梯度铝基复合材料、其制备方法及应用与流程

1.本发明涉及复合材料技术领域，特别是涉及梯度铝基复合材料、其制备方法及应用。


背景技术：

2.制动盘是以端平面为摩擦工作面的圆盘形运动部件，其与闸片组成制动摩擦副，在车辆制动系统中起着至关重要的作用。传统的制动盘大多由灰铸铁或球磨铸铁制造，并通过车削加工而成。这些铸铁盘相对较重，且在制动过程中容易磨损产生灰尘，并且铸铁容易生锈，不仅视觉上会产生质量差的印象，而且听觉上还会产生烦人的噪音。铝基复合材料是以金属铝及其合金为基体，以金属、非金属颗粒、晶须或纤维为增强体的非均质混合物，具有密度小、导电、导热性好、比强度、比模量高，耐高温，耐磨损，热膨胀系数小，尺寸稳定等优点，因此，采用铝基复合材料替代传统制动盘体材料成为制动盘轻量化的主要研究方向之一。现有的铝基复合材料制动盘为了兼顾散热性、耐磨性及制造成本等，通常将盘帽及支撑结构采用铝合金材料制备，而摩擦面采用铝基复合材料制备，但这种制动盘通常存在摩擦面与支撑结构的连接问题，以及不同材料之间的热膨胀问题。
3.为了减少不同材料之间的热膨胀问题，已有研究使用离心铸造技术以在基质材料内形成增强材料的梯度分布，但这种方法只能形成增强材料的连续梯度分布，而无法根据所需位置的特性对增强材料的含量进行控制。


技术实现要素：

4.基于此，有必要提供一种梯度铝基复合材料的制备方法，该方法可实现陶瓷颗粒含量按预定梯度分布。
5.提供熔融的a成分铝合金，所述a成分铝合金由1.8％～4.9％的铜、0.15％的锰、0.8％～1.2％的镁、0.04％～0.35％的铬、0.15％的钛、0.4％～0.8％的硅、0.5％的锆、0.5％的铈和余量的铝组成；
6.提供熔融的b成分铝合金，所述b成分铝合金由0.15％～0.4％的铜、0.15％的锰、0.8％～1.2％的镁、0.04％～0.35％的铬、0.15％的钛、6.5％～7.5％的硅、0.5％的锆、0.5％的铈和余量的铝组成；
7.提供表面镀锌的碳化硅颗粒；
8.在保护性气体氛围中，将所述熔融的a成分铝合金和所述表面镀锌的碳化硅颗粒按比例混合均匀后冷却，得到碳化硅质量含量分别为5％和10％的铝基复合材料锭料；
9.在保护性气体氛围中，将所述熔融的b成分铝合金和所述表面镀锌的碳化硅颗粒按比例混合均匀后冷却，得到碳化硅质量含量分别为35％和45％的铝基复合材料；
10.将所述碳化硅含量质量分别为5％、10％、35％和45％的铝基复合材料锭料分别软化后，模压成形，得到碳化硅质量含量分别为5％、10％、35％和45％的铝基复合材料坯体；
11.将所述铝基复合材料坯体按碳化硅质量含量分别为45％、35％、10％、5％、35％、
45％的顺序叠置，触变成形，得到所述梯度铝基复合材料。
12.在其中一个实施例中，熔融的a成分铝合金由以下方法制备：
13.按上述比例提供铝、铜、锰、镁、铬、钛、硅、锆、铈的原料，将上述原料混合，添加1wt％左右的铝钛硼晶粒细化剂熔炼，即可。其中，铝的原料可以以铝锭的方式添加，铜、锰、镁、铬等的原料可以以铝中间合金的方式添加。铝钛硼晶粒细化剂由4.5％～5.5％质量含量的ti、0.8％～1.2％质量含量的b、≥0.3％的si、≥0.3％的fe、≤0.02％的v和余量的al组成。
14.在其中一个实施例中，熔融的b成分铝合金由以下方法制备：
