專利名稱：一種阻尼耐磨鋁合金材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料領(lǐng)域，具體涉及一種鋼絲和碳纖維復(fù)合增強阻尼耐磨鋁合金材料 及其制備方法。
背景技術(shù)：
在金屬材料領(lǐng)域中，阻尼耐磨鋁合金作為耐磨材料一直受到普遍重視。CN200610165341. X號申請公開了一種高強阻尼耐磨鋁合金及其制備方法，該高強 阻尼耐磨鋁合金是在Al — Si — Mg — Cu合金熔體中，置入Ti 一 C 一 Al預(yù)制塊，通過原位 反應(yīng)在該Al — Si — Mg — Cu合金熔體中生成TiC顆粒，再進行霧化噴射成形而成，其中， Ti-C-Al預(yù)制塊的TiC置入量為Al — Si — Mg — Cu合金的3. 15 10. 5% (重量％ )。 其制備方法是⑴按Ti粉，石墨粉和鋁粉壓制成Ti 一 C 一 Al預(yù)制塊備用；(2)將Al -Zn-Mg- Cu合金熔融；(3)、將Ti 一 C 一 Al預(yù)制塊置于Al — Si — Mg — Cu合金熔體中， 進行原位反應(yīng)；(4)進行霧化噴射成形，得到高強阻尼耐磨鋁合金。本發(fā)明的鋁合金是利用 原位反應(yīng)噴射成形工藝制備高強鋁合金，實現(xiàn)了材料耐磨性能的改善。該合金具有高的強 度，及良好的韌性和耐磨性能。在載荷為8. 9N時，加入重量百分比為5% TiC顆粒后合金的 磨損率為8. 1 X 10_6g/m，而不加TiC顆粒的合金磨損率為9. 6 X 10_6g/m。由此可見，5% TiC 原位顆粒噴射成形7075鋁合金的磨損率降低了 1.5X10_6g/m。該合金阻尼性有限。CN200310122741. 9公開了一種混雜增強高阻尼鋁基復(fù)合材料及其制備工藝。該 發(fā)明復(fù)合材料的成分重量百分比組成為Si 0 1. 3%，Mg 4. 5 11%，Zn 0 1. 5%， Mn 0 0. 4%，BeO 0. 1%, TiB2O. 1 20%，其中 TiB2I 10%，TiC 1 10%，其余為 Al。該材料采用覆蓋劑覆蓋鋁熔體并利用反應(yīng)鹽法和重熔稀釋制備，步驟為加入鋁錠全部 熔化后用覆蓋劑覆蓋熔體，并加入經(jīng)烘干的含TiC顆粒的高阻尼復(fù)合材料預(yù)制塊；鋁熔體 保溫后加入經(jīng)烘干的K2TiF6、KBF4混和鹽并攪拌；反應(yīng)結(jié)束后舀出混和鹽反應(yīng)產(chǎn)物，加入Mg 或Si、Mg、Al - Mn或Mg、Zn、Al — Be調(diào)整化學(xué)成分靜置后澆入錠模，即獲得混雜增強高阻 尼鋁基復(fù)合材料。該合金耐磨性有限。以上的普通鋁合金的耐磨性和阻尼性的綜合性能不高，且制備工藝復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對上述技術(shù)缺陷，提供一種鋼絲和碳纖維復(fù)合增強阻尼耐磨 鋁合金材料。本發(fā)明的另一目的是提供一種鋼絲和碳纖維復(fù)合增強阻尼耐磨鋁合金材料的制 備方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種阻尼耐磨鋁合金材料，該材料以鋁合金為基體，在基體中分布著鋼絲團和碳纖維； 所述鋼絲團直徑為10 15cm，所用鋼絲截面為矩形，截面規(guī)格為0. 1 0. 4mmX0. 5 1. 5mm ；所述鋼絲和碳纖維的重量比為25 30:1，鋼絲和碳纖維兩者共占材料的體積百分比為 20-40% ；鋁合金基體的化學(xué)成分的重量百分含量Mg為0. 1% 0. 3%，^ 為0. 2% 0. 