增强粒子-铜合金界面相容处理的铝基复合材料的制备方法

摘要

一种增强粒子-铜合金界面相容处理的铝基复合材料的制备方法，制备原料包括100重量份基体合金、8-10重量份增强粒子以及0.05-0.08重量份的精炼剂，所述的基体合金选用75-80重量份的铸造铝合金ZAlSi8MgBe、15-20重量份的铜合金Cu20Ni20Mn和5-8重量份的铜合金Cu20Ni35Mn，所述的增强粒子为碳化钨、四针状氧化锌晶须、碳化硅以及纳米二氧化钛的组合，四种增强粒子的重量比为（4-4.5）:（3-3.5）:（1-1.5）:（2-2.5），本发明制备的铝铜基复合材料重量轻、比强度比刚度高、热膨胀系数低，具有良好的导热性和抗磨耐磨性，并且制备比较容易、成本低而且增强相在基体内弥散分布且具有各向同性，适用于各种复杂应力状态。

说明书

技术领域

本发明涉及新材料技术领域，具体涉及一种用于刹车盘的增强粒子-铜合金界面相容处理的铝基复合材料的制备方法。

背景技术

刹车盘是汽车制动系统的重要组成部分，其制动性能的好坏直接关系到车辆的行驶安全。目前广泛使用的铸铁刹车盘因制动摩擦发热而使其表面温度高达６００℃，其工作表面温度很高且温度梯度大，易形成热点而产生热裂，并且铸铁刹车盘的耐磨性较差。目前行业内尝试用铝合金来代替铸铁材料铸造刹车盘，尽管其重量轻、导热性能好，但其强度和硬度较低，阻碍了其在刹车盘上的应用；目前部分中国专利公开了通过在铸造铝合金中加入增强粒子比如碳化硅来提高铝基复合材料的力学性能，但是碳化硅作为非金属化合物，熔融的基体合金对于增强粒子不湿润，以及增强相颗粒容易与基体合金之间容易发生界面反应，比如碳化硅与铝合金基体互不润湿，且碳化硅在铝合金液中不稳定，将于合金液发生化学反应，在界面生成不稳定的化合物Al₄C₃；由于界面是复合材料及其重要的组成部分，界面的结合程度（即相容性）很大程度决定了复合材料的性质。

发明内容

本发明提供一种增强粒子-铜合金界面相容处理的铝基复合材料的制备方法，其作为刹车盘的材料，可以解决现有铸铁刹车盘重量重、导热性差、耐磨性差、易热裂等缺陷，同时能够解决现有的铝基复合材料由于界面相容性较差造成性能还不甚理想的缺陷。

本发明是通过以下技术方案实现的：制备原料包括100重量份基体合金、8-10重量份增强粒子以及0.05-0.08重量份的精炼剂，所述的基体合金选用75-80重量份的铸造铝合金ZAlSi8MgBe、15-20重量份的铜合金Cu20Ni20Mn和5-8重量份的铜合金Cu20Ni35Mn，所述的增强粒子为碳化钨、四针状氧化锌晶须、碳化硅以及纳米二氧化钛的组合，四种增强粒子的重量比为（4-4.5）:（3-3.5）:（1-1.5）:（2-2.5）；所述的精炼剂为混合稀土，混合稀土由钇、锫和镧组成，三者的质量比为1:（0.20-0.22）:（0.30-0.32），具体制备步骤如下：

（1）、向铸造铝合金ZAlSi8MgBe中加入混合稀土，混合后加热至750-800℃熔化得到铝基基体合金熔液；

（2）、向铜合金Cu20Ni20Mn中加入增强粒子：四针状氧化锌晶须和碳化钨，混合加热至1050-1100℃搅拌均匀得到碳化钨-氧化锌晶须铜基基体合金湿润液；

（3）、向铜合金Cu20Ni35Mn中加入增强粒子：碳化硅和纳米二氧化钛，混合加热至980-1000℃搅拌均匀得到碳化硅-纳米二氧化钛铜基基体合金湿润液；

（4）、将步骤（2）、（3）分别制得的铜基基体合金湿润液加入到步骤（1）中的铝基基体合金熔液，控温1150-1200℃并在氮气保护下搅拌1-1.5小时；然后树脂砂型浇铸得到复合材料；

（5）、将复合材料在600-650℃固熔处理6-8小时，淬火，然后在350-400℃时效处理10-12小时得到增强型铝铜基复合材料。

上述步骤进一步优选为：所述的碳化硅的粒径为10-12μm，所述的碳化钨的颗粒尺寸为50-60μm，所述的四针状氧化锌晶须为长度为10-12μm、根部直径为1-1.5μm的四针状氧化锌晶须，所述的纳米二氧化钛粒径为40-50nm。

