專利名稱：一種鋁基合金自潤滑材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及金屬基復合材料制備技術，尤其是關于加入鍍銅石墨碳纖維以及鍍鎳碳纖維使鋁基合金自潤滑的性能增強及其制備技術。
背景技術：
目前增強鋁基自潤滑材料的制備方法有以下幾種真空壓力浸滲法 真空壓力浸滲法又叫真空浸滲法。該方法首先把增強相制成預制體，然后放入承壓鑄型內(nèi)，加熱，抽真空，通過真空產(chǎn)生的負壓，使液態(tài)基體金屬熔體克服毛細作用摩擦阻力并促使熔液對陶瓷增強體的潤濕而滲入預制件的孔隙凝固成形，制成復合制件，從而獲得金屬基復合材料。該方法存在工藝復雜、制件小等缺陷，特別是由于反應時間較長，熔化的基體有時會與增強相發(fā)生較強的界面反應，甚至會損傷增強相，降低增強相的增強效果，工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)大型復合材料制品不容易實現(xiàn)。
粉末冶金法 粉末冶金法是用于制備與成形顆粒、短纖維增強金屬基自潤滑材料的主要方法之一。它是利用粉末冶金原理，將基體金屬粉末和增強材料(晶須、短纖維、顆粒等)按設計要求的比例在適當?shù)臈l件下混勻，然后再壓坯、燒結(jié)、成形或直接用混合料進行熱壓、熱軋、熱擠成形，也可將混合料壓坯后加熱到基體金屬的固-液相溫度區(qū)內(nèi)進行半固態(tài)成形，從而獲得復合材料或其制件。采用粉末法制備與成形金屬基復合材料，其優(yōu)點在于增強材料的加入量易于任意調(diào)整，增強相的體積分數(shù)與基體成分均可準確控制，制件尺寸精度好，易于實現(xiàn)一次成型，且成形制品的范圍較廣。但是，采用此法制備成形的材料或制件，其致密性較差，在基體中以及基體與增強材料的界面處往往存在顯微孔洞，基體與增強材料界面結(jié)合欠佳。而且，增強材料(主要是纖維和顆粒)在壓坯成形過程中易受損傷。此外，高純金屬粉末制取困難，價格昂貴，工藝過程復雜也是該法的缺點之一。
攪拌鑄造法 攪拌鑄造法即本發(fā)明中所陳述的公知的傳統(tǒng)攪拌鑄造法，攪拌法制備和成形金屬基自潤滑材料及制件的過程是先將基體金屬在爐子中熔化，在液態(tài)或半固態(tài)狀態(tài)下進行攪拌，并且邊攪拌邊加入增強材料(短纖維、晶須或顆粒等)，使增強材料均勻分布于基體金屬中，從而制備出復合材料漿料。然后，根據(jù)后繼成形過程的需要，將基體處于液態(tài)或半固態(tài)狀態(tài)的復合材料漿料進行鑄造、液態(tài)模鍛、軋制或擠壓成形，從而獲得金屬基復合材料或制件。與前三種制備方法相比，攪拌法操作簡單、生產(chǎn)效率高、制造成本低廉；所制成的復合材料鑄錠便于精密鑄造、砂型鑄造成各種復雜形狀的零件，也可擠壓成各種型材、管材、棒以及軋制成板材。但是傳統(tǒng)攪拌鑄造法制備復合材料過程中，復合材料中會形成大量的氣孔，嚴重影響復合材料的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述不足之處，提供一種加入鍍銅石墨或鍍銅鍍鎳碳纖維增強鋁基合金自潤滑的材料及其制備方法，該方法制備的鋁基自潤滑材料，具有高比強度、高比模量、耐摩擦性能好、低膨脹率等優(yōu)點，并可以進行二次塑性加工，氣孔小，力學性能好，且方法簡單，易操作，產(chǎn)品合格率高。
本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是包括基體合金選擇、熔化、保溫步驟，制備潤滑劑步驟，向熔化或半熔化的鋁基合金中加入經(jīng)過干燥處理后的潤滑劑步驟，并同時攪拌混合步驟，接此置于真空爐中除氣步驟和澆鑄制作自潤滑材料步驟。所述潤滑劑可是預先經(jīng)過處理的鍍銅石墨或鍍銅碳纖維與鍍銅石墨混合物或鍍鎳碳纖維與鍍銅石墨混合物之一種。
潤滑劑性質(zhì)與使用方法是1、當向熔化或半熔化的鋁基合金中加入鍍銅石墨時，鋁基合金中加入的鍍銅石墨是鋁基合金總質(zhì)量的7～12％；該石墨為鱗片石墨、其顆粒粒度為50～100μm，鍍銅石墨銅含量不超過自身質(zhì)量的33％；2、當向熔化或半熔化的鋁基合金中加入鍍銅石墨和鍍銅碳纖維混合物時，其中鍍銅石墨是方法1中的所述石墨，鍍銅碳纖維之碳纖維性能特征是

