一种阻尼耐磨铝合金材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种阻尼耐磨铝合金材料及其制备方法，该材料以铝合金为基体，在基体中分布着钢丝团和碳纤维；所述钢丝团直径为10～15cm，所用钢丝截面为矩形，截面规格为0.1～0.4mm×0.5～1.5mm；所述钢丝和碳纤维的重量比为25～30:1，钢丝和碳纤维两者共占材料的体积百分比为20-40%。本发明制得的材料具有较高的韧性和耐磨性能，且工艺简单，生产成本低。

权利要求

1.一种阻尼耐磨铝合金材料的制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：

镀钴钢丝团和碳纤维的准备：取截面为矩形、且规格为0.1～0.4mm×0.5～1.5mm、成分为C为0.45%～0.65%，Si为0.2%～0.3%, Mn为0.5%～0.85%, P<0.02%，S <0.025%，其余为Fe的钢丝，以及直径为7微米、长径比为100～500:1的T300碳纤维，所述钢丝和碳纤维的重量比为25～30:1，钢丝和碳纤维两者的体积共占材料的体积百分比为20～40%；

取钢丝按清洁球生产的常规方法制备清洁球状的钢丝团，钢丝团的直径为10～15cm，并按常规化学热处理的方法在其表面镀钴得到镀钴钢丝团，所述镀钴层的厚度为50～100μm；

镀钴钢丝团粘附碳纤维的制备：将镀钴钢丝团浸入水玻璃溶液，所述水玻璃溶液的浓

3

度为1.3～1.5 g/cm，模数为2.6～3.0；将钢丝团从水玻璃溶液中取出，然后再将碳纤维揉撒到带有水玻璃溶液的钢丝团上，使碳纤维均匀粘在钢丝的表面；待水玻璃固化后，将若干粘附碳纤维的钢丝团放入铸型型腔；钢丝团的松紧程度由钢丝和碳纤维占材料的体积百分比决定，且保证钢丝团正好放满铸型；然后将铸型的上型盖于下型上，合箱完毕后等待铝合金水浇注；

铝合金基体的准备：按重量百分含量Mg为0.1%～0.3％，Zr为0.2％～0.5％，Si为5％～7％，Pb为2％～3％，Sn为1％～2％，La为0.05％～0.1％，Ho为0.01％～

0.03％，其余为Al进行配料；将铝合金基体在感应电炉中熔化得到铝合金水，熔化温度为

1120-1150℃；

将上述铝合金水浇入装有粘附碳纤维的钢丝团的铸型中，液态铝合金水进入钢丝团间隙将碳纤维和钢丝包围，然后冷却凝固，形成以铝合金为基体的其中分布有碳纤维和钢丝团的材料。

说明书

一种阻尼耐磨铝合金材料及其制备方法

[0001] 技术领域

[0002] 本发明属于金属材料领域，具体涉及一种钢丝和碳纤维复合增强阻尼耐磨铝合金材料及其制备方法。

背景技术

[0003] 在金属材料领域中, 阻尼耐磨铝合金作为耐磨材料一直受到普遍重视。

[0004] CN200610165341.X号申请公开了一种高强阻尼耐磨铝合金及其制备方法，该高强阻尼耐磨铝合金是在Al－Zn－Mg－Cu合金熔体中，置入Ti－C－Al预制块，通过原位反应在该Al－Zn－Mg－Cu合金熔体中生成TiC颗粒，再进行雾化喷射成形而成，其中，Ti－C－Al预制块的TiC置入量为Al－Zn－Mg－Cu合金的3.15～10.5％（重量％）。其制备方法是：(1)按Ti粉，石墨粉和铝粉压制成Ti－C－Al预制块备用；(2)将Al－Zn－Mg－Cu合金熔融；(3)、将Ti－C－Al预制块置于Al－Zn－Mg－Cu合金熔体中，进行原位反应；(4)进行雾化喷射成形，得到高强阻尼耐磨铝合金。本发明的铝合金是利用原位反应喷射成形工艺制备高强铝合金，实现了材料耐磨性能的改善。该合金具有高的强度，及良好的韧性和耐磨性能。在载荷为8.9N时，加入重量百分比为5％TiC颗粒后合金的-6 -6
磨损率为8.1×10 g/m，而不加TiC颗粒的合金磨损率为9.6×10 g/m。由此可见，5％TiC-6
原位颗粒喷射成形7075铝合金的磨损率降低了1.5×10 g/m。该合金阻尼性有限。

