CN111041287A - 一种石墨烯增强Al-Si铸造铝合金及其制备方法 - Google Patents

一种石墨烯增强Al-Si铸造铝合金及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111041287A
CN111041287A CN201911292058.7A CN201911292058A CN111041287A CN 111041287 A CN111041287 A CN 111041287A CN 201911292058 A CN201911292058 A CN 201911292058A CN 111041287 A CN111041287 A CN 111041287A
Authority
CN
China
Prior art keywords
particles
graphene
crucible
alloy
aluminum
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201911292058.7A
Other languages
English (en)
Inventor
范国强
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Guangzhou Amy Graphene Technology Co ltd
Original Assignee
Guangzhou Amy Graphene Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Guangzhou Amy Graphene Technology Co ltd filed Critical Guangzhou Amy Graphene Technology Co ltd
Priority to CN201911292058.7A priority Critical patent/CN111041287A/zh
Publication of CN111041287A publication Critical patent/CN111041287A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/02—Alloys based on aluminium with silicon as the next major constituent
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D21/00—Casting non-ferrous metals or metallic compounds so far as their metallurgical properties are of importance for the casting procedure; Selection of compositions therefor
    • B22D21/002—Castings of light metals
    • B22D21/007—Castings of light metals with low melting point, e.g. Al 659 degrees C, Mg 650 degrees C
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/10—Alloys containing non-metals
    • C22C1/1036—Alloys containing non-metals starting from a melt

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Silicon Compounds (AREA)

Abstract

本发明涉及一种石墨烯增强Al‑Si铸造铝合金及其制备方法，所述合金按重量百分比计的原料组分为：硅8.4～8.7％，石墨烯0.001～0.007％，铜0.20～0.35％，镁0.06～0.08％，铁0.01～0.03％，锌0.03～0.05％，锰0.02～0.05％，钛0.05～0.08％，锆0.06～0.10％，其余为铝和不可避免的杂质，杂质重量百分比的总和≤0.03％。本发明通过极微量石墨烯的添加和强化合金元素Cu的配比调控，能在提高铝硅合金的强度的同时，极大地改善铸造铝合金的延伸率和电导率，将其延伸率提高到14.17～17.34％，电导率提高到25.68～26.03MS/m。

Description

一种石墨烯增强Al-Si铸造铝合金及其制备方法
技术领域
本发明属于铝合金技术领域，具体涉及一种石墨烯增强Al-Si铸造铝合金及其制备方法。