15.按上述比例提供铝、铜、锰、镁、铬、钛、硅、锆、铈的原料，将上述原料混合，添加1wt％左右的铝钛硼晶粒细化剂和1wt％左右的含磷变质剂熔炼，即可。其中，铝的原料可以以铝锭的方式添加，铜、锰、镁、铬等的原料可以以铝中间合金的方式添加。含磷变质剂由20％质量含量的磷粉、15％质量含量的氯化钠、10％质量含量的铜粉和余量的铝粉混合均匀后加热至560℃压制成形得到。含磷变质剂用于对熔炼过程中形成的柱状晶粒进行球化和细化。
16.在其中一个实施例中，在保护性气体氛围中，将熔融的a成分铝合金和表面镀锌的碳化硅颗粒按比例混合均匀后冷却的步骤具体为：在氮气或氩气氛围中，边搅拌边将表面镀锌的碳化硅颗粒分多次加入熔融的a成分铝合金中，冷却过程中继续搅拌直至混合均匀，进一步冷却。以使表面镀锌的碳化硅颗粒均匀分散在a成分铝合金中。
17.在其中一个实施例中，在保护性气体氛围中，将熔融的b成分铝合金和表面镀锌的碳化硅颗粒按比例混合均匀后冷却的步骤具体为：在氮气或氩气氛围中，边搅拌边将表面镀锌的碳化硅颗粒分多次加入熔融的b成分铝合金中，冷却过程中继续搅拌直至混合均匀，进一步冷却。以使表面镀锌的碳化硅颗粒均匀分散在b成分铝合金中。
18.在其中一个实施例中，所述触变成形的步骤具体为：加热至半固态温度区后凝固成形，所述半固态温度区为600℃～620℃，所述凝固成形的压力为100mpa～300mpa。
19.在其中一个实施例中，所述软化的温度为520℃～580℃；所述模压成形的压力为200mpa～300mpa，保压时间为5～10分钟。
20.在其中一个实施例中，所述表面镀锌的碳化硅颗粒由以下方法制备：
21.将碳化硅颗粒表面除杂后依次进行预氧化、预腐蚀和敏化处理后化学镀锌，得到所述表面镀锌的碳化硅颗粒。
22.表面镀锌的碳化硅颗粒在与熔融的a成分铝合金或b成分铝合金混合过程中，表面的锌可以起到强化合金的作用，同时减少了碳化硅颗粒的团聚，提高了碳化硅与铝的界面结合力。
23.在其中一个实施例中，所述预腐蚀的步骤具体为：采用体积比为1:(1～2)的过氧化氢水溶液和氯化氢水溶液浸泡1～3小时候水洗至中性，所述过氧化氢水溶液中过氧化氢的质量含量为30％～40％，所述氯化氢水溶液中氯化氢的浓度为5mol/l～15mol/l。
24.在其中一个实施例中，所述预氧化的步骤具体为：在空气气氛中，800℃～1000℃煅烧3～6小时。
25.在其中一个实施例中，所述敏化采用的敏化液主要由10g/l～40g/l的sncl2·
2h2o、20ml/l～50ml/l的浓盐酸和50g/l～100g/l的锡粒组成，所述浓盐酸中氯化氢的质量
含量为36％～38％。加入少量锡粒可以防止二价锡离子的氧化。
26.在其中一个实施例中，所述化学镀锌的步骤具体为：在10℃～35℃，采用由80g/l～150g/l的醋酸钠、200g/l～300g/l的氯化铵和15g/l～40g/l的氯化锌组成的化学镀液施镀2～5分钟。
27.上述梯度铝基复合材料的制备方法，通过将不同碳化硅含量的铝基复合材料锭料软化后模压成形，然后按顺序叠置，再进行触变成形，可实现碳化硅颗粒呈现45％、35％、10％、5％、35％、45％的梯度分布，且相邻层之间形成良好的冶金结合，界面结合牢固。
