專利名稱：硼酸鋁晶須/鑄造鋁合金復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鑄造的鋁合金復(fù)合材料及其制備方法，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(jìn)行“晶須化”為增強(qiáng)體的鑄造鋁合金復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
近些年來發(fā)展起來的碳化硅晶須/6061鋁合金復(fù)合材料，其性能好，如強(qiáng)度高，模量大，具有耐磨性、尺寸穩(wěn)定性，耐熱性等，但價(jià)格昂貴，現(xiàn)只用于航天、航空業(yè)；硼酸鋁晶須上述性能與碳化硅晶須相當(dāng)，而價(jià)格僅為其1/10，為降低鋁合金復(fù)合材料的成本，使之能夠廣泛的用于工業(yè)和民用領(lǐng)域，迫切需要研究硼酸鋁晶須為增強(qiáng)體的鑄造鋁合金為基體的復(fù)合材料及其制備方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種硼酸鋁晶須/鑄造鋁合金復(fù)合材料及其制備方法，該材料強(qiáng)度高，模量大，具有耐磨性、尺寸穩(wěn)定性，耐熱性比現(xiàn)有合金有很大改善；其制備方法較為簡(jiǎn)便。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下本發(fā)明的復(fù)合材料由如下重量份數(shù)的原料制成鑄造鋁合金 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。
上述復(fù)合材料的進(jìn)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硅合金，其代號(hào)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(jié)構(gòu)。
上述的碳纖維是G40-700型的。
上述的硼酸鋁晶須/鑄造鋁合金復(fù)合材料的制備方法，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(jié)劑粘結(jié)起來；制備預(yù)制塊；2、將鋯粉噴涂在預(yù)制塊表面，制成表面含鋯粉均勻噴涂層的預(yù)制塊；3、將含鋯粉的預(yù)制塊預(yù)熱到700℃，模具加熱到300℃，將含鋯粉噴涂層的預(yù)制塊投入到模腔內(nèi)，澆入690-700℃的鑄造鋁合金ZL102熔體，澆入時(shí)間一次完成，操作時(shí)間盡可能的短；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(chǎn)品。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1，本復(fù)合材料各項(xiàng)性能優(yōu)良，用15份硼酸鋁晶須/5份氧化鋅晶須/5份碳纖維增強(qiáng)鑄造鋁硅合金ZL102，鋁合金復(fù)合材料的強(qiáng)度達(dá)到538MPa，模量達(dá)120GPa，其強(qiáng)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(wěn)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(dòng)性，不用熱處理強(qiáng)化適用于澆注、壓鑄、液態(tài)模鍛等新加工工藝。2、由于以上優(yōu)良性能，本復(fù)合材料可用于多個(gè)領(lǐng)域。因其在常溫下的強(qiáng)度和彈性模量大，能代替鑄鋼和各種金屬，通用的鋼材強(qiáng)度為500-600MPa，本發(fā)明的復(fù)合材料的強(qiáng)度相當(dāng)于鋼材強(qiáng)度，若用本發(fā)明材料取代傳統(tǒng)金屬材料，因其耐磨工作壽命可延長(zhǎng)2倍，其與生物體的相容性也比鋼材好，用作人體骨骼、關(guān)節(jié)、顱蓋骨補(bǔ)塊等比其它材料好。3、用本發(fā)明的材料，比鋼、鐵節(jié)省材料成本和制造費(fèi)用，生產(chǎn)工作量可減少10％，比一般制造構(gòu)件工作量減少50％，構(gòu)件質(zhì)量減輕25％，4、安全性能和可靠性高，若用于飛機(jī)，其可靠性是傳統(tǒng)材料的數(shù)十倍，飛機(jī)、汽車、火車、船舶用的鋁合金鑄件從產(chǎn)生裂紋至裂斷時(shí)間是1min，而本發(fā)明材料因阻尼性好其從產(chǎn)生裂紋至裂斷是50min左右，因此使乘客可以撤離，飛機(jī)可降落，大大提高安全性。5、本發(fā)明的材料屬鑄造鋁合金復(fù)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，再次利用制造鋁制品，因而可降低材料成本，無毒、無害、不污染環(huán)境。6、本發(fā)明的制作方法簡(jiǎn)便，易操作。
本發(fā)明的材料具體可以應(yīng)用汽車的剎車盤、片、環(huán)，內(nèi)燃機(jī)的活塞，發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，柴油機(jī)鑄件等。


圖1是本發(fā)明制備過程示意圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)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(shí)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(shí)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(fā)明復(fù)合材料的制備方法由如下步驟組成，結(jié)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(jié)劑明膠粘結(jié)起來；制備預(yù)制塊；圖1(a)中(1)為預(yù)制塊，(2)為上模，(3)為模腔；2、鋯粉噴涂在預(yù)制塊表面，制成表面含鋯粉均勻噴涂層的預(yù)制塊；
3、將含鋯粉的預(yù)制塊預(yù)熱到700℃，模具加熱到300℃，將含鋯粉噴涂層的預(yù)制塊(5)投入到模腔內(nèi)，圖1的(b)圖，澆入690-700℃的鑄造鋁硅合金ZL102熔體(4)，澆入時(shí)間一次完成，操作時(shí)間盡可能的短；圖1(c)下模，(d)中用液壓機(jī)(6)施加12-18MPa的壓力，保持壓力時(shí)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(chǎn)品(7)。
