本發明涉及鋁基復合材料領域，特別涉及一種鋁基復合材料及制備方法。

背景技術：

汽車輕量化已成為全球汽車工業發展的趨勢，采用輕質材料是實現輕量化的重要技術手段，鋁基復合材料具有密度低、比強度高和比模量高等特點，目前主要在連桿、活塞、氣缸內孔、制動盤、制動鉗等零件上應用。鋁基復合材料主要采用陶瓷顆粒、陶瓷纖維等作為增強材料，目前陶瓷增強復合材料的制造方法主要有攪拌加入法、粉末冶金法、及把陶瓷材料制作預制體后采用壓力浸滲等方法，但是這些方法都存在鑄造成形困難、制造成本高、性能穩定性差等問題，因此難以大規模推廣使用。

技術實現要素：

本發明為了彌補現有技術的不足，提供了一種顆粒混雜增強新型耐磨鋁基復合材料及其制備方法。

本發明的顆粒混雜增強新型耐磨鋁基復合材料的各元素成分組成為（按重量比）：si12-15wt％，cu3-3.5wt％，ni2-3wt％，fe2-5wt％，mg0.2-0.6wt％，ce0.02-0.08wt％，zr0.05-0.15wt％，v0.05-0.15wt％，0.01wt%≥p≥0.005wt％；4≥tib2/fe≥2，其余為al。

上述4≥tib2/fe≥2表示tib2與fe的重量比，即顆粒混雜增強新型耐磨鋁基復合材料中的tib2與fe的重量比值在2-4之間。

本發明制備上述顆粒混雜增強新型耐磨鋁基復合材料的方法，包括以下步驟：

（一）在中頻爐中，投入工業純鋁錠、電解cu、電解ni、工業mg、工業si、工業生fe，待所有材料完全熔化后，加入zr含量10wt％的al-zr合金，v含量10wt％的al-v合金，p含量10wt％的al-p合金，待上述中間合金完全溶解均勻后，升溫至900-1000℃；

（二）步驟（一）中的熔體在中頻爐中900-1000℃區間保溫后10分鐘后，關閉中頻爐，加入經造粒后的k2tif6和kbf4的氟鹽混合物及ceo2，其中ceo2占加入的氟鹽混合物總重量的0.5-2wt％；其中，按照下面反應式進行計算加入經造粒后的k2tif6和kbf4的重量：

3k2tif6+6kbf4+10al→3tib2+k3alf6+9kalf4

（三）重新啟動中頻爐，使爐子處于保溫功率段，熔體反應溫度控制在1000-1200℃，反應時間控制在80-120min；

（四）待步驟（三）反應結束后，倒掉熔體表面反應剩余鹽渣，加入專用清渣劑，清除剩余氟鹽；

（五）把制好的熔體倒入保溫干鍋爐中，在熔體表面加入清渣劑，使用氬氣進行精煉和除氣處理，扒去熔體表面浮渣，即獲得顆粒混雜增強新型耐磨鋁基復合材料。

其優選的技術方案為：

步驟（五）中，精煉溫度為760-780℃，精煉時間為12-20min。

本發明還包括一種采用上述顆粒混雜增強新型耐磨鋁基復合材料制備零件的方法，具體方法為：將顆粒混雜增強新型耐磨鋁基復合材料的熔體在780～800℃下保溫，然后將熔體澆入預熱好的鑄模中鑄造零件，對鑄造成型的零件進行固溶處理加時效處理，然后進行室溫水淬，在空氣中自然冷卻，獲得顆粒混雜增強新型耐磨鋁基復合材料零件。

