一种铝基材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种铝基材料，在铝合金基体内均匀分布有氮化铝、氧化锆、氧化钽颗粒，铝合金基体部分表层分布有MoS2、Al2O3、SiC，氮化铝、氧化锆、氧化钽的硬度高，显著提高基材的硬度及耐磨性，氟化石墨粉可提高减摩性。基体表面熔覆的Mn‑Cr涂层可有效提高合金表面的耐磨性及耐腐蚀性。合金中Si、Cu、Cr、Ni、Hf、Fe、Ag、Ca、Li、Ba等元素强化相弥散强化从而提高材料的力学性能。制备方法上通过在纯铝金属丝上粘附混合粉末的方式，使得浇铸时混合粉末位于母合金液中央，有利于微粉颗粒的快速扩散和均质，提高生产效率，采用搅拌摩擦加工局部添加耐磨材料，提高材料利用率。

A kind of aluminium-based material and its preparation method

The invention discloses an aluminium-based material, in which aluminium nitride, zirconia and tantalum oxide particles are evenly distributed in the aluminium alloy matrix, MoS2, Al2O3, SiC are distributed on the surface of the aluminium alloy matrix, the hardness of aluminium nitride, zirconia and tantalum oxide is high, the hardness and wear resistance of the base material are significantly improved, and the antifriction property of graphite fluoride powder can be improved. The wear resistance and corrosion resistance of the alloy surface can be effectively improved by cladding Mn_Cr coating on the substrate surface. Dispersion strengthening of Si, Cu, Cr, Ni, Hf, Fe, Ag, Ca, Li, Ba and other elements in the alloy can improve the mechanical properties of the material. In the preparation method, by adhering the mixed powder on the pure aluminum wire, the mixed powder is located in the center of the mother alloy liquid during casting, which is conducive to the rapid diffusion and homogenization of the fine powder particles, and improves the production efficiency. Friction stirring processing is used to add wear-resistant materials locally to improve the utilization rate of materials.

【技术实现步骤摘要】
一种铝基材料及其制备方法
本专利技术涉及铝合金材料领域，特别涉及一种铝基材料及其制备方法。
技术介绍
目前，国内外常用的铝合金表面改性技术主要有镀层技术(电镀、化学镀、阳极氧化)，气相沉积(PVD,CVD)，热喷涂技术(电弧喷涂、火焰喷涂、等离子喷涂)、高能束(激光、离子束、电子束)表面改性技术等多种方法。传统铝合金表面改性技术(镀层技术、气相沉积、热喷涂技术)虽均可在一定程度上提高铝合金硬度、耐磨性，但仍然存在一些不可避免的局限性。如镀层技术存在制得镀膜层不够致密，铬酸盐具有毒性、对环境污染严重，三废处理费用高昂、危害人类健康等不足之处。PVD与CVD实验条件较苛刻，如:涂层太薄，仅为微米级；需高温、高真空以及高纯材料，并且伴有环境污染问题。热喷涂涂层组织结构为层状结构，在涂层内部存在大量孔隙和氧化物夹杂。导致涂层气孔率较大，结合强度有限，往往存在开裂和剥落等问题。不能承受机械在高速、高载荷下的工况条件。