CN108486401B - 复合铝合金、其制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及汽车材料领域，特别涉及复合铝合金、其制备方法及应用。本发明的复合铝合金，由铝合金基体、炭化稻壳、氟化钠和铁粉混合熔炼而制成，所述复合铝合金的表面及内部具有孔隙；所述炭化稻壳的质量为铝合金基体质量的3％～10％；所述氟化钠的质量为所述炭化稻壳质量的1％～3％；所述铁粉的质量为所述炭化稻壳质量的1％～5％。在熔炼过程中，炭化稻壳中的二氧化硅和碳在铁粉和氟化钠的催化作用下，发生反应，生成碳化硅晶须结构，此晶须结构的产生，可进一步提高复合铝合金的力学性能。另外铁粉的加入，可以形成铝铁合金相，使复合铝合金在保持质量轻的同时具有硬度高、耐热、耐磨等性能，并且可以使其焊接性能得以提高。
Description
技术领域
本发明涉及汽车材料领域，特别涉及复合铝合金、其制备方法及应用。
背景技术
随着社会发展以及人们对高品质生活的追求，汽车已经成为现代化物流以及提高生活质量的重要工具。随着汽车工业的发展，汽车产量和保有量也在逐年增加。虽然汽车给人们的出行带来了方便，但是同时带来了油耗、安全和环保这三大问题，而汽车轻量化技术的研究必将成为未来汽车发展的必然趋势。
据有关研究表面，汽车油耗都与整车的质量大大相关，因此节能减排的一项有效措施就是降低汽车质量。且随着汽车质量的减轻，还可以降低动力和动力传动系统的负荷，能够使汽车在较低的牵引负荷状态下即可表现出同样的或者更好的性能。
近些年，由于铝合金具备质量轻、耐热性好、原料丰富等优点，其在汽车上的使用量不断增加。目前，汽车的车身已有很大一部分部件都采用铝材，如发动机、热交换器、车轮以及车身等，铝合金以其自身的特点使零部件达到很好的轻量化效果。
然而，铝合金的力学性能低于钢材。选用铝合金制造各种构件时，通常要考虑加厚设计、加筋设计等，致使实际的减重效果无法达到预期；因此，要研发能够代替钢材的铝合金并且将其应用于汽车或者汽车零部件，研发比较困难。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种复合铝合金及其制备方法，所述复合铝合金的力学性能优异，密度减小，适用于汽车并实现汽车的轻量化。
本发明提供了一种复合铝合金，由铝合金基体、炭化稻壳、氟化钠和铁粉混合熔炼而制成，所述复合铝合金的表面及内部具有孔隙；
所述炭化稻壳的质量为所述铝合金基体质量的3％～10％；
所述氟化钠的质量为所述炭化稻壳质量的1％～3％；
所述铁粉的质量为所述炭化稻壳质量的1％～5％。
优选地，所述炭化稻壳的制备方法为：
将稻壳在水中浸泡后，冷冻粉碎，得到纳米级稻壳纤维；
将所述纳米级稻壳纤维在惰性气体保护下，以0.2～0.4℃/min的升温速率升温至380～400℃，保温炭化3～5h后，继续以0.6～0.8℃/min速率程序升温至550～600℃，保温炭化3～5h后，继续以8～15℃/min速率程序升温至1450～1500℃，保温反应2～4h后，冷却，得到炭化稻壳。
优选地，所述复合铝合金由铝合金基体、炭化稻壳、氟化钠和铁粉混合熔炼后，去除氟化钠而制成。
优选地，所述铝合金基体为6000系列铝合金或7000系列铝合金。
本发明提供了一种复合铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(A)在惰性气体环境中，将铝合金基体加热至完全熔融，得到铝液；
(B)在惰性气体环境中，将所述铝液进一步升温，加入炭化稻壳、氟化钠和铁粉，混匀后熔炼，冷却、脱模，挤压成片状中间体；所述炭化稻壳的质量为铝合金基体质量的3％～10％；所述氟化钠的质量为所述炭化稻壳质量的1％～3％；
所述铁粉的质量为所述炭化稻壳质量的1％～5％；
(C)在惰性气体环境中，将所述片状中间体加热熔融，去除表面浮渣后，在水中浸泡冷却，得到复合铝合金。
优选地，所述步骤(B)中，所述铝液进一步升温至1450～1500℃。
优选地，所述步骤(B)中，所述冷却的温度为300～320℃。
优选地，所述步骤(C)中，所述浸泡冷却过程中同时配合超声处理，溶解去除氟化钠。
优选地，所述步骤(C)中，所述超声处理时，超声频率为45～65kHz，温度为45～55℃，时间为45～60min。
