CN108220703A

CN108220703A - 一种石墨烯和稀土协同强化的铸造铝硅合金及其制备方法

Info

Publication number: CN108220703A
Application number: CN201711262507.4A
Authority: CN
Inventors: 王宏宇; 许增; 吴勃; 丁扬; 陈特
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2017-12-04
Filing date: 2017-12-04
Publication date: 2018-06-29
Anticipated expiration: 2037-12-04
Also published as: CN108220703B

Abstract

一种石墨烯和稀土协同强化的铸造铝硅合金，其特征在于其成分如下：硅6.5～7.0%、石墨烯0.3～0.5%、镁0.3～0.4%、铈0.3～0.5%、钛0.08～0.2%、其他杂质≤0.7%、余量为铝；其中，石墨烯用于提高铝硅合金的强度和导电性，铈用于改善铝硅合金由于石墨烯的添加引起流动性不足而导致缺陷增多的问题；同时，这一铸造铝硅合金需配合使用如下的热处理工艺，首先进行加热温度为525±5℃、保温时间为5～7h、用85～95℃水冷却的固溶处理，然后进行加热温度为180±5℃、保温时间8～10h、空冷的时效热处理。本发明铝硅合金能够兼顾高强度和高导电性以及具有良好铸造成形性，是优质的超特高压电工材料，具有较强的市场竞争力。

Description

一种石墨烯和稀土协同强化的铸造铝硅合金及其制备方法

技术领域

本发明属于铸造铝合金技术领域，涉及一种铸造铝硅合金及其制备方法，具体地说是一种石墨烯和稀土协同强化的铸造铝硅合金及其制备方法。

背景技术

随着全球电工材料以铝代铜总趋势的不断深入和国家建设超特高压坚强智能电网战略的实施，对能够兼顾高强度和高导电性以及具有良好铸造成形性的铝合金材料需求越来越大。然而，目前通用铸造铝合金难以满足上述要求，故面向超特高压用电工材料开发新型铸造铝合金已迫在眉睫。

ZL101A（美国牌号为A356）系列铝硅合金，是目前电工材料使用最多的一类铸造铝合金。现有关于电工材料用铸造铝硅合金的研究，主要集中于调整原有合金元素的含量以及改进其热处理工艺，进而在保证其铸造性能及强度的同时提高其导电性。例如，专利号为ZL 201310121353.2的发明专利，提出了一种将不利于合金导电性能的元素控制在A356成分标准的下限，并且降低杂质含量的方式来提高合金导电性，然后通过改进后的T8热处理工艺来保证合金强度的方法。这一方法，在保证铝硅合金的铸造性能及强度的前提下，将其导电性提高了20%，达到28～30MS/m，基本满足超特高压用电工材料导电性最低为26MS/m的要求。然而，距离高品质超特高压用电工材料其不仅导电性偏低而且强度也尚不够理想。

石墨烯是一种备受关注的高强度与高导电性的优良材料，已有研究人员尝试将其作为增强相添加到铝合金中以生产铝基石墨烯复合材料制品。如专利号为ZL201510387953.2的发明专利，提出了通过以中间合金的形式将石墨烯添加入铝硅合金中，所述方法主要包括经过混粉、低温球磨、热等静压、热挤压制得铝/石墨烯中间合金，然后将中间合金加入到熔融铝液中进行铸造成形。采用此方法制得的铸件，抗拉强度与导电性均有较大的提高，然而其存在铸造性能不足的问题，主要表现为：与ZL101A相比，这种铝基石墨烯复合合金的流动性较差，在成形薄壁异形铸件时其充型能力不足，导致铸件精度下降、轮廓模糊甚至外形不完整等缺陷。

通过对国内外相关文献的检索，目前尚未有一种能够兼顾高强度和高导电性以及具有良好铸造成形性的铝合金材料可供使用，一定程度上制约了我国超特高压用电工材料的发展。

发明内容

本发明的目的是针对现有铝合金难以满足超特高压用电工材料需兼顾高强度、高导电性以及良好铸造成形性的要求，通过石墨烯和稀土的协同强化作用以及合适的后续热处理工艺，发明一种石墨烯和稀土协同强化的铸造铝硅合金及其制备方法。

本发明的技术方案一是：

一种石墨烯和稀土协同强化的铸造铝硅合金，其特征在于它主要由以下质量百分比的组份组成：硅6.5～7.0%、石墨烯0.3～0.5%、镁0.3～0.4%、铈0.3～0.5%、钛0.08～0.2%、其他杂质≤0.7%、余量为铝，各组份之和为100%；其中，石墨烯用于提高铝硅合金的强度和导电性，铈用于改善铝硅合金由于石墨烯的添加引起流动性不足而导致缺陷增多的问题；同时，这一铸造铝硅合金需配合使用如下的改进的热处理工艺，首先进行加热温度为525±5℃、保温时间为5～7h、用85～95℃水冷却的固溶处理，然后进行加热温度为180±5℃、保温时间8～10h、空冷的时效热处理。

