一种高硬度高耐腐蚀的铝铁复合材料的制备方法[发明专利]

(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201710149092.3
(22)申请日 2017.03.14
(71)申请人 郭和谦
地址 523000 广东省东莞市南城区元美路
华凯广场A1407
(72)发明人 郭和谦　
(74)专利代理机构 北京众合诚成知识产权代理
有限公司 11246
代理人 连平
(51)Int.Cl.
C22C 21/00(2006.01)
C22C 1/08(2006.01)
B22F 3/04(2006.01)
C22F 1/04(2006.01)
C22F 1/02(2006.01)
C21D 1/42(2006.01)
(54)发明名称
一种高硬度高耐腐蚀的铝铁复合材料的制
备方法
(57)摘要
本发明公开了一种高硬度高耐腐蚀的铝铁
复合材料的制备方法，包括以下步骤：首先将Al
锭、Fe锭按比例进行配置，真空加热熔炼后，气雾
化成粉末，然后采用冷等静压成型、真空除气、挤
压成型，最后依次采用无压烧结处理和固溶时效
处理，制得铝铁复合材料坯料；将制得的铝铁复
合材料坯料置于高频感应加热炉中，并对高频感
应加热炉进行抽真空或通入惰性气体，然后对铝
铁复合材料进行感应加热，制得高硬度耐腐蚀铝
铁复合材料。

本发明制得的复合材料耐高温性能
好，硬度大，耐腐蚀性能优异，
力学性能佳。

权利要求书1页 说明书7页CN 106929711 A 2017.07.07
C N 106929711
A
1.一种高硬度高耐腐蚀的铝铁复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将Al锭、Fe锭按比例进行配置，在真空炉中加热进行熔炼制备Al-Fe合金坯锭，并将其气雾化成粉末；将气雾化成的粉末采用冷等静压成型，然后将冷静压后的坯锭装入金属包套内在400-500℃下进行真空除气50-80min，然后对真空除气后的坯锭进行挤压成型，最后采用固溶时效处理，制得铝铁复合材料坯料；
(2)将制得的铝铁复合材料坯料置于高频感应加热炉中，并对高频感应加热炉进行抽真空或通入惰性气体，然后对铝铁复合材料进行感应加热，制得高硬度耐腐蚀铝铁复合材料。

2.如权利要求1所述的一种高硬度高耐腐蚀的铝铁复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，Al锭、Fe锭的含量分别为：Al 63-80％，Fe 20-37％。

3.如权利要求1所述的一种高硬度高耐腐蚀的铝铁复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，在真空炉中加热进行熔炼制备Al-Fe合金坯锭的条件为：680-870℃，真空度≤10-2Pa。

4.如权利要求1所述的一种高硬度高耐腐蚀的铝铁复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述气雾化的条件为：Al-Fe合金坯锭化料温度为680-870℃，气雾化浇注温度为680-870℃，雾化气氛为氮气、氩气、氦气中的一种。

5.如权利要求1所述的一种高硬度高耐腐蚀的铝铁复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，冷等静压成型的条件为：80-180MPa，保压时间为10-40min。

6.如权利要求1所述的一种高硬度高耐腐蚀的铝铁复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述挤压成型的条件为：挤压坯料加热温度为350-480℃，挤压模具温度为330-450℃，挤压比为(5-16):1。

7.如权利要求1所述的一种高硬度高耐腐蚀的铝铁复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述固溶时效的条件为：固溶温度为400-500℃，保温时间为0.5-3h，水冷，水温为室温，时效温度为145-205℃，保温时间为3-8h。

8.如权利要求1所述的一种高硬度高耐腐蚀的铝铁复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，高频感应加热炉真空度小于0.1Pa，所述惰性气体为氩气、氮气中的一种。

9.如权利要求1所述的一种高硬度高耐腐蚀的铝铁复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，感应加热炉的加热频率为10-100KHz。

10.如权利要求1所述的一种高硬度高耐腐蚀的铝铁复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，感应加热炉处理的条件为：每次感应加热的时间为2-5s，停顿时间大于10min后，继续下一次的感应加热，直至加热温度为500-700℃。