28.上述方法制备得到的梯度铝基复合材料，通过将碳化硅质量含量分别为35％和45％的铝基复合材料设置在次外层和最外层，以实现较高的耐磨性和耐热性，将碳化硅质量含量分别为10％和5％的铝基复合材料设置在次内层和最内层，以实现较好的散热性和可加工性，同时整个复合材料中碳化硅颗粒呈现45％、35％、10％、5％、35％、45％的梯度分布，使得相邻层铝基复合材料的热膨胀系数差异较小，界面结合牢固，用作汽车制动盘，可有效控制制动盘的膨胀和收缩能力，避免制动盘出现制动抖动等。
具体实施方式
29.为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，并给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
30.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
31.实施例1
32.(1)提供熔融的a成分铝合金，a成分铝合金由4.5％的铜、0.15％的锰、1.2％的镁、0.3％的铬、0.15％的钛、0.5％的硅、0.5％的锆、0.5％的铈和余量的铝组成；
33.(2)提供熔融的b成分铝合金，b成分铝合金由0.4％的铜、0.15％的锰、1.2％的镁、0.3％的铬、0.15％的钛、6.5％的硅、0.5％的锆、0.5％的铈和余量的铝组成；
34.(3)将sic颗粒表面除杂后在空气气氛中，1000℃煅烧3小时，再采用体积比为1:1.5的双氧水(浓度为30％)和盐酸(浓度为5mol/l)浸泡1～3小时后水洗至中性，然后采用主要由20g/l的sncl2·
2h2o、40ml/l的浓盐酸和50g/l的锡粒组成的敏化液敏化，最后在25℃，采用由100g/l的醋酸钠、250g/l的氯化铵和25g/l的氯化锌组成的化学镀液施镀5分钟，获得表面镀锌的碳化硅颗粒；
35.(4)在氮气氛围中，边搅拌边将上述表面镀锌的碳化硅颗粒分多次加入熔融的a成分铝合金中，冷却过程中继续搅拌直至混合均匀，进一步冷却，得到碳化硅质量含量分别为5％、10％的铝基复合材料锭料；
36.(5)在氮气氛围中，边搅拌边将上述表面镀锌的碳化硅颗粒分多次加入熔融的b成分铝合金中，冷却过程中继续搅拌直至混合均匀，进一步冷却，得到碳化硅质量含量分别为35％和45％的铝基复合材料锭料；
37.(6)将上述碳化硅含量质量分别为5％、10％、35％和45％的铝基复合材料锭料分
别软化后模压成形，得到碳化硅质量含量分别为5％、10％、35％和45％的铝基复合材料坯体；
38.(7)将上述铝基复合材料坯体按碳化硅质量含量分别为45％、35％、10％、5％、35％、45％的顺序叠置，加热至620℃后，在150mpa压力下凝固成形，得到梯度铝基复合材料。
39.实施例2
40.(1)提供熔融的a成分铝合金，a成分铝合金由4.9％的铜、0.15％的锰、0.8％的镁、0.35％的铬、0.15％的钛、0.8％的硅、0.5％的锆、0.5％的铈和余量的铝组成；
41.(2)提供熔融的b成分铝合金，b成分铝合金由0.4％的铜、0.15％的锰、1.2％的镁、0.35％的铬、0.15％的钛、6.5％的硅、0.5％的锆、0.5％的铈和余量的铝组成。
42.(3)将sic颗粒表面除杂后在空气气氛中，1000℃煅烧3小时，再采用体积比为1:1.5的双氧水和盐酸浸泡1～3小时后水洗至中性，然后采用主要由10g/l的sncl2·
2h2o、20ml/l的浓盐酸和50g/l的锡粒组成的敏化液敏化，最后在25℃，采用由80g/l的醋酸钠、200g/l的氯化铵和15g/l的氯化锌组成的化学镀液施镀5分钟，获得表面镀锌的碳化硅颗粒；