[0005] CN200310122741.9公开了一种混杂增强高阻尼铝基复合材料及其制备工艺。该发明复合材料的成分重量百分比组成为： Si 0～1.3％，Mg 4.5～11％，Zn 0～1.5％，Mn 0～0.4％，Be0～0.1％，TiB20.1～20％，其中TiB21～10％，TiC 1～10％，其余为Al。该材料采用覆盖剂覆盖铝熔体并利用反应盐法和重熔稀释制备，步骤为：加入铝锭全部熔化后用覆盖剂覆盖熔体，并加入经烘干的含TiC颗粒的高阻尼复合材料预制块；铝熔体保温后加入经烘干的K2TiF6、KBF4混和盐并搅拌；反应结束后舀出混和盐反应产物，加入Mg或Si、Mg、Al－Mn或Mg、Zn、Al－Be调整化学成分静置后浇入锭模，即获得混杂增强高阻尼铝基复合材料。该合金耐磨性有限。

[0006] 以上的普通铝合金的耐磨性和阻尼性的综合性能不高，且制备工艺复杂。

发明内容

[0007] 本发明的目的就是针对上述技术缺陷，提供一种钢丝和碳纤维复合增强阻尼耐磨铝合金材料。

[0008] 本发明的另一目的是提供一种钢丝和碳纤维复合增强阻尼耐磨铝合金材料的制备方法。

[0009] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

[0010] 一种阻尼耐磨铝合金材料，该材料以铝合金为基体，在基体中分布着钢丝团和碳纤维；所述钢丝团直径为10～15cm，所用钢丝截面为矩形，截面规格为0.1～0.4mm×0.5～1.5mm；所述钢丝和碳纤维的重量比为25～30:1，钢丝和碳纤维两者共占材料的体积百分比为20-40%；

[0011] 铝合金基体的化学成分的重量百分含量：Mg为0.1%～0.3％，Zr为0.2％～0.5％，Si为5％～7％，Pb为2％～3％，Sn为1％～2％，La为0.05％～0.1％，Ho为
0.01％～0.03％，其余为Al；

[0012] 钢丝的化学成分的重量百分含量为：C为0.45%～0.65%，Si为0.2%～0.3%, Mn为0.5%-0.85%，P<0.02%，S <0.025%，其余为Fe；

[0013] 碳纤维为T300，直径为7微米，长径比为100～500:1。

[0014] 上述基体中还分布有Co2Al9和Co2Si颗粒。

[0015] 一种阻尼耐磨铝合金材料的制备方法，它包括以下步骤：

[0016] 镀钴钢丝团和碳纤维的准备：取截面为矩形、且规格为0.1～0.4mm×0.5～1.5mm、成分为C为0.45%～0.65%，Si为0.2%～0.3%, Mn为0.5%～0.85%, P<0.02%，S <0.025%，其余为Fe的钢丝，以及直径为7微米、长径比为100～500:1的T300碳纤维，所述钢丝和碳纤维的重量比为25～30:1，钢丝和碳纤维两者的体积共占材料的体积百分比为20～40%；取钢丝按清洁球生产的常规方法制备清洁球状的钢丝团，钢丝团的直径为
10～15cm，并按常规化学热处理的方法在其表面镀钴得到镀钴钢丝团，所述镀钴层的厚度为50～100μm；

[0017] 镀钴钢丝团粘附碳纤维的制备：将镀钴钢丝团浸入水玻璃溶液，所述水玻璃溶液3
的浓度为1.3～1.5 g/cm，模数为2.6～3.0；将钢丝团从水玻璃溶液中取出，然后再将碳纤维揉撒到带有水玻璃溶液的钢丝团上，使碳纤维均匀粘在钢丝的表面；待水玻璃固化后，将若干粘附碳纤维的钢丝团放入铸型型腔；钢丝团的松紧程度由钢丝和碳纤维占材料的体积百分比决定，且保证钢丝团正好放满铸型；然后将铸型的上型盖于下型上，合箱完毕后等待铝合金水浇注；

[0018] 铝合金基体的准备：按重量百分含量Mg为0.1%～0.3％，Zr为0.2％～0.5％，Si为5％～7％，Pb为2％～3％，Sn为1％～2％，La为0.05％～0.1％，Ho为0.01％～0.03％，其余为Al进行配料；将铝合金基体在感应电炉中熔化得到铝合金水，熔化温度为
1120-1150℃；

[0019] 将上述铝合金水浇入装有粘附碳纤维的钢丝团的铸型中，液态铝合金水进入钢丝团间隙将碳纤维和钢丝包围，然后冷却凝固，形成以铝合金为基体的其中分布有碳纤维和钢丝团的材料。