鍍銅碳纖維銅含量不超過自身質(zhì)量的40％，鋁基合金中加入的混合物是鋁基合金總質(zhì)量的10～18％，混合物中之鍍銅石墨與鍍銅碳纖維之混合量是鍍銅石墨占鋁合金總量的7～12％，鍍銅碳纖維占鋁合金總量的3～6％；3、當向熔化或半熔化的鋁基合金中加入鍍銅石墨和鍍鎳碳纖維混合物時，其中鍍銅石墨是方法1所述的鍍銅石墨，鍍鎳碳纖維之碳纖維是方法2中所述的碳纖維，鍍鎳碳纖維鎳含量不超過自身質(zhì)量的33％，鋁基合金中加入的混合物是鋁基合金總質(zhì)量的10～17％，混合物中之鍍銅石墨與鍍鎳碳纖維混合量是鍍銅石墨占鋁合金總量的7～12％，鍍鎳碳纖維占鋁合金總量的3～5％。
加入鋁基合金熔體前潤滑劑的制備的方法是1、鍍銅石墨是對石墨顆粒采用化學鍍方法鍍銅，鋅粉作還原劑，醋酸溶液作分散劑，工藝條件為鍍液是每升水中含有硫酸銅30-50g，鋅粉20-35g，濃度為99％的冰乙酸溶液15-30mL，化學鍍添加劑為1.5-2.0mL，pH為4.0-5.0，施鍍時間為15～20min，鍍液溫度為25-45℃。其中化學鍍添加劑以分子量為1000-6000的聚乙二醇為溶劑，1升溶劑內(nèi)添加0.5-1.5mg的苯并三氮唑、20-40mg的十二烷基苯磺酸鈉、10-20mg的聯(lián)吡啶和10-20mg的硫化鈉制成鍍銅石墨銅含量不超過自身質(zhì)量的33％。
2、鍍銅碳纖維，是對碳纖維采用電鍍方法鍍銅，工藝條件為鍍液是每升水中含有CuSO4·6H2O 60-120g，H2SO4100-220g，電鍍添加劑為20-40ml，電流密度0.3-0.6A/dm2，電鍍時間7-10min，其中電鍍添加劑以分子量為12000的聚乙二醇為溶劑，1升溶劑內(nèi)添加10-20mg的芳基磺酸胺鹽、5-10mg的2咪唑硫酮2硫基吡啶苯并噻唑啉酮和5-10mg的聚乙烯醇醚制成鍍銅碳纖維銅含量不超過自身質(zhì)量的40％。
3、鍍鎳碳纖維，是對碳纖維采用電鍍鎳方法鍍鎳，工藝條件為鍍液是每升水中含有NiSO4·6H2O 200～300g，H3BO325～35g，鍍鎳添加劑溶液20～40ml，電流密度0.4～0.45A/dm2，電鍍時間2～3min，其中鍍鎳添加劑是在1升的分子量為12000～20000的聚乙二醇溶劑內(nèi)添加100～120g NaCl，3.5～5.5g苯磺酸鈉，4～6g十二烷基硫酸鈉，0.5～0.8g二乙氨基戊炔二醇而制成鍍鎳碳纖維鎳含量不超過自身質(zhì)量的33％。
加入鋁基合金熔體前首先對潤滑劑進行干燥處理，其工藝條件是對鍍銅石墨或?qū)﹀冦~石墨和鍍銅碳纖維混合物或?qū)﹀冦~石墨和鍍鎳碳纖維混合物在環(huán)境溫度100～250℃，環(huán)境真空度0.15～0.25MPa條件下，干燥處理8～15min，潤滑劑處理后再送入鋁基合金熔體或半熔體中，同時攪拌和真空除氣，其工藝條件是攪拌溫度670-750℃；攪拌時間3-12min；攪拌速度1000-2000r/min；真空爐溫度730-790℃；真空度0.02-0.04MPa；真空除氣時間1-5min。
本發(fā)明的有益效果是具有高比強度、高比模量、耐摩擦性能好、低膨脹率，利于二次塑性加工，使復合材料中氣孔減少，力學性能提高。
具體實施例方式
實施例1選基體合金1000g，該合金可是鋁合金，化學成分按質(zhì)量百分比(wt％)為