激光表面处理技术相比其它传统表面处理方法优点在于:(1)涂层与基体间为冶金结合；(2)强化层厚而致密、组织细小、硬度高、耐磨性好；(3)热输入小，生产周期短，工件变形小；(4)无环境污染，是一种拥有发展前途的绿色制造技术。铝合金表面激光改性技术主要有激光熔覆和激光合金化。激光熔覆技术是指根据实际需求在基材表面添加特定功能的合金粉末，在高能激光束作用下，使熔覆材料与基体表层一起熔凝，最终在基材表面制备出与基体呈冶金结合且具有优异性能的新型表层，从而延长基材使用寿命的工艺方法。与激光合金化根本区别在于基体熔化少，稀释率低。根据合金粉末供给方式的不同，激光熔覆可分为送粉式激光熔覆和预制式激光熔覆两种。熔覆粉末的选择对于熔覆层质量的好坏起着至关重要的作用。熔覆层与基材的热膨胀系数会影响界面结合强度，熔覆材料与基体的润湿性影响熔覆层形貌、基体和熔覆层之间的抗开裂能力。为保证涂层与基体间形成良好的结合界面，熔覆材料和基体以及增强相颗粒与熔覆材料应具备良好的物理化学相容性。主要从润湿性、热膨胀系数、弹性模量、热熔性等方面综合考虑。目前，应用于铝合金激光表面改性的涂层材料主要有Ni基、Cu基、Fe基合金粉末以及在此基础上添加一定量A12O3,SiC,TiC,WC等陶瓷相的金属陶瓷复合涂层。搅拌摩擦加工法是由搅拌摩擦焊技术演变而来的一种用于材料改性和制备复合材料的技术。该工艺是一门具有综合能力的技术，其热量输入来源于摩擦生热以及塑性变形，具有绿色节能，无辐射噪音废气等特点，是一项清洁高效的先进表面改性技术。CN201710294845.X涉及金属材料冶炼
，具体涉及一种耐磨铝合金及其制备工艺，所述耐磨铝合金，以铝合金型材的总量为基准，按重量百分比计，所述耐磨铝合金含有以下元素：Si6.18～12.87％，Zn1.28～3.56％，Mn0.89～1.75％，Mg0.56～0.95％，Ni0.12～0.31％，Cu0.03～0.16％，Ti0.26～0.48％，氮0.16～0.54％，微量元素0.005～0.12％，其余为Al和不可避免的杂质，本专利技术的含硅高强度铝合金中含有耐磨材料氮化物，提高了铝合金的耐磨性，此外，氮化物具有硬度大、强度高的特点，从而提高铝合金的强度和硬度，本专利技术的耐磨铝合金的磨损率为0.018～0.029gm-2s-1，硬度为95.9～126.9HBW，而且其耐碱蚀性也有显著的提高。上述专利技术将耐磨材料加入铝合金型材中，以提高铝合金的耐磨性，虽然可以增强铝合金的耐磨性，但耐磨材料于铸造时加入铝合金材料中，用量大，提高了材料成本，耐磨性能也无法集中于长期摩擦的易损耗部位。实际使用中，磨损并不是存在于合金材料的全部表面，而集中存在于频繁摩擦的部位，因此耐磨材料无须均匀分布于合金材料，合金直接暴露于空气中，无法隔绝腐蚀因子，长时间使用仍然会产生腐蚀损耗。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题：针对目前铝合金基耐磨材料及其制备过程中存在的缺陷和不足，本专利技术提供一种铝基材料，该材料具有良好的耐磨性、硬度及耐腐蚀性。为解决上述技术问题，本专利技术提供以下的技术方案：一种铝基材料，其特征在于：在铝合金基体内分布有MoS2、Al2O3、SiC、氮化铝、氧化锆、氧化钽、氟化石墨粉颗粒，粒径为9-14微米，颗粒在铝合金基体中的重量百分比为3-6％，所述氮化铝、氧化锆、氧化钽、氟化石墨的相对重量比为1.2-1.5：1：1:0.06，铝合金基体表面分布有Mn-Cr基涂层；所述铝合金基体成分按照重量百分含量为0.003-0.008％Ag，0.09-0.13％Ca，0.2-0.7％Li，0.3-0.9％Ni，0.2-0.5％Hf，Cr0.4-0.8％，0.3-0.9％Si，0.2-0.7％Fe，0.2-0.5％Cu，2-6％Ba，余量为Al。优选地，所述Mn-Cr基涂层厚度为44.2～75.8μm，通过在铝合金基体表面激光熔覆Mn-Al合金和Cr2O3制备，所述Mn-Al合金和Cr2O3的总重量为铝合金基体的4～8wt％，Mn-Al合金与Cr2O3的重量比为3～10：1，所述Mn-Al合金中Mn的含量为33.5～55.6wt％，其余为铝。