改性劑及其制備方法和鋁基復合材料及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及用于鋁基復合材料的改性劑及其制備方法和添加有該改性劑的鋁基 復合材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 顆粒增強鋁基復合材料是以鋁及鋁合金為基體，以顆粒狀的增強體為增強相的復 合材料。將增強體加入完全或部分熔化的鋁基體熔體中，然后澆注成復合材料，這種制備 方法，對設備要求較低，且工藝簡單，能夠很好的控制增強體在基體中的含量。就增強體的 加入方法而言，有外加法和基體原位自生法。外加法一般采用機械攪拌方式，將增強體和 金屬粉末一起投入到熔融態的鋁液中，其中的金屬粉末是起改善增強體與鋁液之間的潤濕 性，以提高鋁基復合材料中增強體與鋁基的界面結合度，進而提高復合材料的硬度、抗拉強 度和屈服強度。目前的添加方法是將增強體和金屬粉末分別或簡單混合后直接加入到熔融 態的鋁液中后，在攪拌過程中增強體容易團聚，并在重力的作用下下沉，使增強體的分布不 均，基體中易出現二相偏析，使材料內各部分的性能不一致，在增強體聚集的地方易產生應 力集中并形成裂紋，形成了材料中的薄弱點，限制了復合材料的抗拉強度和屈服強度的有 效提尚。
[0003] 對于特定的增強體顆粒可以采用基體原位自生法加入，公開號為CN104498787A 的專利申請提到，用將Al-Si、Al-Mg中間合金和純鋁按一定的比例配料并放入坩堝內熔煉 制備原位自生Mg2Si顆粒增強鋁基復合材料，Mg 2Si顆粒粒度在10-30um，顆粒細小，分布均 勻，顆粒形態成圓整形態，有助于增強體顆粒與基體的結合；但基體原位自生法中強化相的 種類有限，限制了材料的品種開發，再加上自生反應過程容易生成副產物，有時甚至導致材 料的報廢，以及制備成本較高，限制了其應用領域。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的首先在于提供一種改性劑，該改性劑為顆粒狀，在加入到鋁基體中 后，改性劑中的各種物料能夠均勻地添加到鋁基體中，減少甚至避免了鋁基復合材料中的 二相偏析，以充分地提高鋁基復合材料的抗拉強度。
[0005] 其次在于提供上述改性劑的制備方法，該制備方法可使陶瓷顆粒與純鋁粉均勻地 混合在一起，并緊密地結合在一起。
[0006] 再次在于提供添加有上述改性劑的鋁基復合材料，該材料中作為增強體的陶瓷顆 粒在鋁基體中分布均勻，無副產物。
[0007] 最后提供一種上述鋁基復合材料的制備方法，該制備方法可使上述改性劑順利地 添加到鋁基體中，并最大限度地防止了二相偏析現象的產生。
[0008] 本發明的具體技術方案如下：
[0009] 改性劑，其原料包括：50 %~88 %的純鋁粉，I. 0 %~5. 0 %的金屬粉末，10 %~ 40%的陶瓷顆粒，1. 0%~5. 0%的功能助劑；上述比例為重量百分比；改性劑為顆粒狀，粒 度為0. 5~10毫米。
[0010] 該改性劑中除了純鋁粉和作為增強體的陶瓷顆粒外，還加入了金屬粉末和功能助 劑，使用該改性劑制造復合材料時，可直接加入到鋁熔體中，改性劑中的功能助劑在高溫液 態鋁中分解，產生少量氣體，推動陶瓷顆粒擴散，達到自擴散的效果，使改性劑中起增強功 能的陶瓷顆粒均勻地分散在鋁熔體中；同時由于改性劑中的金屬粉末，使得陶瓷顆粒與鋁 熔體的潤濕性得到改善；傳統技術中是將增強體和金屬粉末單獨加入到鋁熔體中，小顆粒 的增強體和金屬粉末由于容易產生聚集，使得其在鋁熔體中難以均勻分散，而本發明將作 為增強體的陶瓷顆粒和金屬粉末制成顆粒狀，使增強體和金屬粉末在鋁熔體中易于分散， 減少甚至避免了鋁基復合材料中的二相偏析，采用本發明改性劑所制得的鋁基復合材料的 極限抗拉強度平均提高了大約20%。