权　利　要　求　书1/1页CN 106929711 A
一种高硬度高耐腐蚀的铝铁复合材料的制备方法
技术领域：
[0001]本发明涉及复合材料制备领域，具体的涉及一种高硬度高耐腐蚀的铝铁复合材料的制备方法。

背景技术：
[0002]铁铝复合多孔材料具有优异的抗氧化、抗硫化、抗热震性能以及可机械加工性，是一种优异的高温过滤介质材料，现已在密闭炉铁合金冶炼、煤化工、火电等行业的高温气体过滤领域得到成功应用。

但是其在腐蚀性环境下长久使用后，材料的脆性倾向增大。

铁铝复合多孔材料良好的耐腐蚀性能是基于在材料表面形成致密的氧化膜或钝化膜。

但是，密闭炉铁合金冶炼和煤化工等行业的高温气体过滤环境为含硫的还原性气氛，材料表面较难形成致密的钝化膜，而且形成的氧化膜或钝化膜和基体的结合部牢固。

[0003]中国专利(200910074202.X)公开了一种制备铁铝合金多孔材料的方法，首先采用含铁铝成分的粉末，按设计的重量组分比混合，采用模压成形制备成片状或成形坯，压力控制在50-300MPa，或采用冷等静压制备管状型坯，等静压力控制在50-200MPa；采用无压烧结工艺，950-1250℃，烧结气氛为氢气或分解氨、或者采用真空烧结，关键的改进在于上述含铁铝成分的粉末包括粒径为300-2μm的铁粉和300-1μm的FexAly，其具有多孔结构，且耐腐蚀性能优异，但是其含Al较低，对氟的去除率较低。

发明内容：
[0004]本发明的目的是提供一种高硬度高耐腐蚀的铝铁复合材料的制备方法。

该方法制得的铝铁复合材料力学性能好，硬度大，耐化学腐蚀性能优异。

[0005]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0006]一种高硬度高耐腐蚀的铝铁复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0007](1)将Al锭、Fe锭按比例进行配置，在真空炉中加热进行熔炼制备Al-Fe合金坯锭，并将其气雾化成粉末；将气雾化成的粉末采用冷等静压成型，然后将冷静压后的坯锭装入金属包套内在400-500℃下进行真空除气50-80min，然后对真空除气后的坯锭进行挤压成型，最后进行固溶时效处理，制得铝铁复合材料坯料；
[0008](2)将制得的铝铁复合材料坯料置于高频感应加热炉中，并对高频感应加热炉进行抽真空或通入惰性气体，然后对铝铁复合材料进行感应加热，制得高硬度耐腐蚀铝铁复合材料。

[0009]作为上述技术方案的优选，步骤(1)中，Al锭、Fe锭的含量分别为：Al 63-80％，Fe 20-37％。

[0010]作为上述技术方案的优选，步骤(1)中，在真空炉中加热进行熔炼制备Al-Fe合金坯锭的条件为：680-870℃，真空度≤10-2Pa。

[0011]作为上述技术方案的优选，步骤(1)中，所述气雾化的条件为：Al-Fe合金坯锭化料温度为680-870℃，气雾化浇注温度为680-870℃，雾化气氛为氮气、氩气、氦气中的一种。

[0012]作为上述技术方案的优选，步骤(1)中，冷等静压成型的条件为：80-180MPa，保压时间为10-40min。

[0013]作为上述技术方案的优选，步骤(1)中，所述挤压成型的条件为：挤压坯料加热温度为350-480℃，挤压模具温度为330-450℃，挤压比为(5-16):1。

[0014]作为上述技术方案的优选，步骤(1)中，所述固溶时效的条件为：固溶温度为400-500℃，保温时间为0.5-3h，水冷，水温为室温，时效温度为145-205℃，保温时间为3-8h。

