CN108866455A - Al/Cu复合材料及其制备方法和用途 - Google Patents

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刘福强
张俊杰
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Abstract

本发明提供一种Al/Cu复合材料，所述Al/Cu复合材料至少包括：含铝相的基材，所述基材中嵌有铜相，所述铜相和铝相互相独立，所述铜相是连续或者不连续的铜丝或者铜管结构，铜相的体积分数为2%‑30%，其制备方法主要先采用编织或者绕制的方法制备铜相，然后渗入铝相。本发明所述的Al/Cu复合材料可应用于汽车制造，抗压强度可以达到300～450 MPa，延伸率达到9～18%，是纯铝强度的2.5倍。

Description

Al/Cu复合材料及其制备方法和用途
技术领域
本发明涉及一种Al/Cu复合材料其制备方法和用途，特别是涉及一种用于汽车上的Al/Cu复合材料。
背景技术
随着全球环境问题和能源危机，对汽车的要求越来越高，其中汽车轻量化是汽车降低燃耗及减少排放的最有效措施之一。汽车轻量化不仅仅是简单的车身重量的降低，而是在保持安全性能的基础上尽可能降低车身重量。目前，汽车轻量化主要有三个途径：结构设计优化、材料轻量化和制造工艺创新。其中，材料轻量化就是采用一些密度小、强度高的材料，例如铝合金、镁合金、碳纤维等。近年来，铝及其合金由于其密度小(2.7g/cm3)、比强度高而成为汽车轻量化中的宠儿，例如奥迪全新D5车型中铝制材料占全部车身的58％。
铝合金按照其成份划分，共有1-8系铝合金。从安全性角度考虑，要求铝合金具有较高的强度，但是强度越高加工成本越高，同时对连接技术提出更高的要求。例如硬铝和超硬铝在制备成车身零件后续焊接过程中，存在铝合金软化和裂纹、气孔等缺陷，这对焊接工艺是一个巨大挑战，同时会大幅提高成本。传统的2系Al(Cu)主要利用Cu的固溶强化原理提高基体Al的力学性能，但是2系合金焊接性能较差，存在软化、裂纹等缺陷，一般需要采用高级的焊接设备和附加条件焊接(例如采用激光焊接、焊前预热、焊后缓冷等工艺)。即传统铝合金强度与焊接性存在一个博弈，强度高的同时可焊性差。因此，开发高强度、焊接性好的铝合金具有重要的现实意义和经济效益。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种Al/Cu复合材料其制备方法和用途，用于解决现有技术中的不足。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种Al/Cu复合材料，所述Al/Cu复合材料至少包括：含铝的基材，所述基材中嵌有铜相，所述铜相和铝相互相独立，所述铜相是连续或者不连续的铜丝或者铜管结构，铜相的体积分数为2％-30％。
优选地，所述基材是纯铝、4系铝合金、5系铝合金、6系铝合金中的任意一种或几种。
所述4系铝合金通常是指主要由铝和硅所构成的合金，所述4系铝合金中通常硅含量在4.5-6.0％之间。
所述5系铝合金通常是指主要由铝和镁构成的合金，其中含镁量在3-5％之间，
所述6系铝合金通常是指由铝、镁和硅构成的合金。
优选地，所述铜相的直径为0.05-0.2mm。
优选地，所述铜相均匀分布于铝相中。
本发明的另一方面提供了上述的Al/Cu复合材料的制备方法，至少包括以下步骤：
(1)制备具有连续或者不连续的铜丝或者铜管结构的铜相；
(2)将铝加入铜相中，冷却成型。
优选地，所述步骤(1)中制备具有连续或者不连续的铜丝或者铜管结构的铜相采用编织法或者绕制。
所述铜相直径为0.05-0.2mm
所述步骤(2)中，本领域技术人员可根据铜相所占的体积分数，确定合适用量的铝加入铜相中，以形成所述Al/Cu复合材料。
所述编织绕制是现有技术，是本领域的技术人员所熟知的。
优选地，所述步骤(2)采用压铸、真空吸铸、无压浸渗或离心铸造中的任意一种或几种。上述具体工艺参数与铝合金成分和Cu构型形状和数量决定，工艺参数包括：铝合金铸造温度、铸造压力、铸造时间等。
优选地，采用压铸的方法，其中压力：20MPa-60MPa，时间：5S-20S，温度：600-800℃。
优选地，采用无压浸渗的方法，其中温度600-800℃，时间1min，
优选地，采用真空吸铸：其中电流200A，温度600-800℃，真空度：10-1Pa，时间：30-50S，负压：30-80MPa。
本发明的另一方面还提供了上述Al/Cu复合材料用于制备汽车用途，例如可以用于B柱、前/后保险杠、车门、仪表盘横梁等车身结构。使用时还可以在Al/Cu复合材料上进行涂层防护的状态(例如微弧氧化处理等)。
如上所述，本发明的Al/Cu复合材料，具有以下有益效果：