本發(fā)明選用的鑄造鋁硅合金合金牌號(hào)為ZAISi12，其代號(hào)為ZL102，為基體材料在碳纖維上進(jìn)行硼酸鋁晶須與氧化鋅晶須共混物“晶須化”，為增強(qiáng)體材料，在高溫熔融狀態(tài)下，采用機(jī)械壓力浸滲復(fù)合，制備硼酸鋁晶須/鑄造鋁合金復(fù)合材料，選用基體材料的主要元素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/％)，硅10.0-13.0，余量鋁，其雜質(zhì)鐵S 0.7，鐵J 1.0，銅0.3，鋅0.1，錳0.5，鈦0.2，不含堿金屬元素，堿土金屬元素，易于與硼酸鋁晶須、氧化鋅晶須、碳纖維復(fù)合，界面反應(yīng)極小，對(duì)ZL102合金含錳0.5％，它是氧化態(tài)變化最為豐富的金屬元素，易于界面氧化反應(yīng)。太原鑄造鋁合金錠廠生產(chǎn)。
選用的硼酸鋁晶須的分子式為9AI2O3.2B2O3，它屬斜方晶系，易和堿金屬元素，堿土金屬元素反應(yīng)，所以選用它和上述鋁硅合金不含堿金屬元素，堿土金屬元素的配合。其晶須平均直徑0.5-5μm，長(zhǎng)度為10--100μm，密度為2.93g/cm3，熔點(diǎn)為1960℃，拉伸強(qiáng)度8GPa，拉伸模量為400GPa，熱膨脹系數(shù)(軸向)為1.9×10-6K。上海晶須復(fù)合材料制造有限公司生產(chǎn)。
選用的四腳狀氧化鋅晶須，具有獨(dú)特的凹腳狀三維空間結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度高，半導(dǎo)體性質(zhì)，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、碳纖維共混制成的鋁合金基復(fù)合材料，其抗拉強(qiáng)度增加，機(jī)械切削加工性能更好，形成微觀的阻尼結(jié)構(gòu)，起到降低固有振動(dòng)頻率，增大衰減率的作用，提高尺寸穩(wěn)定性，耐紫外線老化性，使本發(fā)明的綜合性能有較大改善。上海歐誠鋅業(yè)有限公司生產(chǎn)。
選用的碳纖維，在其上進(jìn)行“晶須化”，可大大提高和改善纖維的強(qiáng)度和模量，能改變碳纖維的表面形態(tài)和表面化學(xué)性，從而增強(qiáng)與基體的粘接，實(shí)現(xiàn)界面優(yōu)化，這主要是通過控制界面反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。蘭州化纖廠生產(chǎn)。
本發(fā)明的復(fù)合材料基體中加入少量的鋯金屬，它有較強(qiáng)的真空除氧及耐腐蝕性，對(duì)抑制碳纖維、硼酸鋁晶須、氧化鋅晶須與鋁合金基體的反應(yīng)，抑制基體雜質(zhì)含錳金屬元素易氧化態(tài)變化，形成良好界面結(jié)構(gòu)有明顯作用。鋯粉是淄博永幫鋯粉有限公司生產(chǎn)。
權(quán)利要求
1.一種硼酸鋁晶須/鑄造鋁合金復(fù)合材料，其特征在于它由如下重量份數(shù)的原料制成鑄造鋁合金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(jù)權(quán)利要求1所述的一種硼酸鋁晶須/鑄造鋁合金復(fù)合材料，其特征在于它由如下重量份數(shù)的原料制成鑄造鋁合金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(jù)權(quán)利要求1所述的一種硼酸鋁晶須/鑄造鋁合金復(fù)合材料，其特征在于它的鑄造鋁合金是鑄造鋁硅合金，其代號(hào)為ZL102。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硼酸鋁晶須/鑄造鋁合金復(fù)合材料，其特征在于它的硼酸鋁晶須的分子式為9AI2O3.2B2O3。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硼酸鋁晶須/鑄造鋁合金復(fù)合材料，其特征在于它的氧化鋅晶須為四腳狀三維空間結(jié)構(gòu)。
6.跟據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硼酸鋁晶須/鑄造鋁合金復(fù)合材料，其特征在于它的碳纖維是G40-700型的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硼酸鋁晶須/鑄造鋁合金復(fù)合材料其制備方法，其特征在于它由如下步驟組成(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(jié)劑粘結(jié)起來；制備預(yù)制塊；(2)、鋯粉噴涂在預(yù)制塊表面，制成表面含鋯粉均勻噴涂層的預(yù)制塊；(3)、將含鋯粉的預(yù)制塊預(yù)熱到700℃，模具加熱到300℃，將含鋯粉噴涂層的預(yù)制塊投入到模腔內(nèi)，澆入690-700℃的鑄造鋁合金ZL102熔體，澆入時(shí)間一次完成，操作時(shí)間盡可能的短；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(chǎn)品。
全文摘要
本發(fā)明公開一種硼酸鋁晶須/鑄造鋁合金復(fù)合材料及其制備方法，它由如下重量份數(shù)的原料制成鑄造鋁合金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；其制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(jié)劑粘結(jié)起來制備預(yù)制塊；將鋯粉噴涂在預(yù)制塊表面；將預(yù)制塊預(yù)熱到700℃，模具加熱到300℃，上述預(yù)制塊投入到模腔內(nèi)，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(chǎn)品。本復(fù)合材料各項(xiàng)性能優(yōu)良，因其在常溫下的強(qiáng)度和彈性模量大，能代替鑄鋼和各種金屬，并比鋼、鐵成本低，安全性能和可靠性高。
文檔編號(hào)C22C49/14GK101041887SQ20071001121
公開日2007年9月26日 申請(qǐng)日期2007年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月27日
發(fā)明者劉春祥 申請(qǐng)人:劉春祥, 劉永祥