本发明属于纺织技术领域，涉及一种缝纫机零部件，尤其涉及一种针棒连动杆。
背景技术：
针棒连动杆属于缝纫机传动装置配件，起到将运动的动力传给工作机构的作用。在长期服役后，针棒连动杆的主要损坏形式为疲劳断裂、过量磨损、变形等。因此，设计初期，针棒连动杆的工作条件要求连动杆具有较高的强度、耐磨性和抗疲劳性能，又要求具有足够的钢性和韧性等。
目前，传统的针棒连动杆的加工工艺中其材料一般采用调质钢、铝合金等。其中，铝合金材料的密度低，强度接近或超过优质钢，塑性好，导热性和耐蚀性优良，且易于加工，是目前制备缝纫机配件的主要材料之一。经过长期发展，采用铝合金材料制备缝纫机零配件已经处于一种稳定的状态，在技术上已经难以突破。因此，在现有技术基础上，采用传统铝合金制备，难以获得一种综合性能得以突破的针棒连动杆。
技术实现要素：
本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提出了一种采用陶瓷骨架增强铝基复合材料制成的，综合性能更优的针棒连动杆。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种针棒连动杆，所述针棒连动杆由陶瓷骨架增强铝基复合材料制成，所述陶瓷骨架增强铝基复合材料主要由体积比为30-50％的陶瓷骨架以及余量的铝合金基体通过压力熔渗复合而成。
在上述的一种针棒连动杆中，所述陶瓷骨架增强铝基复合材料包括体积比为5-15％的超硬耐磨颗粒与体积比为30-50％的陶瓷骨架、35-65％的铝合金基体通过压力熔渗复合而成。
本发明针棒连动杆采用陶瓷骨架增强铝基复合材料制成，这种陶瓷骨架增强铝基复合材料是一种网络交叉复合材料，与传统晶须、颗粒等增强铝合金材料相比，它们具有更高的机械强度和韧性，显示出了网络交叉结构的优势。在长期服役过程中，本发明这种网络交叉复合材料不会像颗粒、晶须增强的铝基复合材料一样，增强体存在容易从基体中拔出、脱落，磨屑形成硬磨粒的缺陷。因此，本发明陶瓷骨架增强铝基复合材料制成的针棒连动杆具有更好的综合性能。
在上述的一种针棒连动杆中，所述陶瓷骨架为三维网络陶瓷骨架，所述三维网络陶瓷骨架的孔径为50-300μm，孔隙率为65-75％。
本发明优选具有三维联结方式的三维网络陶瓷骨架，因此可以使陶瓷骨架和铝合金材料能更有效的结合，从而使复合材料获得更高的强度、断裂韧性，良好的耐磨性能以及耐热震性能等。
本发明的三维网络陶瓷骨架是将多孔聚氨酯泡沫塑料浸涂陶瓷浆料制成坯体后烧结而成，进一步优选制成的陶瓷骨架为三维网络氮化硅陶瓷骨架。因为，氮化硅陶瓷具有密度小、强度高、耐高温、低热导、热膨胀系数小、耐腐蚀以及不易在高温下氧化等一系列的优越性能。同时，氮化硅与铝合金即使在较低的温度下(≤780℃)也具有良好的润湿性，从而有助于三维网络氮化硅陶瓷骨架与铝合金获得良好的界面结合，保证最终得到的陶瓷骨架增强铝基复合材料的性能。
另外，作为增强骨架，三维网络陶瓷首先得具备较好的抗压强度等性能。而三维网络陶瓷的抗压强度受到陶瓷骨架的形状、均匀性、粉料颗粒度、孔隙率等因素的多重影响，其中，孔隙率是主要的影响因素。降低孔隙率，形状规则、结构致密的陶瓷骨架，以及颗粒细小的粉料都有助于提高三维网络陶瓷骨架的抗压强度。孔隙率过高的三维网络陶瓷骨架细小，抗压强度很低，在很小的载荷下就发生断裂，无法满足金属浸渗的要求，难以保证在金属液充填过程中陶瓷骨架的完整性。随着孔隙率的降低，骨架直径增加，其承受载荷的能力增加明显，并且随着孔隙率的降低，抗压强度值的增幅更加显著。在本发明上述限定的孔径和孔隙率的范围内，使本发明三维网络陶瓷骨架具有均匀的开孔结构，且孔隙相互贯通，孔筋结构较为均匀致密，增强效果尤佳。