750℃時，鋁合金完全熔化后，再加入鍍銅后的石墨顆粒與鍍銅后的碳纖維混合粉，該混合粉是由石墨粉表面化學鍍銅15min和碳纖維電鍍銅7min的粉末混合而成；加入量是基體合金總質(zhì)量的10％，并用機械攪拌槳攪拌，使顆粒與纖維在鋁合金中分散均勻，攪拌溫度為670℃，攪拌時間為3min，攪拌速度為1000r/min，真空爐溫度為730℃，真空度為0.02MPa，真空除氣時間1min，即可獲得鍍銅石墨鍍銅碳纖維增強鋁合金自潤滑材料，其中加入合金總量7％的鍍銅石墨，該石墨為鱗片石墨，其顆粒粒度為50～150μm，加入合金總量3％的鍍銅碳纖維，該碳纖維性能參數(shù)為

實施例2選基體合金1000g，該合金可是鋁合金，化學成分按質(zhì)量百分比(wt％)為

750℃時，鋁合金完全熔化后，再加入鍍銅后的石墨顆粒與鍍銅后的碳纖維的混合粉，該混合粉是由石墨粉表面化學鍍銅17min和碳纖維電鍍銅8min的粉末混合而成；加入量是基體合金總質(zhì)量的15％，并用機械攪拌槳攪拌，使顆粒與纖維在鋁合金中分散均勻，攪拌溫度為700℃，攪拌時間為7min，攪拌速度為1500r/min，真空爐溫度為760℃，真空度為0.03MPa，真空除氣時間3min，即可獲得鍍銅石墨鍍銅碳纖維增強鋁合金自潤滑材料，其中加入合金總量10％的鍍銅石墨，該石墨為鱗片石墨，其顆粒粒度為50～150μm，加入合金總量5％的鍍銅碳纖維，該碳纖維性能參數(shù)為

實施例3選基體合金1000g，該合金可是鋁合金，化學成分按質(zhì)量百分比(wt％)為

750℃時，鋁合金完全熔化后，再加入鍍銅后石墨顆粒與鍍銅后碳纖維的混合粉，該混合粉是由石墨粉表面化學鍍銅20min和碳纖維電鍍銅10min的粉末混合而成；加入量是基體合金總質(zhì)量的18％，并用機械攪拌槳攪拌，使顆粒與纖維在鋁合金中分散均勻，攪拌溫度為750℃，攪拌時間為12min，攪拌速度為2000r/min，真空爐溫度為790℃，真空度為0.04MPa，真空除氣時間5min，即可獲得鍍銅石墨鍍銅碳纖維增強鋁合金自潤滑材料，其中加入合金總量12％的鍍銅石墨，該石墨為鱗片石墨，其顆粒粒度為50～150μm，加入合金總量6％的鍍銅碳纖維，該碳纖維性能參數(shù)為