本发明的技术方案二是：

一种石墨烯和稀土协同强化的铸造铝硅合金制备方法，其特征在于首先制备铝/石墨烯/稀土中间合金，然后将中将合金加入铸液中铸造成型，最后进行加热温度为525±5℃、保温时间为5～7h、用85～95℃水冷却的固溶处理和进行加热温度为180±5℃、保温时间8～10h、空冷的时效热处理；其中，铝/石墨烯/稀土中间合金的制备方法为：首先将石墨烯和富铈稀土粉放到乙醇溶液中进行超声分散，然后将分散液在水浴中加热直至得到糊状的石墨烯和富铈稀土粉混合物，再加入铝粉并将铝粉与石墨烯和富铈稀土粉混合物一起加入球磨机中进行球磨，之后放入真空干燥箱干燥并进行热压烧结，得到铝/石墨烯/稀土中间合金。

所述石墨烯为1-5层少层石墨烯。

所述富铈稀土粉中稀土含量≥99.0%，其中铈≥90%。

所述超声分散工艺是频率70～80kHz，功率3～4kw，时间1.5～2小时。

所述球磨工艺中球料比为30:1，磨球材质为高碳铬轴承钢，转速450～500rmp，时间2～3小时。

所述干燥工艺是干燥温度60～65℃，时间3～3.5小时。

所述热压烧结工艺是轴向压强为100～120MPa，烧结温度为1200～1250℃，时间2～2.5小时。

本发明的有益效果是：

（1）本发明所述铝硅合金及其制备方法，利用添加石墨烯及改进热处理工艺增强了铸造铝合金的强度及导电性，与ZL101A铝硅合金相比强度提高了40%达到385～395MPa、导电率提高30%达到30～33MS/m，同时通过加入富铈稀土，改善了铝基石墨烯材料的铸造性能，生产薄壁异型铸件时将由于充型能力不足等产生的缺陷降低了30%及以上。

（2）本发明所述铝硅合金及其制备方法，材料制备成本低，后期改进空间大，适合工业化生产，能为国家建设超特高压坚强智能电网提供优质电工材料，且具有一定的国际竞争力，市场前景良好。

（3）本发明通过大量的试验获得了理想的制备方法，尤其是利用中间合金的方法向铝合金中同时添加石墨烯与稀土，并且改进了热处理工艺，按本发明的工艺能容易地得到符合要求的铝合金材料。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但这不能用于对本发明的限制，本领域技术人员根据本发明的基本思想，可以做出各种修改或改进，但是只要不脱离本发明的基本思想，均在本发明的范围之内。

实施例1：制备一种薄壁异型导体

首先将经过计算和称量的石墨烯和富铈稀土粉放到乙醇溶液中进行超声分散，然后将分散液在水浴中加热直至得到糊状的石墨烯和富铈稀土粉混合物，再加入铝粉并将铝粉与石墨烯和富铈稀土粉混合物一起加入球磨机中进行球磨，之后放入真空干燥箱干燥并进行热压烧结，得到铝/石墨烯/稀土中间合金，并将占总铸液质量1%的中间合金加入熔融铝液中，搅拌、浇注成型，得到薄壁异型导体，最后对薄壁异型导体进行后续热处理，其中包括先进行的加热温度为525±5℃、保温时间为5h、用85～90℃水冷却的固溶处理，以及后进行的加热温度为180±5℃、保温时间8h、空冷的时效热处理。整个生产过程保证主要铝硅合金成分如下：硅6.5～7.0%、石墨烯0.3%、镁0.3～0.4%、铈0.3%、钛0.08～0.2%、其他杂质≤0.7%、余量为铝。

经检测生产出的导体抗拉强度达到387MPa、导电率达到31.3MS/m，缺陷率减少30%及以上。

实施例2：制备一种薄壁异型导体

首先将将经过计算和称量的石墨烯和富铈稀土粉放到乙醇溶液中进行超声分散，然后将分散液在水浴中加热直至得到糊状的石墨烯和富铈稀土粉混合物，再加入铝粉并将铝粉与石墨烯和富铈稀土粉混合物一起加入球磨机中进行球磨，之后放入真空干燥箱干燥并进行热压烧结，得到铝/石墨烯/稀土中间合金，并将占总铸液质量1.5%的中间合金加入熔融铝液中，搅拌、浇注成型，得到所需的薄壁异型导体，最后对得到的薄壁异型导体进行后续热处理，其中包括先进行的加热温度为525±5℃、保温时间为6h、用88～92℃水冷却的固溶处理，以及后进行的加热温度为180±5℃、保温时间9h、空冷的时效热处理。整个生产过程保证主要铝硅合金成分如下：硅6.5～7.0%、石墨烯0.4%、镁0.3～0.4%、铈0.4%、钛0.08～0.2%、其他杂质≤0.7%、余量为铝。