抗压强度可以达到300～450MPa，延伸率达到9～18％，是纯铝强度的2.5倍，达到传统的Al(Cu)的强度级别；由于两相(基材和铜相)相互独立，所形成的Al/Cu复合结构的焊接性能由基材(铝相)决定，因此本发明涉及的Al/Cu复合材料的具有良好的焊接性能，保证高强度的同时加工成本较低，并且可以采用传统的焊接方法进行连接(例如TIG、MIG、MAG、CMT等)；其表面状态可以是原始状态，也可以是为了防腐而后续进行涂层防护的状态(例如微弧氧化处理等)，可以用于B柱、前/后保险杠、车门、仪表盘横梁等车身结构。
附图说明
图1显示为Al/Cu复合材料的宏观结构。
图2显示为Al/Cu复合材料的微观结构。
图3显示为Al/Cu复合材料(Cu的体积分数为20％，铜纤维直径为0.08mm)和纯Al的力学性能对比。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1至图3。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例一：
(1)采用绕制法制备铜丝，
(2)将纯Al 660℃加热熔化，通过无压渗透的方法，(其中温度600℃，时间1min，)将Al渗进到多孔Cu构型中，冷却至室温形成Al/Cu复合材料。
其中Cu丝的直径是0.05mm,空间三维构型中Cu纤维是连续随机分布，Cu的体积分数是2％，压缩力学强度为300MPa，延伸率为9％。可以采用MIG焊进行连接，应用于前保险杠。其宏观结构如图1，微观结构如图2。
实施例二：
(1)采用编织法制备铜管，
(2)将Al-Si合金750℃加热熔化，通过离心铸造的方法，将Al渗进到多孔Cu构型中，冷却至室温形成Al/Cu复合材料。
其中Cu管的直径是0.1mm,空间三维构型中铜相管是连续规律均匀分布，Cu的体积分数是15％，压缩力学强度为390MPa，延伸率为13％，可以采用CMT弧焊进行连接，应用于仪表盘横梁(CCB)。
实施例三：
(1)采用绕制法制备铜丝。
(2)将Al-Mg合金780℃加热熔化，通过压力铸造的方法，(工艺参数：压力：20MPa，时间：20S，温度：800℃)将Al渗进到多孔Cu构型中，冷却至室温形成Al/Cu复合材料。
其中Cu丝的直径是0.2mm,空间三维构型中Cu丝是非连续随机分布，Cu的体积分数是30％，压缩力学强度为450MPa，延伸率为18％。可以采用MAG焊进行连接，应用于车身加强件B柱。
实施例四：
(1)采用绕制法制备铜丝。
(2)将Al-Mg-Si合金通过压力铸造的方法(工艺参数：压力：35MPa，时间：15S，温度：730℃)，将Al渗进到多孔Cu构型中，冷却至室温形成Al/Cu复合材料。
其中Cu丝的直径是0.08mm,空间三维构型中Cu丝是非连续随机分布，Cu的体积分数是20％，压缩力学强度为400MPa，延伸率为10％。
其力学性能和基材纯Al的力学性能对比如图3，结果表明本发明制备的Al/Cu复合材料比纯Al抗压性能明显提高。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种Al/Cu复合材料，其特征在于，所述Al/Cu复合材料至少包括：含铝相的基材，所述基材中嵌有铜相，所述铜相和铝相互相独立，所述铜相是连续或者不连续的铜丝或铜管，铜相的体积分数为2％-30％。
2.根据权利要求1所述的Al/Cu复合材料，其特征在于：所述基材是纯铝、4系铝合金、5系铝合金、6系铝合金中的任意一种或几种。
3.根据权利要求1所述的Al/Cu复合材料，其特征在于：所述铜相的直径为0.05-0.2mm。
4.如权利要求1～3任意项所述的Al/Cu复合材料的制备方法，其特征在于至少包括以下步骤：
(1)制备具有连续或者不连续的铜丝或者铜管结构的铜相；
(2)将铝加入铜相中，冷却成型。
5.根据权利要求1所述的Al/Cu复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中制备具有连续或者不连续的铜丝或者铜管结构的铜相采用编织法或者绕制。
6.根据权利要求1所述的Al/Cu复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)采用压铸、真空吸铸、无压浸渗或离心铸造中的任意一种或几种。
7.根据权利要求6所述的Al/Cu复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)采用压铸，其中压力：20MPA-60MPA，时间：5S-20S，温度：600-800℃。
8.如权利要求1～3任意项权利要求所述的Al/Cu复合材料用于制备汽车用途。
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