在上述的一种针棒连动杆中，所述铝合金基体由以下质量百分比成分组成：Si：0.4-0.8％，Mg：0.8-1.2％，Mn：0.13-0.17％，Cr：0.08-0.22％，Cu：0.11-0.16％，Zn：0.18-0.22％，Zr：0.12-0.15％，Ti：0.11-0.15％，Sc：0.03-0.05％，Sb：0.06-0.1％，Ba：0.3-0.5％，稀土元素：0.01-0.02％，Hf：0.1-0.2％，Fe＜0.025％，余量为Al以及不可避免的杂质元素。
本发明铝合金基体的主要合金元素是镁与硅，可以形成Mg2Si相，Mg2Si相固溶于铝中，是铝合金的强化相。另外，本发明采用的是压力熔渗复合技术，合金元素Si和Mg能破坏氧化铝膜，缩短浸渗过程的孕育期。而微量的锰与铬用于中和铁的坏作用，微量的铜和锌用于提高铝合金基体的强度，微量的锆和钛用于细化晶粒与控制再结晶组织。使铝合金具有较好强度、抗腐蚀性等性能。
另外，本发明还添加了微量的Sc，微量的Sc与合金中的Zr会在凝固过程中形成初生Al3(Sc,Zr)，可显著细化合金铸态晶粒，起到辅助细化晶粒与控制再结晶组织的作用。而均匀化时形成的次生Al3(Sc,Zr)粒子可以强烈钉扎位错和亚晶界，有效抑制变形组织的再结晶，显著提高合金的力学性能。
本发明还添加的微量合金元素Hf，可以改善合金的高温强度和持久寿命。
除此之外，稀土元素是现在合金改性中常添加的元素成分，可以细化晶粒、净化杂质，达到提高合金的硬度、强度等效果。而Ba元素一般被认为是杂质元素，会降低铝合金的纯度，影响铝合金的综合性能，所以一般情况下，铝合金中不含有或含极少量Ba杂质元素。但是，本发明研究表明，将Ba元素含量提高，且同时配伍Sb元素和微量的稀土元素，可起到很好的增强效果，同时，可降低稀土元素的用量。
在上述的一种针棒连动杆中，所述超硬耐磨颗粒为铝的氧化物、铝的氮化物中的至少一种，粒径小于陶瓷骨架的孔径。在陶瓷骨架增强铝基复合材料中添加超硬耐磨颗粒，通过简单的物理共混，可以提高复合材料的耐磨性和其它力学性能。
在上述的一种针棒连动杆中，所述压力熔渗的压力范围为10-15MPa，温度为660-700℃。本发明通过压力熔渗制得的复合材料陶瓷与基体相结合紧密，边界分明，在界面处无孔洞等微观缺陷，效果较优。
在上述的一种针棒连动杆中，所述陶瓷骨架增强铝基复合材料经过均匀化处理，均匀化处理的温度为500-550℃，时间为10-12h。本发明通过压力熔渗制得复合材料后，经过均匀化处理，铝合金基体中的相的数量、分布和尺寸尤佳，合金硬度也相对较高。
在上述的一种针棒连动杆中，所述陶瓷骨架增强铝基复合材料经过均匀化处理后还进行固溶处理，固溶处理的温度为630-640℃，时间为1-2h。
在上述的一种针棒连动杆中，所述陶瓷骨架增强铝基复合材料经过固溶处理后还进行时效处理，时效处理的温度为170-190℃，时间为8-10h。
与现有技术相比，本发明具有以下几个优点：
1.本发明针棒连动杆采用陶瓷骨架增强铝基复合材料制成，具有更高的机械强度、韧性、耐磨性，综合性能更好。
2.本发明陶瓷骨架的抗压强度好，铝合金基体的力学性能佳，且陶瓷骨架与铝合金基体具有良好的界面结合能力，通过压力熔渗技术制得陶瓷骨架与基体结合紧密，边界分明，界面处无孔洞等微观缺陷的复合材料。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1：
本实施例针棒连动杆由体积比为30％的陶瓷骨架和70％的铝合金基体通过压力熔渗复合而成。具体制备过程如下：
将多孔聚氨酯泡沫塑料浸涂氮化硅陶瓷浆料制成坯体后烧结成三维网络氮化硅陶瓷骨架，骨架呈针棒连动杆状，三维网络陶瓷骨架的孔径为50μm，孔隙率为75％。
熔炼铝液，铝液的组成成分及其质量百分比为：Si：0.4％，Mg：0.8％，Mn：0.13％，Cr：0.08％，Cu：0.11％，Zn：0.18％，Zr：0.12％，Ti：0.11％，Sc：0.03％，Sb：0.06％，Ba：0.3％，稀土元素Ce：0.01％，Hf：0.1％，Fe：0.015％，余量为Al以及不可避免的杂质元素。
