CN105568036B - 一种高硅铝复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高硅铝复合材料的制备方法，是首先采用多次搅拌铸造的方法制备高硅铝材料，其中硅的质量分数占30～70％，硅颗粒大小控制在400μm以下、纵横尺寸比小于8；然后将所制备的高硅铝材料进行搅拌摩擦加工，获得硅颗粒细小均匀的致密高硅铝复合材料，其中硅颗粒平均尺寸小于5μm、纵横比为1～2。本发明制备方法工艺步骤简单，制造成本低廉，产品性能稳定，适合于规模化工业生产。

Description

一种高硅铝复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及铝硅合金生产制备的技术领域，特别涉及一种高硅铝复合材料的制备方法。
背景技术
铝硅合金由于具有低膨胀系数、耐磨性好和轻质等优点被广泛应用于汽车、电子封装、航空航天等工业领域。对于过共晶高硅铝合金(硅的质量分数大于18％时)，其结晶温度范围较大，硅相有足够的时间生长，形成尺寸较大的片状或条状初晶硅，这些粗大的初晶硅严重割裂Al基体的连续性，导致材料变脆。因此，控制硅颗粒生长成为改善铝硅合金尤其是高硅铝合金综合性能的关键。工业生产中主要通过控制热和机械力来限制硅晶粒生长。传统粉末冶金制造温度低，有利于获得相对细小的硅相。但是粉末容易氧化，导致压型不致密，其延展性能不及采用传统铸造的制品。喷射沉积技术通过快速冷却获得细晶硅，但必须经过热等静压等一系列后续加工来提高材料整体性能，工艺和设备复杂，成本很高。
铸造方法制备铝硅合金虽然具备工艺简单和成本低等特点，但其过程冷却速度低，易导致硅相粗大。当硅质量分数超过30％时，即使采用加变质剂和引入外部机械力等方法，也不能对初晶硅进行有效的细化，无法实现铸造制品的工业化应用价值。搅拌摩擦加工方法是一种用于材料微观组织改性和制造的固相加工方法，它利用搅拌头所造成加工区材料的剧烈塑性变形、第二相颗粒的破碎和磨损，实现微观结构的细化、均匀化和致密化。对于铸造合金，可以通过搅拌摩擦细化基体晶粒、打碎枝晶和第二相、消除铸造孔洞缺陷，获得组织细小均匀的锻造组织，从而有效提高材料的物理性能和机械性能。
发明内容
为了克服现有铸造技术的缺陷，本发明提供了一种高硅铝复合材料的制备方法，具体是通过多次搅拌铸造和后续的搅拌摩擦加工制备获得硅颗粒细小均匀的致密高硅铝复合材料。
本发明解决技术问题采用以下技术方案：
本发明高硅铝复合材料的制备方法，其特征在于按照如下步骤操作：
(1)采用多次搅拌铸造的方法制备高硅铝板材，其中硅的质量分数占30～70％，硅颗粒尺寸控制在400μm以下、纵横尺寸比小于8；
(2)将所制备的高硅铝板材进行搅拌摩擦加工，获得硅颗粒细小均匀的致密高硅铝复合材料，其中硅颗粒平均尺寸小于5μm、纵横尺寸比为1～2。
上述步骤(1)具体是按如下方式进行：
(11)首先将称量好的工业纯铝块放入坩埚中，在铝块表面添加覆盖剂，覆盖剂的加入量以覆盖住铝块的表面为宜；将坩埚放入加热炉中，升温至700～750℃，保温20～30min，将工业纯铝熔化；
同时将硅块粉碎，经过震动筛筛分，获得粒径在1～5mm的硅颗粒；为减少硅颗粒表面吸附的空气和污染物，将称量好的硅颗粒在400～450℃下进行预热处理10～30min；
(12)取出坩埚，将预热处理后的硅颗粒加入已经熔化的铝液中，搅拌均匀后重新放回加热炉中；
(13)将加热炉升温至相应铝硅液相线温度以上30～50℃，保温的同时采用搅拌棒(示意图如图1所示)对坩埚内材料进行机械搅拌，搅拌棒搅拌速度控制在150～300转/分，直至硅颗粒完全溶入铝液中；