背景技术
Al-Si铸造合金具有低密度、低膨胀系数、优良的铸造性能和成形性能等优点，广泛用于汽车壳体，电机设备底盘，引擎支架，变速箱和发电机。随着汽车、摩托车工业的迅速发展，其主要用于小型汽车的制动泵壳体及摩托车减震器壳体等形状较复杂，强度、精度要求较高的批量生产的中小型零部件，因此该系列铝合金常采用压铸工艺进行制备。同时，由于压铸件中气体缺陷的存在，在热处理过程中受热膨胀，使铸件产生起泡和变形，导致压铸件一般不能通过热处理强化。相比于常规铸造工艺，压铸能有效提高合金的强度，但会极大牺牲合金的塑性。如美国的高强度压铸铝合金A380.0(ASTM标准的SC84A)，常规重力铸造条件下，该合金屈服强度(σb)≈160MPa，屈服强度(σ0.2)≈65MPa，延伸率(δ)≈8％，但在压铸条件下抗拉强度(σb)≥320MPa，屈服强度(σ0.2)≥160MPa，延伸率(δ)≥3.5％。因此，要求Al-Si合金在常规铸造条件下即具有良好的塑性(延伸率高)和强度，以保证合金在压铸条件下能获得力学性能和塑性均良好的综合性能。
目前，提高铸造铝合金性能的方法之一是制备铝基复合材料。铝基复合材料通常以颗粒、晶须、纤维等形态的陶瓷相作为增强体，传统的颗粒增强铝基复合材料牺牲塑性提高一定的强度，且对材料的导电性能改善有限。石墨烯具有独特的二维结构，具有高强度、高导电性能和高导热性能等超强的力学和功能特性，被认为是较理想的复合材料增强体，有望实现材料的结构和功能一体化。
本发明提供了一种石墨烯增强Al-Si铸造铝合金及其制备方法，通过添加极少量的石墨烯和优化铸造铝合金成分，提高铸造铝合金的综合性能，使其兼具优良的强度、塑性和电导率，有望实现铸造铝合金结构功能一体化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种石墨烯增强Al-Si铸造铝合金及其制备方法，通过优化石墨烯和合金元素配比来改善铸造铝合金的力学性能和电导率，实现铸造铝合金结构功能一体化。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
提供一种石墨烯增强Al-Si铸造铝合金，所述合金按重量百分比计的原料组分为：硅8.4～8.7％，石墨烯0.001～0.007％，铜0.20～0.35％，镁0.06～0.08％，铁0.01～0.03％，锌0.03～0.05％，锰0.02～0.05％，钛0.05～0.08％，锆0.06～0.10％，其余为铝和不可避免的杂质，杂质重量百分比的总和≤0.03％。不可避免的杂质包括硼、铍、锡、铅。
具体实施例中，硅的质量分数可以为8.4％、8.5％、8.6％、8.7％，石墨烯的质量分数可以为0.001％、0.003％、0.005％、0.007％，铜的质量分数可以为0.20％、0.25％、0.30％、0.35％，镁的质量分数可以为0.06％、0.07％、0.08％，铁的质量分数可以为0.05％、0.06％、0.07％、0.08％，锌的质量分数可以为0.01％、0.02％、0.03％，锰的质量分数可以为0.02％、0.03％、0.04％、0.05％，钛的质量分数可以为0.05％、0.06％、0.07％、0.08％，锆的质量分数可以为0.06％、0.08％、0.09％、0.10％。
优选地，石墨烯在石墨烯增强Al-Si铸造铝合金中的含量为：0.001～0.005％。
按上述方案，所述合金抗拉强度为170.93～179.23MPa，屈服强度为72.17～75.61MPa，延伸率为14.17～17.34％，电导率为25.68～26.03MS/m。
本发明还提供上述石墨烯增强Al-Si铸造铝合金的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1：按合金成分计算并称取原料，准备铝粒、硅粒、石墨烯、铜粒、镁粒、铁粒、锌粒、锰粒、钛粒、锆粒；
步骤2：在熔炼炉坩埚底部铺一层铝粒，铝粒完全覆盖坩埚底部无缝隙，其用量为铝粒总量的1/3到1/2，随后将除铝粒和石墨烯以外的其他原料颗粒铺上，最后再依次铺上石墨烯和剩余的铝粒，并使铝粒完全盖住石墨烯；
步骤3：将熔炼炉坩埚置于熔炼炉中，关闭熔炼炉炉门，开启真空泵抽离炉内空气，随后充入高纯氩气进行洗气，继续抽真空到50Pa以下，然后充入高纯氩气作保护气氛，气体压力为500～1000Pa；
步骤4：打开熔炼炉电源开始熔炼合金，熔炼过程如下：用310A～320A电流加热200s～280s，使坩埚温度缓慢升高到750±5℃，随后保持电流大小不变，晃动坩埚80～90s，晃动幅度为熔炼炉坩埚中轴线正负15°，晃动频率为50～60次/min；随后将电流降至270A～280A，待坩埚温度降至720±5℃，轻微缓缓晃动坩埚40～50s，晃动幅度为熔炼炉坩埚中轴线正负10°，晃动频率为50～60次/min，最后关闭电源，待熔炼炉坩埚内熔液温度降到650±5℃时，将电流调至145～160A，带电将熔液浇铸到石墨模具中冷却；
