增強(qiáng)粒子-銅合金界面相容處理的鋁基復(fù)合材料的制備方法
【專利摘要】一種增強(qiáng)粒子-銅合金界面相容處理的鋁基復(fù)合材料的制備方法，制備原料包括100重量份基體合金、8-10重量份增強(qiáng)粒子以及0.05-0.08重量份的精煉劑，所述的基體合金選用75-80重量份的鑄造鋁合金ZAlSi8MgBe、15-20重量份的銅合金Cu20Ni20Mn和5-8重量份的銅合金Cu20Ni35Mn，所述的增強(qiáng)粒子為碳化鎢、四針狀氧化鋅晶須、碳化硅以及納米二氧化鈦的組合，四種增強(qiáng)粒子的重量比為（4-4.5）:（3-3.5）:（1-1.5）:（2-2.5），本發(fā)明制備的鋁銅基復(fù)合材料重量輕、比強(qiáng)度比剛度高、熱膨脹系數(shù)低，具有良好的導(dǎo)熱性和抗磨耐磨性，并且制備比較容易、成本低而且增強(qiáng)相在基體內(nèi)彌散分布且具有各向同性，適用于各種復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)。
【專利說明】增強(qiáng)粒子-銅合金界面相容處理的鋁基復(fù)合材料的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及新材料【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種用于剎車盤的增強(qiáng)粒子-銅合金界面相容處理的鋁基復(fù)合材料的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]剎車盤是汽車制動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，其制動(dòng)性能的好壞直接關(guān)系到車輛的行駛安全。目前廣泛使用的鑄鐵剎車盤因制動(dòng)摩擦發(fā)熱而使其表面溫度高達(dá)6 O (TC，其工作表面溫度很高且溫度梯度大，易形成熱點(diǎn)而產(chǎn)生熱裂，并且鑄鐵剎車盤的耐磨性較差。目前行業(yè)內(nèi)嘗試用鋁合金來代替鑄鐵材料鑄造剎車盤，盡管其重量輕、導(dǎo)熱性能好，但其強(qiáng)度和硬度較低，阻礙了其在剎車盤上的應(yīng)用；目前部分中國專利公開了通過在鑄造鋁合金中加入增強(qiáng)粒子比如碳化硅來提高鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能，但是碳化硅作為非金屬化合物，熔融的基體合金對于增強(qiáng)粒子不濕潤，以及增強(qiáng)相顆粒容易與基體合金之間容易發(fā)生界面反應(yīng)，比如碳化硅與鋁合金基體互不潤濕，且碳化硅在鋁合金液中不穩(wěn)定，將于合金液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在界面生成不穩(wěn)定的化合物Al4C3;由于界面是復(fù)合材料及其重要的組成部分，界面的結(jié)合程度(即相容性)很大程度決定了復(fù)合材料的性質(zhì)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明提供一種增強(qiáng)粒子-銅合金界面相容處理的鋁基復(fù)合材料的制備方法，其作為剎車盤的材料，可以解決現(xiàn)有鑄鐵剎車盤重量重、導(dǎo)熱性差、耐磨性差、易熱裂等缺陷，同時(shí)能夠解決現(xiàn)有的鋁基復(fù)合材料由于界面相容性較差造成性能還不甚理想的缺陷。
