玻璃_铝基复合材料的新型制备工艺.pdf

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1、第 7卷?第 20期?2007年 10月1671?1819(2007)20?5224?03?科?学?技?术?与?工?程Science Technology and Engineering?Vo.l 7?No.20?Oct.2007?2007?Sc.i Tech.Engng.矿冶技术玻璃/铝基复合材料的新型制备工艺高玉新?吴勇生1(台州学院机电系,台州 318000;固体废弃物资源化国家工程研究中心1,昆明 650093)摘?要?利用液态挤压法,将铝液加压渗入由玻璃颗粒制成的预制件中,制备出玻璃/铝基复合材料。研究了复合材料的微观组织、力学性能。结果表明,玻璃颗粒较均匀地分布于基体中;与合金基体

2、相比,复合材料的硬度和抗拉强度得到提高,摩擦性能优于合金基体。关键词?玻璃?复合材料?玻璃压坯?液态挤压中图分类号?TG113.1;?文献标识码?A2007年 6月 18日收到第一作者简介:高玉新(1974?),男,山东临沂人,硕士,讲师。研究方向:金属基复合材料。E?mai:l sdy inan 。?玻璃作为一种价格低廉的材料,由于具有硬度高、摩擦系数小、抗咬合能力好的特点,是一种优良的增强体;而铝具有比重小、导热好、耐腐蚀等优点,是一种优良的金属基体材料。玻璃增强铝基复合材料具有密度轻、比强度比刚度高、热膨胀系数低、热稳定性高,并具有良好的导电性、耐磨性,耐有机液体如燃料和溶剂的侵蚀,可用

3、常规工艺和设备进行成形等优点 1!,其应用已经开始渗入许多领域。1?玻璃/铝基复合材料的制备方法制备玻璃增强铝基复合材料常见方法有粉末冶金法、搅拌熔铸法和液态挤压法。文献 2和文献 3分别提出用粉末冶金法和搅拌熔铸法制备玻璃/铝基复合材料。粉末冶金法因其中的部分原材料如铝合金粉等比较昂贵,制造过程和所用设备比较复杂,而且不宜制作过大和过于复杂的零件,所以还不适用于较大规模的生产 4!。搅拌熔铸法,因颗粒和金属液的润湿性差、密度差别大,会产生分层,细小颗粒易结团不易分散,难于形成复合材料。本文提出一种新的制备方法,即液态挤压法,是预先把颗粒用适当的粘结剂粘结,做成相应形状的预制件,放在模具中,浇

4、注铝液,并加压使铝液渗入预制件的间隙,凝固后就得到所需要的玻璃/铝基复合材料,该法可以排除增强体颗粒与金属液结合有重要影响的润湿性、反应性、密度差等因素的作用。2?实验方法2.1?实验原材料的制备本文从可持续发展的角度出发,以固体废弃物资源化为目的,采用的原材料都是废旧制品(如旧易拉罐、牙膏皮、铝合金型材边角料、碎玻璃、玻璃纤维厂的废弃物等),因此,原材料的制备就显得尤为重要。(1)玻璃颗粒的制备将废弃玻璃清洗、干燥、粉碎、球磨,在 130目下筛分,得到玻璃颗粒。普通玻璃的化学成分和性能如表 1所示。表 1?普通玻璃的化学成份和性能化学成分/%性能指标Si O2N a2O CaO其他物质密度/

5、g cm-3莫氏硬度热膨胀系数 K-1转化温度/#72168.13.92.325 610.2 10-6720?(2)铝锭的制备铝质易拉罐经焖烧、压块、熔炼得到铝锭。易拉罐全部熔化后平均化学成分如表 2所示,纯铝的性能指标如表 3所示。表 2?易拉罐全部熔化后平均化学成份(%)M gM nSiFeCuZnA l1.20.780.190.430.140.02余量表 3?纯铝的性能指标密度/g cm3熔点/#膨胀系数/K-1电阻率/?cm抗拉强度/M Pa布氏硬度/HB2.766023.6 10-62.6580 10024 322.2?预制件和复合材料的制备(1)玻璃预制件的制备在液态挤压法中,玻璃

6、预制件的质量是制取金属基复合材料的关键,主要性能指标是均匀性、空隙率和强度,通过玻璃和造孔剂的粒度和比例、混合均匀性、压制力、烧结温度等来控制。制得的预制件为直径 100mm、高 30 mm、空隙率 66.8%的压坯。(2)复合材料的制备首先把玻璃预制件放入模具中,如图 1所示,一起在 500#下保 温,再把 熔化 的 铝液(温 度为760#)倒入模具中,施压 50MPa,让铝液渗入整个预制件的空隙中,加压速度不能太快,以防铝液从模具缝隙中渗出。铝液开始凝固时,进一步提高压制力到 90MPa,保压 1 m in,可消除铸造缺陷(气孔、缩孔),细化晶粒,提高机械性能。图 1?挤压渗铝装置示意图3