本发明还提供了一种汽车车身，包括上述技术方案所述的复合铝合金或者上述技术方案所述方法制备的复合铝合金。
与现有技术相比，本发明的复合铝合金，由铝合金基体、炭化稻壳、氟化钠和铁粉混合熔炼而制成，所述复合铝合金的表面及内部具有孔隙；所述炭化稻壳的质量为铝合金基体质量的3％～10％；所述氟化钠的质量为所述炭化稻壳质量的1％～3％；所述铁粉的质量为所述炭化稻壳质量的1％～5％。在熔炼过程中，炭化稻壳中的二氧化硅和碳在铁粉和氟化钠的催化作用下，发生反应，生成碳化硅晶须结构，此晶须结构的产生，可进一步提高复合铝合金的力学性能；炭化稻壳中剩余的炭质成分可避免熔炼过程中，金属被氧化。另外铁粉的加入，可以形成铝铁合金相，使复合铝合金在保持质量轻的同时具有硬度高、耐热、耐磨等性能，并且可以使其焊接性能得以提高。
进一步地，熔炼后去除氟化钠，在合金的表面积每部形成孔隙，从而使复合铝合金的密度进一步减小，实现了轻量化和力学性能兼顾的技术效果。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明的实施例公开了复合铝合金，由铝合金基体、炭化稻壳、氟化钠和铁粉混合熔炼而制成，所述复合铝合金的表面及内部具有孔隙；
所述炭化稻壳的质量为所述铝合金基体质量的3％～10％；
所述氟化钠的质量为所述炭化稻壳质量的1％～3％；
所述铁粉的质量为所述炭化稻壳质量的1％～5％。
在本发明中，采用炭化稻壳作为主要添加物质，所述炭化稻壳的制备方法优选为：
将稻壳在水中浸泡后，冷冻粉碎，得到纳米级稻壳纤维；所述稻壳与水的质量比优选为1：10～1：50，浸泡时间优选为6～8小时；
将所述纳米级稻壳纤维在惰性气体保护下，以0.2～0.4℃/min的升温速率升温至380～400℃，保温炭化3～5h后，继续以0.6～0.8℃/min速率程序升温至550～600℃，保温炭化3～5h后，继续以8～15℃/min速率程序升温至1450～1500℃，保温反应2～4h后，冷却，得到炭化稻壳。
在浸泡过程中，水分充分渗透进入稻壳纤维内部，冷却时，稻壳纤维内部水分形成冰晶，然后经过粉碎，稻壳纤维内部冰晶碎裂，从而使稻壳纤维碎裂成纳米级稻壳纤维。随后，经过控制升温速率，于惰性气体保护下进行炭化。稻壳纤维的内部为木质素、半纤维素和纤维素等天然大分子，外部包裹一层天然的角质化的二氧化硅角质层。在缓慢升温炭化过程中，水分子和易挥发物质首先挥发，随着温度进一步升高，天然大分子发生热解而挥发，此时，外部包裹的角质化的二氧化硅作为支撑的壳层结构。经过热解后，内部天然大分子挥发后剩余的碳骨架存在于中空结构内部，起到一定的制成作用，避免稻壳纤维收缩塌陷，形成中空结构的稻壳纤维。随着炭化温度进一步升高，内部天然大分子进一步热解，此时外部壳层结构难以制成，逐渐沿着受力的剪切方向发生旋转，形成具有螺旋的中空纤维状结构的炭化稻壳。
所述炭化稻壳的结构中具有螺旋，因此可与铝合金基体形成良好的机械咬合，从而提高复合铝合金体系内部强度，从而提高体系内部强度。而且，所述炭化稻壳的纤维是中空的，可降低复合铝合金的密度，实现轻量化、
在本发明中所述炭化稻壳的质量为铝合金基体质量的3％～10％。
所述氟化钠和铁的加入，在熔炼过程中，可以催化部分炭化稻壳二氧化硅和碳发生反应，生成碳化硅晶须结构，此晶须结构的产生，可进一步提高复合铝合金的力学性能；炭化稻壳中剩余的炭质成分可避免熔炼过程中，金属被氧化。另外铁粉的加入，可以形成铝铁合金相，使复合铝合金在保持质量轻的同时具有硬度高、耐热、耐磨等性能，并且可以使其焊接性能得以提高。所述氟化钠的质量为所述炭化稻壳质量的1％～3％；所述铁粉的质量为所述炭化稻壳质量的1％～5％。所述铁粉优选为纳米级铁粉。
优选地，所述复合铝合金由铝合金基体、炭化稻壳、氟化钠和铁粉混合熔炼后，去除氟化钠而制成。熔炼后去除氟化钠，在合金的表面积每部形成孔隙，从而使复合铝合金的密度进一步减小，实现了轻量化和力学性能兼顾的技术效果。
在本发明中，所述铝合金基体为6000系列铝合金或7000系列铝合金。
本发明的实施例公开了一种复合铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(A)在惰性气体环境中，将铝合金基体加热至完全熔融，得到铝液；
(B)在惰性气体环境中，将所述铝液进一步升温，加入炭化稻壳、氟化钠和铁粉，混匀后熔炼，冷却、脱模，挤压成薄片；所述炭化稻壳的质量为铝合金基体质量的3％～10％；所述氟化钠的质量为所述炭化稻壳质量的1％～3％；