本发明通过将增强离子首先分别用Cu20Ni20Mn和Cu20Ni35Mn熔融液湿润（实践证明碳化钨、四针状氧化锌晶须二者与Cu20Ni20Mn熔融液均能够充分润湿，碳化硅、纳米二氧化钛二者能够与Cu20Ni35Mn充分润湿），从而提高增强离子与主体铝合金基体材料的界面结合程度；同时由于碳化钨具有良好的硬度、化学稳定性以及导热性，因此作为增强粒子添加到复合材料中能够提高复合材料的硬度等力学性能；增强粒子四针状氧化锌晶须的立体的晶型结构分散在基体中能起骨架作用，独特的三维空间结构使其与基体的抓着力更大，增强效果更显著，使抗拉强度明显增加，而且横向和纵向抗拉强度数值基本相同，各向同性地加强基体材料的机械性能，显著地改善基体强度和加工性能；通过在复合材料加入SiC，不仅可以改善复合材料热稳定性、机械性能以及耐磨性，而且还可以提高复合材料的耐热性和抗蠕变性能，并能够降低热膨胀系数；纳米二氧化钛（TiO₂）具有特有的纳米尺寸效应、大的比表面积、有着较强的界面相互作用，其能够与其他增强离子相结合填充，起到协同作用，TiO₂能够提高复合材料的承载能力，弥补其他增强粒子填充不到的贫瘠区，从而提高复合材料的耐磨性能。铜基材料中的镍可以提高铜管的耐酸碱腐蚀性、耐高温腐蚀性及焊接性能，此外镍还可以用做冶金工业的“维生素”， 高温下容易硫、氮 、氧直接化合，与具有脱氧、除氮、去硫的作用，降低复合材料中氧、氮、硫的含量；稀土金属钇、锫和镧在铸造中起脱氧脱硫作用，能使两者的含量都降低到0.001%以下，并改变夹杂物的状态，细化晶粒，从而改善合金材料的加工性能，提高强度、韧性、耐腐蚀和抗氧化性等。总之实践证明，本发明制备的铝铜基复合材料重量轻、比强度比刚度高、热膨胀系数低，具有良好的导热性和抗磨耐磨性，并且制备比较容易、成本低而且增强相在基体内弥散分布、界面结合良好且具有各向同性，适用于各种复杂应力状态。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种增强粒子-铜合金界面相容处理的铝基复合材料的制备方法，制备原料包括100重量份基体合金、8-10重量份增强粒子以及0.05-0.08重量份的精炼剂，所述的基体合金选用75-80重量份的铸造铝合金ZAlSi8MgBe（即ZL116，其各元素的质量分数为：Si= 6.5-7.5%，Mg=0.35-0.55%，Ti=0.1-0.3%，Be=0.15～0.40，余量为Al）、15-20重量份的铜合金Cu20Ni20Mn（组成：镍19.85%，锰19.69%，铁0.29%，余量为铜）和5-8重量份的铜合金Cu20Ni35Mn（组成：镍19.85%，锰34.94%，铁0.34%，余量为铜），增强粒子为碳化钨、四针状氧化锌晶须、碳化硅以及纳米二氧化钛的组合，四种增强粒子的重量比为（4-4.5）:（3-3.5）:（1-1.5）:（2-2.5），碳化硅的粒径为10-12μm，碳化钨的颗粒尺寸为50-60μm，四针状氧化锌晶须为长度为10-12μm、根部直径为1-1.5μm的四针状氧化锌晶须，纳米二氧化钛粒径为40-50nm；精炼剂为混合稀土，混合稀土由钇、锫和镧组成，三者的质量比为1:（0.20-0.22）:（0.30-0.32），具体制备步骤如下：

（1）、向铸造铝合金ZAlSi8MgBe中加入混合稀土，混合后加热至750-800℃熔化得到铝基基体合金熔液；

（2）、向铜合金Cu20Ni20Mn中加入增强粒子：四针状氧化锌晶须和碳化钨，混合加热至1050-1100℃搅拌均匀得到碳化钨-氧化锌晶须铜基基体合金湿润液；

（3）、向铜合金Cu20Ni35Mn中加入增强粒子：碳化硅和纳米二氧化钛，混合加热至980-1000℃搅拌均匀得到碳化硅-纳米二氧化钛铜基基体合金湿润液；

（4）、将步骤（2）、（3）分别制得的铜基基体合金湿润液加入到步骤（1）中的铝基基体合金熔液，控温1150-1200℃并在氮气保护下搅拌1-1.5小时；然后树脂砂型浇铸得到复合材料；

（5）、将复合材料在600-650℃固熔处理6-8小时，淬火，然后在350-400℃时效处理10-12小时得到增强型铝铜基复合材料。

    将实施例1制备的成品即增强型铝铜基复合材料取样分析，用扫描电镜（SEM）观察发现基体合金与增强离子的界面结合良好，即使在1000倍下观察，界面结合的非常紧密，未发生明显的缺陷。经过试验检测实施例1制备的复合材料抗拉强度和屈服强度平均能达到750-850MPa，硬度平均为300-320(5/250/30)HBS, 相比于ZAlSi8MgBe，强度提高80%以上，硬度提高200％以上；即使与现有的碳化硅增强的铝基复合材料相比，强度、硬度提高也都在50%以上。并且复合材料重量较铸铁减轻28-30%，在100-300℃导热率大约是180-190W/(m.k),约为铸铁（HT250）的6倍，与铸铁相比，导热性大大提高；并且在刹车工况摩擦试验条件下，复合材料比铸铁材料摩擦表面温度低，摩擦系数稳定；台架试验表明，在高速频繁制动条件下，相对于铸铁刹车盘，复合材料刹车盘具有较大的制动力矩和较高的刹车稳定性，能明显提高制动性。