(14)将加热炉温度降至相应铝硅液相线温度以下20～40℃，保温的同时采用搅拌棒机械搅拌坩埚内材料5～10分钟，搅拌速度为200～400转/分，停止搅拌后继续保温5～10分钟，除气精炼后，取出坩埚将铝硅熔炼材料浇入金属模具内，在空气中自然冷却，最终获得高硅铝板材。
上述步骤(2)具体是按如下方式进行：
首先将所述高硅铝板材固定在搅拌摩擦加工设备工作台上，进行搅拌摩擦加工(示意图如图2所示)，在搅拌摩擦加工过程中搅拌工具的倾斜角为2～3°；搅拌摩擦加工的参数为：搅拌工具旋转速度范围为600～1500转/分，搅拌摩擦加工速度范围为30～100毫米/分，压入量0.1～0.5毫米；搅拌摩擦加工采用多道次搭接搅拌摩擦加工，相邻道次的搭接率为40～60％，对整个加工区域共进行1～3轮完整的搅拌摩擦加工。最终获得硅颗粒平均尺寸小于5μm、纵横尺寸比为1～2的致密高硅铝复合材料。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
(1)本发明通过多次搅拌铸造结合搅拌摩擦加工的方式，所得高硅铝复合材料的硅颗粒细小、分布均匀、致密度高，所以使得高硅铝材料的物理和机械性都能得到了优化。
(2)本发明的工艺步骤和所用设备简单、生产效率高、且所得铝硅材料性能稳定，因此适合于批量化工业生产。
附图说明
图1为本发明搅拌铸造的示意图；
图2为本发明搅拌摩擦加工的示意图；
图3为实施例1所得高硅铝板材的金相图；
图4为实施例1所得成品的金相图；
图5为实施例2所得高硅铝板材的金相图；
图6为实施例2所得成品的金相图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1：Al-40Si硅铝复合材料制备
本实施例的Al-40Si硅铝复合材料按如下步骤制备：
(1)首先按质量分数为60％将工业纯铝块放入石墨坩埚中，表面添加覆盖剂；将坩埚放入加热炉中，加热炉温度升至720℃，保温25min将工业纯铝熔化。
同时将硅块粉碎，经过震动筛筛分，获得粒径在1～5mm的硅颗粒；按质量分数为40％将硅颗粒在450℃下进行预热处理20min。
取出坩埚，将预热处理后的硅颗粒加入已经熔化的铝液中，搅拌均匀后重新放回加热炉中。
(2)将加热炉温度升至960℃，同时在加热炉内采用图1所示的搅拌棒对坩埚内材料进行机械搅拌，搅拌棒旋转速度控制在250转/分，直至硅颗粒完全溶入铝液中。
(3)将加热炉温度降至910℃，继续采用搅拌棒机械搅拌坩埚内材料5分钟，搅拌速度为300转/分，停止搅拌后在此温度下保温10分钟，除气精炼后，取出坩埚将铝硅熔炼材料浇入铜模具内，在空气中自然冷却，最终获得高硅铝板材，其金相图如图3所示，从图中可以看出成品中硅颗粒的尺寸在40～200μm，纵横尺寸比小于4。
(4)将所制备的高硅铝板材固定在搅拌摩擦加工设备工作台上，采用带有标准螺纹的搅拌头进行搅拌摩擦加工，所用圆柱型搅拌工具采用H13模具钢制作，在搅拌摩擦加工过程中搅拌工具的倾斜角为2°；搅拌摩擦加工的参数为：搅拌工具旋转速度范围为800转/分，搅拌摩擦加工速度范围为100毫米/分，压入量0.2毫米；搅拌摩擦加工采用多道次搭接搅拌摩擦加工，相邻道次的搭接率为40％，对整个加工区域共进行1轮完整的搅拌摩擦加工，即获得成品。
所得成品的金相图如图4所示，从图中可以看出成品中硅颗粒的尺寸在0.1～5μm，纵横尺寸比在1～2。
实施例2：Al-55Si硅铝复合材料制备