[0004]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:制備原料包括100重量份基體合金、8-10重量份增強(qiáng)粒子以及0.05-0.08重量份的精煉劑，所述的基體合金選用75-80重量份的鑄造鋁合金ZAlSi8MgBe、15-20重量份的銅合金Cu20Ni20Mn和5_8重量份的銅合金Cu20Ni35Mn，所述的增強(qiáng)粒子為碳化鎢、四針狀氧化鋅晶須、碳化硅以及納米二氧化鈦的組合，四種增強(qiáng)粒子的重量比為(4-4.5): (3-3.5): (1-1.5): (2-2.5);所述的精煉劑為混合稀土，混合稀土由釔、锫和鑭組成，三者的質(zhì)量比為1: (0.20-0.22): (0.30-0.32)，具體制備步驟如下:
(1)、向鑄造鋁合金ZAlSi8MgBe中加入混合稀土，混合后加熱至750_800°C熔化得到鋁基基體合金熔液；
(2)、向銅合金Cu20Ni20Mn中加入增強(qiáng)粒子:四針狀氧化鋅晶須和碳化鎢，混合加熱至1050-1100°C攪拌均勻得到碳化鎢-氧化鋅晶須銅基基體合金濕潤液；
(3)、向銅合金Cu20Ni35Mn中加入增強(qiáng)粒子:碳化娃和納米二氧化鈦，混合加熱至980-1000°C攪拌均勻得到碳化硅-納米二氧化鈦銅基基體合金濕潤液；
(4)、將步驟(2)、(3)分別制得的銅基基體合金濕潤液加入到步驟(1)中的鋁基基體合金熔液，控溫1150-1200°C并在氮?dú)獗Ｗo(hù)下攪拌1-1.5小時(shí)；然后樹脂砂型澆鑄得到復(fù)合材料；
(5)、將復(fù)合材料在600-650°C固熔處理6-8小時(shí)，淬火，然后在350-400°C時(shí)效處理10-12小時(shí)得到增強(qiáng)型鋁銅基復(fù)合材料。
[0005]上述步驟進(jìn)一步優(yōu)選為:所述的碳化硅的粒徑為10-12 μ m，所述的碳化鎢的顆粒尺寸為50-60 μ m,所述的四針狀氧化鋅晶須為長度為10-12 μ m、根部直徑為1-1.5μηι的四針狀氧化鋅晶須，所述的納米二氧化鈦粒徑為40-50nm。
[0006]本發(fā)明通過將增強(qiáng)離子首先分別用Cu20Ni20Mn和Cu20Ni35Mn熔融液濕潤(實(shí)踐證明碳化鎢、四針狀氧化鋅晶須二者與Cu20Ni20Mn熔融液均能夠充分潤濕，碳化硅、納米二氧化鈦二者能夠與Cu20Ni35Mn充分潤濕)，從而提高增強(qiáng)離子與主體鋁合金基體材料的界面結(jié)合程度；同時(shí)由于碳化鎢具有良好的硬度、化學(xué)穩(wěn)定性以及導(dǎo)熱性，因此作為增強(qiáng)粒子添加到復(fù)合材料中能夠提高復(fù)合材料的硬度等力學(xué)性能；增強(qiáng)粒子四針狀氧化鋅晶須的立體的晶型結(jié)構(gòu)分散在基體中能起骨架作用，獨(dú)特的三維空間結(jié)構(gòu)使其與基體的抓著力更大，增強(qiáng)效果更顯著，使抗拉強(qiáng)度明顯增加，而且橫向和縱向抗拉強(qiáng)度數(shù)值基本相同，各向同性地加強(qiáng)基體材料的機(jī)械性能,顯著地改善基體強(qiáng)度和加工性能；通過在復(fù)合材料加入SiC，不僅可以改善復(fù)合材料熱穩(wěn)定性、機(jī)械性能以及耐磨性，而且還可以提高復(fù)合材料的耐熱性和抗蠕變性能，并能夠降低熱膨脹系數(shù)；納米二氧化鈦(T12)具有特有的納米尺寸效應(yīng)、大的比表面積、有著較強(qiáng)的界面相互作用，其能夠與其他增強(qiáng)離子相結(jié)合填充，起到協(xié)同作用，T12能夠提高復(fù)合材料的承載能力，彌補(bǔ)其他增強(qiáng)粒子填充不到的貧瘠區(qū)，從而提高復(fù)合材料的耐磨性能。銅基材料中的鎳可以提高銅管的耐酸堿腐蝕性、耐高溫腐蝕性及焊接性能，此外鎳還可以用做冶金工業(yè)的“維生素”，高溫下容易硫、氮、氧直接化合，與具有脫氧、除氮、去硫的作用，降低復(fù)合材料中氧、氮、硫的含量；稀土金屬釔、锫和鑭在鑄造中起脫氧脫硫作用，能使兩者的含量都降低到0.001%以下，并改變夾雜物的狀態(tài)，細(xì)化晶粒，從而改善合金材料的加工性能，提高強(qiáng)度、韌性、耐腐蝕和抗氧化性等?？