步骤5：浇铸完成后，采用真空泵抽出炉内高温气体，抽真空时间为30s～40s，之后充入室温氩气，540s～600s后开炉取样得到石墨烯增强Al-Si铸造铝合金。
按上述方案，步骤1所述铝粒为φ6*6mm的柱状颗粒，纯度为99.95％；所述硅粒平均粒径为1～6mm，纯度为99.95％以上；所述石墨烯为单层石墨烯，x-y平面宽度最长为10μm，碳含量大于95.0％，氧含量小于2.50％；所述铜粒为φ2*6mm的柱状颗粒，纯度为99.99％以上；所述镁粒平均粒径为1～6mm，纯度为99.99％以上；其余原料纯度均为99.99％以上，平均粒径为1～3mm。
按上述方案，步骤3所述熔炼炉为感应熔炼炉。
本发明步骤2中将铝粒分别铺在坩埚底和其他原料上方，形成对高熔点原料的包覆，可在早期形成熔池，有利于高熔点原料的熔化。
本发明步骤4熔炼过程先升高坩埚温度，达到硅铝合金液相线以上100℃～150℃，随后对样品进行匀质处理，晃动坩埚，以促进石墨烯和合金元素均匀分布，随后将熔液温度降到720±5℃保温，防止合金过烧，最后带电浇铸，一方面利于在浇铸时浮渣漂向坩埚后面，不顺着熔液流入模具；另一方面是使坩埚内熔液保持温度，减少铸件疏松、缩孔等缺陷。
本发明合金中各主要组份的功能如下：
Si作为Al-Si合金的主要元素，Si的加入可以提高合金的铸造性能，改善合金的流动性，降低热裂倾向性，减少缩松，提高气密性，从而获得组织致密的铸件。Si是Al-Si合金组织中的第二相，虽然改善了合金的铸造性能，但当Si的含量wSi超过7％时，Si对合金的基体强度与韧性等均有所削弱，需要通过合金元素强化、改变第二相组织等手段提高合金的力学性能。
Cu是Al-Si合金中重要的元素，Cu的添加，能与Al形成θ相起到固溶强化和弥散强化的作用。548℃时Cu在Al中的最大溶解度为5.65％，当温度降到302℃时，Cu的溶解度为0.45％。此外，时效析出的Al2Cu有着明显的时效强化效果。当Cu的含量在4.5％～5.5％时固溶强化和弥散强化效果最好。但随着Cu含量的增加，合金的耐蚀性能和铸造性能会降低。同时，考虑压铸用Al-Si合金一般不通过热处理强化，因此优选的Cu添加量在0.1％～0.4％之间，仅考虑Cu对Al-Si合金的固溶强化效果。
石墨烯具有独特的二维结构，具有高强度、高导电性能和高导热性能等超强的力学和功能特性。本发明充分利用石墨烯的高强高韧性能，石墨烯在铝基体作为第二相存在，并与铝合金基体形成良好结合的界面，能有效阻止合金受力过程中的位错移动和裂纹扩展，提升合金强度的同时提高合金塑性，本发明通过添加微量石墨烯Al-Si合金综合性能。
本发明的有益效果是：
1).本发明通过极微量石墨烯的添加和强化合金元素Cu的配比调控，能在提高铝硅合金的强度的同时，极大地改善铸造铝合金的延伸率和电导率，将其延伸率提高到14.17～17.34％，电导率提高到25.68～26.03MS/m，相对于现有常规工艺下常规Al-Si铸造铝硅合金延伸率和电导率分别提高了178.36％和15.89％，实现结构功能一体化；
2).本发明中提供的制备方法条件相对比较温和、工艺简单，利用局部熔池效应和机械搅拌，加速合金的熔炼，从而减少了对熔炼设备的损耗，同时带电浇铸减少了铸造缺陷，提高铸造合金的成品率和合金性能，并且石墨烯的添加量极少，降低了铸造成本，适合工业化生产，市场前景良好。
附图说明
图1为本发明对比例2与实施例1～4中所制备的石墨烯增强铝硅铸造铝合金的金相显微组织结构图；
图2为对比例1～2与实施例1～4中所制备的石墨烯增强铝硅铸造铝合金抗拉强度和屈服强度变化曲线图；
图3为对比例1～2与实施例1～4中所制备的石墨烯增强铝硅铸造铝合金延伸率及电导率变化曲线图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
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，都属于本发明的保护范围。
本发明对比例及实施例所用铝粒为φ6*6mm的柱状颗粒，纯度为99.95％；所用硅粒平均粒径为1-6mm，纯度为99.95％；所述石墨烯为单层石墨烯，x-y平面宽度最长为10μm，碳含量大于95.0％，氧含量小于2.50％；所述铜粒为φ2*6mm的柱状颗粒，纯度为99.99％以上；所述镁粒平均粒径为1-6mm，纯度为99.99％；其余原料纯度为99.99％，平均粒径为1～3mm。
对比例1
本对比例采用现有技术中的元素配比制备70g的Al-Si铸造铝合金，其原料及重量百分比为：硅8.5％，铜0.08％，镁0.06％，铁0.01％，锌0.04％，锰0.03％，钛0.06％，锆0.08％，铝余量。
