CN109735736B - 一种低密度金属基复合材料的制备方法 - Google Patents

一种低密度金属基复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种低密度金属基复合材料的制备方法，(1)准备密度为1.8～8.9克/立方厘米的金属或合金，加热至熔融得到液态金属；(2)准备密度为0.3～1.2克/立方厘米的非金属材料，将非金属材料破碎为粒度500～800目的非金属颗粒；(2)将步骤(2)中的非金属颗粒分散至步骤(1)得到的液态金属中形成混合熔液；(4)搅拌棒机械搅拌步骤(3)得到的混合熔液，搅拌同时向混合熔液中加入氩气，搅拌棒的搅拌速度设定为1200～2200转/分钟，搅拌时间设定为10～180秒，得到半固态金属基复合浆料，其中，压缩空气的流量设定为8～25升/分钟；(5)将步骤(4)得到的半固态金属基复合浆料压铸成型得到低密度金属基复合材料。

Description

一种低密度金属基复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料压铸技术领域，尤其涉及一种轻量化铝基复合材料的压铸方法。
背景技术
压铸是一种特种铸造工艺，是用压铸机通过高压把铝、镁等轻合金以液态形式高速充填到金属压铸模具型腔生产金属压铸结构件的过程。压铸件具有强度高、少加工的特性，铝合金的密度为2.7g/cm3，属有色轻金属合金。半固态金属铸造工艺技术是一种介于固态成形与液态成形之间的金属成形技术，具有液态流动性好、热应力低、可压铸成形薄壁零部件的优点，半固态浆料的固相率在20-60％，半固态组织是元整的球状晶，这种组织细小致密，产品致密性较好。
目前，轻量化金属材料例如泡沫铝是用发泡法生产的，这种高孔隙率的轻量化材料密度在0.3～0.8g/cm3之间，孔隙率在60～90％之间，孔径在0.2～7mm之间，但强度低、脆性大，导致其机械加工成型率低、难以满足对尺寸有高精度要求的领域其强度较低，不适合做承重受力件使用。
因此，提供一种降低金属材料密度的同时改善其强度性能的金属材料的制备方法是本领域急需解决的技术问题。
发明内容
本发明旨在解决上面描述的问题，提供一种轻量化低密度的金属基复合材料的压铸方法。
根据本发明的一个方面提供一种低密度金属基复合材料的制备方法，(1)准备密度为1.8～8.9克/立方厘米的金属或合金，加热至熔融得到液态金属；(2)准备密度为0.3～1.2克/立方厘米的非金属材料，将非金属材料破碎为粒度500～800目的非金属颗粒；(3)将步骤(2)中的非金属颗粒分散至步骤(1)得到的液态金属中形成混合熔液；(4)搅拌棒机械搅拌步骤(3)得到的混合熔液，搅拌同时向混合熔液中加入压缩空气氩气，搅拌棒的搅拌速度设定为1200～2200转/分钟，搅拌时间设定为10～180秒，得到半固态金属基复合浆料，其中，压缩空气的流量设定为8～25升/分钟；(5)将步骤(4)得到的半固态金属基复合浆料压铸成型得到低密度金属基复合材料。
可选择地，步骤(3)中分散至液态金属中的非金属颗粒的加入量，以液态金属的重量百分比计，小于或等于液态金属的60％。
可选择地，步骤(3)中分散至液态金属中的非金属颗粒的加入量，以液态金属的重量百分比计，为液态金属的30～50％。
可选择地，步骤(2)中进一步将非金属颗粒预热至到150～350摄氏度。
可选择地，步骤(4)中搅拌得到的半固态金属基复合浆料温度控制在615～625摄氏度。
可选择地，步骤(4)向混合熔液中氩气量设定为3～8千克。
可选择地，步骤(1)中准备的金属或合金为金属铝、金属铜、铝基合金、铜基合金或其混合物。
可选择地，步骤(2)中准备的非金属材料的密度为0.3～0.6克/立方厘米，非金属材料中包含50％～70％的石墨或/和碳纳米管。
