[其他]一种陶瓷铝合金及其制造方法

说明书

本发明属于金属基粒子型复合材料。

在以往的发明中，运用复合铸造法、旋涡法等工艺可以将一些固相粒子加入到铝或铝合金中去，选用的粒子有Zircon〔1〕、Illite〔2〕、Al₂O₃和SiC等。

铝或铝合金中加入了上述Al₂O₃等硬质粒子后，耐磨性能提高，材料磨损量比不含硬粒子的合金小得多。材料还具有吸振性能。加入Al₂O₃细粒子，可以提高材料的强度，特别是提高抗拉强度和0.2%屈服强度，还可以增强材料的耐热性。

但是这些粒子与铝液的润湿性差，很难加入到铝或铝合金中去。因此，材料的制造工艺复杂，往往要在粒子外包覆金属层以改善粒子与铝液间的润湿性。有些材料如Al₂O₃粒子，价格贵，货源缺，难以普遍采用。

本发明目的在于选用铝矾土粒子作为添加粒子，加入到铝或铝合金中，均匀地分布在基体内，制成陶瓷铝合金。（图1，2）

铝矾土是水铝石原矿经高温煅烧、破碎、洗选后的产物。其化学成分为Al₂O₃、SiO₂、TiO₂、CaO、MgO、Fe₃O₄等。其矿相组成复杂，含有刚玉、莫来石、玻璃态物质等。矿相组成因原矿成分变化和煅烧工艺不同而有所区别。

铝矾土粒子与Al₂O₃粒子的性能相似。铝矾土耐火度高，（大于1700℃）线膨胀系数小，热稳定性好，高温下化学稳定性好，硬度高，可达莫氏硬度6.5～7.0。

因此凡是Al₂O₃粒子对铝合金基体起的增强作用，采用铝矾土粒子都可以达到或接近达到。

另外，铝矾土有其突出的优点。它与铝液间的润湿性较好，不需要包覆金属层，就能直接加入到铝或铝合金中去。采用铝矾土可以简化复合材料的制造工艺并可大幅度降低材料价格。它的密度小于Al₂O₃，有利于减轻陶瓷铝合金的密度。Al₂O₃是一种致密的物质，而铝矾土则是一种多孔质材料，这有利于它和基体材料相互渗透，相互作用，从而与基体材料牢固结合起来。扫描电镜照片显示，陶瓷铝合金中的铝矾土粒子周围，有一圈白亮色的铝矾土与基体材料相互作用生成的过渡层（图3），这有利于铝矾土粒子存留在铝或铝合金基体中。

我国铝矾土蕴藏量大，分布广，来源丰富。河北、河南、贵州、湖南、山东、辽宁和山西均有大型矿藏。目前我国市场上粒度小于200目的铝矾土制成品，价格约150元/吨。

这种陶瓷铝合金的制造方法是：先将铝或铝合金加热至全液态或半固态，接着剧烈搅拌金属液，造成旋涡。然后向旋涡中心投放铝矾土粒子。投放的铝矾土粒子需先行加热至400～950℃，并保温0.5～2小时左右，以彻底去除所含水分。加入的铝矾土粒子的粒度从0.1μm～1000μm。粒度小于0.1μm的粒子不容易在基体内均匀分布;而采用粒度大于1000μm的粒子，不易浇注出薄壁零件。铝矾土粒子的加入量从0.5～40%（重量）。加入量小于0.5%（重量），对基体的增强效果不明显;加入量大于40%（重量）则使金属液流动性变差，难以浇注成型。铝矾土粒子加入到金属液中并分布均匀以后，就可在液态或固相组分适于铸造的半固态条件下浇注成型。反复重熔，铝矾土粒子不会被排出合金基体。

实施例1：在3千瓦电阻炉内放置一石墨坩埚，坩埚中盛放粒度为0.1μm～100μm的铝矾土粒子。升温加热至400℃，保温2小时。另在4千瓦电阻炉内，放置一口径110mm，高度150mm的铸铁坩埚。坩埚内盛放国标为ZL108的铸造铝合金1800克，升温至700℃，按传统方法精炼。然后使铝液降温至570℃左右，此时合金呈半固态，并在此温度下保温。然后搅拌半固态的铝合金液使其形成旋涡，并将预热的铝矾土粒子1200克左右迅速且均匀地撒入旋涡中心，待粒子全部混入半固态铝合金液并均匀分布在基体中以后，即可浇注成型。制得的陶瓷铝合金含铝矾土约为40%（重量）。经金相观察。其结果铝矾土与基体结合良好，在基体内分布均匀。金相照片（200倍）见图1。