一种在行波磁场作用下制造铝基梯度复合材料的方法

摘要

一种在行波磁场作用下制造铝基梯度复合材料的方法，涉及一种铝基梯度复合材料的制造方法。解决现有共晶铝硅合金中硅含量低，小于20％(质量)的问题。本发明制造方法为：将铸型置于行波磁场感应器铸型中，开启行波磁场感应器后将铝硅熔体注入置于铸型中，冷却至室温后，关闭行波磁场感应器，再开型取出铸件即可。本发明的初晶硅颗粒增强铝基梯度复合材料充型完整，表面质量良好，内部组织晶粒细小，初晶硅集中于靠近行波磁场产生面区域，并且颗粒细小，其中硅的质量含量高达13％～30％。制造方法新型、简单实用，能有效地控制初生硅集中层厚度，细化晶粒，并且能耗少。能应用于气缸内套、活塞、轴承等耐磨件。

说明书

技术领域

本发明涉及一种铝基梯度复合材料的制造方法。

背景技术

随着机械制造行业的飞速发展，对铝合金的耐磨、抗拉强度和布氏硬度等性能的要求越来越高。今年来，国内越来越开始加强对过共晶铝硅合金的研究及应用，研制的过共晶铝硅合金也开始用于气缸内套、活塞、轴承等耐磨件，取得了卓有成效的进展。过共晶铝硅合金作为一种极其有潜力的耐磨材料在我国的应用也越来越广泛。

过共晶铝硅合金具有密度小，硬度高，耐磨性好，热物理性能稳定等特点，并且，硅含量越高，这些优点越明显。但是，硅含量过高时，合金熔炼困难，晶粒粗大，强度降低。目前，国内外针对过共晶铝硅合金的研究虽然取得了很大的进展，但是，大部分的研究与应用也只是针对硅含量小于20％的合金。在现有的技术与条件下，高体积分数的初晶硅颗粒增强铝基复合材料的制备与应用还具有很大的局限性。而在工程实际中，有许多对材料硬度与耐磨性要求很高的零部件，也并不是需要零件的整体都具有很高的硬度或者耐磨性，比如内燃机气缸套，它只需要和活塞接触的内壁具有良好的耐磨性与热稳定性，再比如，轴承套，也是只需要和轴承接触的内表面具有良好的耐磨性，而其他部分却需要良好的综合性能。

因此，根据这些实际工业应用情况，可以采用特殊的方法或工艺，将常规过共晶铝硅合金中的初晶硅集中在需要耐磨性高、硬度好、热稳定性好的部位，而其他部位仍是共晶或亚共晶成分。这样就可以充份发挥铝硅合金中不同物相的的特殊性能，得到性价比优良的轻质零件。此研究方向成为今后研究者们关注的焦点。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种在行波磁场作用下制造初晶硅颗粒增强铝基梯度复合材料的方法，解决现有共晶铝硅合金中硅含量低，小于20％(质量)的问题，实现了初晶硅颗粒梯度分布。

本发明在行波磁场作用下制造初晶硅颗粒增强铝基梯度复合材料的方法是通过以下步骤实现的：一、制备铝硅熔体，其中铝硅熔体中硅的质量分数为13％～30％；二、将铸型置于行波磁场感应器中，开启行波磁场感应器，然后将步骤一的铝硅熔体注入铸型中，控制铸型的冷却速度为10～80℃/min，并控制行波磁场强度为0.01～1T，铸型冷却至室温后，关闭行波磁场感应器，再开型取出铸件，即得初晶硅颗粒增强铝基梯度复合材料；其中，步骤二中所述铸型的材料是非磁性材料。

本发明步骤二中的铸型在置于行波磁场感应器中之前，在200～600℃温度下预热20～60min。步骤二中所述铸型的材料为不锈钢、石英等非磁性材料。

本发明步骤二中根据实际需要选择相应形状的铸型，进而得到所需形状的初晶硅颗粒增强铝基梯度复合材料。

本发明通过控制铸型的冷却速度和行波磁场强度的大小，使得熔体在行波磁场感应器中的铸型中顺序凝固，得到初晶硅颗粒增强铝基梯度复合材料。本发明得到的初晶硅颗粒增强铝基梯度复合材料充型完整，表面质量良好，内部组织晶粒细小，初晶硅集中于靠近行波磁场产生面区域，并且颗粒细小，其中硅的质量含量高达13％～30％。其中，熔体是在行波磁场作用下充型，行波磁场为熔体充型提供很强的充型能力，可以保证充型完整；另外可以通过冷却速度、磁场强度的调节来控制铝基梯度复合材料外层初晶硅集中层的厚度及晶粒大小。能应用于气缸内套、活塞、轴承等耐磨件。