5%， Si 為 5% 7%，Pb 為 2% 3%，Sn 為 2% ,La 為 0. 05% 0. 1%，Ho 為 0. 01% 0. 03%，其余為Al ；鋼絲的化學(xué)成分的重量百分含量為c為0. 45% 0. 65%，Si為0. 2% 0. 3%, Mn為 0. 5%-0. 85%, Ρ<0· 02%, S <0. 025%，其余為 Fe ；碳纖維為Τ300，直徑為7微米，長徑比為100 500:1。上述基體中還分布有Co2Al9和Co2Si顆粒。一種阻尼耐磨鋁合金材料的制備方法，它包括以下步驟鍍鈷鋼絲團和碳纖維的準(zhǔn)備取截面為矩形、且規(guī)格為0. 1 0. 4mmΧ0. 5 1. 5mm、成 分為 C 為 0. 45% 0. 65%, Si 為 0. 2% 0. 3%, Mn 為 0. 5% 0. 85%, P<0. 02%, S <0. 025%, 其余為狗的鋼絲，以及直徑為7微米、長徑比為100 500:1的T300碳纖維，所述鋼絲和碳 纖維的重量比為25 30:1，鋼絲和碳纖維兩者的體積共占材料的體積百分比為20 40% ； 取鋼絲按清潔球生產(chǎn)的常規(guī)方法制備清潔球狀的鋼絲團，鋼絲團的直徑為10 15cm，并按 常規(guī)化學(xué)熱處理的方法在其表面鍍鈷得到鍍鈷鋼絲團，所述鍍鈷層的厚度為50 IOOym ； 鍍鈷鋼絲團粘附碳纖維的制備將鍍鈷鋼絲團浸入水玻璃溶液，所述水玻璃溶液的濃 度為1. 3 1. 5 g/cm3，模數(shù)為2. 6 3. 0 ；將鋼絲團從水玻璃溶液中取出，然后再將碳纖維 揉撒到帶有水玻璃溶液的鋼絲團上，使碳纖維均勻粘在鋼絲的表面；待水玻璃固化后，將若 干粘附碳纖維的鋼絲團放入鑄型型腔；鋼絲團的松緊程度由鋼絲和碳纖維占材料的體積百 分比決定，且保證鋼絲團正好放滿鑄型；然后將鑄型的上型蓋于下型上，合箱完畢后等待鋁 合金水澆注；鋁合金基體的準(zhǔn)備按重量百分含量Mg為0. 1% 0. 3 %，^ 為0. 2% 0. 5%，Si 為 5% 7%，Pb 為 2% 3%，Sn 為 2%，La 為 0. 05% 0. 1%，Ηο 為 0. 01% 0. 03%，其余為Al進行配料；將鋁合金基體在感應(yīng)電爐中熔化得到鋁合金水，熔化溫度為 1120-1150°C ；將上述鋁合金水澆入裝有粘附碳纖維的鋼絲團的鑄型中，液態(tài)鋁合金水進入鋼絲團間 隙將碳纖維和鋼絲包圍，然后冷卻凝固，形成以鋁合金為基體的其中分布有碳纖維和鋼絲 團的材料。本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)的有益效果如下(1)本發(fā)明材料中鋼絲自身具有相當(dāng)?shù)膹姸群洼^高的韌性。因鐵和鋁相互之間有一定 的溶解度，因此鋼絲和鋁合金很容易結(jié)合起來，形成很好的冶金結(jié)合。這樣，鋼絲分布在鋁 合金中，對材料具有很好的增強增韌作用，同時鋼絲含碳量較高，具有耐磨作用。(2)合金材料中分布有碳纖維，碳纖維不僅具有減摩作用，而且和鋼絲共同作用， 增強材料的韌性和強度，因此有利于合金耐磨性能提高。(3)在成型過程中，鋁合金水進入鑄型型腔與鍍鈷鋼絲接觸后，鋼絲表面的Co熔 于鋁水形成Co2Al9,鋁合金水中的Si和鋼絲表面的Co反應(yīng)形成少量硬度高的Co2Si的特殊 化合物，所形成的這種特殊化合物彌散分布于鋁合金中，進一步提高了材料的耐磨性。(4)材料中的鋼絲截面為矩形，而且含有細(xì)小的碳纖維，因此合金中界面多，表面 積大，該材料具有很好的阻尼減振性能；且鋼絲制成鋼絲團呈球形，利于鋼絲和其上附著的碳纖維在材料中均勻分布。(5)合金材料用鐵代替了部分鋁，材料成本低，制備工藝簡便，生產(chǎn)成本低，生產(chǎn)的 合金材料性能好，而且非常便于工業(yè)化生產(chǎn)。(6)本發(fā)明材料中P、S為雜質(zhì)，控制在允許的范圍。本發(fā)明的合金性能見表1。