所述铁粉的质量为所述炭化稻壳质量的1％～5％。
(C)在惰性气体环境中，将所述薄片加热熔融，去除表面浮渣后，在水中浸泡冷却，得到复合铝合金。
以下详细说明复合铝合金的制备方法：
(A)在惰性气体环境中，将铝合金基体加热至完全熔融，得到铝液；
所述铝合金基体为一般用于汽车的铝合金，优选为所述铝合金基体为6000系列铝合金或7000系列铝合金。
(B)在惰性气体环境中，将所述铝液进一步升温，加入炭化稻壳、氟化钠和铁粉，混匀后熔炼，冷却、脱模，挤压成片状中间体；
所述炭化稻壳的制备方法优选为：
将稻壳在水中浸泡后，冷冻粉碎，得到纳米级稻壳纤维；
将所述纳米级稻壳纤维在惰性气体保护下，以0.2～0.4℃/min的升温速率升温至380～400℃，保温炭化3～5h后，继续以0.6～0.8℃/min速率程序升温至550～600℃，保温炭化3～5h后，继续以8～15℃/min速率程序升温至1450～1500℃，保温反应2～4h后，冷却，得到炭化稻壳。
所述炭化稻壳的质量为铝合金基体质量的3％～10％；
所述氟化钠的质量为所述炭化稻壳质量的1％～3％；
所述铁粉的质量为所述炭化稻壳质量的1％～5％。
优选地，所述铝液进一步升温至1450～1500℃，该温度下有利于二氧化硅和碳发生反应产生晶须结构。
优选地，混炼的时间为2～4小时。
优选地，所述冷却的温度为300～320℃。
优选地，所述片状中间体的厚度为0.4～0.6mm。
在熔炼过程中，氟化钠和铁粉催化部分炭化稻壳中的二氧化硅和碳发生反应，生成碳化硅晶须结构，此晶须结构的产生，可进一步提高复合铝合金的力学性能；碳化硅晶须是在熔炼过程中原位生成，可良好的分散于合金体系的内部，避免直接添加碳化硅而出现的分散性差、补强增韧效果差等问题。
炭化稻壳中剩余的炭质成分可避免熔炼过程中，金属被氧化。另外铁粉的加入，可以形成铝铁合金相，使复合铝合金在保持质量轻的同时具有硬度高、耐热、耐磨等性能，并且可以使其焊接性能得以提高。
(C)在惰性气体环境中，将所述薄片加热熔融，去除表面浮渣后，在水中浸泡冷却，得到复合铝合金。优选地，经过在水中浸泡冷却，达到室温。
优选地，所述浸泡冷却过程中同时配合超声处理，溶解去除氟化钠。
优选地，所述超声处理时，超声频率为45～65kHz，温度为45～55℃，时间为45～60min。
在水中浸泡冷却过程中，配合超声处理，使水分更容易渗透入合金的内部，氟化钠溶于水后，被溶出，实现了致孔，从而进一步达到轻量化的目的。
本发明还公开了一种汽车车身，包括上述技术方案所述的复合铝合金或者上述技术方案所述方法制备的复合铝合金。
经过试验测试，本发明制备的复合铝合金，强度和韧性较常规铝合金基体提升了15～20％，重量，即密度下降5～8％。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种复合铝合金、其制备方法及应用进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
将1kg稻壳在50kg水中浸泡6小时后，利用液氮急速冷冻，然后研磨粉碎，得到纳米级稻壳纤维；
将所述纳米级稻壳纤维在氩气保护下，以0.2～℃/min的升温速率升温至380℃，保温炭化5h后，继续以0.6℃/min速率程序升温至550℃，保温炭化5h后，继续以8℃/min速率程序升温至1450℃，保温反应4h后，冷却，得到炭化稻壳。
实施例2
(A)在氩气环境中，将10㎏6000系列铝合金(具体选择6061铝合金)加热至完全熔融，得到铝液；
(B)在氩气环境中，将所述铝液进一步升温至1450℃，加入0.3㎏实施例1制备的炭化稻壳、0.003㎏氟化钠和0.003㎏纳米铁粉，混匀后熔炼2小时，冷却至300℃、脱模，挤压成0.4mm的薄片；
(C)在氩气环境中，将所述薄片加热至熔融，去除表面浮渣后，在水中浸泡冷却，所述浸泡冷却过程中同时配合超声处理，超声频率为45kHz，温度为45℃，时间为45min，溶解去除氟化钠，冷却至室温，脱模后得到复合铝合金。
对得到复合铝合金的力学性能及密度等性能进行测试，结果参见表1。
实施例3
(A)在氩气环境中，将10㎏7000系列铝合金(具体选择7075铝合金)加热至完全熔融，得到铝液；