本发明的方法为铝基梯度复合材料提供了一种新型、简单实用的制备方法，可以有效的控制初生硅集中层厚度，细化晶粒。本发明方法能耗少，有很强的经济实际应用价值。

附图说明

图1是具体实施方式十三的初晶硅颗粒增强铝基梯度复合材料的宏观组织照片；图2是具体实施方式十三的初晶硅颗粒增强铝基梯度复合材料中初晶硅颗粒的微观形貌图；图3是具体实施方式十四的初晶硅颗粒增强铝基梯度复合材料的宏观组织照片；图4是具体实施方式十四的初晶硅颗粒增强铝基梯度复合材料中初晶硅颗粒的微观形貌图；图5是具体实施方式十五的初晶硅颗粒增强铝基梯度复合材料的宏观组织照片；图6是具体实施方式十五的初晶硅颗粒增强铝基梯度复合材料的区域划分图；图7是图6中I区域的微观组织形貌图；图8是图6中II区域的微观组织形貌图；图9是图6中III区域的微观组织形貌；图10是图6中IV区域的微观组织形貌；图11是具体实施方式十六的初晶硅增强铝基复合材料的宏观组织照片；图12是具体实施方式十六的初晶硅增强铝基复合材料中初晶硅的微观形貌图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式在行波磁场作用下制造初晶硅颗粒增强铝基梯度复合材料的方法是通过以下步骤实现的：一、制备铝硅熔体，其中铝硅熔体中硅的质量分数为13％～30％；二、将铸型置于行波磁场感应器中，开启行波磁场感应器，然后将步骤一的铝硅熔体注入铸型中，控制铸型的冷却速度为10～80℃/min，并控制行波磁场强度为0.01～1T，铸型冷却至室温后，关闭行波磁场感应器，再开型取出铸件，即得初晶硅颗粒增强铝基梯度复合材料；其中，步骤二中所述铸型的材料是非磁性材料。

本实施方式通过控制铸型的冷却速度和行波磁场强度的大小，使得熔体在行波磁场感应器中的铸型中顺序凝固，得到初晶硅颗粒增强铝基梯度复合材料。本实施方式得到的初晶硅颗粒增强铝基梯度复合材料充型完整，表面质量良好，内部组织晶粒细小，初晶硅集中于靠近行波磁场产生面区域，并且颗粒细小，其中硅的质量浓度高达13％～30％。

本实施方式的制造方法为铝基梯度复合材料提供了一种新型、简单实用的制备方法，可以有效的控制初生硅集中层厚度，细化晶粒。本实施方式的制造方法能耗少，有很强的经济实际应用价值。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一的制备铝硅熔体的具体操作步骤为：一、称取合金原料铝和硅，控制硅的用量为铝和硅总质量的13％～30％，然后将称取的铝和硅放入坩埚中，在1000～1200℃温度下熔炼1～3h后，冷却得铝硅合金锭；二、将步骤一的铝硅合金锭在750℃温度下熔化并保温20～30min得铝硅熔体。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤一中铝硅熔体中硅的质量含量为20％～28％。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤一中铝硅熔体中硅的质量含量为22.9％。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤二中铸型在置于行波磁场感应器中之前，在200～600℃温度下预热20～60min。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤二中铸型在置于行波磁场感应器中之前，在400℃温度下预热30min。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是步骤二中所述铸型的材料为不锈钢或者石英非磁性材料。其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。

本实施方式中铸型的材料不限于上述列举的非磁性材料，其它的可用于制备铸型的非磁性材料的均可用于本实施方式。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是步骤二中控制铸型的冷却速度为20～50℃/min。其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是步骤二中控制铸型的冷却速度为30℃/min。其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是步骤二中控制行波磁场强度为10～60mT。其它步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是步骤二中控制行波磁场强度为15～45mT。其它步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是步骤二中控制行波磁场强度为30mT。其它步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。