[0015]作为上述技术方案的优选，步骤(2)中，高频感应加热炉真空度小于0.1Pa，所述惰性气体为氩气、氮气中的一种。

[0016]作为上述技术方案的优选，步骤(2)中，感应加热炉的加热频率为10-100KHz。

[0017]作为上述技术方案的优选，步骤(2)中，感应加热炉处理的条件为：每次感应加热的时间为2-5s，停顿时间大于10min后，继续下一次的感应加热，直至加热温度为500-700℃。

[0018]铝合金易于发生氧化，在表面形成较薄的一层钝化膜，起到一定的保护作用，而减轻环境介质对其的腐蚀，但这层膜的表面通常是不均匀的，存在着较多的缺陷如位错、划痕及夹杂物等，当在含有氯离子等的溶液中时，容易造成钝化膜的局部破坏，此时微小破口处暴露的金属成为阳极，失去电子，金属以离子状态溶出；在小破口附近的氧化膜因其耐蚀性能较好，不发生反应而成为腐蚀电池的阴极，形成的阳极电流不断地促进腐蚀快速地向金属内部扩展，从而形成了蚀坑。

而本发明对制得的铁铝复合材料通过感应加热炉对其表面进行处理，使得铁铝复合材料表面形成铁与铝的金属间化合物，有效提高了该材料的耐腐蚀性能和耐磨性能；
[0019]铁铝材料在制备过程中，铝元素向铁元素团中扩散的过程是一个快速放热过程，不仅可以形成孔隙结构，还很容易形成连锁式反应扩散造成局部孔隙扩展形成为裂纹、形成表面的开裂和内部的瑕疵，从而导致明显形变和孔隙不均匀，本发明通过合理调节冷等静压成型的条件，并对真空除气、挤压成型后的材料依次进行固溶时效处理，使得制得的材料孔隙率大，且孔隙均匀，力学性能好。

[0020]本发明具有以下有益效果：
[0021](1)首先本发明制得的铝铁复合材料中，铝含量较大，在氯元素向铁元素团扩散中，可以形成更多的孔隙结构，且本发明合理条件制备过程中的条件，避免了铝元素扩展时形成的裂纹、开裂和内部瑕疵的产生，制得的材料孔隙均匀，且孔隙率高，力学性能好；[0022](2)本发明采用感应加热处理的方法通过在铝铁表面形成金属间化合物层，有效提高了材料的耐磨和耐腐蚀性能。

具体实施方式：
[0023]为了更好的理解本发明，下面通过实施例对本发明进一步说明，实施例只用于解释本发明，不会对本发明构成任何的限定。

[0024]实施例1
[0025]一种高硬度高耐腐蚀的铝铁复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0026](1)将Al锭、Fe锭按比例进行配置，在真空炉中加热进行熔炼制备Al-Fe合金坯锭，并将其气雾化成粉末；将气雾化成的粉末采用冷等静压成型，然后将冷静压后的坯锭装入
金属包套内在400℃下进行真空除气50min，然后对真空除气后的坯锭进行挤压成型，最后进行固溶时效处理，制得铝铁复合材料坯料；
[0027]其中，Al锭、Fe锭的含量分别为：Al 63％，Fe 37％；
[0028]在真空炉中加热进行熔炼制备Al-Fe合金坯锭的条件为：680℃，真空度≤10-2Pa；[0029]气雾化的条件为：Al-Fe合金坯锭化料温度为680℃，气雾化浇注温度为680℃，雾化气氛为氮气；
[0030]冷等静压成型的条件为：80MPa，保压时间为10min；
[0031]挤压成型的条件为：挤压坯料加热温度为350℃，挤压模具温度为330℃，挤压比为5:1；
[0032]固溶时效的条件为：固溶温度为400℃，保温时间为0.5h，水冷，水温为室温，时效温度为145℃，保温时间为3h；
[0033](2)将制得的铝铁复合材料坯料置于高频感应加热炉中，并对高频感应加热炉进行抽真空或通入惰性气体，然后对铝铁复合材料进行感应加热，设置感应加热的频率为10KHz，开始感应加热，每次感应加热的时间为2s，停顿时间大于10min后，继续下一次的感应加热，总计进行10次感应加热，直至表面加热温度为500℃，制得高硬度耐腐蚀铝铁复合材料；
[0034]其中，高频感应加热炉真空度小于0.1Pa，所述惰性气体为氩气。

