專利名稱：汽車輪轂用亞微米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種反應(yīng)合成顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其制造方法。具體地講， 本發(fā)明涉及一種汽車輪轂用反應(yīng)合成亞微米顆粒增強(qiáng)鋁基原位復(fù)合材料以及 制造方法。
背景技術(shù)：
鋁基復(fù)合材料具有高的比強(qiáng)度、比剛度和優(yōu)良的高溫力學(xué)性能、低的熱 膨脹系數(shù)，優(yōu)良的耐磨性，在航空、航天、汽車、電子、光學(xué)等工業(yè)領(lǐng)域具有
十分廣泛的應(yīng)用前景。尤其是顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料(Particulate Reinforced Aluminum Matrix Composites)因具有增強(qiáng)體成本低、微觀結(jié)構(gòu)較均勻、材料 性能各向同性，可采用傳統(tǒng)的金屬加工工藝進(jìn)行加工等優(yōu)點(diǎn)，成為金屬基復(fù)合 材料的重要發(fā)展方向之一而得到快速發(fā)展。顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料根據(jù)其中增 強(qiáng)顆粒的來源可以分為外加顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料和顆粒增強(qiáng)鋁基原位復(fù)合 材料。外加顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料由于增強(qiáng)顆粒由外部加入，存在著顆粒尺寸 大，顆粒表面有污染，界面結(jié)合差，以及易生成脆弱性副產(chǎn)物等一系列缺點(diǎn)。
為此，近年來反應(yīng)合成顆粒增強(qiáng)鋁基原位復(fù)合材料得到了重視和發(fā)展。
由于顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料自身的優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用在汽車上，可減輕汽車重 量提高相關(guān)產(chǎn)品性能，而且可節(jié)油、減少污染和延長零部件使用壽命。美國 Duralcan公司采用SiCp/Al復(fù)合材料成功地制造了汽車制動盤、剎車片、發(fā)動 機(jī)活塞、驅(qū)動軸、連桿、搖臂和齒輪箱等零件，使用結(jié)果表明，其耐磨性能、 降噪性能、散熱性能均比原用材料有很大改善。車輪是汽車的關(guān)鍵零部件，而 且是重要的安全件，車輪是由輪轂和輪胎組合而成，過去普遍認(rèn)為車胎爆裂是 輪胎質(zhì)量問題。最近國內(nèi)外專家研究發(fā)現(xiàn)由于輪轂變形，圓整度失真，因而使輪胎受力不均，故使輪胎局部磨損嚴(yán)重，從而導(dǎo)致輪胎爆裂。解決問題的關(guān) 鍵在于提高輪轂的強(qiáng)度、剛度，特別是尺寸穩(wěn)定性。因此，找到合適的具有良 好的尺寸穩(wěn)定性的材料成了當(dāng)務(wù)之急。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的使用鋁基合金制造的汽車輪轂的尺寸穩(wěn)定性不 夠好的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出一種汽車輪轂用顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料及其制備方 法，制備的復(fù)合材料具有良好的剛度，制備的汽車輪轂的尺寸穩(wěn)定性好。
一種汽車輪轂用亞微米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，由鋁合金基體和增強(qiáng)顆粒
組成，鋁合金基體含硅6.5 7.5wt%、鎂0.30 0.45wt。/。，其余為鋁；增強(qiáng)顆 粒為A1203亞微米顆?；蛘逜1203亞微米顆粒與Al3Zr亞微米顆粒的組合，增 強(qiáng)顆粒占整個復(fù)合材料總體積的5~8%，增強(qiáng)顆粒的粒徑為0.1 1微米。
所述的汽車輪轂用亞微米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，按鎂 0.30 0.45 wt %，其余為鋁的比例，將鋁和鎂條或鋁合金熔化后，然后將熔體 溫度升高到800°C，按增強(qiáng)顆粒占復(fù)合材料總體積的5 10%加入Si02粉或者 Zr02粉的一種，與熔體反應(yīng)生成A1203顆?；蛘逜1203顆粒與Al3Zr顆粒的組 合，得到汽車輪轂用亞微米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。所述的Si02粉、Zr02粉， 在反應(yīng)前預(yù)先研磨至粒徑3 5微米，并預(yù)熱至200°C 。
在制造輪轂時，可以在鋁合金熔體中通過熔體反應(yīng)方法直接生成汽車輪轂 用顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，然后直接用這個復(fù)合材料制造汽車輪轂；也可以通 過反應(yīng)合成汽車輪轂用顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料作為中間合金，然后根據(jù)需要將 復(fù)合材料與鋁合金按比例添加到鋁合金熔體中稀釋，然后再制造汽車輪轂。