具体制备方法步骤如下：
步骤1：按照重量百分比称取各组分原料，准备铝粒、硅粒、铜粒、镁粒、铁粒、锌粒、锰粒、钛粒、锆粒；
步骤2：将所有原料混合后一起放入熔炼炉坩埚中；
步骤3：将熔炼炉坩埚置于熔炼炉中，关闭熔炼炉炉门，开启真空泵抽离炉体中空气，随后充入高纯Ar气进行洗气，继续抽真空到低压50Pa，然后充入高纯Ar气作为保护气氛至气体压力为500Pa；
步骤4：打开熔炼炉电源开始熔炼合金，熔炼过程如下：用310A～320A电流加热300s，使坩埚温度缓慢升高到750±5℃，随后保持电流大小不变；随后将电流降至270A～280A，待坩埚温度降至720±5℃,最后关闭电源，待熔炼炉坩埚内熔液温度降到650±5℃时，关闭电流，将熔液迅速浇铸到石墨模具中冷却；
步骤5：浇铸完成后，采用真空泵抽出炉内高温气体，抽真空时间为40s，之后充入室温氩气，600s后开炉取样得到合金。
经检测，本对比例所得Al-Si铸造铝合金的性能为：抗拉强度(σb)为163.36±3.47MPa，屈服强度(σ0.2)为66.73±1.23MPa，延伸率(δ)为6.23±1.42％％，电导率为22.46±0.10MS/m。
对比例2
本对比例拟制备70g的Al-Si铸造铝合金，其原料及重量百分比为：硅8.5％，铜0.20％，镁0.06％，铁0.01％，锌0.04％，锰0.03％，钛0.06％，锆0.08％，铝余量。
具体制备方法步骤如下：
步骤1：按照重量百分比称取各组分原料，准备铝粒、硅粒、铜粒、镁粒、铁粒、锌粒、锰粒、钛粒、锆粒；
步骤2：在熔炼炉坩埚底部铺一层铝粒，要求铝粒完全覆盖坩埚底部无缝隙，其量约为铝粒总量的1/3，随后将铝粒以外的其他原料颗粒铺上，最后再铺上剩余的铝粒，使铝粒完全覆盖其他原料颗粒；
步骤3：将熔炼炉坩埚置于熔炼炉中，关闭熔炼炉炉门，开启真空泵抽离炉体中空气，随后充入高纯Ar气进行洗气，继续抽真空到低压50Pa，然后充入高纯Ar气作为保护气氛至气体压力为500Pa；
步骤4：打开熔炼炉电源开始熔炼合金，熔炼过程如下：用310A～320A电流加热240s，使坩埚温度缓慢升高到750±5℃，随后保持电流大小不变，晃动坩埚80s，晃动幅度为熔炼炉坩埚中轴线正负15°，晃动频率为50～60次/min；随后将电流降至270A～280A，待坩埚温度降至720±5℃，轻微缓缓晃动坩埚40s，晃动幅度为熔炼炉坩埚中轴线正负10°，晃动频率为50～60次/min，最后关闭电源，待熔炼炉坩埚内熔液温度降到650±5℃时，将电流调至145～160A，带电将熔液浇铸到石墨模具中冷却；
步骤5：浇铸完成后，采用真空泵抽出炉内高温气体，抽真空时间为40s，之后充入室温氩气，600s后开炉取样得到合金。
经检测，本对比例所得Al-Si铸造铝合金的性能为：抗拉强度(σb)为169.82±4.67MPa，屈服强度(σ0.2)为69.95±1.03MPa，延伸率(δ)为7.43±1.78％％，电导率为23.49±0.10MS/m。
实施例1
本实施例拟制备70g的Al-Si铸造铝合金，其原料及重量百分比为：硅8.6％，石墨烯0.001％，铜0.20％，镁0.06％，铁0.01％，锌0.05％，锰0.02％，钛0.05％，锆0.06％，铝余量。
具体制备方法步骤如下：
步骤1：按照重量百分比称取各组分原料；
步骤2：在熔炼炉坩埚底部铺一层铝粒，铝粒完全覆盖坩埚底部无缝隙，其用量为铝粒总量的1/3，随后将除铝粒和石墨烯以外的其他原料颗粒铺上，最后再依次铺上石墨烯和剩余的铝粒，使铝粒完全盖住石墨烯；
步骤3：将熔炼炉坩埚置于熔炼炉中，关闭熔炼炉炉门，开启真空泵抽离炉体中空气，随后充入高纯氩气进行洗气，继续抽真空到50Pa，然后充入高纯氩气作为保护气氛至气体压力为500Pa；
步骤4：打开熔炼炉电源开始熔炼合金，熔炼过程如下：用310A～320A电流加热240s，使坩埚温度缓慢升高到750±5℃，随后保持电流大小不变，晃动坩埚80s，晃动幅度为熔炼炉坩埚中轴线正负15°，晃动频率为50～60次/min；随后将电流降至270A～280A，待坩埚温度降至720±5℃，轻微缓缓晃动坩埚40s，晃动幅度为熔炼炉坩埚中轴线正负10°，晃动频率为50～60次/min，最后关闭电源，待熔炼炉坩埚内熔液温度降到650±5℃时，将电流调至145～160A，带电将熔液浇铸到石墨模具中冷却；
步骤5：浇铸完成后，采用真空泵抽出炉内高温气体，抽真空时间为40s，之后充入室温氩气，600s后开炉取样得到合金。
经检测，本实施例所得石墨烯增强Al-Si铸造合金的性能为：抗拉强度(σb)为177.31±0.52MPa，屈服强度(σ0.2)为72.17±0.31MPa，延伸率(δ)为17.34±0.63％，电导率为26.03±0.10MS/m。
实施例2