實施例4選基體合金1000g，該合金可是鋁合金，化學成分按質(zhì)量百分比(wt％)為

750℃時，鋁合金完全熔化后，再加入鍍銅后石墨顆粒，加入量是基體合金總質(zhì)量的7％，石墨粉表面化學鍍銅20min，并用機械攪拌槳攪拌，使顆粒在鋁合金中分散均勻，攪拌溫度為750℃，攪拌時間為12min，攪拌速度為2000r/min，真空爐溫度為790℃，真空度為0.04MPa，真空除氣時間5min，即可獲得鍍銅石墨增強鋁合金復合材料坯件，其中鍍銅石墨中的石墨為鱗片石墨，其顆粒粒度為50～150μm。
實施例5選基體合金1000g，該合金可是鋁合金，化學成分按質(zhì)量百分比(wt％)為

750℃時，鋁合金完全熔化后，再加入鍍銅后石墨顆粒，加入量是基體合金總質(zhì)量的10％，石墨粉表面化學鍍銅17min，用機械攪拌槳攪拌，使顆粒在鋁合金中分散均勻，攪拌溫度為700℃，攪拌時間為7min，攪拌速度為1500r/min，真空爐溫度為760℃，真空度為0.03MPa，真空除氣時間3min，即可獲得鍍銅石墨增強鋁合金自潤滑材料，其中鍍銅石墨中的石墨為鱗片石墨，其顆粒粒度為50～150μm。
實施例6選基體合金1000g，該合金可是鋁合金，化學成分按質(zhì)量百分比(wt％)為

750℃時，鋁合金完全熔化后，再加入鍍銅后石墨顆粒，加入量是基體合金總質(zhì)量的12％，石墨粉表面化學鍍銅15min，用機械攪拌槳攪拌，使顆粒在鋁合金中分散均勻，攪拌溫度為670℃，攪拌時間為3min，攪拌速度為1000r/min，真空爐溫度為730℃，真空度為0.02MPa，真空除氣時間1min，即可獲得鍍銅石墨增強鋁合金自潤滑材料，其中鍍銅石墨中的石墨為鱗片石墨，其顆粒粒度為50～150μm。
實施例7選基體合金1000g，該合金可是鋁合金，化學成分按質(zhì)量百分比(wt％)為

750℃時，鋁合金完全熔化后，再加入鍍銅后的石墨顆粒與鍍鎳后的碳纖維的混合粉，該混合粉是由石墨粉表面化學鍍銅15min和碳纖維電鍍鎳2min的粉末混合而成；加入量是基體合金總質(zhì)量的10％，并用機械攪拌槳攪拌，使顆粒與纖維在鋁合金中分散均勻，攪拌溫度為670℃，攪拌時間為3min，攪拌速度為1000r/min，真空爐溫度為730℃，真空度為0.02MPa，真空除氣時間1min，即可獲得鍍銅石墨和鍍鎳碳纖維增強鋁合金自潤滑材料，其中加入合金總量7％的鍍銅石墨，該石墨為鱗片石墨，其顆粒粒度為50～150μm，加入合金總量3％的鍍鎳碳纖維，該碳纖維性能參數(shù)為

實施例8選基體合金1000g，該合金可是鋁合金，化學成分按質(zhì)量百分比(wt％)為

750℃時，鋁合金完全熔化后，再加入鍍銅后石墨顆粒與鍍鎳后碳纖維的混合粉，該混合粉是由石墨粉表面化學鍍銅17min和碳纖維電鍍鎳2.5min的粉末混合而成；加入量是基體合金總質(zhì)量的14％，并用機械攪拌槳攪拌，使顆粒與纖維在鋁合金中分散均勻，攪拌溫度為700℃，攪拌時間為7min，攪拌速度為1500r/min，真空爐溫度為760℃，真空度為0.03MPa，真空除氣時間3min，即可獲得鍍銅石墨和鍍鎳碳纖維增強鋁合金自潤滑材料，其中加入合金總量10％的鍍銅石墨，該石墨為鱗片石墨，其顆粒粒度為50～150μm，加入合金總量4％的鍍鎳碳纖維，該碳纖維性能參數(shù)為