7、?复合材料的组织与性能3.1?复合材料挤压变形组织在玻璃/铝基复合材料制品上割取金相试样,在光学显微镜下观察其组织。图 2所示为复合材料挤压态组织的显微照片。从金相看,白色为铝及铝合金,黑色为玻璃。玻璃颗粒在材料中的分布较为均匀,无明显的聚集现象,基体与颗粒结合紧密,颗粒无明显棱角,缓和了应力集中,有利于载荷的传递。经挤压后的基体组织较致密,无明显的疏松和缺陷。图 2?玻璃/铝基复合材料挤压变形组织3.2?抗拉断口分析采用标准短试样(5 mm,长 30mm),在 MTS机上测试拉伸性能,拉伸速度为 0.1mm/m in,然后用扫描电镜观察其形貌。表 4列出了复合材料、玻璃及基体的抗拉性能和硬度

8、。可以看出复合材料的抗拉强度和硬度比基体有所提高,但硬度比玻璃颗粒略低。表 4?玻璃、基体、复合材料的抗拉性能和硬度试样!b/MPaHB玻璃2480 5铝基体16558.3复合材料18377.6?复合材料抗拉断口 SEM 相片如图 3所示。韧窝表明复合材料界面连接强度高,界面应力能有效传递,未导致沿界面开裂,且在断裂前发生塑性变形。图 3?玻璃/铝基符合材料拉伸断口形貌522520期高玉新,等:玻璃/铝基复合材料的新型制备工艺?3.3?复合材料的摩擦性能沿挤压棒材的方向截取摩擦磨损试样(6 mm 7mm 16mm),在 M200型摩擦磨损试验机上进行性能测试。摩擦方法为滚动摩擦,对磨材料选用

9、A3钢,转速为 180 200 r/m in。磨损量用称重法测定:W损=W1-W2,其中 W损为磨损量(g),W1为试验前的重量(g),W2为试验后的重量(g)。摩擦系数?的计算公式如下:?=TRP,其中 T 为摩擦力矩(kg c m),R 为试样半径(cm),P 为试样所承受的垂直载荷。耐磨系数=铝合金磨损量/复合材料磨损量。测试结果如表 5所示。表 5?复合材料的摩擦性能材料摩擦系数磨损量/g耐磨系数复合材料0.20.0162铝合金0.350.07494.62?与 A3钢对磨的结果表明,复合材料的摩擦系数及磨损量均小于铝合金,玻璃颗粒的加入提高了铝合金的耐磨性。铝合金与 A3钢对磨时,A3

10、钢试样表面会粘上铝合金,加速了铝合金的磨损。4?结语用液态挤压法制备玻璃/铝基复合材料是可行的,与铝基体和玻璃相比,复合材料有一定的综合力学性能和硬度,为废弃玻璃和废弃易拉罐筒体找到了一个再生利用的新方法。该复合材料已经制成托辊,并在工厂中得到应用,如图 4所示,产生了明显的经济效益、社会效益和环境效益。图 4?复合材料托辊在工厂中的应用参?考?文?献1?欧阳柳章、罗承萍.A l2(SO4)3反应生成 Al2O3弥散增强铝基复合材料组织与性能研究.机械工程材料,2000;24(3):27?302?谷春瑞,李国彬.玻璃?铝基复合材料的研究.河北冶金:2001;4:18?203?蔺成城,张?荻,等

11、.废弃玻璃/铝基复合材料的组织和性能.中国有色金属学报,2001;11(6):1045?10504?吴锦波,杨?全.铸造复合材料研究进展.铸造,1991;6:1?55?潘守芹.新型玻璃.上海:同济大学出版社,1992New Preparation Process ofG lass/A lum inum M etalM atrix CompositesGAO Yu?xin,WU Yong?sheng1(TaizhouU niversity,Taizhou 318000,P.R.China;National Eng ineering R esearch Center of Solid Resour

12、ce Recovery1,Kunm ing 650093,P.R.China)Abstract?Glass particle reinforced A l composites were produced by pressing liquid Al into glass compactthrough liquid extrusion method.The m icrostructures,mechanical properties were investigated.It was found thatthe glass particles are distributed unifor m ly inm atrix alloy.Comparedw ithmatrix alloy,themechanical propertiesof composites are i mproved due to the incorporation of glass particles.Key words?glass?composites?glass compact?liquid extrusion technology5226科?学?技?术?与?工?程7卷