[0035]实施例2
[0036]一种高硬度高耐腐蚀的铝铁复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0037](1)将Al锭、Fe锭按比例进行配置，在真空炉中加热进行熔炼制备Al-Fe合金坯锭，并将其气雾化成粉末；将气雾化成的粉末采用冷等静压成型，然后将冷静压后的坯锭装入金属包套内在500℃下进行真空除气80min，然后对真空除气后的坯锭进行挤压成型，最后进行固溶时效处理，制得铝铁复合材料坯料；
[0038]其中，Al锭、Fe锭的含量分别为：Al 80％，Fe 20％；
[0039]在真空炉中加热进行熔炼制备Al-Fe合金坯锭的条件为：870℃，真空度≤10-2Pa；[0040]气雾化的条件为：Al-Fe合金坯锭化料温度为870℃，气雾化浇注温度为870℃，雾化气氛为氩气；
[0041]冷等静压成型的条件为：180MPa，保压时间为40min；
[0042]挤压成型的条件为：挤压坯料加热温度为480℃，挤压模具温度为450℃，挤压比为16:1；
[0043]固溶时效的条件为：固溶温度为500℃，保温时间为3h，水冷，水温为室温，时效温度为205℃，保温时间为8h；
[0044](2)将制得的铝铁复合材料坯料置于高频感应加热炉中，并对高频感应加热炉进行抽真空或通入惰性气体，然后对铝铁复合材料进行感应加热，设置感应加热的频率为100KHz，开始感应加热，每次感应加热的时间为5s，停顿时间大于10min后，继续下一次的感应加热，总计进行5次感应加热，直至表面加热温度为700℃，制得高硬度耐腐蚀铝铁复合材料；
[0045]其中，高频感应加热炉真空度小于0.1Pa，所述惰性气体为氩气。

[0046]实施例3
[0047]一种高硬度高耐腐蚀的铝铁复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0048](1)将Al锭、Fe锭按比例进行配置，在真空炉中加热进行熔炼制备Al-Fe合金坯锭，并将其气雾化成粉末；将气雾化成的粉末采用冷等静压成型，然后将冷静压后的坯锭装入金属包套内在420℃下进行真空除气70min，然后对真空除气后的坯锭进行挤压成型，最后进行固溶时效处理，制得铝铁复合材料坯料；
[0049]其中，Al锭、Fe锭的含量分别为：Al 66％，Fe 34％；
[0050]在真空炉中加热进行熔炼制备Al-Fe合金坯锭的条件为：700℃，真空度≤10-2Pa；[0051]气雾化的条件为：Al-Fe合金坯锭化料温度为700℃，气雾化浇注温度为700℃，雾化气氛为氩气；
[0052]冷等静压成型的条件为：100MPa，保压时间为20min；
[0053]挤压成型的条件为：挤压坯料加热温度为370℃，挤压模具温度为350℃，挤压比为7:1；
[0054]固溶时效的条件为：固溶温度为420℃，保温时间为1h，水冷，水温为室温，时效温度为160℃，保温时间为7h；
[0055](2)将制得的铝铁复合材料坯料置于高频感应加热炉中，并对高频感应加热炉进行抽真空或通入惰性气体，然后对铝铁复合材料进行感应加热，设置感应加热的频率为30KHz，开始感应加热，每次感应加热的时间为5s，停顿时间大于10min后，继续下一次的感应加热，总计进行5次感应加热，直至表面加热温度为550℃，制得高硬度耐腐蚀铝铁复合材料；
[0056]其中，高频感应加热炉真空度小于0.1Pa，所述惰性气体为氩气。