[0020] 本发明相比现有技术的有益效果如下：

[0021] （1）本发明材料中钢丝自身具有相当的强度和较高的韧性。因铁和铝相互之间有一定的溶解度，因此钢丝和铝合金很容易结合起来，形成很好的冶金结合。这样，钢丝分布在铝合金中，对材料具有很好的增强增韧作用，同时钢丝含碳量较高，具有耐磨作用。

[0022] （2）合金材料中分布有碳纤维，碳纤维不仅具有减摩作用，而且和钢丝共同作用，增强材料的韧性和强度，因此有利于合金耐磨性能提高。

[0023] （3）在成型过程中，铝合金水进入铸型型腔与镀钴钢丝接触后，钢丝表面的Co熔于铝水形成Co2Al9，铝合金水中的Si和钢丝表面的Co反应形成少量硬度高的Co2Si的特殊化合物，所形成的这种特殊化合物弥散分布于铝合金中，进一步提高了材料的耐磨性。

[0024] （4）材料中的钢丝截面为矩形，而且含有细小的碳纤维，因此合金中界面多，表面积大，该材料具有很好的阻尼减振性能；且钢丝制成钢丝团呈球形，利于钢丝和其上附着的碳纤维在材料中均匀分布。

[0025] （5）合金材料用铁代替了部分铝，材料成本低，制备工艺简便，生产成本低，生产的合金材料性能好，而且非常便于工业化生产。

[0026] （6）本发明材料中P、S为杂质，控制在允许的范围。

[0027] 本发明的合金性能见表1。

附图说明

[0028] 图1为本发明实施例一制得的钢丝和碳纤维复合增强阻尼耐磨铝合金材料的金相组织。

[0029] 图1可以看到在铝合金与钢丝结合良好。

具体实施方式

[0030] 以下各实施例仅用作对本发明的解释说明，其中的重量百分比均可换成重量g、kg或其它重量单位。各实施例中的钢丝和碳纤维均为市购，镀钴层自制。

[0031] 实施例一

[0032] 铝合金基体的化学成分的重量百分含量：Mg为0.1％，Zr为0.2％，Si为5％，Pb为2％，Sn为1％，La为0.05％，Ho为0.01％，其余为Al。

[0033] 钢丝的化学成分的重量百分含量：C为0.45%，Si为0.2%, Mn为0.5%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe；钢丝的截面为矩形，且规格为0.1mm×0.5mm。

[0034] 碳纤维为T300，直径为7微米，长径比为100:1。

[0035] 钢丝和碳纤维的重量比为25:1，控制钢丝和碳纤维两者共占材料的体积百分比为20%。

[0036] 取钢丝按照清洁球或钢丝球生产的常规方法形成清洁球形状的钢丝团，钢丝团的直径为10cm，并按照常规化学热处理的方法在其表面镀钴得到镀钴钢丝团，所述镀钴层的厚度为50μm。

[0037] 制备过程如下：将镀钴钢丝团浸入水玻璃溶液，所述水玻璃溶液的浓度为1.3g/3
cm，模数为2.6；将钢丝团从水玻璃溶液中取出，然后再将碳纤维揉撒到带有水玻璃溶液的钢丝团上，使碳纤维均匀粘在钢丝的表面；待水玻璃固化后，将带有若干粘附碳纤维的钢丝团放入铸型型腔；钢丝团的松紧程度由钢丝和碳纤维占材料的体积百分比决定，且保证钢丝团正好放满铸型；然后将铸型的上型盖于下型上，合箱完毕后等待铝合金水浇注。；

[0038] 将阻尼铝合金基体在感应电炉中熔化得到铝合金水，熔化温度为1130-1140℃；

[0039] 将上述阻尼铝合金水浇入装有带有粘附碳纤维的钢丝团的铸型中，液态铝合金水进入钢丝团间隙将碳纤维和钢丝包围，然后冷却凝固，形成以阻尼铝合金为基体的其中分布有碳纤维和钢丝团的材料。

[0040] 实施例二

[0041] 铝合金基体的化学成分的重量百分含量：Mg为0.3％，Zr为0.5％，Si为7％，Pb为3％，Sn为2％，La为0.1％，Ho为0.03％，其余为Al。

[0042] 钢丝的化学成分的重量百分含量：C为0.65%，Si为0.3%, Mn为0.85%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe；钢丝的截面为矩形，且规格为0.4mm×1.5mm。

[0043] 碳纤维为T300，直径为7微米，长径比为400:1。

[0044] 钢丝和碳纤维的重量比为30:1，控制钢丝和碳纤维两者共占材料的体积百分比为40%。

[0045] 取钢丝按照清洁球或钢丝球生产的常规方法形成清洁球形状的钢丝团，钢丝团的直径为15cm，并按照常规化学热处理的方法在其表面镀钴得到镀钴钢丝团，所述镀钴层的厚度为100μm。