经检测生产出的薄壁异型导体抗拉强度达到394MPa、导电率达到32.7MS/m，缺陷率减少30%及以上。

实施例3：制备一种薄壁异型导体

首先将将经过计算和称量的石墨烯和富铈稀土粉放到乙醇溶液中进行超声分散，然后将分散液在水浴中加热直至得到糊状的石墨烯和富铈稀土粉混合物，再加入铝粉并将铝粉与石墨烯和富铈稀土粉混合物一起加入球磨机中进行球磨，之后放入真空干燥箱干燥并进行热压烧结，得到铝/石墨烯/稀土中间合金，并将占总铸液质量2%的中间合金加入熔融铝液中，搅拌、浇注成型，得到薄壁异型导体，最后对得到薄壁异型导体进行后续热处理，其中包括先进行的加热温度为525±5℃、保温时间为7h、用90～95℃水冷却的固溶处理，以及后进行的加热温度为180±5℃、保温时间10h、空冷的时效热处理。整个生产过程保证主要铝硅合金成分如下：硅6.5～7.0%、石墨烯0.5%、镁0.3～0.4%、铈0.5%、钛0.08～0.2%、其他杂质≤0.7%、余量为铝。

经检测生产出的导体抗拉强度达到390MPa、导电率达到32.1MS/m，缺陷率减少30%及以上。

实施例一至三中：所使用的石墨烯为1-5层少层石墨烯。富铈稀土粉中稀土含量≥99.0%，其中铈≥90%。超声分散时采用的工艺参数为频率70～80kHz，功率3～4kw，时间1.5～2小时。球磨工艺中球料比为30:1，磨球材质为高碳铬轴承钢，转速450～500rmp，时间2～3小时。

中间合金制造备过程中采用的干燥工艺参数为干燥温度60～65℃，时间3～3.5小时。热压烧结工艺参数为轴向压强为100～120MPa，烧结温度为1200～1250℃，时间2～2.5小时。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims

1.一种石墨烯和稀土协同强化的铸造铝硅合金，其特征在于协同强化后的铸造铝硅合金各组份的质量百分比为：硅6.5～7.0%、石墨烯0.3～0.5%、镁0.3～0.4%、铈0.3～0.5%、钛0.08～0.2%、其他杂质≤0.7%、余量为铝，各组份之和为100%；其中，石墨烯用于提高铝硅合金的强度和导电性，铈用于改善铝硅合金由于石墨烯的添加引起流动性不足而导致缺陷增多的问题；同时，这一铸造铝硅合金需配合使用如下的热处理工艺，首先进行加热温度为525±5℃、保温时间为5～7h、用85～95℃水冷却的固溶处理，然后进行加热温度为180±5℃、保温时间8～10h、空冷的时效热处理。

2.根据权利要求1所述的铸造铝硅合金，其特征是：所述石墨烯原料为1～5层的少层石墨烯。

3.一种石墨烯和稀土协同强化的铸造铝硅合金的制备方法，其特征在于首先制备铝/石墨烯/稀土中间合金，然后将中间合金加入铸液中铸造成型，最后进行加热温度为525±5℃、保温时间为5～7h、用85～95℃水冷却的固溶处理和进行加热温度为180±5℃、保温时间8～10h、空冷的时效热处理；其中，所述的铝/石墨烯/稀土中间合金的制备方法为：首先将石墨烯和富铈稀土粉放到乙醇溶液中进行超声分散，然后将分散液在水浴中加热直至得到糊状的石墨烯和富铈稀土粉混合物，再加入铝粉并将铝粉与石墨烯和富铈稀土粉混合物一起加入球磨机中进行球磨，之后放入真空干燥箱干燥并进行热压烧结，得到铝/石墨烯/稀土中间合金。

4.根据权利要求3所述铝硅合金及其制备方法，其特征是：所述石墨烯原料为1～5层的少层石墨烯。

5.根据权利要求3所述铝硅合金的制备方法，其特征是：所述富铈稀土粉中稀土含量≥99.0%，其中铈≥90%。

6.根据权利要求3所述铝硅合金的制备方法，其特征是：所述球磨工艺中球料比为30:1，磨球材质为高碳铬轴承钢，转速450～500rmp，时间2～3小时。

7.根据权利要求2所述铝硅合金的制备方法，其特征是：所述超声分散工艺是频率70～80kHz，功率3～4kw，时间1.5～2小时。

8.根据权利要求2所述铝硅合金的制备方法，其特征是：所述热压烧结工艺是轴向压强为100～120MPa，烧结温度为1200～1250℃，时间2～2.5小时。

9.根据权利要求2所述铝硅合金的制备方法，其特征是：所述铝/石墨烯/稀土中间合金占整个铸造铝硅合金质量的1-2%。