CN101792876A - 一种不锈钢锅复合锅底用铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种不锈钢锅复合锅底用铝基复合材料及其制备方法。本发明的锅底复合材料为铝基体和增强颗粒构成，铝基体为纯铝或铝合金，增强颗粒为SiC、Al2O3、B4C或SiO2颗粒中的任意一种，粒径为30～100μm，体积分数为5～30％，增强颗粒在基体中分布均匀且与基体界面结合良好。其制备方法为将铝在电阻炉中熔化，精炼后，加入适当活性元素，在气氛保护下加入一定量处理后的颗粒，搅拌，浇铸成型。本产品具有比刚度高，与不锈钢复合匹配性好(热膨胀系数与不锈钢相近)和较高的热导率，制得的复合锅底具有质轻，不易变形，传热均匀等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝基复合材料及其制备方法，尤其涉及一种用作不锈钢锅复合锅底用铝基复合材料及其制备方法。
背景技术
颗粒增强铝基复合材料具有比强度、比刚度高，耐磨损，热膨胀系数小，高温性能及尺寸稳定性好等优点。其主要由铝或铝合金基体和增强陶瓷颗粒组成，可通过加入不同含量的增强颗粒来设计复合材料的物理和力学性能。尤其是复合材料的热膨胀系数可在较大范围内进行调整，而普通铝合金的热膨胀系数较大且很难在较大范围进行改变。因此，颗粒增强铝基复合材料用作与具有低热膨胀系数的不锈钢进行复合制成不锈钢复合锅底相比用纯铝或铝合金制备复合锅底具有较大优势。目前已有纤维、短纤维、颗粒增强铝基复合材料实用，其中颗粒增强铝基复合材料所用的颗粒粒径也较小，制备成本较高，工艺复杂，难以在普通民用领域推广普及。
我们知道复合底不锈钢锅具有传热均匀，加热快，烹调效果好等优点。目前市场上所售的复合锅底的不锈钢锅，其复合锅底(不锈钢-铝材-不锈钢/不锈铁)中间热传导层多为铝材，如中国专利00240125.8和03139262.8等。通常复合锅底的铝材与不锈钢间采用热压钎焊而成，由于铝材与不锈钢之间的热膨胀系数差别较大，很容易在日后的使用过程中发生变形、脱层等现象，对焊接质量要求较高。此外，由于热膨胀系数差异引起的热应力也会导致传热不均匀，降低烹调效果。铝基复合材料由于可以较大范围的调整热膨胀系数，可获得与不锈钢相近的热膨胀系数，同时可保持高的热导率，用作复合锅底材料可大大降低锅底由于热膨胀系数差异引起的变形和脱层现象，还可降低对钎焊质量的要求。铝基复合材料中的颗粒呈均匀分布，可保证传热的均匀性。
颗粒增强铝基复合材料的主要制备方法有：粉末冶金法、搅拌铸造法、共喷射沉积法、挤压铸造法、原位生成法等方法，其中搅拌铸造法具有工艺简单、成本低、易于规模化生产、增强颗粒与基体界面结合好等优点，对于中等以上粒径(≥30μm)颗粒的分散效果好。目前液相法制备复合材料主要存在的问题是颗粒易于团聚、吸气夹杂、颗粒沉降或上浮、产生过度的界面反应等。解决的方法主要有改善颗粒与铝熔体间的润湿性、确定合适的搅拌工艺参数、选择适当粒径的增强颗粒和熔体复合增强颗粒的工作温度。美国专利US4786467和US4865806是在真空条件下高速搅拌下制备颗粒分布均匀铝基复合材料的，是Dural铝复合材料公司成功工业化的典范。此法可以制得颗粒分散良好的复合材料，却因工艺复杂、成本过高，难以大范围推广其产品。
发明内容
本发明的目的是为了改进现有纯铝或铝合金用作不锈钢复合锅底材料，使用过程中易于变形、脱层的问题而提供了一种用于不锈钢锅复合锅底材料的铝基复合材料，本发明还提供了上述铝基复合材料的制备方法。该制备方法工艺简单、稳定，成本低廉，制备的颗粒增强铝基复合材料与不锈钢锅有较好的复合匹配性。
本发明的技术方案为：一种不锈钢锅复合锅底用铝基复合材料，其特征在于由铝基体和增强颗粒组成，增强颗粒为SiC、Al2O3、B4C或SiO2颗粒中的任意一种；增强颗粒粒径为30～100μm；增强颗粒占铝基复合材料总体积百分比为5～30％；增强颗粒在基体中分布均匀且与基体界面结合良好。
