[發明專利]一種原位生成碳化硅顆粒增強鋁-硅基復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 201010273924.0
• 申請日: 2010-09-07
• 公開（公告）號: CN101928870A
• 公開（公告）日: 2010-12-29
• 發明（設計）人: 劉相法;李大奎;李鵬廷;吳亞平
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: C22C32/00
• 分類號: C22C32/00;C22C1/03
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司 37219
• 代理人: 王緒銀

技術領域

本發明屬金屬材料領域，涉及一種原位生成碳化硅顆粒增強鋁-硅基復合材料的制備方法。

背景技術

鋁-硅合金因其具有優良的鑄造性能，如收縮率小、流動性高、氣密性好和熱裂傾向小等，經過變質處理后，還具有很好的力學性能、物理性能和切削加工性能，因而成為鑄造鋁合金中應用最為廣泛的合金。而碳化硅顆粒具有高比強度、耐磨、耐疲勞、低熱膨脹系數、高熔點和熱穩定性好等優點，若將兩者結合成為碳化硅顆粒增強鋁-硅基復合材料，同時兼有兩者的優點，則將具有更廣泛的應用前景。

目前國內外針對碳化硅增強鋁基復合材料的研究已有較多報道，但采用的制備方法幾乎全部是外加法，如Dural公司1986年提出彌散混合攪拌制備高質量顆粒增強鋁基復合材料的專利技術(US?Patent?4786467，1988)以及M.G.Mckimpson所采用的粉末冶金法(Journal?of?Metals，1993，45(1)：26-29)。但這些方法因耗時耗能，而且碳化硅增強相與鋁基體的界面結合力差，增強效果不佳。與外加法相比，原位生成法制備的復合材料中，碳化硅粒子尺度小、界面清潔、與基體相容性好，展示出一系列優點，從而大大提高復合材料的力學性能。如，文獻[C.Jacquier，D.Chaussende，G.Ferro，J.C.Viala，F.Cauwet，Y.Monteil.Study?ofthe?interaction?between?graphite?and?Al-Si?melts?for?the?growth?of?crystalline?siliconcarbide.Journal?ofMaterials?Science.2002，37：3299-3306]將鋁粉、硅粉的混合粉末與石墨棒壓實，然后在真空或氬氣氣氛中加熱通過自蔓延高溫反應可得到含有碳化硅顆粒的鋁-硅合金。但這種方法需要真空環境，反應所需時間較長，且不易得到密實的金屬基體。文獻[Banqiu?Wu，Ramana?G.Reddy.In-situ?formation?ofSiC-reinforced?Al-Si?alloy?composites?using?Methane?gas?mixtures.Metallurgical?andMaterials?Transaction?B.2002，33(4)：543-550]報道了將甲烷與氬氣的混合氣體通入到鋁-硅熔體中的制備方法，其工藝極其復雜，反應過程控制困難，難以大規模生產。

發明內容

本發明目的在于克服上述現有技術的不足，提供一種操作簡便、工藝穩定、生產成本低、無污染且適合工業化生產的原位生成碳化硅顆粒增強鋁-硅基復合材料的制備方法。

本發明是通過以下方式實現的：

一種原位生成碳化硅顆粒增強鋁-硅基復合材料的制備方法，其特征包括以下步驟：

(1)首先按以下質量百分比準備好所需原料：30.00％-75.00％的鋁-碳合金，15％-60％的工業結晶硅，5.00％-10.00％的鋁-鈦合金，0.10％-3.00％的錫或六氟鍺酸鉀；其中，鋁-碳合金中的碳含量為0.50-10.00wt.％，鋁-鈦合金中的鈦含量為0.50-25.0wt.％；

(2)將鋁-碳合金置于中頻感應爐中熔化至800-1200℃，保溫5-10分鐘；

(3)向該熔體中加入工業結晶硅及單質錫或六氟鍺酸鉀，原位反應10-15分鐘后，加入鋁-鈦合金，反應10-15分鐘，然后精煉、澆注，即可得到原位生成碳化硅顆粒增強的鋁-硅基復合材料。

上述一種原位生成碳化硅顆粒增強鋁-硅基復合材料的制備方法，其特征是在制備復合材料的過程中，步驟(2)中碳元素以鋁-碳合金的形式加入熔體中，加入工業結晶硅后熔體中主要發生以下反應：

Si+Al₄C₃(s)→SiC(s)+Al(l)????(1)

步驟(3)中鈦元素以鋁-鈦合金的形式加入熔體中，加入的鈦主要起催化的作用，促進反應(1)向右進行。

步驟(3)中加入的錫或鍺元素能提高生成的碳化硅顆粒表面的活性，從而加快碳化硅顆粒的生成速率，并改善其分布。