本实施例拟制备70g的Al-Si铸造铝合金，其原料及重量百分比为：硅8.5％，石墨烯0.003％，铜0.25％，镁0.06％，铁0.02％，锌0.03％，锰0.04％，钛0.07％，锆0.08％，铝余量。
具体制备方法步骤如下：
步骤1：按照重量百分比称取各组分原料；
步骤2：在熔炼炉坩埚底部铺一层铝粒，铝粒完全覆盖坩埚底部无缝隙，其用量为铝粒总量的1/3，随后将除铝粒和石墨烯以外的其他原料颗粒铺上，最后再依次铺上石墨烯和剩余的铝粒，使铝粒完全盖住石墨烯；
步骤3：将熔炼炉坩埚置于熔炼炉中，关闭熔炼炉炉门，开启真空泵抽离炉体中空气，随后充入高纯氩气进行洗气，继续抽真空到50Pa，然后充入高纯氩气作为保护气氛至气体压力为500Pa；
步骤4：打开熔炼炉电源开始熔炼合金，熔炼过程如下：用310A～320A电流加热240s，使坩埚温度缓慢升高到750±5℃，随后保持电流大小不变，晃动坩埚80s，晃动幅度为熔炼炉坩埚中轴线正负15°，晃动频率为50～60次/min；随后将电流降至270A～280A，待坩埚温度降至720±5℃，轻微缓缓晃动坩埚40s，晃动幅度为熔炼炉坩埚中轴线正负10°，晃动频率为50～60次/min，最后关闭电源，待熔炼炉坩埚内熔液温度降到650±5℃时，将电流调至145～160A，带电将熔液浇铸到石墨模具中冷却；
步骤5：浇铸完成后，采用真空泵抽出炉内高温气体，抽真空时间为40s，之后充入室温氩气，600s后开炉取样得到合金。
经检测，本实施例所得石墨烯增强Al-Si铸造铝合金的性能为：抗拉强度(σb)为177.63±1.13MPa，屈服强度(σ0.2)为73.28±0.97MPa，延伸率(δ)为16.03±0.28％，电导率为25.68±0.10MS/m。
实施例3
本实施例拟制备70g的Al-Si铸造铝合金，其原料及重量百分比为：硅8.7％，石墨烯0.005％，铜0.30％，镁0.07％，铁0.03％，锌0.03％，锰0.05％，钛0.08％，锆0.10％，铝余量。
具体制备方法步骤如下：
步骤1：按照重量百分比称取各组分原料；
步骤2：在熔炼炉坩埚底部铺一层铝粒，铝粒完全覆盖坩埚底部无缝隙，其用量为铝粒总量的1/3，随后将除铝粒和石墨烯以外的其他原料颗粒铺上，最后再依次铺上石墨烯和剩余的铝粒，使铝粒完全盖住石墨烯；
步骤3：将熔炼炉坩埚置于熔炼炉中，关闭熔炼炉炉门，开启真空泵抽离炉体中空气，随后充入高纯氩气进行洗气，继续抽真空到50Pa，然后充入高纯氩气作为保护气氛至气体压力为500Pa；
步骤4：打开熔炼炉电源开始熔炼合金，熔炼过程如下：用310A～320A电流加热240s，使坩埚温度缓慢升高到750±5℃，随后保持电流大小不变，晃动坩埚80s，晃动幅度为熔炼炉坩埚中轴线正负15°，晃动频率为50～60次/min；随后将电流降至270A～280A，待坩埚温度降至720±5℃，轻微缓缓晃动坩埚40s，晃动幅度为熔炼炉坩埚中轴线正负10°，晃动频率为50～60次/min，最后关闭电源，待熔炼炉坩埚内熔液温度降到650±5℃时，将电流调至145～160A，带电将熔液浇铸到石墨模具中冷却；
步骤5：浇铸完成后，采用真空泵抽出炉内高温气体，抽真空时间为40s，之后充入室温氩气，600s后开炉取样得到合金。
经检测，本实施例所得石墨烯增强Al-Si铸造铝合金的性能为：抗拉强度(σb)为179.23±1.95MPa，屈服强度(σ0.2)为75.61±0.67MPa，延伸率(δ)为14.17±2.43％，电导率为25.74±0.10MS/m。
实施例4
本实施例拟制备70g的Al-Si铸造铝合金，其原料及重量百分比为：硅8.4％，石墨烯0.007％，铜0.35％，镁0.08％，铁0.01％，锌0.03％，锰0.03％，钛0.06％，锆0.09％，铝余量。
具体制备方法步骤如下：
步骤1：按照重量百分比称取各组分原料；
步骤2：在熔炼炉坩埚底部铺一层铝粒，铝粒完全覆盖坩埚底部无缝隙，其用量为铝粒总量的1/3，随后将除铝粒和石墨烯以外的其他原料颗粒铺上，最后再依次铺上石墨烯和剩余的铝粒，使铝粒完全盖住石墨烯；
步骤3：将熔炼炉坩埚置于熔炼炉中，关闭熔炼炉炉门，开启真空泵抽离炉体中空气，随后充入高纯氩气进行洗气，继续抽真空到50Pa，然后充入高纯氩气作为保护气氛至气体压力为500Pa；
步骤4：打开熔炼炉电源开始熔炼合金，熔炼过程如下：用310A～320A电流加热240s，使坩埚温度缓慢升高到750±5℃，随后保持电流大小不变，晃动坩埚80s，晃动幅度为熔炼炉坩埚中轴线正负15°，晃动频率为50～60次/min；随后将电流降至270A～280A，待坩埚温度降至720±5℃，轻微缓缓晃动坩埚40s，晃动幅度为熔炼炉坩埚中轴线正负10°，晃动频率为50～60次/min，最后关闭电源，待熔炼炉坩埚内熔液温度降到650±5℃时，将电流调至145～160A，带电将熔液浇铸到石墨模具中冷却；