本发明还提供了上述铝基复合材料的制备方法，其具体步骤如下：
A.增强颗粒的前处理：将增强颗粒清洗，烘干后于800～1000℃电阻炉中焙烧1～6h；
B.铝基体合金的熔化：将切割好的铝基体于680～780℃熔化；加入活性元素搅拌，制得活性元素处理后的铝熔体；
C.复合材料的搅拌铸造：将处理后的颗粒通过加料装置加入活性元素处理后的铝熔体中，通过搅拌设备气氛保护条件下搅拌，最后浇铸成型。
优选步骤C中控制处理后的颗粒的温度为400-600℃；活性元素处理后的铝熔体的温度为720～780℃；颗粒加入速度为每千克熔体5～20g/min；浇铸温度720～750℃。
活性元素可用于降低熔体表面张力，改善颗粒与熔体的润湿性。优选铝熔体中添加的活性元素为Mg、Li、Ti、Ca等中任意一种，活性元素加入量为铝基体质量分数的1～4％。
所述的搅拌设备一般选择为三叶或四叶桨叶式电动搅拌机，搅拌设备的搅拌参数：搅拌桨直径与坩埚内径比为0.4～0.6，桨叶倾角为25～45°，搅拌速度为600～1000rpm；搅拌持续时间为20min～1h。所述的保护气氛为大气或惰性气氛。
步骤A中增强颗粒的增强颗粒清洗，优选采用大功率超声清洗，清洗液分别为丙酮和清水，用于清除颗粒表面吸附的有机杂质和铁屑等，一般清洗时间20～60min。烘干在电阻炉中焙烧，去除颗粒表面残余的杂质、游离碳等及适当的氧化颗粒表面以提高颗粒与铝熔体的润湿性。过度的界面反应会脆化复合材料的界面，降低材料的性能，选择800～1000℃以下焙烧还可以避免颗粒的烧结现象发生。
复合材料增强体含量的设计，主要根据复合锅底材料的物理性能和力学性能要求以及与不锈钢物理性能的匹配性来设定。颗粒含量占基体体积分数的5～30％。
复合材料可直接铸造成锅底形状也可进行轧制后冲压成锅底形状并可进行适当的表面处理，使之更容易复合加工成复合锅底。
用本发明所制备的材料用作不锈钢锅复合底，其结构示意图如图2所示，复合锅底由内层不锈钢锅底层，铝基复合材料中间层和外层不锈钢锅底层组成，即图中的1复合锅底，2内层不锈钢锅底层，3铝基复合材料层，4外层不锈钢或不锈铁锅底层。
有益效果：
本制备方法具有工艺简单、成本低廉、易于实施等优点，特别适合批量生产用于对热膨胀系数、耐磨性等有特殊性能要求的普通日常用品。制得的颗粒增强铝基复合材料具有与不锈钢锅所用不锈钢的热膨胀系数相近，与锅底有良好的匹配性，热导率高等特点。
附图说明
图1是JSM-6360扫描电镜测试的SiC颗粒增强铝基复合材料的SiC颗粒分布情况图；
图2是铝基复合材料用作不锈钢锅复合底的示意图；其中1是复合锅底，2是内层不锈钢锅底层，3是铝基复合材料层，4是外层不锈钢或不锈铁锅底层。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步的说明。本发明的保护范围不受以下实施例的限定，本发明的保护范围由权利要求书来限定。
实施例1
本实施例的颗粒增强铝基复合材料以SiC颗粒为增强颗粒，工业纯铝(99.7％)为基体，SiC颗粒平均粒径为80μm，在基体中均匀分布，SiC颗粒的质量百分比为10％。
具体制备方法为：称取占基体总重10％质量的80μm SiC颗粒，SiC颗粒经过超声清洗和950℃焙烧4h处理，置于炉中预热到600℃，预热后的颗粒一方面可避免造成铝液温度的过快降低，另一方面可减少颗粒表面的气体吸附层。取切成小块的纯铝锭约1kg放于φ105mm的平底碳钢坩埚中(坩埚提前喷涂有涂料并烘干)在电阻炉中400℃预热1h。升温到750℃熔化，再降温到700℃通入Ar气精炼15min，向熔体中加入占铝基体质量分数为2％Mg块，以降低铝熔体表面张力。放入搅拌设备(JB500D搅拌机，桨叶式搅拌桨)，搅拌参数为：搅拌桨直径60mm、桨叶倾角30°搅拌桨叶位置距坩埚底部20％的熔体液面高度，搅拌速度680rpm，通过加料装置均匀的加入SiC颗粒，加料速度约10g/min，搅拌持续20min。静置1min拔渣，金属型重力铸造浇铸成铸件，浇铸温度为720℃。制备得到10％SiC/Al复合材料，其微观形貌见图1，图中可以看出颗粒分布均匀且与基体结合较好，其性能指标见表1。