圖1為本發(fā)明實施例一制得的鋼絲和碳纖維復(fù)合增強阻尼耐磨鋁合金材料的金 相組織。圖1可以看到在鋁合金與鋼絲結(jié)合良好。
具體實施例方式以下各實施例僅用作對本發(fā)明的解釋說明，其中的重量百分比均可換成重量g、kg 或其它重量單位。各實施例中的鋼絲和碳纖維均為市購，鍍鈷層自制。實施例一鋁合金基體的化學(xué)成分的重量百分含量Mg為0. 1%，^ 為0.2%，Si為5%，1 為 2%，Sn 為 1%，La 為 0. 05%，Ho 為 0. 01%，其余為 Al。鋼絲的化學(xué)成分的重量百分含量C為0. 45%，Si為0. 2%, Mn為0. 5%, P<0. 02%, S <0. 025%,其余為!^e ；鋼絲的截面為矩形，且規(guī)格為0. ImmXO. 5mm。碳纖維為T300，直徑為7微米，長徑比為100:1。鋼絲和碳纖維的重量比為25:1，控制鋼絲和碳纖維兩者共占材料的體積百分比為 20%。取鋼絲按照清潔球或鋼絲球生產(chǎn)的常規(guī)方法形成清潔球形狀的鋼絲團，鋼絲團的 直徑為10cm，并按照常規(guī)化學(xué)熱處理的方法在其表面鍍鈷得到鍍鈷鋼絲團，所述鍍鈷層的 厚度為50 μ m。制備過程如下將鍍鈷鋼絲團浸入水玻璃溶液，所述水玻璃溶液的濃度為1. 3g/ cm3，模數(shù)為2. 6 ；將鋼絲團從水玻璃溶液中取出，然后再將碳纖維揉撒到帶有水玻璃溶液的 鋼絲團上，使碳纖維均勻粘在鋼絲的表面；待水玻璃固化后，將帶有若干粘附碳纖維的鋼絲 團放入鑄型型腔；鋼絲團的松緊程度由鋼絲和碳纖維占材料的體積百分比決定，且保證鋼 絲團正好放滿鑄型；然后將鑄型的上型蓋于下型上，合箱完畢后等待鋁合金水澆注。；將阻尼鋁合金基體在感應(yīng)電爐中熔化得到鋁合金水，熔化溫度為1130-1140°C ； 將上述阻尼鋁合金水澆入裝有帶有粘附碳纖維的鋼絲團的鑄型中，液態(tài)鋁合金水進入 鋼絲團間隙將碳纖維和鋼絲包圍，然后冷卻凝固，形成以阻尼鋁合金為基體的其中分布有 碳纖維和鋼絲團的材料。實施例二鋁合金基體的化學(xué)成分的重量百分含量Mg為0.3%，^ 為0.5%，Si為7%，1 為 3%，Sn 為 2%，La 為 0. 1%，Ho 為 0. 03%，其余為 Al。鋼絲的化學(xué)成分的重量百分含量C為0.65%，Si為0.3%，Mn為0. 85 P<0. 02%,S <0. 025%,其余為!^e ；鋼絲的截面為矩形，且規(guī)格為0. 4mmX 1. 5mm。碳纖維為T300，直徑為7微米，長徑比為400:1。鋼絲和碳纖維的重量比為30:1，控制鋼絲和碳纖維兩者共占材料的體積百分比為 40%。取鋼絲按照清潔球或鋼絲球生產(chǎn)的常規(guī)方法形成清潔球形狀的鋼絲團，鋼絲團的 直徑為15cm，并按照常規(guī)化學(xué)熱處理的方法在其表面鍍鈷得到鍍鈷鋼絲團，所述鍍鈷層的 厚度為100 μ m。制備過程同實施例一，其中水玻璃溶液的濃度為1. 5g/cm3，模數(shù)為3. 0。實施例三鋁合金基體的化學(xué)成分的重量百分含量Mg為0.2%，^ 為0.4%，Si為6%，1 為 2. 5%, Sn 為 1. 5%, La 為 0. 07%, Ho 為 0. 02%，其余為 Al。鋼絲的化學(xué)成分的重量百分含量C為0. 5%，Si為0. 25%, Mn為0. 7%, P<0. 02%, S <0. 025%,其余為!^e ；鋼絲的截面為矩形，且規(guī)格為0. 3mmX0. 7mm。碳纖維為T300，直徑為7微米，長徑比為190:1。