具体实施方式十三：本实施方式在行波磁场作用下制造初晶硅颗粒增强铝基梯度复合材料的方法是通过以下步骤实现的：一、制备铝硅熔体，其中铝硅熔体中硅的质量分数为22.9％；二、将石英铸型置于行波磁场感应器中，开启行波磁场感应器，然后将步骤一的铝硅熔体注入石英铸型中，控制石英铸型的冷却速度为30℃/min，并控制行波磁场强度为15mT，石英铸型冷却至室温后，关闭行波磁场感应器，再开型取出铸件，即得初晶硅颗粒增强铝基梯度复合材料。

本实施方式使用的石英铸型为圆柱形。

本实施方式步骤一的制备铝硅熔体的具体操作步骤为：一、称取合金原料铝和硅，控制硅的用量为铝和硅总质量的13％～30％，然后将称取的铝和硅放入坩埚中，在1200℃温度下熔炼2h后，冷却得铝硅合金锭；二、将步骤一的铝硅合金锭在750℃温度下熔化并保温20～30min得铝硅熔体。

本实施方式制备得到的初晶硅颗粒增强铝基梯度复合材料，记为Al-22.9Si铝基梯度复合材料，其宏观组织照片如图1所示，由图1可见，初晶硅颗粒增强铝基梯度复合材料中初晶硅颗粒(图1中黑色部分)分布在Al-22.9Si铝基梯度复合材料的外层。

本实施方式的Al-22.9Si铝基梯度复合材料中的初晶硅颗粒的金相显微组织形貌图如图2所示(图2中请将左上角的标记(b)去掉)，可见初晶硅以颗粒状存在。

具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式十三不同的是步骤二中控制行波磁场强度为30mT。其它步骤及参数与具体实施方式十三相同。

本实施方式制备得到的初晶硅颗粒增强铝基梯度复合材料，记为Al-22.9Si铝基梯度复合材料，其宏观组织照片如图3所示，由图3可见，初晶硅颗粒增强铝基梯度复合材料中初晶硅颗粒(图3中黑色部分)较为集中地分布在Al-22.9Si铝基梯度复合材料的外层。

本实施方式的Al-22.9Si铝基梯度复合材料中的初晶硅颗粒的金相显微组织形貌图如图4所示，可见初晶硅以颗粒状存在，且颗粒更为细化。

具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式十三不同的是步骤二中控制行波磁场强度为45mT。其它步骤及参数与具体实施方式十三相同。

本实施方式制备得到的初晶硅颗粒增强铝基梯度复合材料，记为Al-22.9Si铝基梯度复合材料，其宏观组织照片如图5所示，由图5可见，初晶硅颗粒增强铝基梯度复合材料中初晶硅颗粒(图5中黑色部分)非常集中地分布在Al-22.9Si铝基梯度复合材料的外层。

本实施方式中将Al-22.9Si铝基梯度复合材料由内向外分为三个大区域，其区域划分如图6所示，图6为图5所示的组织照片的四分之一形貌图。内部中心区域(图6中C所示部分)为亚共晶组织，中间部分(图6中B所示部分)的共晶组织区域，外层的初晶硅颗粒集中区域(图6中A所示部分)为过共晶组织。

图6中I区域的微观组织形貌如图7所示，可见初晶硅以颗粒状存在，且颗粒更为细化，过共晶组织。

图6中II区域的微观组织形貌图如图8所示；III区域的微观组织形貌如图9所示，为共晶组织；IV区域的微观组织形貌如图10所示，为过共晶组织。

具体实施方式十六：本实施方式为对比实验：在没有行波磁场作用下制造铝硅过共晶合金，是通过以下步骤实现的：一、制备铝硅熔体，其中铝硅熔体中硅的质量分数为22.9％；二、将步骤一的铝硅熔体注入石英铸型中，控制石英铸型的冷却速度为30℃/min，石英铸型冷却至室温后，开型取出铸件，即得铝硅过共晶合金。

本实施方式使用的石英铸型为圆柱形。

本实施方式制备得到的铝硅过共晶合金，记为Al-22.9Si合金，其宏观组织照片如图11所示，由图11可见，铝硅过共晶合金中初晶硅(图11中黑色部分)均匀分布在Al-22.9Si过共晶合金中。

本实施方式的铝硅过共晶合金中的初晶硅的金相显微组织形貌图如图12所示，可见初晶硅主要以枝状晶形式存在，颗粒状的初晶硅极少。