实施例2
以实施例1为基础制备占基体总重20％颗粒含量的SiC颗粒增强铝基复合材料，称取占基体20％质量比的50μm SiC颗粒，约1kg的铝锭于电阻炉中熔化，700℃通入Ar气精炼15min，加入占铝基体质量3％的Mg块，升温到730℃进行搅拌，搅拌参数为：搅拌桨直径50mm、桨叶倾角45°，搅拌速度700rpm，搅拌桨叶位置可在距坩埚底部20％熔体液面高度上下调整，可获得较佳的颗粒分散速度和分散质量，搅拌时间45min，并逐渐降温到720℃静置1min拔渣，进行重力浇铸。制备得到20％SiC/Al复合材料，其性能指标见表1
实施例3
本实施例的颗粒增强铝基复合材料以A356铝合金为基体，称取铝合金块约1kg于坩埚中，680℃熔化后用钟罩压入占铝基体质量2％的Mg块熔化保持5min搅匀，升温到730℃通入Ar气精炼15min，加入0.06％的Sr变质剂缓慢搅拌变质处理10min，拔渣后进行搅拌，搅拌参数为：搅拌桨直径50mm、桨叶倾角30°，搅拌速度780rpm，搅拌桨叶位置距坩埚底部20％的熔体液面高度，通过加料漏斗均匀加入占基体10％重量900℃高温焙烧2h后的50μm的Al2O3颗粒，搅拌30min，降温至720℃拔渣后浇铸成型。
此方法制得的铝基复合材料颗粒分布均匀，无明显的气孔夹渣等缺陷，物理力学性能完全满足复合锅底用材料的性能要求，表1为几种常用不锈钢、铝材和本方法制备的铝基复合材料的物理性能对比。
表1不锈钢、铝材和铝基复合材料的物理性能对比
| 材料\性能 | 线膨胀系数/×10-6/K(20～100℃) | 热导率/W.(m.K)-1(20℃) |
| 304不锈钢 | 16.6 | 12.1 |
| Al | 23.6 | 235 |
| 6061Al(T6) | 23.6 | 167 |
| 10％SiC/Al | 18.4 | 141 |
| 20％SiC/Al | 17.2 | 130 |
Claims (6)
1.一种不锈钢锅复合锅底用铝基复合材料，其特征在于由铝基体和增强颗粒组成，增强颗粒为SiC、Al2O3、B4C或SiO2颗粒中的任意一种；增强颗粒粒径为30～100μm；增强颗粒占铝基复合材料总体积百分比为5～30％。
2.根据权利要求1所述的铝基复合材料，其特征在于所述的铝基体为工业纯铝或铝合金。
3.一种制备如权利要求1所述的铝基复合材料的方法，其具体步骤如下：
A.增强颗粒的前处理：将增强颗粒清洗，烘干后于800～1000℃电阻炉中焙烧1～6h；
B.铝基体合金的熔化：将切割好的铝基体于680～780℃熔化，加入活性元素搅拌，制得活性元素处理后的铝熔体；
C.复合材料的搅拌铸造：将处理后的增强颗粒通过加料装置加入活性元素处理后的铝熔体中，通过搅拌设备在保护气氛条件下搅拌，最后浇铸成型。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于步骤C中控制处理后的增强颗粒的温度为400-600℃；活性元素处理后的铝熔体的温度为720～780℃；颗粒加入速度为每千克熔体5～20g/min；浇铸温度720～750℃。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于铝熔体中添加的活性元素为Mg、Li、Ti或Ca中任意一种，加入量为铝基体质量分数的1～4％。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述的搅拌设备为电动搅拌机，其搅拌参数：搅拌桨直径与坩埚内径比为0.4～0.6，桨叶倾角为25～45°，搅拌速度为600～1000rpm；搅拌持续时间为20min～1h。
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