CN111575551B - 一种高强高导耐磨铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强高导耐磨铝基复合材料及其制备方法，首先将所有的原材料在烘干箱中烘干，去除水分；然后将石墨烯和铝钎剂在混料机中充分混合；之后将铝块和硅块在700‑800℃温度下进行熔化；之后在熔融物料中加入银块和镁块，并搅拌分散一段时间；之后进行精炼和除渣；之后通入惰性气体进行保护；降温至650‑680℃，加入石墨烯和铝钎剂的混合物，并搅拌5‑10分钟；再次进行扒渣，之后得到精炼溶液；对所炼的精炼溶液进行浇铸成型，空冷至室温，即得高强高导耐磨铝基复合材料。本发明利用铝钎剂和铝合金用铝液的交互作用，对石墨烯进行改性，有效改善了石墨烯和铝液润湿性差的问题，本发明成分简单，成本低，产率高，产品各项性能优异。

Description

一种高强高导耐磨铝基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于冶金行业铝合金冶炼技术领域，涉及一种提高铸造铝合金强度、导电性和耐磨性的制备方法，具体涉及一种高强高导耐磨铝基复合材料及其制备方法，重点解决铝合金强度、耐磨性和导电性互相制约的问题。
背景技术
材料性能控制技术的发展是一个不断满足铝合金强度、韧性、导电性、耐磨性以及更高要求的过程。高强度、高导电性以及高耐磨性是通过合金化的方式实现的。但是，一般合金化会带来一些问题，如生产成本高、强度与导电性两者不能兼容等问题，从而使高强高导耐磨铝合金的开发受到了限制。而高性能铸造铝合金已成为材料领域中不可或缺的合金体系。在电工领域的导电材料、导电电极、导电母材等、在线路上的线缆、导线以及金具上、在电动汽车上的转子或逆变器等部件等均对高强高导耐磨铝合金有迫切需求。
针对如何制备高强高导耐磨铝合金材料，在铝基材料中加入碳基材料成为一种有效途径，碳基材料中最理想的是石墨烯，但是石墨烯与铝合金熔融液结合不好，很难均匀分散，如何将石墨烯均匀分散到铝基体中，有效提升铝基材料的强度、导电性和耐磨性是亟待解决的技术问题。
经检索：中国专利公开号为CN111101172A公开了一种石墨烯铝复合材料及其制备方法，其实现的方法为通过冰模板法形成石墨烯气凝胶，并将石墨烯气凝胶作为阴极置于熔融电解盐中，阳极为金属铝，电解电流为250mA-350mA，制备石墨烯铝复合材料。此发明中石墨烯气凝胶的制备较为繁琐，不易制备，操作上存在困难。
公开号为CN 109402442A的专利文献中提供了一种石墨烯增强铝基复合材料的压铸制备方法，其实现的方法为采用半固态压铸的方法，经熔炼、保温、电磁搅拌、压实、压铸成石墨烯增强铝基复合材料。其制备的复合材料硬度达85HB，抗拉强度达245MPa，延伸率达8％。此发明实现过程中的制备半固态铝合金铸锭，工艺参数没有涉及，难以控制；石墨烯增强铝基复合材料制备过程中石墨烯从加入到浇铸大概在高温下1h左右，长时间的高温容易生成Al4C3有害相。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度、高耐磨，导电性性能优异的高强高导耐磨铝基复合材料及制备方法，重点解决铝合金强度、耐磨性和导电性互相制约的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术手段如下：
一种高强高导耐磨铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、材料制备，将石墨烯、铝钎剂、铝块、硅块、银块和镁块所有的原材料在烘干箱中烘干，去除水分；
步骤2、将石墨烯和铝钎剂在混料机中充分混合；
步骤3、将铝块和硅块在700-800℃温度下进行熔化，得到熔融物料；
步骤4、之后在熔融物料中加入银块和镁块，并搅拌分散一段时间；
步骤5、对步骤4中获得的熔融物，进行精炼和除渣；
步骤6、之后通入惰性气体进行保护；