傊畬?shí)踐證明，本發(fā)明制備的鋁銅基復(fù)合材料重量輕、比強(qiáng)度比剛度高、熱膨脹系數(shù)低，具有良好的導(dǎo)熱性和抗磨耐磨性，并且制備比較容易、成本低而且增強(qiáng)相在基體內(nèi)彌散分布、界面結(jié)合良好且具有各向同性，適用于各種復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)。

【具體實(shí)施方式】
[0007]以下通過具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0008]實(shí)施例1
一種增強(qiáng)粒子-銅合金界面相容處理的鋁基復(fù)合材料的制備方法，制備原料包括100重量份基體合金、8-10重量份增強(qiáng)粒子以及0.05-0.08重量份的精煉劑，所述的基體合金選用75-80重量份的鑄造鋁合金ZAlSi8MgBe (即ZL116，其各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:Si=
6.5-7.5%, Mg=0.35-0.55%, Ti=0.1-0.3%, Be=0.15 ~0.40，余量為 Al)、15-20 重量份的銅合金Cu20Ni20Mn (組成:鎳19.85%，錳19.69%，鐵0.29%，余量為銅)和5_8重量份的銅合金Cu20Ni35Mn (組成:鎳19.85%，錳34.94%，鐵0.34%，余量為銅)，增強(qiáng)粒子為碳化鎢、四針狀氧化鋅晶須、碳化硅以及納米二氧化鈦的組合，四種增強(qiáng)粒子的重量比為(4-4.5):(3-3.5): (1-1.5): (2-2.5)，碳化硅的粒徑為10-12 μ m，碳化鎢的顆粒尺寸為50-60 μ m，四針狀氧化鋅晶須為長度為10-12 μ m、根部直徑為1-1.5μπι的四針狀氧化鋅晶須，納米二氧化鈦粒徑為40-50nm ;精煉劑為混合稀土，混合稀土由釔、锫和鑭組成，三者的質(zhì)量比為1: (0.20-0.22): (0.30-0.32)，具體制備步驟如下:
(1)、向鑄造鋁合金ZAlSi8MgBe中加入混合稀土，混合后加熱至750_800°C熔化得到鋁基基體合金熔液；
(2)、向銅合金Cu20Ni20Mn中加入增強(qiáng)粒子:四針狀氧化鋅晶須和碳化鎢，混合加熱至1050-1100°C攪拌均勻得到碳化鎢-氧化鋅晶須銅基基體合金濕潤液；
(3)、向銅合金Cu20Ni35Mn中加入增強(qiáng)粒子:碳化娃和納米二氧化鈦，混合加熱至980-1000°C攪拌均勻得到碳化硅-納米二氧化鈦銅基基體合金濕潤液；
(4)、將步驟(2)、(3)分別制得的銅基基體合金濕潤液加入到步驟(1)中的鋁基基體合金熔液，控溫1150-1200°C并在氮?dú)獗Ｗo(hù)下攪拌1-1.5小時(shí)；然后樹脂砂型澆鑄得到復(fù)合材料；
(5)、將復(fù)合材料在600-650°C固熔處理6-8小時(shí)，淬火，然后在350-400°C時(shí)效處理
10-12小時(shí)得到增強(qiáng)型鋁銅基復(fù)合材料。