采用压力熔渗技术，在10MPa与660℃温度下，将上述呈针棒连动杆状的三维网络陶瓷骨架与铝液压渗成针棒连动杆坯件。坯件分别在500℃下均匀化处理12h，在630℃下固溶处理2h，在170℃下时效处理10h，制得最终针棒连动杆。
实施例2：
本实施例针棒连动杆由体积比为35％的陶瓷骨架和65％的铝合金基体通过压力熔渗复合而成。具体制备过程如下：
将多孔聚氨酯泡沫塑料浸涂氮化硅陶瓷浆料制成坯体后烧结成三维网络氮化硅陶瓷骨架，骨架呈针棒连动杆状，三维网络陶瓷骨架的孔径为100μm，孔隙率为72％。
熔炼铝液，铝液的组成成分及其质量百分比为：Si：0.5％，Mg：0.9％，Mn：0.14％，Cr：0.10％，Cu：0.12％，Zn：0.19％，Zr：0.13％，Ti：0.12％，Sc：0.037％，Sb：0.07％，Ba：0.35％，稀土元素Ce：0.014％，Hf：0.13％，Fe：0.02％，余量为Al以及不可避免的杂质元素。
采用压力熔渗技术，在10MPa与680℃温度下，将上述呈针棒连动杆状的三维网络陶瓷骨架与铝液压渗成针棒连动杆坯件。坯件分别在510℃下均匀化处理12h，在635℃下固溶处理1.5h，在175℃下时效处理10h，制得最终针棒连动杆。
实施例3：
本实施例针棒连动杆由体积比为40％的陶瓷骨架和60％的铝合金基体通过压力熔渗复合而成。具体制备过程如下：
将多孔聚氨酯泡沫塑料浸涂氮化硅陶瓷浆料制成坯体后烧结成三维网络氮化硅陶瓷骨架，骨架呈针棒连动杆状，三维网络陶瓷骨架的孔径为200μm，孔隙率为70％。
熔炼铝液，铝液的组成成分及其质量百分比为：Si：0.6％，Mg：1.0％，Mn：0.15％，Cr：0.15％，Cu：0.14％，Zn：0.20％，Zr：0.13％，Ti：0.13％，Sc：0.04％，Sb：0.08％，Ba：0.4％，稀土元素La：0.016％，Hf：0.15％，Fe：0.02％，余量为Al以及不可避免的杂质元素。
采用压力熔渗技术，在12MPa与670℃温度下，将上述呈针棒连动杆状的三维网络陶瓷骨架与铝液压渗成针棒连动杆坯件。坯件分别在520℃下均匀化处理11h，在635℃下固溶处理1.5h，在180℃下时效处理9h，制得最终针棒连动杆。
实施例4：
本实施例针棒连动杆由体积比为45％的陶瓷骨架和55％的铝合金基体通过压力熔渗复合而成。具体制备过程如下：
将多孔聚氨酯泡沫塑料浸涂氮化硅陶瓷浆料制成坯体后烧结成三维网络氮化硅陶瓷骨架，骨架呈针棒连动杆状，三维网络陶瓷骨架的孔径为250μm，孔隙率为68％。
熔炼铝液，铝液的组成成分及其质量百分比为：Si：0.7％，Mg：1.1％，Mn：0.16％，Cr：0.20％，Cu：0.15％，Zn：0.21％，Zr：0.14％，Ti：0.14％，Sc：0.046％，Sb：0.09％，Ba：0.45％，稀土元素La：0.018％，Hf：0.18％，Fe：0.01％，余量为Al以及不可避免的杂质元素。
采用压力熔渗技术，在13MPa与690℃温度下，将上述呈针棒连动杆状的三维网络陶瓷骨架与铝液压渗成针棒连动杆坯件。坯件分别在540℃下均匀化处理11h，在640℃下固溶处理1.5h，在185℃下时效处理8h，制得最终针棒连动杆。
实施例5：
本实施例针棒连动杆由体积比为50％的陶瓷骨架和50％的铝合金基体通过压力熔渗复合而成。具体制备过程如下：
将多孔聚氨酯泡沫塑料浸涂氮化硅陶瓷浆料制成坯体后烧结成三维网络氮化硅陶瓷骨架，骨架呈针棒连动杆状，三维网络陶瓷骨架的孔径为300μm，孔隙率为65％。
熔炼铝液，铝液的组成成分及其质量百分比为：Si：0.8％，Mg：1.2％，Mn：0.17％，Cr：0.22％，Cu：0.16％，Zn：0.22％，Zr：0.15％，Ti：0.15％，Sc：0.05％，Sb：0.1％，Ba：0.5％，稀土元素Ce：0.02％，Hf：0.2％，Fe：0.02％，余量为Al以及不可避免的杂质元素。