步骤7、降温至650-680℃，加入石墨烯和铝钎剂的混合物，并搅拌5-10分钟；
步骤8、再次进行扒渣，之后得到精炼溶液；
步骤9、对所炼的精炼溶液进行浇铸成型，空冷至室温，即得高强高导耐磨铝基复合材料。
优选的，所述步骤1中，去除水分过程中，在烘干箱内烘干时间不小于3小时。
优选的，所述步骤2中，所述石墨烯和铝钎剂在混料机中混合时间大于30min，石墨烯和铝钎剂的混合比例≤1:5。
优选的，所述步骤4中，搅拌时间为10-15分钟。
优选的，所述步骤5中，精炼过程中加入的精炼剂主成分包括碳+钠盐或钠盐+氯化物。
优选的，上述碳为石墨，钠盐为硝酸钠，硫酸钠，氯化物为氯化钠、氯化钙和氯化钾等等。
优选的，所述步骤5中，所述除渣过程中加入的除渣剂主要包括钠盐、钾盐、钙盐和铝盐中任意三种组合。
优选的，上述钠盐为氯化钠、氟化钠、氟硅酸钠，钾盐为氯化钾，钙盐为氟化钙，铝盐为三氯化铝。
优选的，所述步骤6中，所述惰性气体为氩气或者氦气。
一种高强高导耐磨铝基复合材料，其特征在于：其特征在于采用上述任意一项所述制备方法制备，高强高导耐磨铝基复合材料的各组分及重量百分比含量如下：
Si：5.00～11.00％，C：0.50～1.20％，Ag：2.00～5.00％，Mg：0.15～0.45％，其余为铝和不可避免的杂质。经过适当冶炼工艺制备的铸铝合金的屈服强度达到了180MPa，导电率达到了50％IACS，摩擦系数为0.398。
本发明中各组分及主要工艺的作用及控制的原理：
石墨烯通过均匀弥散分布在铝基体中明显改善其耐磨性能，同时弥散分布的颗粒可作为形核质点而起到细化晶粒的效果，可强化铝基体抗拉强度而不降低其导电性。
硅是改善流动性能的主要成份。从共晶到过共晶都能得到最好的流动性。但结晶析出的硅易形成硬点，使切削性变差，所以一般都不让它超过共晶点。另外，硅可改善抗拉强度、硬度、切削性以及高温时强度，而使延伸率降低。
银具有优良的导电和导热性能，此外时效析出的AgAl5有着明显的时效强化效果，对于基体的导电、导热和强度均有不同程度的提高。
镁对铝的强化是明显的，每增加1％镁，抗拉强度大约升高34MPa，可焊性良好，抗蚀性也好。
在本发明中，对以下工艺予以控制：
之所以将石墨烯和铝钎剂充分混合，是因为石墨烯和铝钎剂在混合过程中，铝钎剂吸附在石墨烯表面，形成复合体。
之所以加入银块和镁块，并搅拌分散一段时间，是为了保证Ag和Mg元素的充分溶解分散，提高材料的强度。
之所以控制降温至650-680℃，加入石墨烯和铝钎剂的混合物，并搅拌5-10分钟，是为了控制石墨烯的氧化和有害物质Al4C3的生成，并保证石墨烯在铝液中均匀分散。铝钎剂可以有效去除铝液表面的氧化膜，降低石墨烯与铝液之间的界面张力，有利于石墨烯与铝液表面的润湿和铺展，但是冶炼时间增长会促进Al4C3的生成，通过控制冶炼温度和时间，实现石墨烯增强铝基复合材料相界面的有效调控。
本发明与现有技术相比，本发明有益效果如下：
本发明利用铝钎剂和铝合金用铝液的交互作用，对石墨烯进行改性，有效改善了石墨烯和铝液润湿性差的问题，弥散分布的石墨烯颗粒起到细化晶粒的效果，结合Si、Ag、Mg的强化作用，有效提升铝基体抗拉强度，改善了铝合金强度、耐磨性和导电性不能兼容的问题。本发明成分简单，无需进行热处理从而简化了生产过程，提高了产率，并降低了成本，得到的铸铝合金的屈服强度达到了170MPa，导电率达到了50％IACS，摩擦系数为0.398，得到了质量更为优良的产品。
具体实施方式
下面对本发明予以详细描述：
表1为本发明各实施例及对比例的取值列表；
表2为本发明各实施例及对比例性能检测情况列表。
本发明各实施例按照以下步骤制备：
1)将所有的原材料在烘干箱中烘干3小时，去除水分，原材料包括石墨烯、铝钎剂、铝块、硅块、银块、镁块、精炼剂和除渣剂。
2)将石墨烯和铝钎剂在混料机中充分混合，混合时间大于30min，石墨烯和铝钎剂的混合比例≤1:5；
3)将铝块和硅块在700-800℃进行熔化，得到熔融物料；
4)加入银块和镁块，并搅拌10-15分钟；