實施例9選基體合金1000g，該合金可是鋁合金，化學成分按質(zhì)量百分比(wt％)為

750℃時，鋁合金完全熔化后，再加入鍍銅后石墨顆粒與鍍鎳后碳纖維的混合粉，該混合粉是由石墨粉表面化學鍍銅20min和碳纖維電鍍鎳3min的粉末混合而成；加入量是基體合金總質(zhì)量的17％，并用機械攪拌槳攪拌，使顆粒與纖維在鋁合金中分散均勻，攪拌溫度為750℃，攪拌時間為12min，攪拌速度為2000r/min，真空爐溫度為790℃，真空度為0.04MPa，真空除氣時間5min，即可獲得鍍銅石墨和鍍鎳碳纖維增強鋁合金自潤滑材料，其中加入合金總量12％的鍍銅石墨，該石墨為鱗片石墨，其顆粒粒度為50～150μm，加入合金總量5％的鍍鎳碳纖維，該碳纖維性能參數(shù)為

化學鍍銅石墨實施例如表1

化學鍍添加劑實施例如表2


電鍍銅碳纖維實施例如表3

電鍍添加劑實施例如表4

電鍍鎳碳纖維實施例如表5

鍍鎳添加劑實施例如表6

鍍銅石墨和鍍銅碳纖維混合物配制實施例如表7，投入量是指占鋁合金總量的％投入量

鍍銅石墨和鍍鎳碳纖維混合物配制實施例如表8，投入量是指占鋁合金總量的％投入量

權(quán)利要求
1.一種鋁基合金自潤滑材料，其特征是以鋁合金為基體合金，在鋁合金熔體中加入潤滑劑，該潤滑劑是鍍銅石墨或鍍銅石墨與鍍銅碳纖維混合物或鍍銅石墨與鍍鎳碳纖維混合物中之一種，經(jīng)攪拌混合、真空除氣和澆鑄而成，其基體鋁合金成分按質(zhì)量百分比為Si 6.5～9.0，Mg 0.8～1.2，Mn 0.1～0.5，Ti 0.1～0.25，Zn≤0.3，F(xiàn)e≤0.5，Cu≤0.3，Ni≤0.1，AL余量，當采用鍍銅石墨時，所加鍍銅石墨占鋁基合金總量的7～12％；當采用鍍銅石墨與鍍銅碳纖維混合物時，其加入量占鋁基合金總量的10～18％；當采用鍍銅石墨與鍍鎳碳纖維混合物時，其加入量占鋁基合金總量的10～17％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋁基合金自潤滑材料，其特征在于所說的鍍銅石墨與鍍銅碳纖維混合物，混合量是鍍銅石墨占鋁合金總量的7～12％，鍍銅碳纖維占鋁合金總量的3～6％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋁基合金自潤滑材料，其特征在于所說的鍍銅石墨與鍍鎳碳纖維混合物，混合量是鍍銅石墨占鋁合金總量的7～12％，鍍鎳碳纖維占鋁合金總量的3～5％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋁基合金自潤滑材料，其特征在于所說的鍍銅石墨中的石墨為鱗片石墨，其顆粒粒度為50～150μm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋁基合金自潤滑材料，其特征在于所說的鍍銅碳纖維或鍍鎳碳纖維，其中的碳纖維性能參數(shù)為
6.一種制備權(quán)利要求1鋁基合金自潤滑材料的制備方法，包含基體合金選擇、熔化和保溫步驟，其特征是還含有制備能夠增強鋁基合金自潤滑性能的潤滑劑步驟，向熔化或半熔化的鋁基合金中加入經(jīng)過干燥后的潤滑劑步驟，并同時攪拌混合步驟，接此置于真空爐中除氣步驟和澆鑄制作自潤滑材料步驟，其工藝條件是選基體合金為鋁合金，化學成分為