其中，作為優選方案，上述固溶處理的溫度為510-520℃，時間為3.5-4.5h；時效處理的溫度為170-190℃，時間為7-10h。

本發明的有益效果為：

（1）本發明方法制備的鋁基復合材料大大提高了材料的力學性能，同時使材料的耐磨性也得到顯著提高；

（2）本發明中，利用熔體反應法，制備與基體潤濕性好、界面潔凈的納米級tib2陶瓷顆粒，并經過多次試驗得到tib2與fe含量的重量比為：4≥tib2/fe≥2，經試驗研究發現，內生納米級陶瓷顆粒tib2對鋁合金中板狀結構的β-fe相有強烈的轉化作用，其原理在于內生的納米級的陶瓷顆粒tib2一部分作為δ-fe相的晶核，一部分分布在α-al基體中，在熔體凝固過程中，富鐵相不會生成板狀β-fe相，而是以一部分tib2粒子作為晶核轉化為δ-fe相結構，同時分布在α-al基體中的tib2粒子也抑制了δ-fe相的尺寸長大，從而形成本復合材料中的顆粒狀的小尺寸的δ-fe相增強顆粒；經多次試驗后，得到以上經驗配比，按照以上經驗配比控制tib2顆粒含量與fe含量，在材料組織中可以得到均勻分布的顆粒狀δ-fe相，由于材料組織中的δ-fe相的生成，改善了板狀β-fe相對鋁基體的割裂作用，而且δ-fe相具有很高的顯微硬度，所以tib2粒子、顆粒狀δ-fe相，共同形成了本復合材料的高強度、高耐磨的特性；

（3）本發明中使用了混合氟鹽配方和雙重造粒混料的方法，并摸索出了最適合的熔體反應溫度和時間控制，保證了制備tib2過程中熔體反應速度能得到有效的控制以及生成的陶瓷顆粒tib2在基體中的均勻分散；

（4）本發明制備的鋁基復合材料可以使用多種鑄造的方式生產零件，工藝過程得到簡化，成本適中，增強顆粒體積分數易控制，適合工業規模化生產。

附圖說明

圖1為tib2粒子促使熔體生成δ-fe相的電鏡圖。

圖2為熔體反應獲得tib2粒子后生成的δ-fe相分布電鏡圖。

圖3為沒有tib2粒子加入熔體生成的β-fe相分布電鏡圖。

圖4為最終獲得的鋁基復合材料的金相組織電鏡圖。

圖5為1#-9#合金試樣的常溫抗拉強度測試圖。

圖6為1#合金試樣金相圖。

圖7為2#合金試樣金相圖。

具體實施方式

以下給出本發明的具體實施例，需要說明的是本發明并不局限于以下具體實施例，凡在本申請技術方案基礎上做的等同變換均落入本發明的保護范圍。

本發明最終制備的顆粒混雜增強新型耐磨鋁基復合材料的各元素成分組成為：si12-15wt％，cu3-3.5wt％，ni2-3wt％，fe2-5wt％，mg0.2-0.6wt％，ce0.02-0.08wt％，zr0.05-0.15wt％，v0.05-0.15wt％，0.01wt%≥p≥0.005wt％，以上均為重量比，還包括tib2，且tib2與fe的重量比滿足：4≥tib2/fe≥2，其余為al。

本發明中4≥tib2/fe≥2是經驗配比，通過多次試驗配制得到，內生納米級陶瓷顆粒tib2對鋁合金中板狀結構的β-fe相用強烈的轉化作用，其原理在于內生的納米級的陶瓷顆粒tib2一部分作為δ-fe相的晶核，一部分分布在α-al基體中，在熔體凝固過程中，富鐵相不會自由生成板狀β-fe相，而是以一部分tib2粒子作為晶核轉化為δ-fe相結構，同時分別在α-al基體中的tib2粒子也抑制了δ-fe相的尺寸，從而形成本復合材料中的顆粒狀的小尺寸的δ-fe相增強顆粒，見附圖1，經多次試驗后，得到以上經驗配比，按照以上經驗配比控制tib2顆粒含量與fe含量，在材料組織中可以得到均勻分布的顆粒狀δ-fe相，見附圖2，由于材料組織中的δ-fe相的生成，改善了板狀β-fe相對鋁基體的割裂作用，本經驗配比的最小值是保證材料中板狀β-fe相轉變為δ-fe相所需最少的納米級tib2顆粒重量；配比的最大值是為了保證材料的可鑄造性能，由于材料中含有大量的高熔點粒子δ-fe相和tib2顆粒，會造成熔體粘度升高，鑄造成型性能下降，經多次試驗當材料中fe與tib2顆粒的配比不超過配比中最大值時，材料的力學性能、鑄造性能依然非常優異。