步骤5：浇铸完成后，采用真空泵抽出炉内高温气体，抽真空时间为40s，之后充入室温氩气，600s后开炉取样得到合金。
经检测，本实施例所得石墨烯增强Al-Si铸造铝合金的性能为：抗拉强度(σb)为170.93±3.81MPa，屈服强度(σ0.2)为73.97±1.14MPa，延伸率(δ)为14.62±3.37％，电导率为25.86±0.10MS/m。
图1为本发明对比例2与实施例1～4中所制备的石墨烯增强铝硅铸造铝合金的金相显微组织结构图，其中(a)对比例2；(b)实施例1；(c)实施例2；(d)实施例3；(e)实施例4。由图可知，对比例和实施例中所制备合金的显微组织结构主要由初晶相(Al)和共晶组织((Al)+Si)构成。随着石墨烯和铜的添加，初晶相(Al)的形貌由枝晶状向等轴晶转变，且晶粒尺寸有所减小；共晶组织中的(Si)由针状向细纤维状发生转变，共晶(Si)颗粒得到细化，初晶相(Al)和共晶(Si)的细化和形貌的变化，将会利于强度和延伸率的提升。
图2、图3所示为本发明中对比例1和实施例1-4所制备的Al-Si铸造铝合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率和电导率变化曲线图。由图可知，相比于常规工艺的对比例1，对比例2采用了分层放料和机械搅拌结合，并带电浇筑的制备工艺，改善了合金中铸造缺陷，且Cu含量的增加，起到一定固溶强化的效果，最终对比例2合金的力学性能和电导率得到提升，抗拉强度、屈服强度、延伸率和电导率分别提升3.95％、4.83％、19.26、4.59％。
由图2-3可知，相比于对比例2，实施例1-4添加调控石墨烯和其他合金元素的配比，合金的强度、电导率和延伸率都得到了提高，且当石墨烯与铜的添加量为0.005wt.％和0.35wt.％时(实施例3)，抗拉强度和屈服强度提升的幅度最大，分别提高了5.65％和8.10％，达到179.23MPa和75.61MPa，此时，电导率提高了9.60％，同时延伸率也得到极大的改善，提高了90.75％。随着石墨烯和铜含量的进一步增加，力学性能有所下降，见实施例4。与对比例2相比，实施例1中的结果表明：当石墨烯与铜的添加量为0.001wt.％和0.20wt.％时，能在提高铝硅合金的铸造性能及强度的前提下，极大地改善铸造铝合金的延伸率和电导率，将其延伸率和电导率分别提高了133.36％和10.79％，达到17.34％和26.03MS/m。同时，此时铸造件的电导率基本能满足超特高压用电工材料导电性最低为26MS/m的要求，有望成为实现结构功能一体化。
图2-3可知，本发明中石墨烯和微量元素铜的添加可以极大地提高Al-Si铸造铝合金的塑性，并改善Al-Si铸造铝合金综合强度和电导率，为采用压铸工艺制备高性能的Al-Si合金提供了更好的选择，拓宽了该合金的实际运用范围。本发明中且石墨烯用量少，混合增强效果明显，扩大了其工业应用的范围，且制备工艺简单，利用局部熔池效应和机械搅拌，加速合金的熔炼，从而减少了对熔炼设备的损耗，同时带电浇铸减少了铸造缺陷，提高铸造合金的成品率和合金性能，进一步降低了成本。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种石墨烯增强Al-Si铸造铝合金，其特征在于：所述合金按重量百分比计的原料组分为：硅8.4～8.7％，石墨烯0.001～0.007％，铜0.20～0.35％，镁0.06～0.08％，铁0.01～0.03％，锌0.03～0.05％，锰0.02～0.05％，钛0.05～0.08％，锆0.06～0.10％，其余为铝和不可避免的杂质，杂质重量百分比的总和≤0.03％。
2.根据权利要求1所述的石墨烯增强Al-Si铸造铝合金，其特征在于：所述合金抗拉强度为170.93～179.23MPa，屈服强度为72.17～75.61MPa，延伸率为14.17～17.34％，电导率为25.68～26.03MS/m。
3.一种权利要求1或2所述的石墨烯增强Al-Si铸造铝合金的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1：按合金成分计算并称取原料，准备铝粒、硅粒、石墨烯、铜粒、镁粒、铁粒、锌粒、锰粒、钛粒、锆粒；
步骤2：在熔炼炉坩埚底部铺一层铝粒，铝粒完全覆盖坩埚底部无缝隙，其用量为铝粒总量的1/3到1/2，随后将除铝粒和石墨烯以外的其他原料颗粒铺上，最后再依次铺上石墨烯和剩余的铝粒，并使铝粒完全盖住石墨烯；
步骤3：将熔炼炉坩埚置于熔炼炉中，关闭熔炼炉炉门，开启真空泵抽离炉内空气，随后充入高纯氩气进行洗气，继续抽真空到50Pa以下，然后充入高纯氩气作保护气氛，气体压力为500～1000Pa；
