁基復合材料制備方法，其特征 是，所述的渣劑中基本渣料的質量與氟鈦酸鉀和氟硼酸鉀的質量和的比例為0. 2 2. 5。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于電渣重熔法的原位內(nèi)生鋁基復合材料制備方法，其特征 是，所述的基本渣料為下列組合物中的任意一種a)組分及其質量百分比為35 45%KC1、35 45% NaCl、5 15% CaF2以及10 20% Na3AlF6 ；b)組分及其質量百分比為20 30%KC1、20 30% NaCl、15 35% MgCl2以及15 25% Na3AlF6 ；c)組分及其質量百分比為20 30%NaCl、30 40% MgCl2、5 15% MgF2以及30 45% Na3AlF6 ；d)組分及其質量百分比為30 40%KC1、5 15% CaF2、10 25% NaN03以及20 35% Na3AlF6。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于電渣重熔法的原位內(nèi)生鋁基復合材料制備方法，其特征 是，所述電渣重熔的電流為400 1200A，電壓為40 70V。
全文摘要
一種金屬基復合材料技術領域的基于電渣重熔法的原位內(nèi)生鋁基復合材料制備方法，通過分別將純鋁及鋁合金澆注成自耗電極棒后放入電渣爐內(nèi)，與含有基本渣料、氟鈦酸鉀和氟硼酸鉀的渣劑混合后進行電渣重熔，反應結束冷卻得到原位內(nèi)生鋁基復合材料。本發(fā)明采用基本渣料、氟硼酸鉀和氟鈦酸鉀一起作為渣劑，純鋁和鋁合金熔化后通過熔融的渣池，與混合氟鹽充分接觸發(fā)生反應，生成TiB2顆粒，由于TiB2顆粒與鋁液的潤濕性比與渣劑的潤濕性好，反應生成的液態(tài)渣與鋁熔體完全分離，待整個反應結束后，冷卻即可得到優(yōu)質鋁基復合材料。
文檔編號C22B9/18GK101831556SQ20101013784
公開日2010年9月15日 申請日期2010年4月2日 優(yōu)先權日2010年4月2日
發(fā)明者孫寶德, 張佼, 戴永兵, 李盼, 李飛, 畢秋, 王俊, 疏達, 薛菁, 陳沖, 高海奇, 高海燕 申請人:上海交通大學