阅读说明：本技术 一种高强、耐磨和减摩的铝基复合材料及其制备方法 (High-strength, wear-resistant and antifriction aluminum-based composite material and preparation method thereof ) 是由 李才巨 李宁宇 邢辕 武子翔 杨晨茂月 易健宏 高鹏 冯中学 于 2021-08-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种高强、耐磨和减摩的铝基复合材料及其制备方法,属于金属基复合材料开发领域。本发明所述的铝基复合材料主要由3部分构成,包括纯铝基体,氧化碳化硅颗粒(氧化SiC-(p))以及固体润滑剂二硫化钨(WS-(2)),其中氧化SiC-(p)含量为10vol%～20vol%,WS-(2)颗粒含量为0.5vol%～2vol%,其余为纯铝,氧化SiC-(p)和WS-(2)颗粒均弥散分布在纯铝基体当中；具体的制备方法为：将纯铝粉、氧化SiC-(p)以及WS-(2)进行高能球磨,得到前驱复合粉体,随后将复合粉体进行放电等离子烧结得到性能优异的块体复合材料；该复合材料极限抗拉强度高,同时具有优良的耐磨减摩性,为当今高强、耐磨材料领域提供重要的技术参考。(The invention discloses a high-strength, wear-resistant and antifriction aluminum-based composite material and a preparation method thereof, belonging to the field of development of metal-based composite materials. The aluminum matrix composite material mainly comprises 3 parts, including pure aluminum matrix and silicon carbide oxide particles (SiC oxide) p ) And tungsten disulfide (WS) as a solid lubricant 2 ) In which oxygen is presentChemical SiC p Content is 10vol% to 20vol%, WS 2 The content of the particles is 0.5vol% to 2vol%, and the balance is pure aluminum and SiC oxide p And WS 2 The particles are uniformly dispersed in the pure aluminum matrix; the preparation method comprises the following steps: pure aluminum powder and SiC oxide p And WS 2 Performing high-energy ball milling to obtain precursor composite powder, and performing spark plasma sintering on the composite powder to obtain a block composite material with excellent performance; the composite material has high ultimate tensile strength and excellent wear resistance and friction reduction, and provides important technical reference for the field of high-strength and wear-resistant materials.)

一种高强、耐磨和减摩的铝基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高强、耐磨和减摩的铝基复合材料及其制备方法，属于金属基复合材料开发领域。

背景技术

铝基复合材料具有密度小、比强度和比刚度高、耐磨性好以及耐腐蚀性优良等优点，为进一步改善复合材料的摩擦磨损性能，在其中加入固体润滑剂（石墨、二硫化钼或氮化硼等）将其制备成为自润滑金属基复合材料。然而，基于目前的研究情况来看，大多的自润滑金属基复合材料在其中加入大量固体润滑剂，虽然有效改善了摩擦系数和磨损量，但是极大程度上增大了复合材料的脆性，进而促使强度和延伸率极大地下降，反而降低了复合材料的实用性。因此平衡复合材料的强度、延伸率以及摩擦磨损性能，得到固体润滑剂的最优添加量是该领域有待进一步深入研究的课题。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种高强、耐磨和减摩的铝基复合材料，该复合材料强度高、延伸率良好，同时具有优良的耐磨减摩性，具备优异的综合性能，极大提升了实用性；所述的高强、耐磨和减摩的铝基复合材料由纯铝基体、氧化SiC_p以及WS₂组成，其中氧化SiC_p含量为10vol%~20vol%，WS₂的含量为0.5vol%~2vol%，其余为纯铝。

本发明的另一目的在于提供所述高强、耐磨和减摩的铝基复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）称取所需含量的氧化SiC_p、WS₂以及纯铝粉，对其进行高能球磨得到前驱复合粉体。

（2）将得到的前驱复合粉体进行真空放电等离子烧结，随炉冷却至室温，得到兼具高强、耐磨以及减摩的块体铝基复合材料。

优选的，本发明所述步骤（1）中氧化SiC_p的粒径为500nm~850nm，由SiC_p经过1100℃~1400℃与3h~5h的高温煅烧得到，WS₂粒径为300nm~1μm，纯铝粉粒径为20μm ~30μm。

优选的，本发明所述步骤（1）中高能球磨条件为150rpm~300rpm，球料比10:1~20:1，总持续时间为15h~24h。

优选的，本发明所述步骤（2）中烧结条件为：烧结温度为550℃~600℃，保温时间为5min~15min，烧结压力为25MPa~40MPa。

本发明的原理：氧化碳化硅增强铝基复合材料相比原始碳化硅增强铝基复合材料具有更高的强度和更加优异的耐磨性，一方面得益于改善的界面结合，另一方面得益于其中的强化机制发挥了更大的作用；硫化钨作为固体润滑剂的，其加入一方面可以进一步提升强度，同时能够显著地改善氧化碳化硅颗粒更加均匀的分散，以此显著改善复合材料的综合力学性能，进而得到一种增强体均匀分散且性能优异的铝基复合材料。在复合材料受到摩擦力作用时，氧化碳化硅颗粒能够很好地保护基体，因此改善材料的耐磨性，而硫化钨则能够形成润滑层进而能够有效分隔基体和磨损体，从而显著改善复合材料的减摩性。