步骤4：打开熔炼炉电源开始熔炼合金，熔炼过程如下：用310A～320A电流加热200～280s，使坩埚温度缓慢升高到750±5℃，随后保持电流大小不变，晃动坩埚80～90s，晃动幅度为熔炼炉坩埚中轴线正负15°，晃动频率为50～60次/min；随后将电流降至270A～280A，待坩埚温度降至720±5℃，轻微缓缓晃动坩埚40～50s，晃动幅度为熔炼炉坩埚中轴线正负10°，晃动频率为50～60次/min，最后关闭电源，待熔炼炉坩埚内熔液温度降到650±5℃时，将电流调至145～160A，带电将熔液浇铸到石墨模具中冷却；
步骤5：浇铸完成后，采用真空泵抽出炉内高温气体，之后充入室温氩气，540～600s后开炉取样得到石墨烯增强Al-Si铸造铝合金。
4.根据权利要求3所述的石墨烯增强Al-Si铸造铝合金的制备方法，其特征在于，步骤1所述铝粒为φ6*6mm的柱状颗粒，纯度为99.95％；所述硅粒平均粒径为1～6mm，纯度为99.95％以上；所述石墨烯为单层石墨烯，x-y平面宽度最长为10μm，碳含量大于95.0％，氧含量小于2.50％；所述铜粒为φ2*6mm的柱状颗粒，纯度为99.99％以上；所述镁粒平均粒径为1～6mm，纯度为99.99％以上；其余原料纯度均为99.99％以上，平均粒径为1～3mm。
CN201911292058.7A 2019-12-16 2019-12-16 一种石墨烯增强Al-Si铸造铝合金及其制备方法 Pending CN111041287A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911292058.7A CN111041287A (zh) 2019-12-16 2019-12-16 一种石墨烯增强Al-Si铸造铝合金及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911292058.7A CN111041287A (zh) 2019-12-16 2019-12-16 一种石墨烯增强Al-Si铸造铝合金及其制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111041287A true CN111041287A (zh) 2020-04-21

Family

ID=70236624

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911292058.7A Pending CN111041287A (zh) 2019-12-16 2019-12-16 一种石墨烯增强Al-Si铸造铝合金及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111041287A (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111575549A (zh) * 2020-05-26 2020-08-25 广州埃米石墨烯科技有限公司 一种石墨烯增强过共晶铝硅合金及其制备方法
CN111575551A (zh) * 2020-06-12 2020-08-25 武汉材料保护研究所有限公司 一种高强高导耐磨铝基复合材料及其制备方法
CN112111668A (zh) * 2020-09-27 2020-12-22 绵阳市优泰精工科技有限公司 一种高压输变电专用铝合金材料制造方法
US11685967B2 (en) 2020-11-17 2023-06-27 D. Mag (Kunshan) New Material Technology Co., Ltd Preparation method of high-strength and high-toughness A356.2 metal matrix composites for hub

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001001179A (ja) * 1999-06-23 2001-01-09 Denso Corp 耐食性が良好な真空ろう付け用アルミニウム合金ブレージングシート及びこれを使用した熱交換器
JP2018538433A (ja) * 2015-10-22 2018-12-27 リサーチ コーポレーション ファウンデーション オブ ヨンナム ユニバーシティ アルミニウム及びアルミニウム合金の粉末成形方法
CN109112367A (zh) * 2018-08-21 2019-01-01 广州埃烯金属科技有限公司 一种石墨烯增强Al-Si-Mg铸造铝合金及其制备方法
CN110512122A (zh) * 2019-08-30 2019-11-29 广州埃烯金属科技有限公司 一种石墨烯复合稀土变质亚共晶Al-Si-Mg铸造合金及其制备方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001001179A (ja) * 1999-06-23 2001-01-09 Denso Corp 耐食性が良好な真空ろう付け用アルミニウム合金ブレージングシート及びこれを使用した熱交換器