43.(4)在氮气氛围中，边搅拌边将上述表面镀锌的碳化硅颗粒分多次加入熔融的a成分铝合金中，冷却过程中继续搅拌直至混合均匀，进一步冷却，得到碳化硅质量含量分别为5％、10％的铝基复合材料锭料；
44.(5)在氮气氛围中，边搅拌边将上述表面镀锌的碳化硅颗粒分多次加入熔融的b成分铝合金中，冷却过程中继续搅拌直至混合均匀，进一步冷却，得到碳化硅质量含量分别为35％和45％的铝基复合材料锭料；
45.(6)将上述碳化硅含量质量分别为5％、10％、35％和45％的铝基复合材料锭料分别软化后模压成形，得到碳化硅质量含量分别为5％、10％、35％和45％的铝基复合材料坯体；
46.(7)将上述铝基复合材料坯体按碳化硅质量含量分别为45％、35％、10％、5％、35％、45％的顺序叠置，加热至620℃后，在100mpa压力下凝固成形，得到梯度铝基复合材料。
47.实施例3
48.(1)提供熔融的a成分铝合金，a成分铝合金由1.8％的铜、0.15％的锰、1.2％的镁、0.04％的铬、0.15％的钛、0.4％的硅、0.5％的锆、0.5％的铈和余量的铝组成；
49.(2)提供熔融的b成分铝合金，b成分铝合金由0.15％的铜、0.15％的锰、0.8％的镁、0.04％的铬、0.15％的钛、7.5％的硅、0.5％的锆、0.5％的铈和余量的铝组成；
50.(3)将sic颗粒表面除杂后在空气气氛中，800℃煅烧6小时，再采用体积比为1:1的双氧水和盐酸浸泡1～3小时后水洗至中性，然后采用主要由40g/l的sncl2·
2h2o、50ml/l的浓盐酸和50g/l的锡粒组成的敏化液敏化，最后在10℃～35℃，采用由150g/l的醋酸钠、300g/l的氯化铵和40g/l的氯化锌组成的化学镀液施镀2分钟，获得表面镀锌的碳化硅颗粒。
51.(4)在氩气氛围中，将上述熔融的a成分铝合金和表面镀锌的碳化硅颗粒混合均匀后冷却，得到碳化硅质量含量分别为5％、10％的铝基复合材料锭料；
52.(5)在氩气氛围中，将上述熔融的b成分铝合金和表面镀锌的碳化硅颗粒混合均匀后冷却，得到碳化硅质量含量分别为35％和45％的铝基复合材料锭料；
53.(6)将上述碳化硅含量质量分别为5％、10％、35％和45％的铝基复合材料锭料分别软化后模压成形，得到碳化硅质量含量分别为5％、10％、35％和45％的铝基复合材料坯体；
54.(7)将上述铝基复合材料坯体按碳化硅质量含量分别为45％、35％、10％、5％、35％、45％的顺序叠置，加热至600℃后，在300mpa压力下凝固成形，得到梯度铝基复合材料。
55.对比例1
56.对比例1与实施例3基本相同，不同的是对比例1的步骤(7)为将上述铝基复合材料坯体按碳化硅质量含量分别为45％、35％、10％、5％、35％、45％的顺序叠置，加热至580℃后，在300mpa压力下凝固成形，得到梯度铝基复合材料。
57.将实施例1～3和对比例1制备的梯度铝基复合材料分别进行热处理(热处理工艺为485℃，8h 180℃，10h)后，测试其强度、摩擦性能和界面结合力，结果如表1所示。
58.表1
59.实施例样品整体强度摩擦性能梯度材料界面结合实施例1420mpa良好良好实施例2360mpa良好良好实施例3380mpa良好良好对比例1340mpa良好存在缺陷
60.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。