[发明专利]一种纳米铝－铅复合材料及其制造方法

说明书

本发明涉及铝-铅复合材料，特别提供了一种纳米铝-铅复合材料及其制备技术。

铝基减磨材料具有比重小，耐腐蚀性高，导热性和减摩性好等优点，被认为是某些传统的减摩材料(如烧结锡青铜)的理想替代品，自六七十年代以来受到了广泛的重视并得到了应用(如作为农机及办公机械用轴承)。但是，和其他类减摩材料相比，铝基减摩材料的一个明显缺点是其强度和硬度值不太高，因此不宜在重负荷下工作，这使其应用范围受到了限制。目前，制备Al基减摩材料的方法可分为熔铸和粉末冶金两大类。由于铝基减摩材料是由一定强度的铝(或铝合金)基体和铅等减摩剂组成的，二者之间比重差异很大且几乎不相溶，因此要获得均匀弥散分布的铝-铅组织，熔铸类方法有一定的困难。而利用粉末冶金技术的优点在于可在较大范围内调整基体和减摩剂的成分，且性能亦低于铸造减摩材料，所以目前主要利用粉末冶金技术制备铝-铅材料。以往利用晶粒尺寸在微米级(＞1000nm)的粉末直接混合获得的铝-铅材料的缺点是组织还不够均匀且强度和硬度不够高。虽然细化晶粒是一种提高材料强度的有效途径，但以往尚无任何一种制备技术获得了大量的晶粒极细(＜500nm)的Al-Pb粉末或块状复合材料。

本发明的目的在于提供一种新型的纳米铝-铅复合材料，其机械性能优异，且工艺易于实现。

本发明提供了一种纳米铝-铅复合材料，Pb的含量占2～40wt％，余量是铝及不可避免的杂质，其特征在于：Al和Pb的平均晶粒尺寸均小于100nm,Al和Pb达到十分均匀弥散的复合，其间不互溶，单个Pb颗粒均匀镶嵌在Al基体上，与基体间无严格的晶体学关系。材料中可含有Fe、C、Cr、O等杂质，其含量小于1wt％。本发明所提供的铝-铅复合材料具有如下优点：①硬度高，随晶粒尺寸的减小而增大，硬度值在HB1000MPa以上，最高可达HB1700MPa，是粉末冶金制备的微米级晶粒尺寸的铝-铅复合材料(HB300～500MPa)的2～4倍，是熔铸类Al-Pb复合材料(硬度HB200MPa以下)的5倍以上。②强度高，抗压强度在200～500MPa之间。③含油摩擦系数小于0.005。④密度高，可达理论密度值的95％以上。(Al-2wt％Pb的理论密度为2.74g/cm³,Al-40wt％Pb的理论密度为3.88g/cm³)。

本发明还提供了上述纳米铝-铅复合材料的制备技术，首先按所需成份用Al和Pb粉末配置合金，最后按通常的粉末冶金工艺烧结成块状材料，其特征在于：在配料后，先将混合物在情性气氛保护下进行机械研磨，以获得纳米铝-铅复合材料粉末，然后再经粉末烧结成型。具体工艺如下：

1．选用工业纯Al和Pb粉(纯度≥99.9％，粒度＜100)作原料配成所需成份的粉末混合物。

2．将混合物进行机械研磨获得纳米铝-铅复合材料粉末。研磨过程中通入纯氩气保护，研磨方式，球料比，研磨速度及时间等研磨工艺参数取决于最终所要获得产品的晶粒尺寸。如采用振动研磨方式，球料比在1∶10～1∶50之间，研磨速度为100～400次/分钟，研磨时间为1～10小时，获得粉末的平均晶粒尺寸为：Al在100nm以下，Pb在70nm以下。

3．粉末烧结成型，利用粉末冶金工艺(如热模压，热挤压等)，在真空或纯氩气保护条件下将粉末烧结成块材，烧结温度300～340℃，施加应力在100MPa～2000MPa之间，时间0.5～3小时，即可达到95％以上的致密度。

使用本发明的生产技术可以使Al和Pb达到十分均匀弥散的复合，其中单个Pb颗粒均匀镶嵌在Al基体上，与基体间无严格的晶体学关系。常规熔铸法或普通铝-铅粉末混合烧结制备的铝-铅复合材料只能在微米量级上达到机械混合，Pb可能成团簇地分布在Al基体中。

下面结合附图通过实施例详述本发明。

附图1 Al₉₀Pb₁₀混合物中Al和Pb的平均晶粒尺寸随球磨时间变化关系；

附图2 Al₉₀Pb₁₀球磨6小时后Pb的晶粒尺寸分布。

附图3 纳米Al₉₀Pb₁₀材料的高分辨电镜像；

附图4 普通铝-铅复合材料的电镜形貌像；

附图5 不同成分的铝-铅材料中(球磨5小时)Pb晶粒度随Pb含重的变化关系；

附图6 不同Pb含量的纲伙铝-铅材料硬度值Pb含量的变化关系；

附图7 不同晶粒尺寸的纳米Al₉₀Pb₁₀复合材料压缩曲线。

实施例1