有益效果
1、由于反應(yīng)合成亞微米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料20 100。C的熱膨脹系數(shù)降 低到17X1(T"C"以下，而A356合金為22.8X10^CT1，因此采用這類材料制造汽車輪轂，可提高了輪轂的尺寸穩(wěn)定性，同時減輕了輪轂的重量。
2、反應(yīng)合成顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制造汽車輪轂制造方法可以在現(xiàn)有的鋁 合金輪轂低壓鑄造生產(chǎn)技術(shù)基礎(chǔ)上適當(dāng)改造實現(xiàn)。采用本發(fā)明提供的顆粒增強(qiáng) 鋁基復(fù)合材料制備輪轂，只要采用目前鋁合金輪轂生產(chǎn)常用的低壓鑄造技術(shù)即 可。在輪轂的制造過程中，僅對合金熔煉過程進(jìn)行必要的改造，不需要對設(shè)備 進(jìn)行大的改動，成本較低。
3 、反應(yīng)合成顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料可以以中間合金的形式加入到鋁合金熔
體中，也可以在鋁合金熔體中通過熔體直接反應(yīng)方法生成，工藝適應(yīng)性強(qiáng)。
4、由于采用了低成本原料和減輕了輪轂設(shè)計重量，輪轂生產(chǎn)的成本可以適 當(dāng)降低。


圖1本發(fā)明制備的亞微米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的掃描電鏡(SEM)照片。
具體實施例方式
下面結(jié)合具體實施例，并參照數(shù)據(jù)進(jìn)一步詳細(xì)地描述本發(fā)明。應(yīng)理解，這 些實施例只是為了舉例說明本發(fā)明，而非以任何方式限制本發(fā)明的范圍。在以 下的實施例中，未詳細(xì)描述的各種過程和方法是本領(lǐng)域中公知的常規(guī)方法。
一種汽車輪轂用亞微米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，由鋁合金基體和增強(qiáng)顆粒 組成，鋁合金基體含硅6.5~7.5wt%、鎂0.30-0.45 wt%，其余為鋁；增強(qiáng)顆 粒為A1203亞微米顆?；蛘逜1203亞微米顆粒與Al3Zr亞微米顆粒的組合，增 強(qiáng)顆粒占整個復(fù)合材料總體積的5~8%，增強(qiáng)顆粒的粒徑為0.1 1微米。其中， 鋁合金基體含硅可以選擇6.5、 7.0、 7.5wt%，鎂可以選擇0.30、 0.40、 0.45wt %，亞微米顆粒的體積分?jǐn)?shù)可以選擇5、 6.5、 8%。
所述的汽車輪轂用亞微米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法，按鎂 0.30 0.45 wt %，其余為鋁的比例，將鋁和鎂條或鋁合金熔化后，然后將熔體溫度升高到800°C，按增強(qiáng)顆粒占復(fù)合材料總體積的5 8%加入Si02粉或者 Zr02粉的一種，與熔體反應(yīng)生成A1203顆粒或者A1203顆粒與Al3Zr顆粒的組 合，得到汽車輪轂用亞微米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。所述的Si02粉、Zr02粉， 在反應(yīng)前預(yù)先研磨至粒徑3 5微米，并預(yù)熱至200°C 。
實施例l
按Al-3%Si的成分配制鋁合金4T，將純鋁、A356合金按4: 3的質(zhì)量比一 起熔化，待鋁合金完全熔化后，加入12Kg純鎂并攪拌均勻，然后將溫度升高 到800°C ，通過噴粉精煉裝置分兩批往熔體中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的Si02粉，Si02 粉平均粒徑3pm，并預(yù)先研磨，在200。C預(yù)熱2h。噴粉結(jié)束后，靜止20min， 使熔體反應(yīng)充分。爐前取樣分析化學(xué)成分，根據(jù)取樣分析結(jié)果，加入5Kg純 鎂調(diào)整基體合金的化學(xué)成分，最終形成含亞微米A1203顆粒的體積分?jǐn)?shù)為5.5% 的鋁基復(fù)合材料。在生產(chǎn)汽車輪轂時，直接采用目前鋁合金輪轂生產(chǎn)常用的低 壓鑄造技術(shù)直接生產(chǎn)顆粒增強(qiáng)鋁基原位復(fù)合材料輪轂。所制備的亞微米顆粒增 強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的掃描電鏡(SEM)照片如圖1所示，其中白色顆粒相為反 應(yīng)合成的Al203顆粒。該亞微米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料20 10(TC的熱膨脹系 數(shù)為16.3xlO-"CT1，而目前汽車輪轂生產(chǎn)采用的A356合金則為22.8xl0一Cr1， 因此使輪轂的尺寸穩(wěn)定性得到了顯著提高。
實施例2