可选择地，获得的低密度金属基复合材料密度小于1.0克/立方厘米。
本发明的低密度金属基复合材料的制备方法将半固态流变压铸工艺应用低密度轻量化复合材料生产中，用液态金属-固态非金属混合制备成半固态浆料压铸生产低密度复合材料，利用金属基材料的高强度组织性能优势和轻质非金属材料的低密度性能压铸出降低密度同时兼顾强度性能的金属基复合材料拓展了半固态工艺的应用领域。
本发明的低密度金属基复合材料中的低密度是密度与作为原料的金属基材料相比，密度降低60％及以上。
本发明选择加入的非金属材料主要用于降低金属集体材料的密度，加入的非金属材料的密度越小则得到的低密度金属基复合材料的密度越小，本发明选择加入密度为0.3～1.2克/立方厘米的非金属材料。非金属材料的加入量越大则得到的金属基复合材料的密度越小，但是非金属材料的加入量过大无法形成半固态浆料，因此非金属材料的加入量以液态金属的重量百分比计，小于或等于液态金属的60％，非金属材料的加入量为30～60％取得了意想不到的效果，值得的低密度金属复合材料在抗电磁干扰、减震方面有良好表现，可用于航天领域或汽车工业。加入的非金属材料的尺寸过大则会导致与金属熔液浸润不够导致制备得到的低密度金属基复合材料中存在未熔化的非金属颗粒影响其品质，加入的非金属材料的粒度越小，非金属材料与金属熔液的浸润则更完全，制备得到的金属基复合材料密度更低，但是破碎非金属材料至越小尺寸所需工艺要求越高，因此本发明中选择将非金属材料破碎成粒度500-800目的非金属颗粒。
本发明的低密度金属基复合材料的制备方法通过破坏金属与非金属的混合熔液的固化过程形成半固态金属基复合浆料，其中均匀分散着元整的球状晶体使得压铸得到的金属基复合材料的内部组织细小致密，可用于制备高尺寸精度的工件。半固态金属基复合浆料的固相率为20～60％，可压铸成形薄壁零部件，在能源、化学化工、航空、军工、生物等多个领域具有广泛的应用前景。
本发明采用半固态流变压铸代替传统的球磨、液态压铸以及复合层压烧结等方法制备金属-非金属复合材料，得到了意想不到的效果，半固态半固态工艺细化浆液中晶体，获得粒度更小的浆料，显著提高材料硬度、强度等性能，压铸得到的低密度金属基复合材料中金属与分金属混合物协同使得复合材料孔隙率更高，孔隙隙径更均匀分散，得到的低密度金属基复合材料密度较金属基同比下降60％以上、抗拉强度达到200兆帕以上、硬度达到布氏力度80公斤力/平方毫米以上，可以作为轻量化承重受力件。
本发明在搅拌过程中，向混合熔液中加入压缩空气，压缩空气刺激混合熔液，加速混合溶液中晶体碰撞同时带走搅拌棒的热量以将制备的半固态金属基复合浆料的温度控制在620±5℃，在此温度范围内压铸得到的金属基低密度复合材料强度及塑性更好，延伸率可达18％以上。
本发明的低密度金属基复合材料的压铸方法操作简单、处理量大、材料选择限制少，可根据应用领域不同的性能调节原料，改善了当前工业上应用低密度金属对于优质铝矿的依赖，充分利用中低品相金属提升其品质，有利于资源的可持续发展。
本发明的低密度金属基复合材料的制备方法的有益效果为：
1、本发明的低密度金属基复合材料的制备方法，利用金属高强度组织性能优势和轻质非金属材料的低密度性能压铸出低密度高强度复合材料用于轻量化结构件，拓展半固态技术的应用领域。
2、本发明的低密度金属基复合材料的制备方法，充分利用中低品相金属提升其品质，有利于资源的可持续发展。
3、本发明的低密度金属基复合材料的制备方法，工艺简单、可操作性强、处理量大、原材料选择限制少。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
下面将通过具体实施例的方式详细解释本发明提供的低密度金属基复合材料的制备方法及其制备得到的低密度金属基复合材料。