鋼絲和碳纖維的重量比為27:1，控制鋼絲和碳纖維兩者共占材料的體積百分比為 35%。取鋼絲按照清潔球或鋼絲球生產(chǎn)的常規(guī)方法形成清潔球形狀的鋼絲團，鋼絲團的 直徑為12cm，并按照常規(guī)化學(xué)熱處理的方法在其表面鍍鈷得到鍍鈷鋼絲團，所述鍍鈷層的 厚度為70 μ m。制備過程同實施例一，其中水玻璃溶液的濃度為1. 4g/cm3，模數(shù)為2. 8。對比實施例四鋁合金基體的化學(xué)成分的重量百分含量Mg為0. 05%, ^ 為0. 1%, Si為4%，1 為 1%, Sn 為 0. 5%, La 為 0. 04%, Ho 為 0. 005%，其余為 Al。鋼絲的化學(xué)成分的重量百分含量=C為0. 4%，Si為0. 1%, Mn為0. 4%, Ρ<0· 02%, S <0. 025%,其余為！^ ；鋼絲的截面為圓形，且半徑為0. 1mm。碳纖維為T300，直徑為7微米，長徑比為50:1。鋼絲和碳纖維的重量比為25:1，控制鋼絲和碳纖維兩者共占材料的體積百分比為 10%。取鋼絲按照清潔球或鋼絲球生產(chǎn)的常規(guī)方法形成清潔球形狀的鋼絲團，鋼絲團的 直徑為10cm，且鋼絲表面不鍍鈷。制備過程同實施例一。對比實施例五鋁合金基體的化學(xué)成分的重量百分含量Mg為0. 4 %，^ 為0. 6 %，Si為8 %，Pb為4 %， Sn 為 3%，La 為 0. 2%，Ho 為 0. 04%，其余為 Al。鋼絲的化學(xué)成分的重量百分含量C為0.7%，Si為0.4%，Mn為0. 9%，P<0. 02%, S <0. 025%,其余為!^e ；鋼絲的截面為矩形，且規(guī)格為0. 5mmX2mm。碳纖維為T300，直徑為7微米，長徑比為600:1。鋼絲和碳纖維的重量比為25:1，控制鋼絲和碳纖維兩者共占材料的體積百分比為 60%。
取鋼絲按照清潔球或鋼絲球生產(chǎn)的常規(guī)方法形成清潔球形狀的鋼絲團，鋼絲團的 直徑為10cm，并按照常規(guī)化學(xué)熱處理的方法在其表面鍍鈷得到鍍鈷鋼絲團，所述鍍鈷層的 厚度為200 μ m。制備過程同實施例一。產(chǎn)品性能分析從下表可見，本發(fā)明中鋁合金材料的Mg、Zr、Si、Pb、Sn、La、Ho增高利于合金的力學(xué)性 能提高；但有些元素如Mg、Zr、Si、Pb過多則形成的化合物過多，削弱合金的耐磨。有些元 素如La、Ho過多，則會造成元素浪費。鋼絲中的成分C、Si、Mn的增高利于合金的力學(xué)性能提高；但過多會削弱合金的 耐磨。鋼絲截面為矩形便于粘結(jié)碳纖維。截面規(guī)格過小，不利于粘結(jié)碳纖維；反之，規(guī)格 過大，割裂基體傾向增加。碳纖維長徑比太小和太大都不利于與矩形截面鋼絲的粘結(jié)。鋼絲和碳纖維占材料的體積百分比增加，利于材料韌性的提高；但是體積百分比 過大，則降低了材料的硬度，因此也降低了材料的耐磨性，如產(chǎn)品5，而且鋁合金水不易包圍 鋼絲和碳纖維；反之，鋼絲和碳纖維占材料的體積百分比太小，則不利于鋼絲和碳纖維作用 的發(fā)揮。鋼絲的表面的鍍鈷層的厚度增加，利于鋁合金水的合金化；但是厚度過大，鈷不易 在短時間熔入鋁合金水中，造成元素的浪費，同時熱處理成本增加；反之，鍍鈷層厚度太小， 鋼絲硬度降低，并且不利于形成彌散的化合物。表1所得各產(chǎn)品性能對比權(quán)利要求