JP2018538433A (ja) * 2015-10-22 2018-12-27 リサーチ コーポレーション ファウンデーション オブ ヨンナム ユニバーシティ アルミニウム及びアルミニウム合金の粉末成形方法
CN109112367A (zh) * 2018-08-21 2019-01-01 广州埃烯金属科技有限公司 一种石墨烯增强Al-Si-Mg铸造铝合金及其制备方法
CN110512122A (zh) * 2019-08-30 2019-11-29 广州埃烯金属科技有限公司 一种石墨烯复合稀土变质亚共晶Al-Si-Mg铸造合金及其制备方法

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111575549A (zh) * 2020-05-26 2020-08-25 广州埃米石墨烯科技有限公司 一种石墨烯增强过共晶铝硅合金及其制备方法
CN111575551A (zh) * 2020-06-12 2020-08-25 武汉材料保护研究所有限公司 一种高强高导耐磨铝基复合材料及其制备方法
CN111575551B (zh) * 2020-06-12 2021-09-03 武汉材料保护研究所有限公司 一种高强高导耐磨铝基复合材料及其制备方法
CN112111668A (zh) * 2020-09-27 2020-12-22 绵阳市优泰精工科技有限公司 一种高压输变电专用铝合金材料制造方法
US11685967B2 (en) 2020-11-17 2023-06-27 D. Mag (Kunshan) New Material Technology Co., Ltd Preparation method of high-strength and high-toughness A356.2 metal matrix composites for hub

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109338180B (zh) 一种高强韧铸造铝硅合金及其制备方法和应用
CN111719071B (zh) 一种压铸用高导热高强度铝基复合材料及其制备方法
CN111041287A (zh) 一种石墨烯增强Al-Si铸造铝合金及其制备方法
CN109161735B (zh) 一种石墨烯稀土铈增强Al-Si-Mg铸造铝合金及其制备方法
CN108396204B (zh) 一种亚共晶铝硅合金铸件及提高其性能的工艺方法
CN109778027B (zh) 一种高强度a356合金的制备方法
CN108342606B (zh) 一种混合稀土改善原位铝基复合材料组织和性能的方法
CN109136674B (zh) 一种石墨烯稀土钪协同增强Al-Si-Mg铸造铝合金及其制备方法
CN110643862A (zh) 一种用于新能源汽车电池壳体铝合金及其压力铸造制备方法
CN108559875B (zh) 一种用于发动机活塞的高强耐热铝合金材料及其制备方法
CN110408807B (zh) 一种亚共晶Al-Si铸造合金及其制备方法
CN111763856B (zh) 一种亚共晶Al-Si-Mg-Ti-Sn铸造合金及其制备方法
CN110512122B (zh) 一种石墨烯复合稀土变质亚共晶Al-Si-Mg铸造合金及其制备方法
CN109112367B (zh) 一种石墨烯增强Al-Si-Mg铸造铝合金及其制备方法
CN107937764B (zh) 一种液态模锻高强韧铝合金及其液态模锻方法
CN114411031B (zh) 一种微米钛颗粒增强镁稀土基复合材料
CN116590583A (zh) 一种高强韧铸造铝合金材料及其制备方法
CN117026003A (zh) 一种基于复合变质细化的铝基复合材料搅拌铸造制备方法
CN113637880B (zh) 一种高强高塑铝硅镁合金及其制备方法
CN105986136A (zh) 一种添加稀土元素的高性能铝合金及其制备方法
CN113278831B (zh) 一种废杂铝制备再生adc12铝合金的方法
CN113005315B (zh) 一种高效Al-10Sr中间合金的制备方法
CN111575549A (zh) 一种石墨烯增强过共晶铝硅合金及其制备方法
CN111705248A (zh) 一种Al-4.5Cu铝铜合金材料及其制备方法
CN105063391A (zh) 一种缸盖用高硅含量铝合金材料及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20200421