一种上述铝基材料的制备方法，包含如下具体步骤：(1)铝合金基体的制备：按照上述成分进行配料，原料中Ag、Ca、Li、Hf、Cr、Si、Fe、Cu、Ba、Al均为单质，纯度均大于99.9％；Ni以铝镍合金形式加入，其中Ni的重量百分含量为15％，其余为铝，将原料放入电阻坩埚炉中熔炼，熔炼温度为830～850℃，保温20-30分钟后得到母合金液，待用；(2)然后称取氮化铝、氧化锆、氧化钽、氟化石墨粉混合均匀制备混合物粉备用；(3)取直径为6～8毫米的纯铝金属丝，丝的长度比型腔高度高出50～60毫米，将金属丝的一半长度蘸丙烯酸酯胶粘剂液体，并在其上均匀撒上混合物粉，悬挂静置5～8小时后，用未蘸丙烯酸酯胶粘剂液体的一端插入黏土砂型型腔底部型砂中，插入型砂中的深度为50～60mm，纯铝金属丝的顶端与型腔顶面持平；(4)此时可以合箱浇注，合金的浇注温度为680～710℃，母合金液中所配的纯铝重，需要去除掉纯铝金属丝的重量，浇铸后780℃保温20～40min，使混合物粉均匀分散进入母合金液中；(5)自然冷区后，取出铸件，将铸件切割为厚18～22mm的板材，在上表面开出尺寸为宽1～3mm，深1～3mm的沟槽，采用超声波丙酮清洗表面油污；(6)按沟槽体积等体积填充MoS2、Al2O3、SiC混合颗粒，利用搅拌头沿槽的中心线进行密封，将封好的试样放在铣床平台的夹具上，进行搅拌摩擦加工，搅拌头设定参数为800～1500rpm旋转速度、35～55mm/min加工速度、10～20°倾斜角，轴肩下压量为0.9～1.5mm，每条沟槽加工3～7道次，每道次之间改变搅拌头旋转方向；(7)自然冷却至室温，取出板材，加热板材至300～400℃固溶1.5h，水冷；加热至100～110℃时效50～100h；(8)用120目的砂纸将板材打磨平整，然后用5wt％的NaOH溶液清洗其表面，以除去试样表面油污，之后用丙酮溶液清洗表面，按预定比例配制好Mn-Al合金和Cr2O3混合粉末，再用球磨混料机500～1000rpm，混合12～24本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铝基材料，其特征在于：在铝合金基体内分布有MoS2、Al2O3、SiC、氮化铝、氧化锆、氧化钽、氟化石墨粉颗粒，粒径为9‑14微米，颗粒在铝合金基体中的重量百分比为3‑6％，所述氮化铝、氧化锆、氧化钽、氟化石墨的相对重量比为1.2‑1.5：1：1:0.06，铝合金基体表面分布有Mn‑Cr基涂层；所述铝合金基体成分按照重量百分含量为0.003‑0.008％Ag，0.09‑0.13％Ca，0.2‑0.7％Li，0.3‑0.9％Ni，0.2‑0.5％Hf，Cr 0.4‑0.8％，0.3‑0.9％Si，0.2‑0.7％Fe，0.2‑0.5％Cu，2‑6％Ba，余量为Al。

【技术特征摘要】
1.一种铝基材料，其特征在于：在铝合金基体内分布有MoS2、Al2O3、SiC、氮化铝、氧化锆、氧化钽、氟化石墨粉颗粒，粒径为9-14微米，颗粒在铝合金基体中的重量百分比为3-6％，所述氮化铝、氧化锆、氧化钽、氟化石墨的相对重量比为1.2-1.5：1：1:0.06，铝合金基体表面分布有Mn-Cr基涂层；所述铝合金基体成分按照重量百分含量为0.003-0.008％Ag，0.09-0.13％Ca，0.2-0.7％Li，0.3-0.9％Ni，0.2-0.5％Hf，Cr0.4-0.8％，0.3-0.9％Si，0.2-0.7％Fe，0.2-0.5％Cu，2-6％Ba，余量为Al。2.根据权利要求1中所述的一种铝基材料，其特征在于：所述Mn-Cr基涂层厚度为44.2～75.8μm，通过在铝合金基体表面激光熔覆Mn-Al合金和Cr2O3制备，所述Mn-Al合金和Cr2O3的总重量为铝合金基体的4～8wt％，Mn-Al合金与Cr2O3的重量比为3～10：1，所述Mn-Al合金中Mn的含量为33.5～55.6wt％，其余为铝。3.一种如权利要求1或2中所述耐磨材料的制备方法，其特征在于，包含如下具体步骤：(1)铝合金基体的制备：按照上述成分进行配料，原料中Ag、Ca、Li、Hf、Cr、Si、Fe、Cu、Ba、Al均为单质，纯度均大于99.9％；Ni以铝镍合金形式加入，其中Ni的重量百分含量为15％，其余为铝，将原料放入电阻坩埚炉中熔炼，熔炼温度为830～850℃，保温20-30分钟后得到母合金液，待用；(2)然后称取氮化铝、氧化锆、氧化钽、氟化石墨粉混合均匀制备混合物粉备用；(3)取直径为6～8毫米的纯铝金属丝，丝的长度比型腔高度高出50～60毫米，将金属丝的一半长度蘸丙烯酸酯胶粘剂液体，并在其上均匀撒上混合物粉，悬挂静置5～8小时后，用未蘸丙烯酸酯胶粘剂液体的一端插入黏土砂型型腔底部型砂中，插入型砂中的深度为50～60mm，纯铝金属丝的顶端与型腔顶面持平；(4)此时可以合箱浇注，合金的浇注温度为680～710℃，母合金液中所配的纯铝重，需要去除掉纯铝金属丝的重量，浇铸后780℃保温20～40min，使混合物粉均匀分散进入母合金液中；(5)自然冷区后，取出铸件，将铸件切割为厚18～22mm的板材，在上表面开出尺寸为宽1～3mm，深1～3mm的沟槽，采用超声波丙酮清洗表面油污；(6)按沟槽体积等体积填充MoS2、Al2O3、SiC混合颗粒，利用搅...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵浩峰，于鹏，张椿英，
申请(专利权)人：安徽信息工程学院，
类型：发明
国别省市：安徽,34