750℃時鋁合金熔化，保溫670-750℃，鋁合金熔體中加入經(jīng)過除氣處理過的鍍銅石墨或鍍銅石墨和鍍銅碳纖維混合物或鍍銅石墨和鍍鎳碳纖維混合物之一種，并同時混合攪拌，真空除氣，攪拌溫度670-750℃；攪拌時間3-12min；攪拌速度1000-2000r/min；真空爐溫度730-790℃；真空度0.02-0.04MPa；真空除氣時間1-5min。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的鋁基合金自潤滑材料的制備方法，其特征在于所說的能夠增強鋁基合金自潤滑性能的潤滑劑制備方法(1)、制備鍍銅石墨是對石墨顆粒采用化學鍍方法鍍銅，鋅粉作還原劑，醋酸溶液作分散劑，工藝條件為鍍液是每升水中含有硫酸銅30-50g，鋅粉20-35g，濃度為99％的冰乙酸溶液15-30mL，化學鍍添加劑為1.5-2.0mL，pH為4.0-5.0，施鍍時間為15～20min，鍍液溫度為25-45℃，其中化學鍍添加劑以分子量為1000-6000的聚乙二醇為溶劑，1升溶劑內(nèi)添加0.5-1.5mg的苯并三氮唑、20-40mg的十二烷基苯磺酸鈉、10-20mg的聯(lián)吡啶和10-20mg的硫化鈉制成，鍍銅石墨銅含量不超過自身質(zhì)量的33％；(2)、制備鍍銅碳纖維，是對碳纖維采用電鍍方法鍍銅，工藝條件為鍍液是每升水中含有CuSO4·6H2O 60-120g，H2SO4100-220g，電鍍添加劑為20-40ml，電流密度0.3-0.6A/dm2，電鍍時間7-10min，其中電鍍添加劑以分子量為12000的聚乙二醇為溶劑，1升溶劑內(nèi)添加10-20mg的芳基磺酸胺鹽、5-10mg的2咪唑硫酮2硫基吡啶苯并噻唑啉酮和5-10mg的聚乙烯醇醚制成，鍍銅碳纖維銅含量不超過自身質(zhì)量的40％；(3)、制備鍍鎳碳纖維，是對碳纖維采用電鍍鎳方法鍍鎳，工藝條件為鍍液是每升水中含有NiSO4·6H2O 200～300g，H3BO325～35g，鍍鎳添加劑溶液20～40ml，電流密度0.4～0.45A/dm2，電鍍時間2～3min，其中鍍鎳添加劑是在1升的分子量為12000～20000的聚乙二醇溶劑內(nèi)添加100～120g NaCl，3.5～5.5g苯磺酸鈉，4～6g十二烷基硫酸鈉，0.5～0.8g二乙氨基戊炔二醇而制成，鍍鎳碳纖維鎳含量不超過自身質(zhì)量的33％。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的鋁基合金自潤滑材料的制備方法，其特征在于所說的向熔化或半熔化的鋁基合金中加入經(jīng)過干燥后的潤滑劑步驟，其中干燥工藝條件是環(huán)境溫度100～250℃，環(huán)境真空度0.15～0.25MPa，干燥處理時間8～15min。
全文摘要
一種鋁基合金自潤滑材料及其制備方法，涉及制備復合金屬材料技術，針對鋁基合金自潤滑材料中氣孔量大的弊病，公開一種鋁基合金自潤滑材料及其制備方法，其方案是以鋁合金為基體合金，在鋁合金熔體中加入潤滑劑，該潤滑劑是鍍銅石墨或鍍銅石墨與鍍銅碳纖維混合物或鍍銅石墨與鍍鎳碳纖維混合物中之一種，經(jīng)攪拌混合、真空除氣和澆鑄而成，其基體鋁合金成分按質(zhì)量百分比為Si 6.5～9.0，Mg 0.8～1.2，Mn 0.1～0.5，Ti 0.1～0.25，Zn≤0.3，F(xiàn)e≤0.5，Cu≤0.3，Ni≤0.1，Al余量，當采用鍍銅石墨時，所加鍍銅石墨占鋁基合金總量的7～12％；當采用鍍銅石墨與鍍銅碳纖維混合物時，其加入量占鋁基合金總量的10～18％；當采用鍍銅石墨與鍍鎳碳纖維混合物時，其加入量占鋁基合金總量的10～17％。本材料中氣孔少。
文檔編號C22C1/02GK101054644SQ200710011418
公開日2007年10月17日 申請日期2007年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月25日
發(fā)明者姚廣春, 劉宜漢, 羅洪杰, 吳林麗, 董志國, 劉振剛 申請人:東北大學