[0009]將實(shí)施例1制備的成品即增強(qiáng)型鋁銅基復(fù)合材料取樣分析，用掃描電鏡(SEM)觀察發(fā)現(xiàn)基體合金與增強(qiáng)離子的界面結(jié)合良好，即使在1000倍下觀察，界面結(jié)合的非常緊密，未發(fā)生明顯的缺陷。 經(jīng)過試驗(yàn)檢測實(shí)施例1制備的復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度平均能達(dá)到750-850MPa，硬度平均為300-320 (5/250/30)HBS,相比于ZAlSi8MgBe，強(qiáng)度提高80%以上，硬度提高200%以上；即使與現(xiàn)有的碳化硅增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料相比，強(qiáng)度、硬度提高也都在50%以上。并且復(fù)合材料重量較鑄鐵減輕28-30%，在100-300°C導(dǎo)熱率大約是180-190ff/(m.k),約為鑄鐵(HT250)的6倍，與鑄鐵相比，導(dǎo)熱性大大提高；并且在剎車工況摩擦試驗(yàn)條件下,復(fù)合材料比鑄鐵材料摩擦表面溫度低,摩擦系數(shù)穩(wěn)定；臺架試驗(yàn)表明，在高速頻繁制動(dòng)條件下，相對于鑄鐵剎車盤，復(fù)合材料剎車盤具有較大的制動(dòng)力矩和較高的剎車穩(wěn)定性，能明顯提高制動(dòng)性。
【權(quán)利要求】
1.一種增強(qiáng)粒子-銅合金界面相容處理的鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，制備原料包括100重量份基體合金、8-10重量份增強(qiáng)粒子以及0.05-0.08重量份的精煉劑，所述的基體合金選用75-80重量份的鑄造鋁合金ZAlSi8MgBe、15-20重量份的銅合金Cu20Ni20Mn和5_8重量份的銅合金Cu20Ni35Mn，所述的增強(qiáng)粒子為碳化鎢、四針狀氧化鋅晶須、碳化硅以及納米二氧化鈦的組合，四種增強(qiáng)粒子的重量比為(4-4.5): (3-3.5):(1-1.5): (2-2.5);所述的精煉劑為混合稀土,混合稀土由乾、锫和鑭組成,三者的質(zhì)量比為1: (0.20-0.22): (0.30-0.32)，具體制備步驟如下: (1)、向鑄造鋁合金ZAlSi8MgBe中加入混合稀土，混合后加熱至750_800°C熔化得到鋁基基體合金熔液； (2)、向銅合金Cu20Ni20Mn中加入增強(qiáng)粒子:四針狀氧化鋅晶須和碳化鎢，混合加熱至1050-1100°C攪拌均勻得到碳化鎢-氧化鋅晶須銅基基體合金濕潤液； (3)、向銅合金Cu20Ni35Mn中加入增強(qiáng)粒子:碳化娃和納米二氧化鈦，混合加熱至980-1000°C攪拌均勻得到碳化硅-納米二氧化鈦銅基基體合金濕潤液； (4)、將步驟(2)、(3)分別制得的銅基基體合金濕潤液加入到步驟(1)中的鋁基基體合金熔液，控溫1150-1200°C并在氮?dú)獗Ｗo(hù)下攪拌1-1.5小時(shí)；然后樹脂砂型澆鑄得到復(fù)合材料； (5)、將復(fù)合材料在600-650°C固熔處理6-8小時(shí)，淬火，然后在350-400°C時(shí)效處理10-12小時(shí)得到增強(qiáng)型鋁銅基復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增強(qiáng)粒子-銅合金界面相容處理的鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述的碳化硅的粒徑為10-12 μ m，所述的碳化鎢的顆粒尺寸為50-60 μ m，所述的四針狀氧化鋅晶須為長度為10-12 μ m、根部直徑為1-1.5μπι的四針狀氧化鋅晶須，所述的納米二氧化鈦粒徑為40-50nm。
【文檔編號】C22F1/057GK104131186SQ201410402628
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年8月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月16日
【發(fā)明者】孟紅琳 申請人:孟紅琳