1S准备密度为1.8～8.9克/立方厘米的金属或合金，加热至熔融得到液态金属，液态金属的温度设定为720～750摄氏度。可选择地，准备的金属或合金为金属铝、金属铜、铝基合金、铜基合金或其它金属或合金中的一种及以上。优选地，准备的金属为铝合金，在此条件下制备得到的低密度金属基复合材料的密度可达到0.85～0.98克/立方厘米。
2S准备密度为0.3～1.2克/立方厘米的非金属材料，将非金属材料破碎为粒度500～800目的非金属颗粒。优选地，准备的非金属材料的密度为0.3～0.6克/立方厘米，在此条件下得到的低密度金属基复合材料的密度更低。优选地，准备的非金属材料中包含50％～70％的石墨或/和碳纳米管，在此条件下得到的低密度金属基复合材料兼具低密度、高强度的同时，导电、导热性能良好，石墨或/和碳纳米管中的碳在半固态金属基复合浆料中增加了低密度金属基复合材料的塑性，使具有更加好的延展性，且石墨或碳纳米管与金属基材料结合形成可作为承重受力件骨架结构。例如在实际操作过程中，可以选择包含50％、60％、65％或70％的石墨或/和碳纳米管、余量为金刚石、碳化硅、玻璃钢、石英中的一种或以上。
3S将非金属颗粒预热至到150～350摄氏度分散到液态金属中形成混合熔液。优选地，非金属颗粒预热至到180～200摄氏度，在此条件下非金属颗粒与液态金属完全浸润所需时间更短，得到的半固态金属基复合浆料的流动性更好，压铸件尺寸精度更高。例如，在具体实施过程中，可以选择将非金属颗粒预热至到180、185、190、195或200摄氏度。分散至液态金属中的非金属颗粒以液态金属的重量百分比计，小于或等于液态金属的60％。优选地，非金属颗粒的加入量，以液态金属的重量百分比计，为液态金属的30～50％，在此条件下避免因非金属材料占比过大无法满足压铸充型条件或虽满足压铸充型条件但压铸成型率低的问题，制备得到的低密度金属基复合材料强度高、成型率高，无需打磨即可进行电镀，节约生产工艺。例如，在具体实施过程中，可以选择非金属颗粒的加入量，以液态金属的重量百分比计，为液态金属的30％、35％、40％、45％或50％。
4S搅拌棒机械搅拌3S得到的混合熔液，搅拌同时向混合熔液中加入氩气，氩气量设定为3～8千克，搅拌棒的搅拌速度设定为1200～2200转/分钟，搅拌时间设定为10～180秒，得到温度为615～625摄氏度的半固态金属基复合浆料，其中，氩气的流量设定为8～25升/分钟。优选地，搅拌棒的搅拌速度设定为1800～2000转/分钟，在此条件下搅拌得到的半固态金属基复合浆料的温度更接近620摄氏度，固态非金属颗粒与液态金属混合在液态金属内部与金属晶体紧密结合形成均匀不分离的半固态复合，具有良好的流动性。例如，在具体实施过程中，可以选择1800转/分钟、1900转/分钟或2000转/分钟。优选地，搅拌时间设定为10～30秒，在此条件下制备得到的低密度金属基复合材料的压铸件壁厚更薄，比相同的金属液态压铸件的壁厚克减薄30～50％。例如，在具体实施过程中，可以选择搅拌时间设定为10、15、20、25或30秒。优选地，氩气量设定为3～6千克，在此条件下压缩空气刺激混合熔液运动，增加混合溶液中金属与非金属碰撞使其结合更紧密、分布更分散，但是又能避免引起混业熔液翻滚引入其它杂质或在半固态金属基复合浆料中形成夹杂的气泡，在此条件下压制备得到的低密度金属基复合材料的密度更轻。例如，在具体实施过程中，可以选择氩气量为3千克、4千克、5千克或6。优选地，氩气的流量设定为12～15升/分钟，在此条件下氩气能够带走大量搅拌棒周围的热量，避免搅拌棒腐蚀造成半固态金属基复合浆料污染，降低制备得到的低密度金属基复合材料的强度。例如，在具体实施过程中，可以选择氩气的流量为12升/分钟、13升/分钟、14升/分钟或15升/分钟。