[0046] 制备过程同实施例一，其中水玻璃溶液的浓度为1.5g/cm3，模数为3.0。

[0047] 实施例三

[0048] 铝合金基体的化学成分的重量百分含量Mg为0.2％，Zr为0.4％，Si为6％，Pb为2.5％，Sn为1.5％，La为0.07％，Ho为0.02％，其余为Al。

[0049] 钢丝的化学成分的重量百分含量：C为0.5%，Si为0.25%, Mn为0.7%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe；钢丝的截面为矩形，且规格为0.3mm×0.7mm。

[0050] 碳纤维为T300，直径为7微米，长径比为190:1。

[0051] 钢丝和碳纤维的重量比为27:1，控制钢丝和碳纤维两者共占材料的体积百分比为35%。

[0052] 取钢丝按照清洁球或钢丝球生产的常规方法形成清洁球形状的钢丝团，钢丝团的直径为12cm，并按照常规化学热处理的方法在其表面镀钴得到镀钴钢丝团，所述镀钴层的厚度为70μm。

[0053] 制备过程同实施例一，其中水玻璃溶液的浓度为1.4g/cm3，模数为2.8。

[0054] 对比实施例四

[0055] 铝合金基体的化学成分的重量百分含量Mg为0.05％，Zr为0.1％，Si为4％，Pb为1％，Sn为0.5％，La为0.04％，Ho为0.005％，其余为Al。

[0056] 钢丝的化学成分的重量百分含量：C为0.4%，Si为0.1%, Mn为0.4%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe；钢丝的截面为圆形，且半径为0.1mm。

[0057] 碳纤维为T300，直径为7微米，长径比为50:1。

[0058] 钢丝和碳纤维的重量比为25:1，控制钢丝和碳纤维两者共占材料的体积百分比为10%。

[0059] 取钢丝按照清洁球或钢丝球生产的常规方法形成清洁球形状的钢丝团，钢丝团的直径为10cm，且钢丝表面不镀钴。

[0060] 制备过程同实施例一。

[0061] 对比实施例五

[0062] 铝合金基体的化学成分的重量百分含量Mg为0.4％，Zr为0.6％，Si为8％，Pb为4％，Sn为3％，La为0.2％，Ho为0.04％，其余为Al。

[0063] 钢丝的化学成分的重量百分含量：C为0.7%，Si为0.4%, Mn为0.9%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe；钢丝的截面为矩形，且规格为0.5mm×2mm。

[0064] 碳纤维为T300，直径为7微米，长径比为600:1。

[0065] 钢丝和碳纤维的重量比为25:1，控制钢丝和碳纤维两者共占材料的体积百分比为60%。

[0066] 取钢丝按照清洁球或钢丝球生产的常规方法形成清洁球形状的钢丝团，钢丝团的直径为10cm，并按照常规化学热处理的方法在其表面镀钴得到镀钴钢丝团，所述镀钴层的厚度为200μm。

[0067] 制备过程同实施例一。

[0068] 产品性能分析：

[0069] 从下表可见，本发明中铝合金材料的Mg、Zr、Si、Pb、Sn、La、Ho增高利于合金的力学性能提高；但有些元素如Mg、Zr、Si、Pb过多则形成的化合物过多，削弱合金的耐磨。有些元素如La 、Ho过多，则会造成元素浪费。

[0070] 钢丝中的成分C、Si、 Mn的增高利于合金的力学性能提高；但过多会削弱合金的耐磨。

[0071] 钢丝截面为矩形便于粘结碳纤维。截面规格过小，不利于粘结碳纤维；反之，规格过大，割裂基体倾向增加。

[0072] 碳纤维长径比太小和太大都不利于与矩形截面钢丝的粘结。

[0073] 钢丝和碳纤维占材料的体积百分比增加，利于材料韧性的提高；但是体积百分比过大，则降低了材料的硬度，因此也降低了材料的耐磨性，如产品5，而且铝合金水不易包围钢丝和碳纤维；反之，钢丝和碳纤维占材料的体积百分比太小，则不利于钢丝和碳纤维作用的发挥。

[0074] 钢丝的表面的镀钴层的厚度增加，利于铝合金水的合金化；但是厚度过大，钴不易在短时间熔入铝合金水中，造成元素的浪费，同时热处理成本增加；反之，镀钴层厚度太小，钢丝硬度降低，并且不利于形成弥散的化合物。

[0075] 表1 所得各产品性能对比

[0076]