準(zhǔn)備A356合金4噸，待鋁合金完全熔化后，將溫度升高到80(TC，通過噴 粉精煉裝置分兩批往熔體中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.5%的經(jīng)預(yù)先研磨的平均粒徑5 um的Zr02粉，加入前ZrO2粉經(jīng)200。C預(yù)熱2h。噴粉結(jié)束后，靜止20min， 使熔體反應(yīng)充分。爐前取樣分析化學(xué)成分，根據(jù)取樣分析結(jié)果，加入3Kg純 鎂和220Kg純鋁調(diào)整基體合金的化學(xué)成分，最終形成含亞微米(Al3ZrfAl203) 顆粒體積分?jǐn)?shù)8%的鋁基復(fù)合材料，其中亞微米顆粒的粒徑為0.1微米。該反應(yīng)合成顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料20 100。C的熱膨脹系數(shù)為15.2X1(T"CT1，而目 前汽車輪轂生產(chǎn)采用的A356合金則為22.8X 10一CT1，輪轂的尺寸穩(wěn)定性得到 了顯著提髙。
實施例3
按A356合金2T直接熔化，待鋁合金完全熔化后，將溫度升高到75(TC， 將通過反應(yīng)合成方法制備的含(Al3Zr+Al203)顆粒10% (體積分?jǐn)?shù))、 (Al3Zr+Al203)顆粒的粒徑為1微米，基體為A356合金的顆粒增強(qiáng)鋁基原位復(fù) 合材料2T分3批加入熔體中，通過噴粉精煉裝置的噴槍以氮?dú)鈱崿F(xiàn)熔體攪拌， 形成含(Al3Zr+Al203)顆粒體積分?jǐn)?shù)為5%的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料熔體。在生 產(chǎn)汽車輪轂時，采用目前鋁合金輪轂生產(chǎn)常用的低壓鑄造技術(shù)由上述鋁基復(fù)合 材料熔體直接生產(chǎn)顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料輪轂。該反應(yīng)合成顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合 材料20 100。C的熱膨脹系數(shù)為16.6X10—CT1，而目前汽車輪轂生產(chǎn)采用的 A356合金則為22.8X 1(T"C"，輪轂的尺寸穩(wěn)定性得到了顯著提高。
權(quán)利要求
1、一種汽車輪轂用亞微米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，其特征在于由鋁合金基體和增強(qiáng)顆粒組成，鋁合金基體含硅6.5～7.5wt％、鎂0.30～0.45wt％、其余為鋁；增強(qiáng)顆粒為Al2O3亞微米顆粒或者Al2O3亞微米顆粒與Al3Zr亞微米顆粒的組合，增強(qiáng)顆粒占整個復(fù)合材料總體積的5～8％，增強(qiáng)顆粒的粒徑為0.1～1微米。
2、 如權(quán)利要求1所述的汽車輪轂用亞微米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備 方法，其特征在于，按鎂0.30-0.45 wt%，其余為鋁的比例，將鋁和鎂條或鋁 合金熔化后，然后將熔體溫度升高到80(TC，按增強(qiáng)顆粒占復(fù)合材料總體積的 5 8%加入Si02粉或者Zr02粉中的一種，與熔體反應(yīng)生成八1203顆?；蛘?Ah03顆粒與Al3Zr顆粒的組合，得到汽車輪轂用亞微米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材 料。
3、 如權(quán)利要求2所述的汽車輪轂用亞微米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備 方法，其特征在于，所述的Si02粉、Zr02粉，在反應(yīng)前預(yù)先研磨至粒徑3 5 微米，并預(yù)熱至200'C。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種汽車輪轂用亞微米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，由鋁合金基體和增強(qiáng)顆粒組成，鋁合金基體含硅6.5～7.5wt％、鎂0.30～0.45wt％，其余為鋁；增強(qiáng)顆粒為Al₂O₃亞微米顆?；蛘逜l₂O₃亞微米顆粒與Al₃Zr亞微米顆粒的組合，增強(qiáng)顆粒占整個復(fù)合材料總體積的5～8％，增強(qiáng)顆粒的粒徑小于1微米。制備方法是按鎂0.30～0.45wt％，其余為鋁的比例，將鋁和鎂條或鋁合金熔化后，然后將熔體溫度升高到800℃，按增強(qiáng)顆粒占復(fù)合材料總體積的5～8％加入SiO₂粉或者ZrO₂粉中的一種，與熔體反應(yīng)生成Al₂O₃顆粒或者Al₂O₃顆粒與Al₃Zr顆粒的組合，得到汽車輪轂用亞微米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。復(fù)合材料的20～100℃的熱膨脹系數(shù)降低到17×10^-6℃^-1以下，提高了輪轂的尺寸穩(wěn)定性。
文檔編號C22C1/04GK101418402SQ200810243720
公開日2009年4月29日 申請日期2008年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月12日
發(fā)明者劉春艷, 程曉農(nóng), 蔣宇梅, 趙玉濤, 剛 陳, 顏金華 申請人:大亞科技股份有限公司;江蘇大學(xué);江蘇省大亞鋁基復(fù)合材料工程技術(shù)研究中心有限公司