5)进行精炼和除渣；
6)通入氩气进行保护；
7)降温至650-680℃，加入石墨烯和铝钎剂的混合物，并搅拌5-10分钟。
8)再次进行扒渣，之后得到精炼溶液。
9)对所炼的精炼溶液进行浇铸成型，空冷至室温，即得高强高导耐磨铝基复合材料。
通过选择不同的材料组分来制备本发明高强高导耐磨铝基复合材料的5个实施例和一个对比例，各组分比例如表1所示。
表1本发明各实施例及对比例的化学成分(wt％)
实施例 C Si Ag Mg Al
1 0.50 5.00 2.00 0.15 余量
2 0.70 10.00 4.00 0.20 余量
3 0.90 8.00 3.70 0.30 余量
4 1.00 6.00 3.00 0.35 余量
5 1.20 11.00 5.00 0.45 余量
对比 0.003 0.05 0.02 0.03 余量
表2本发明各实施例及对比例的性能结果列表
Figure BDA0002537010950000041
Figure BDA0002537010950000051
从表2可以看出：利用本发明制备的5个实施例的铝基复合材料强度、导电性和耐磨性均较好。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种高强高导耐磨铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、材料制备，将石墨烯、铝钎剂、铝块、硅块、银块和镁块所有的原材料在烘干箱中烘干，去除水分；
步骤2、将石墨烯和铝钎剂在混料机中充分混合；
步骤3、将铝块和硅块在700-800℃温度下进行熔化，得到熔融物料；
步骤4、之后在熔融物料中加入银块和镁块，并搅拌分散一段时间；
步骤5、对步骤4中获得的熔融物，进行精炼和除渣；
步骤6、之后通入惰性气体进行保护；
步骤7、降温至650-680℃，加入石墨烯和铝钎剂的混合物，并搅拌5-10分钟；
步骤8、再次进行扒渣，之后得到精炼溶液；
步骤9、对所炼的精炼溶液进行浇铸成型，空冷至室温，即得高强高导耐磨铝基复合材料。
2.如权利要求1所述一种高强高导耐磨铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，去除水分过程中，在烘干箱内烘干时间不小于3小时。
3.如权利要求1所述一种高强高导耐磨铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2中，所述石墨烯和铝钎剂在混料机中混合时间大于30min，石墨烯和铝钎剂的混合比例≤1:5。
4.如权利要求1所述一种高强高导耐磨铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤4中，搅拌时间为10-15分钟。
5.如权利要求1所述一种高强高导耐磨铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤5中，精炼过程中加入的精炼剂主要成分为碳+钠盐或钠盐+氯化物。
6.如权利要求1所述一种高强高导耐磨铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤5中，所述除渣过程中加入的除渣剂主要成分包括钠盐、钾盐、钙盐和铝盐中任意三种组合。
7.如权利要求1所述一种高强高导耐磨铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤6中，所述惰性气体为氩气或者氦气。
8.一种高强高导耐磨铝基复合材料，其特征在于：采用权利要求1-7任意一项所述制备方法制备，高强高导耐磨铝基复合材料的各组分及重量百分比含量如下：
Si：5.00～11.00％，C：0.50～1.20％，Ag：2.00～5.00％，Mg：0.15～0.45％，其余为铝和不可避免的杂质。
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