本实施例的Al-55Si硅铝复合材料按如下步骤制备：
(1)首先按质量分数为45％将工业纯铝块放入石墨坩埚中，表面添加覆盖剂；将坩埚放入加热炉中，加热炉温度升至720℃，保温25min将工业纯铝熔化。
同时将硅块粉碎，经过震动筛筛分，获得粒径在1～5mm的硅颗粒；按质量分数为55％将硅颗粒在450℃下进行预热处理20min。
取出坩埚，将预热处理后的硅颗粒加入铝液中，搅拌后重新放回加热炉中。
(2)将加热炉温度升至1180℃，同时在加热炉内采用图1所示的对坩埚内材料进行机械搅拌，搅拌棒搅拌速度控制在200转/分，直至硅颗粒完全溶入铝液中。
(3)将加热炉温度降至1110℃，继续采用搅拌棒机械搅拌坩埚内材料10分钟，搅拌速度为300转/分，停止搅拌后在此温度下保温5分钟，除气精炼后，取出坩埚将铝硅熔炼材料浇入铜模具内，在空气中自然冷却，获得高硅铝板材，其金相图如图5所示，从图中可以看出成品中硅颗粒的尺寸在50～350μm，纵横尺寸比小于6。
(4)将所制备的高硅铝板材固定在搅拌摩擦加工设备工作台上，采用带有标准螺纹的搅拌头进行搅拌摩擦加工，所用搅拌工具采用高温合金制作，在搅拌摩擦加工过程中搅拌工具的倾斜角为3°；搅拌摩擦加工的参数为：搅拌工具旋转速度范围为1200转/分，搅拌摩擦加工速度范围为30毫米/分，压入量0.4毫米；搅拌摩擦加工采用多道次搭接搅拌摩擦加工，相邻道次的搭接率为60％，对整个加工区域共进行3轮完整的搅拌摩擦加工即获得成品。
所得成品的金相图如图4所示，从图中可以看出成品中硅颗粒的尺寸在0.2～10μm，平均尺寸小于5μm，纵横尺寸比在1～2。

Claims (2)

1.一种高硅铝复合材料的制备方法，其特征在于按如下步骤操作：
(1)采用多次搅拌铸造的方法制备高硅铝板材，其中硅的质量分数占30～70％，硅颗粒尺寸控制在400μm以下、纵横尺寸比小于8；具体是按如下方式进行：
(11)首先将工业纯铝块放入坩埚中，在铝块表面添加覆盖剂；将坩埚放入加热炉中，升温至700～750℃，保温，将工业纯铝熔化；
同时将硅块粉碎，经过震动筛筛分，获得粒径在1～5mm的硅颗粒，在400～450℃下进行预热处理；
(12)取出坩埚，将预热处理后的硅颗粒加入已经熔化的铝液中，搅拌均匀后重新放回加热炉中；
(13)将加热炉升温至相应铝硅液相线温度以上30～50℃，保温的同时采用搅拌棒对坩埚内材料进行机械搅拌，直至硅颗粒完全溶入铝液中；
(14)将加热炉降温至相应铝硅液相线温度以下20～40℃，保温的同时采用搅拌棒机械搅拌坩埚内材料5～10分钟，停止搅拌后继续保温5～10分钟，除气精炼后，取出坩埚将铝硅熔炼材料浇入金属模具内，在空气中自然冷却，最终获得高硅铝板材；
(2)将所制备的高硅铝板材进行搅拌摩擦加工，获得硅颗粒细小均匀的致密高硅铝复合材料，其中硅颗粒平均尺寸小于5μm、纵横尺寸比为1～2。
2.根据权利要求1所述的高硅铝复合材料的制备方法，其特征在于：
步骤(2)是按如下方式进行：
首先将所述高硅铝板材固定在搅拌摩擦加工设备工作台上，进行搅拌摩擦加工，在搅拌摩擦加工过程中搅拌工具的倾斜角为2～3°；搅拌摩擦加工的参数为：搅拌工具旋转速度范围为600～1500转/分，搅拌摩擦加工速度范围为30～100毫米/分，压入量0.1～0.5毫米；搅拌摩擦加工采用多道次搭接搅拌摩擦加工，相邻道次的搭接率为40～60％，对整个加工区域共进行1～3轮完整的搅拌摩擦加工。
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