本发明的有益效果：

本发明所述高强、耐磨和减摩的铝基复合材料，具备强度高、延伸率良好、摩擦磨损性能优良的优点，通过以上的制备步骤，制备得到的铝基复合材料极限抗拉强度可达320MPa~60MPa，延伸率可达7.5%~9%，在载荷2N、持续时间30min以及滑动速率0.15m/s的实验条件下，摩擦系数为0.4~0.55，磨损量为0.4mg~1.3mg；相比同等实验条件下未加入WS₂的氧化SiC_p增强纯铝基复合材料（极限抗拉强度250MPa~285MPa，延伸率9%~13%，摩擦系数0.55~0.75，磨损量1.35mg~1.5mg）的性能有极大地改善；相比传统的自润滑金属基复合材料，本发明的复合材料在具备优良摩擦磨损性能的同时，还具有较高的强度和延伸率，具备更优异的实用性。

附图说明

图1 WS₂-SiC_p/Al复合材料的微观组织TEM图片；

图2 WS₂-SiC_p/Al复合材料的摩擦系数和磨损量测试结果；

图3 WS₂-SiC_p/Al复合材料的工程拉伸应力-应变曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

实施例1

一种高强、耐磨和减摩的铝基复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）称取粒径800nm的氧化SiC_p与500nm的WS₂颗粒，以及30μm的纯铝粉，氧化SiC_p和WS₂的添加量分别为10vol%和0.5vol%，其余为纯铝，所述氧化SiC_p由SiC_p经过1100℃与5h的高温煅烧得到。

（2）将三者混粉并进行高能球磨，球磨转速为150rpm，球料比10:1，总的持续时间为15h。

（3）将得到的前驱复合粉体进行放电等离子烧结，烧结温度为600℃，保温时间5min，烧结压力采用30MPa；按照上述工艺，制备得到高强、耐磨和减摩的铝基复合材料，其中氧化SiC_p和WS₂含量分别为10vol%和0.5vol%，其余为纯铝。

本实施例制得的WS₂-SiC_p/Al复合材料微观组织图如图1所示，其中氧化SiO₂和WS₂分布均匀；制得的WS₂-SiC_p/Al复合材料的摩擦磨损性能如图2所示，摩擦系数为0.55，磨损量0.4mg；制得的WS₂-SiC_p/Al复合材料的拉伸性能如图3所示，极限抗拉强度可达到320MPa。

实施例2

一种高强、耐磨和减摩的铝基复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）称取粒径500nm的氧化SiC_p与300nm的WS₂颗粒，以及20μm的纯铝粉，氧化SiC_p和WS₂的添加量分别为15vol%和1.5vol%，其余为纯铝，所述氧化SiC_p由SiC_p经过1400℃与3h的高温煅烧得到。

（2）将三者混粉并进行高能球磨，球磨转速为200rpm，球料比15:1，总的持续时间为20h。

（3）将得到的前驱复合粉体进行放电等离子烧结，烧结温度为550℃，保温时间15min，烧结压力采用30MPa。按照上述工艺，制备得到高强、耐磨和减摩的铝基复合材料，其中氧化SiC_p和WS₂含量分别为10vol%和0.5vol%，其余为纯铝。

本实施例制得的WS₂-SiC_p/Al复合材料微观组织图与实施例1类似；制得的WS₂-SiC_p/Al复合材料的摩擦磨损性能如图2所示，摩擦系数为0.43，磨损量1.35mg；制得的WS₂-SiC_p/Al复合材料的拉伸性能如图3所示，极限抗拉强度可达到330MPa。

实施例3

一种高强、耐磨和减摩的铝基复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）称取粒径700nm的氧化SiC_p与1μm的WS₂颗粒，以及25μm的纯铝粉，氧化SiC_p和WS₂的添加量分别为20vol%和1vol%，其余为纯铝，所述氧化SiC_p由SiC_p经过1300℃与4h的高温煅烧得到。

（2）将三者混粉并进行高能球磨，球磨转速为300rpm，球料比20:1，总的持续时间为24h。

（3）将得到的前驱复合粉体进行放电等离子烧结，烧结温度为580℃，保温时间10min，烧结压力采用30MPa；按照上述工艺，制备得到高强、耐磨和减摩的铝基复合材料，其中氧化SiC_p和WS₂含量分别为10vol%和0.5vol%，其余为纯铝。

本实施例制得的WS₂-SiC_p/Al复合材料微观组织图与实施例1类似；制得的WS₂-SiC_p/Al复合材料的摩擦磨损性能如图2所示，摩擦系数为0.53，磨损量0.73mg；制得的WS₂-SiC_p/Al复合材料的拉伸性能如图3所示，极限抗拉强度可达到360MPa。

图1为实施例1得到的WS₂-SiC_p/Al复合材料的显微组织结构的TEM图片，由图可以看出，WS₂更多依附于氧化SiC颗粒表面分布，因而有助于促进彼此更加均匀分散。

图2为 WS₂-SiC_p/Al复合材料的摩擦系数和磨损量测试结果，由图可以看出，加入了WS₂以后，可显著改善SiC_p/Al复合材料的摩擦系数和磨损量，证明WS₂的加入可显著改善复合材料的摩擦磨损性能。

图3 为WS₂-SiC_p/Al复合材料的工程拉伸应力-应变曲线，由图可以看出，加入了WS₂以后，可显著提升SiC_p/Al复合材料的极限抗拉强度，证明WS₂的加入可显著提升复合材料的强度。