如下表1為試驗中選取的制備的9個合金試樣的材料成分配比數據，附圖5為這9個合金試樣的常溫抗拉強度測試圖，經對試驗的合金試樣微觀結構的研究，發現在1#、2#合金試樣顯微組織中，還存在部分板狀β-fe相沒有轉化顆粒狀δ-fe相，如附圖6、7所示，由于β-fe相對合金基體的割裂作用非常嚴重，其表現特征為材料力學性能低下，如附圖5所示；在合金試樣8#、9#中，由于材料中含有大量的陶瓷顆粒和顆粒狀δ-fe相，材料的鑄造性能低下，無法采用常規鑄造的方法生產零件，因此合金試樣8#、9#的常溫抗拉強度無法在附圖5中體現，材料的實用性不強；因此，經過大量試驗得到fe與tib2的重量經驗配比為：4≥tib2/fe≥2。

表1各合金試樣成分

本實施例將制備本發明顆粒混雜增強新型耐磨鋁基復合材料的方法進行舉例具體說明，包括以下步驟：

（一）在中頻爐中，投入工業純鋁錠75千克、電解cu4千克、電解ni2.4千克、工業mg0.4千克、工業si14千克、工業生fe2.5千克，待所有材料完全熔化后，加入zr含量10wt％的al-zr合金1.3千克，v含量10wt％的al-v合金1.3千克，p含量10wt％的al-p合金0.08千克，待所有中間合金完全溶解且均勻后，升溫至1000℃；

（二）步驟（一）中的熔體在中頻爐中1000℃下保溫后10分鐘后，關閉中頻爐，加入經造粒后的k2tif6、kbf4和ceo2的混合物，k2tif6和kbf4組成氟鹽混合物，ceo2占上述k2tif6和kbf4氟鹽混合物總重量的0.5-2wt％，加入的k2tif6和kbf4的重量按照下面反應式進行計算：

3k2tif6+6kbf4+10al→3tib2+k3alf6+9kalf4

經計算，加入的k2tif6為17.2千克，kbf4為18.1千克，ceo2為0.35千克；

（三）重新啟動中頻爐，使爐子處于保溫功率段，熔體反應溫度為1200℃，反應時間為80min；

（四）待步驟（三）反應結束后，倒掉熔體表面反應剩余鹽渣，加入專用清渣劑，清除剩余氟鹽；

（五）把步驟（四）制好的熔體倒入保溫干鍋爐中，在熔體表面加入清渣劑，使用氬氣進行精煉和除氣處理，其中精煉開始溫度為775℃，結束溫度為760℃，精煉時間為15min，扒去熔體表面浮渣，即獲得顆粒混雜增強新型耐磨鋁基復合材料。

對上述最終制得的鋁基復合材料基本性能進行抗拉強度測試，測試其中：rm=296.5mpa；rp0.2=282.3mpa；a=1.5%；e=87gp；布氏硬度180hbw；制得的鋁基復合材料的金相組織見附圖4所示。

本實施例中還可以將上述制得的顆粒混雜增強新型耐磨鋁基復合材料制備成零件，方法為：首先使顆粒混雜增強新型耐磨鋁基復合材料變成熔體，將熔體在800℃下保溫，也可在上述步驟（五）的基礎上在熔體扒去表面浮渣后，直接將熔體在800℃下保溫，然后將熔體澆入預熱好的金屬試棒模具中鑄造零件，對鑄造成型的零件進行固溶處理加時效處理，其中，固溶處理的溫度為520℃，保溫時間為3.5h；然后進行室溫水淬；時效處理的溫度為190℃，保溫時間為7h，在空氣中自然冷卻，最終獲得顆粒混雜增強新型耐磨鋁基復合材料零件。

以上所述的實施例，只是本發明較優選的具體實施方式的一種，本領域的技術人員在本發明技術方案范圍內進行的通常變化和替換都應包含在本發明的保護范圍內。