5S将步骤(4)得到的半固态金属基复合浆料以1.5～2.5米/秒的压射速度、30～80兆帕的压射比压、60～80兆帕的增压压力压铸成型，保压7～30秒压铸成型得到低密度金属基复合材料。优选地，压射速度为1.8～2.2米/秒的压射速度，在此压射速度下压射，凝固时间缩短，成型率更高，例如在实际操作过程中，可以选择1.8米/秒、1.9米/秒、2.0米/秒或2.2米/秒的压射速度。优选地，压射比压为45～80兆帕，在此条件下的得到的低密度金属基复合材料的成型率高达95％以上，例如在实际操作过程中，可以选择45兆帕、55兆帕、65兆帕以及80兆帕的压射比压。优选地，增压压力为60～70兆帕，在此条件下压铸得到的低密度金属基复合材料强度更高，更耐磨损，例如在实际操作过程中，可以选择60兆帕、65兆帕或70兆帕的增压压力。优选地，保压时间设定为10～15秒，在此条件下得到的低密度金属基复合材料更完整且成型率高，避免因保压时间短造成低密度金属基复合材料未定型也避免保压时间过长导致生产周期增长。
下面进一步通过列表的方式，给出本发明的实施例中的低密度金属基复合材料的制备方法在选用铝合金作为金属基、石墨与碳纳米管的混合物作为非金属材料时，不同制浆条件下对低密度金属基复合材料的密度影响。具体请参见表1示出的本发明低密度金属基复合材料的密度表。
表1A
表1B
表1C
最后应说明的是：在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包含一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个…”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种低密度金属基复合材料的制备方法，其特征在于，
(1)准备密度为1.8～8.9克/立方厘米的金属或合金，加热至熔融得到液态金属；
(2)准备非金属材料，将非金属材料破碎为粒度500～800目的非金属颗粒；
(3)将步骤(2)中的非金属颗粒分散至步骤(1)得到的液态金属中形成混合熔液；
(4)搅拌棒机械搅拌步骤(3)得到的混合熔液，搅拌同时向混合熔液中加入氩气，搅拌棒的搅拌速度设定为1200～2200转/分钟，搅拌时间设定为10～180秒，得到半固态金属基复合浆料，其中，氩气的流量设定为8～25升/分钟；
(5)将步骤(4)得到的半固态金属基复合浆料压铸成型得到低密度金属基复合材料；
步骤(3)中分散至所述液态金属中的所述非金属颗粒的加入量，以所述液态金属的重量百分比计，为所述液态金属的30～50％；
步骤(1)中准备的金属或合金为金属铝、金属铜、铜基合金或其混合物；
步骤(2)中准备的所述非金属材料的密度为0.3～0.6克/立方厘米，所述非金属材料中包含50％～70％的石墨或/和碳纳米管；
获得的低密度金属基复合材料密度大于0.8小于1.0克/立方厘米。
2.如权利要求1所述的低密度金属基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中进一步将所述非金属颗粒预热至到150～350摄氏度。
3.如权利要求1所述的金属基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中搅拌得到的所述半固态金属基复合浆料温度控制在615～625摄氏度。
4.如权利要求3所述的低密度金属基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)向所述混合熔液中氩气量设定为3～8千克。
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