采用压力熔渗技术，在15MPa与700℃温度下，将上述呈针棒连动杆状的三维网络陶瓷骨架与铝液压渗成针棒连动杆坯件。坯件分别在550℃下均匀化处理10h，在640℃下固溶处理1h，在190℃下时效处理8h，制得最终针棒连动杆。
实施例6：
本实施例针棒连动杆由体积比为30％的陶瓷骨架、60％的铝合金基体和10％的超硬耐磨颗粒通过压力熔渗复合而成。超硬耐磨颗粒为三氧化二铝，粒径小于陶瓷骨架的孔径。陶瓷骨架、铝合金基体、具体制备过程与实施例1相同。
实施例7：
本实施例针棒连动杆由体积比为30％的陶瓷骨架、65％的铝合金基体和5％的超硬耐磨颗粒通过压力熔渗复合而成。超硬耐磨颗粒为三氧化二铝，粒径小于陶瓷骨架的孔径。陶瓷骨架、铝合金基体、具体制备过程与实施例2相同。
实施例8：
本实施例针棒连动杆由体积比为40％的陶瓷骨架、50％的铝合金基体和10％的超硬耐磨颗粒通过压力熔渗复合而成。超硬耐磨颗粒为三氧化二铝，粒径小于陶瓷骨架的孔径。陶瓷骨架、铝合金基体、具体制备过程与实施例3相同。
实施例9：
本实施例针棒连动杆由体积比为40％的陶瓷骨架、45％的铝合金基体和15％的超硬耐磨颗粒通过压力熔渗复合而成。超硬耐磨颗粒为氮化铝，粒径小于陶瓷骨架的孔径。陶瓷骨架、铝合金基体、具体制备过程与实施例4相同。
实施例10：
本实施例针棒连动杆由体积比为50％的陶瓷骨架、35％的铝合金基体和15％的超硬耐磨颗粒通过压力熔渗复合而成。超硬耐磨颗粒为三氧化二铝与氮化铝质量比为1：1的混合物，粒径小于陶瓷骨架的孔径。陶瓷骨架、铝合金基体、具体制备过程与实施例5相同。
将上述实施例1-10制得的针棒连动杆进行性能测试，测试结果如表1所示。其中，磨损率的条件为：在室温、6N载荷、1m/s速度下，试件滑行2500m。
表1：
从表1可知，实施例6-10中加入超硬耐磨颗粒后，强度、延伸率等性能略有改善，基本维持稳定，但是，磨损率极速下降，针棒连动杆的耐磨性提升明显。
对比例1：
对比例1与实施例3区别仅在于，对比例1的针棒连动杆由铝合金基体直接制成，没有陶瓷增强骨架。经检测，对比例1的针棒连动杆的极限抗拉强度为135MPa，极限弯曲强度为54MPa，磨损率为6.98％，延伸率为21％。由此可知，铝合金基体采用陶瓷增强骨架增强后，性能提升明显。
对比例2：
对比例2与实施例3的区别仅在于，对比例2的铝基体中不含Sc元素。
对比例3：
对比例3与实施例3的区别仅在于，对比例3的铝基体中不含Zr元素。
经检测，对比例2和对比例3的极限拉伸强度分别为174MPa、165MPa，极限弯曲强度分别为57MPa、59MPa。由此可知，Sc和Zr配伍可以起到强化合金的作用。
对比例4：
对比例4与实施例3的区别仅在于，对比例4的铝基体中不含Ba和Sb元素。
对比例5；
对比例5与对比例4的区别仅在于，对比例4的铝基体中的稀土元素扩大20倍。
经检测，对比例4和对比例5的极限拉伸强度分别为180MPa、217MPa，极限弯曲强度分别为55MPa、70MPa。由此可知，Ba元素、Sb元素和稀土元素配伍可以起到强化合金的作用，降低稀土的使用量，保护资源。
对比例6：
对比例6与实施例3的区别仅在于，对比例6的陶瓷增强骨架的孔隙率为80％。在压渗过程中，陶瓷骨架部分断裂，骨架不完整。
对比例7：
对比例7与实施例7的区别仅在于，对比例7的超硬耐磨颗粒的粒径大于陶瓷骨架的孔径。经检测，对比例7的针棒连动杆的极限抗拉强度为197MPa，极限弯曲强度为65MPa，性能有所降低。这是因为，超硬耐磨颗粒粒径大于陶瓷骨架孔径时，会使部分颗粒堵塞孔径，铝合金基体在压渗过程中无法完全填充陶瓷骨架，复合材料的致密性不足，导致复合材料的性能降低。
鉴于本发明方案实施例众多，各实施例实验数据庞大众多，不适合于此处逐一列举说明，但是各实施例所需要验证的内容和得到的最终结论均接近。故而此处不对各个实施例的验证内容进行逐一说明，仅以实施例1-10作为代表说明本发明申请优异之处。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。