[0057]实施例4
[0058]一种高硬度高耐腐蚀的铝铁复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0059](1)将Al锭、Fe锭按比例进行配置，在真空炉中加热进行熔炼制备Al-Fe合金坯锭，并将其气雾化成粉末；将气雾化成的粉末采用冷等静压成型，然后将冷静压后的坯锭装入金属包套内在440℃下进行真空除气60min，然后对真空除气后的坯锭进行挤压成型，最后进行固溶时效处理，制得铝铁复合材料坯料；
[0060]其中，Al锭、Fe锭的含量分别为：Al 70％，Fe 30％；
[0061]在真空炉中加热进行熔炼制备Al-Fe合金坯锭的条件为：740℃，真空度≤10-2Pa；[0062]气雾化的条件为：Al-Fe合金坯锭化料温度为740℃，气雾化浇注温度为740℃，雾化气氛为氩气；
[0063]冷等静压成型的条件为：120MPa，保压时间为20min；
[0064]挤压成型的条件为：挤压坯料加热温度为400℃，挤压模具温度为380℃，挤压比为10:1；
[0065]固溶时效的条件为：固溶温度为440℃，保温时间为1.5h，水冷，水温为室温，时效温度为170℃，保温时间为6h；
[0066](2)将制得的铝铁复合材料坯料置于高频感应加热炉中，并对高频感应加热炉进行抽真空或通入惰性气体，然后对铝铁复合材料进行感应加热，设置感应加热的频率为50KHz，开始感应加热，每次感应加热的时间为5s，停顿时间大于10min后，继续下一次的感应加热，总计进行10次感应加热，直至表面加热温度为600℃，制得高硬度耐腐蚀铝铁复合
材料；
[0067]其中，高频感应加热炉真空度小于0.1Pa，所述惰性气体为氮气。

[0068]实施例5
[0069]一种高硬度高耐腐蚀的铝铁复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0070](1)将Al锭、Fe锭按比例进行配置，在真空炉中加热进行熔炼制备Al-Fe合金坯锭，并将其气雾化成粉末；将气雾化成的粉末采用冷等静压成型，然后将冷静压后的坯锭装入金属包套内在460℃下进行真空除气65min，然后对真空除气后的坯锭进行挤压成型，最后进行固溶时效处理，制得铝铁复合材料坯料；
[0071]其中，Al锭、Fe锭的含量分别为：Al 75％，Fe 25％；
[0072]在真空炉中加热进行熔炼制备Al-Fe合金坯锭的条件为：750℃，真空度≤10-2Pa；[0073]气雾化的条件为：Al-Fe合金坯锭化料温度为750℃，气雾化浇注温度为750℃，雾化气氛为氦气；
[0074]冷等静压成型的条件为：120MPa，保压时间为30min；
[0075]挤压成型的条件为：挤压坯料加热温度为420℃，挤压模具温度为400℃，挤压比为12:1；
[0076]固溶时效的条件为：固溶温度为460℃，保温时间为2h，水冷，水温为室温，时效温度为180℃，保温时间为5h；
[0077](2)将制得的铝铁复合材料坯料置于高频感应加热炉中，并对高频感应加热炉进行抽真空或通入惰性气体，然后对铝铁复合材料进行感应加热，设置感应加热的频率为80KHz，开始感应加热，每次感应加热的时间为2s，停顿时间大于10min后，继续下一次的感应加热，总计进行5次感应加热，直至表面加热温度为500℃，制得高硬度耐腐蚀铝铁复合材料；
[0078]其中，高频感应加热炉真空度小于0.1Pa，所述惰性气体为氩气。