1.一種阻尼耐磨鋁合金材料，其特征在于該材料以鋁合金為基體，在基體中分布著 鋼絲團和碳纖維；所述鋼絲團直徑為10 15cm，所用鋼絲截面為矩形，截面規(guī)格為0. 1 0. 4mmX0. 5 1. 5mm ；所述鋼絲和碳纖維的重量比為25 30:1，鋼絲和碳纖維兩者共占材 料的體積百分比為20-40% ；鋁合金基體的化學(xué)成分的重量百分含量Mg為0. 1% 0. 3%，^ 為0. 2% 0. 5%， Si 為 5% 7%，Pb 為 2% 3%，Sn 為 2% ,La 為 0. 05% 0. 1%，Ho 為 0. 01% 0. 03%，其余為Al ；鋼絲的化學(xué)成分的重量百分含量為c為0. 45% 0. 65%，Si為0. 2% 0. 3%, Mn為 0. 5%-0. 85%, Ρ<0· 02%, S <0. 025%，其余為 Fe ；碳纖維為Τ300，直徑為7微米，長徑比為100 500:1。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的阻尼耐磨鋁合金材料，其特征在于所述基體中還分布有 Co2Al9 和 Co2Si 顆粒。
3.—種阻尼耐磨鋁合金材料的制備方法，其特征在于它包括以下步驟鍍鈷鋼絲團和碳纖維的準(zhǔn)備取截面為矩形、且規(guī)格為0. 1 0. 4mmΧ0. 5 1. 5mm、成 分為 C 為 0. 45% 0. 65%, Si 為 0. 2% 0. 3%, Mn 為 0. 5% 0. 85%, P<0. 02%, S <0. 025%, 其余為狗的鋼絲，以及直徑為7微米、長徑比為100 500 1的T300碳纖維，所述鋼絲和碳 纖維的重量比為25 30:1，鋼絲和碳纖維兩者的體積共占材料的體積百分比為20 40% ； 取鋼絲按清潔球生產(chǎn)的常規(guī)方法制備清潔球狀的鋼絲團，鋼絲團的直徑為10 15cm，并按 常規(guī)化學(xué)熱處理的方法在其表面鍍鈷得到鍍鈷鋼絲團，所述鍍鈷層的厚度為50 IOOym ；鍍鈷鋼絲團粘附碳纖維的制備將鍍鈷鋼絲團浸入水玻璃溶液，所述水玻璃溶液的濃 度為1. 3 1. 5 g/cm3，模數(shù)為2. 6 3. 0 ；將鋼絲團從水玻璃溶液中取出，然后再將碳纖維 揉撒到帶有水玻璃溶液的鋼絲團上，使碳纖維均勻粘在鋼絲的表面；待水玻璃固化后，將若 干粘附碳纖維的鋼絲團放入鑄型型腔；鋼絲團的松緊程度由鋼絲和碳纖維占材料的體積百 分比決定，且保證鋼絲團正好放滿鑄型；然后將鑄型的上型蓋于下型上，合箱完畢后等待鋁 合金水澆注；鋁合金基體的準(zhǔn)備按重量百分含量Mg為0. 1% 0. 3 %，^ 為0. 2 % 0. 5 %，Si 為 5% 7%，Pb 為 2% 3%，Sn 為 2%，La 為 0. 05% 0. 1%，Ηο 為 0. 01% 0. 03%，其余為Al進行配料；將鋁合金基體在感應(yīng)電爐中熔化得到鋁合金水，熔化溫度為 1120-1150°C ；將上述鋁合金水澆入裝有粘附碳纖維的鋼絲團的鑄型中，液態(tài)鋁合金水進入鋼絲團間 隙將碳纖維和鋼絲包圍，然后冷卻凝固，形成以鋁合金為基體的其中分布有碳纖維和鋼絲 團的材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種阻尼耐磨鋁合金材料及其制備方法，該材料以鋁合金為基體，在基體中分布著鋼絲團和碳纖維；所述鋼絲團直徑為10～15cm，所用鋼絲截面為矩形，截面規(guī)格為0.1～0.4mm×0.5～1.5mm；所述鋼絲和碳纖維的重量比為25～30:1，鋼絲和碳纖維兩者共占材料的體積百分比為20-40%。本發(fā)明制得的材料具有較高的韌性和耐磨性能，且工藝簡單，生產(chǎn)成本低。
文檔編號C22C121/00GK102051554SQ20111000704
公開日2011年5月11日 申請日期2011年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月14日
發(fā)明者王玲, 趙浩峰, 雷勇 申請人:南京信息工程大學(xué)