(B)在氩气环境中，将所述铝液进一步升温至1480℃，加入1㎏实施例1制备的炭化稻壳、0.03千克氟化钠和0.05千克纳米铁粉，混匀后熔炼3小时，冷却至320℃、脱模，挤压成0.6mm的薄片；
(C)在氩气环境中，将所述薄片加热至熔融，去除表面浮渣后，在水中浸泡冷却，所述浸泡冷却过程中同时配合超声处理，超声频率为50kHz，温度为50℃，时间为50min，溶解去除氟化钠，冷却至室温，脱模后得到复合铝合金。
对得到复合铝合金的力学性能及密度等性能进行测试，结果参见表1。
实施例4
(A)在氩气环境中，将10㎏7000系列铝合金(具体选择7075铝合金)加热至完全熔融，得到铝液；
(B)在氩气环境中，将所述铝液进一步升温至1500℃，加入0.5㎏实施例1制备的炭化稻壳、0.01千克氟化钠和0.015千克纳米铁粉，混匀后熔炼4小时，冷却至310℃、脱模，挤压成0.6mm的薄片；
(C)在氩气环境中，将所述薄片加热至熔融，去除表面浮渣后，在水中浸泡冷却，所述浸泡冷却过程中同时配合超声处理，超声频率为65kHz，温度为55℃，时间为60min，溶解去除氟化钠，冷却至室温，脱模后得到复合铝合金。
对得到复合铝合金的力学性能及密度等性能进行测试，结果参见表1。
表1
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
1.复合铝合金，所述复合铝合金由铝合金基体、炭化稻壳、氟化钠和铁粉混合熔炼后，去除氟化钠而制成，所述复合铝合金的表面及内部具有孔隙；
在所述混合熔炼过程中，所述炭化稻壳的质量为所述铝合金基体质量的3％～10％；所述氟化钠的质量为所述炭化稻壳质量的1％～3％；所述铁粉的质量为所述炭化稻壳质量的1％～5％；
所述炭化稻壳的制备方法为：
将稻壳在水中浸泡后，冷冻粉碎，得到纳米级稻壳纤维；
将所述纳米级稻壳纤维在惰性气体保护下，以0.2～0.4℃/min的升温速率升温至380～400℃，保温炭化3～5h后，继续以0.6～0.8℃/min速率程序升温至550～600℃，保温炭化3～5h后，继续以8～15℃/min速率程序升温至1450～1500℃，保温反应2～4h后，冷却，得到炭化稻壳。
2.根据权利要求1所述的复合铝合金，其特征在于，所述铝合金基体为6000系列铝合金或7000系列铝合金。
3.一种复合铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(A)在惰性气体环境中，将铝合金基体加热至完全熔融，得到铝液；
(B)在惰性气体环境中，将所述铝液进一步升温，加入炭化稻壳、氟化钠和铁粉，混匀后熔炼，冷却、脱模，挤压成片状中间体；所述炭化稻壳的质量为铝合金基体质量的3％～10％；所述氟化钠的质量为所述炭化稻壳质量的1％～3％；
所述炭化稻壳的制备方法为：
将稻壳在水中浸泡后，冷冻粉碎，得到纳米级稻壳纤维；
将所述纳米级稻壳纤维在惰性气体保护下，以0.2～0.4℃/min的升温速率升温至380～400℃，保温炭化3～5h后，继续以0.6～0.8℃/min速率程序升温至550～600℃，保温炭化3～5h后，继续以8～15℃/min速率程序升温至1450～1500℃，保温反应2～4h后，冷却，得到炭化稻壳；
所述铁粉的质量为所述炭化稻壳质量的1％～5％；
(C)在惰性气体环境中，将所述片状中间体加热熔融，去除表面浮渣后，在水中浸泡冷却，所述浸泡冷却过程中同时配合超声处理，溶解去除氟化钠，得到复合铝合金。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(B)中，所述铝液进一步升温至1450～1500℃。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(B)中，所述冷却的温度为300～320℃。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(C)中，所述超声处理时，超声频率为45～65kHz，温度为45～55℃，时间为45～60min。
7.一种汽车车身，其特征在于，包括权利要求1～2任意一项所述的复合铝合金或者3～6任意一项所述方法制备的复合铝合金。
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