[0011] 改性劑的粒度設定在〇. 5~10毫米范圍內，0. 5~10毫米的改性劑在高溫液態鋁 中可以快速的被融化開，在其中的功能助劑的作用下，陶瓷顆粒被均勻地分散到鋁液中的 各個部分；避免了顆粒過大時，改性劑在未完全熔化時已沉落到鋁液的底部，無法使陶瓷顆 粒均勻地分布到鋁液中。
[0012] 根據對鋁基復合材料性能的具體要求，改性劑的粒度范圍可以分別設定在0. 5~ 1毫米、1~3毫米或3~10毫米。
[0013] 進一步，改性劑的各原料優選為：
[0014] 所述陶瓷顆粒為碳化硅、碳化鈦、氧化鋁、氮化硅、氮化鋁、氧化鋯、氧化鈦或氮化 硼中的任意一種，陶瓷顆粒的粒度為50納米~100微米。
[0015] 所述金屬粉末為鎂、銅、錳、鐵或鋅中的至少一種，金屬粉末粒徑為50納米~100 微米。
[0016] 改性劑中起增強功能的原料是陶瓷顆粒，金屬粉末的作用是用于改善陶瓷顆粒與 鋁液之間的潤濕性，以提高陶瓷顆粒與鋁基體的界面結合度，陶瓷顆粒的粒度要在適當的 范圍內才能起到增強體的作用；粒度太小，陶瓷顆粒外形越尖銳，即增強體顆粒表面的曲率 越大，越容易產生應力集中，從而影響復合材料的綜合性能，尤其是抗拉強度；粒度太大，陶 瓷顆粒的比表面積過小，不能與鋁基體有足量的表面進行結合，使陶瓷顆粒與鋁基體的總 的界面結合度太小，無法產生足夠大的連接力來消耗外力所帶來的能量，陶瓷顆粒在50納 米~100微米之間，可以很好地兼顧到陶瓷顆粒表面的曲率和比表面積，使陶瓷顆粒起到 增強體的作用。
[0017] 金屬粉末在陶瓷顆粒與鋁基體之間起到媒介的作用，使陶瓷顆粒與鋁基體之間具 有良好的潤濕性，為了在制備改性劑的過程中，使金屬粉末與陶瓷有均勻的混合效果，金屬 粉末的粒度與陶瓷顆粒采用相同的范圍，即50納米~100微米之間；在制備改性劑時，金屬 粉末的粒度要與陶瓷顆粒的粒度相適應，最好采用與陶瓷顆粒相同的粒度范圍。
[0018] 純鋁粉的純度彡98重量％，粒度為50納米~100微米。
[0019] 由于陶瓷顆粒在鋁基復合材料中的占比較低，作為改性劑的一部分加入到鋁基中 的純鋁粉所占比例也較低，對鋁基復合材料性能的影響也較低，將純鋁粉的純度設為多98 重量％，在保證了純鋁粉一定純度的要求下，以盡可能地降低費用。為了方便純鋁粉與陶瓷 顆粒、金屬粉末和功能助劑的充分混合，將純鋁粉的粒度設定為與陶瓷顆粒和金屬粉末的 粒度相同；在制備改性劑時，純鋁粉的粒度要與陶瓷顆粒和金屬粉末的粒度相適應，最好采 用與陶瓷顆粒相同的粒度范圍。
[0020] 所述功能助劑為碳酸鎂、碳酸鈉、碳酸鋁、碳酸鉀或氟鋯酸銨中的至少一種。功能 助劑的作用是在其受到高溫后，會產生分解并釋放出氣體，這部分氣體一方面可以推動陶 瓷顆粒擴散，達到陶瓷顆粒的自擴散效果，另一方面該部分氣體在上浮溢出的過程中，會對 陶瓷顆粒起到上浮的作用，減少陶瓷顆粒的下降速度，增強陶瓷顆粒在鋁基體中的分散均 勻性。
[0021] 由于本發明所采用的功能助劑均為無機鹽類，這些無機鹽均為粉末狀，粒度在 20-100微米之間，其粒度處于陶瓷顆粒與金屬粉末的粒度范圍內，可與陶瓷顆粒、金屬粉末 和純鋁粉進行充分地混合；功能助劑即使由于環境因素而產生結塊現象，其結塊也比較松 散，很容易被粉碎，恢復到其細小顆粒的原始狀態。
[0022] 上述發明改性劑的制備方法：將純鋁粉、金屬粉末、陶瓷顆粒和功能助劑按設定比 例投入到球磨機中進行研磨，具體的研磨參數為：球料比I : 1~40 : 1，轉速50~400轉 /分鐘，研磨時間2~12小時。
[0023] 制備改性劑的最佳設備是球磨機，球磨機是利用鋼球或鵝卵石等硬質球體作為研 磨體，研磨體的相互沖擊作用，以及研磨體與球磨機內壁的研磨作用來對物料進行粉碎。改 性劑的各種原料加入到球磨機中后，利用研磨體的沖擊作用，可以使質地柔軟并具有良好 延展性能的純鋁粉作為包裹體，將陶瓷顆粒、金屬粉末和功能助劑包裹在一起，使原料的各 種粒度的粉末均可相互混合均勻，形成大小均勻的顆粒，利