[0079]实施例6
[0080]一种高硬度高耐腐蚀的铝铁复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0081](1)将Al锭、Fe锭按比例进行配置，在真空炉中加热进行熔炼制备Al-Fe合金坯锭，并将其气雾化成粉末；将气雾化成的粉末采用冷等静压成型，然后将冷静压后的坯锭装入金属包套内在480℃下进行真空除气55min，然后对真空除气后的坯锭进行挤压成型，最后进行固溶时效处理，制得铝铁复合材料坯料；
[0082]其中，Al锭、Fe锭的含量分别为：Al 78％，Fe 22％；
[0083]在真空炉中加热进行熔炼制备Al-Fe合金坯锭的条件为：830℃，真空度≤10-2Pa；[0084]气雾化的条件为：Al-Fe合金坯锭化料温度为830℃，气雾化浇注温度为830℃，雾化气氛为氦气；
[0085]冷等静压成型的条件为：160MPa，保压时间为35min；
[0086]挤压成型的条件为：挤压坯料加热温度为460℃，挤压模具温度为420℃，挤压比为13:1；
[0087]固溶时效的条件为：固溶温度为480℃，保温时间为2.5h，水冷，水温为室温，时效温度为180℃，保温时间为4h；
[0088](2)将制得的铝铁复合材料坯料置于高频感应加热炉中，并对高频感应加热炉进
行抽真空或通入惰性气体，然后对铝铁复合材料进行感应加热，设置感应加热的频率为50KHz，开始感应加热，每次感应加热的时间为5s，停顿时间大于10min后，继续下一次的感应加热，总计进行10次感应加热，直至表面加热温度为700℃，制得高硬度耐腐蚀铝铁复合材料；
[0089]其中，高频感应加热炉真空度小于0.1Pa，所述惰性气体为氩气。

[0090]对比例1
[0091]铝铁复合坯料制备的过程中不进行固溶时效处理，其他制备条件和实施例6相同。

[0092]对比例2
[0093]铝铁复合坯料的制备过程中不进行真空除气、挤压成型处理，直接将冷等静压成型的坯料进行固溶时效处理，其他制备条件和实施例6相同。

[0094]对比例3
[0095]对制得的铝铁复合材料坯料不进行高频感应加热处理，直接在其表面采用阳极氧化的方法制备一层氧化膜，其他制备条件和实施例6相同。

[0096]下面对本发明制得的材料进行性能测试。

[0097]1、孔隙度测试
[0098]多孔材料的孔隙度采用阿基米德排水法测量。

[0099]2、硬度
[0100]复合材料的硬度测试采用了Everone MH-6型显微维氏硬度计。

将试样使用金相镶嵌机镶样后，对样品打磨、抛光后测量，使用加载载荷为300gf，加载时间为5s。

[0101]3、拉伸性能
[0102]本试验中采用标距为Φ5×25mm的圆柱试样进行室温拉伸、650℃拉伸。

试验设备为Instron型拉伸试验机。

[0103]4、耐蚀性
[0104]化学浸泡腐蚀试验的腐蚀溶液采用3.5％NaCl，每个浸泡用的烧杯中腐蚀液加入量为250ml，大于一般20ml/cm2的面容比要求。

为防止试验过程中溶液的蒸发，烧杯口用塑料膜罩住。

试验采用完全浸入法，腐蚀周期为30天，试验温度为室温。

为清除浸渍腐蚀试样表面的腐蚀产物，需选择一种只清除腐蚀产物而对试样基体不腐蚀的清除液。

本试验采用了化学清洗法，即将10g CrO3与25ml磷酸用蒸馏水稀释至500ml，加热至80℃对腐蚀后试样清洗8min，以清除腐蚀产物。

试样清除腐蚀产物后经蒸馏水、酒精超声清洗后，烘干、称重。

试样受腐蚀程度以腐蚀率(C)评价，腐蚀速率可采用下式计算：
[0105]C＝(W0-W1)/W0
[0106]W0为试样浸泡腐蚀前的质量，g；W1为试样浸泡腐蚀并除去腐蚀产物后的质量，g。

[0107]测试结果如表1所示：
[0108]表1
[0109]
孔隙度，％硬度拉伸强度，MPa腐蚀率，
实施例145HV98.63320.009
实施例247HV97.93100.012
实施例345HV98.53200.008
实施例442HV98.73150.008
实施例545HV99.03280.011
实施例647HV98.93300.009
对比例112HV60.51820.113
对比例215HV61.31960.108
对比例330HV32.51370.365 [0110]从上述数据来看，本发明通过合理调节固溶时效以及热处理条件，并通过感应加热炉处理制得的材料孔隙度大，硬度大、耐蚀性好，力学性能佳。