CN112501462A - 一种生产高硅铝合金的生产工艺 - Google Patents

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CN112501462A CN202011244698.3A CN202011244698A CN112501462A CN 112501462 A CN112501462 A CN 112501462A CN 202011244698 A CN202011244698 A CN 202011244698A CN 112501462 A CN112501462 A CN 112501462A
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Abstract

本发明公开一种生产高硅铝合金的生产工艺，包括：将普通冶炼硅进行提纯，得到原料硅；对原料硅进行研磨，得到粒度满足工艺需求的硅粉；通过第一物料喷枪和第二物料喷枪将质量比为(ma∶mb)的所述硅粉和铝粉分别输送进第一容器中，得到第一粉末混合物；将第一粉末混合物加入第一搅拌釜中进行搅拌熔炼，使第一粉末混合物熔化成半固态的胶状程度，温度控制在硅铝熔化温度之间；将处于半固态形态的合金物料输送到预先准备的物件模具中，密闭状态下，形成真空负压状态，然后通过高压将合金物料挤入物件模具，最后经冷却脱模，形成所需物件的毛坯。在本发明中，生产出来的高硅铝合金具有良好的力学性能和物理性能，具有密度低、耐腐蚀、高硬度、高耐磨等特点。

Description

一种生产高硅铝合金的生产工艺
技术领域
本发明涉及硅铝合金技术领域，特别涉及一种高硅铝合金的生产工艺。
背景技术
高硅铝合金是由硅和铝组成的二元合金，是一种金属基热管理材料。高硅铝合金能够保持硅和铝各自的优异性能，并且硅、铝的含量相当丰富，硅粉的制备技术成熟，成本低廉，同时这种材料对环境没有污染，对人体无害。高硅铝合金具有良好的导热性，较强的强度和刚度，与金、银、镍的镀覆性能好，易于精密机加工等优越性能，是一种应用前景广阔的电子封装材料，特别是在航天航空、空间技术和便携式电子器件等高技术领域。
高硅铝合金复合材料制备主要有：熔炼铸造、浸渗法、粉末冶金、真空热压法、急速冷却/喷射沉积法；传统的制备工艺都比较单一，或多或少都会存在一定的缺陷，常见的就是混合料混合不均匀，导致生产出来的硅铝合金的性能不佳。
发明内容
有鉴于现有技术存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是，提供一种生产高硅铝合金的生产工艺，旨在改善高硅铝合金的生产工艺，提高硅铝合金的性能。
为实现上述目的，本发明提供一种生产高硅铝合金的生产工艺，所述工艺包括：
步骤S1、将普通冶炼硅进行提纯，得到原料硅；对所述原料硅进行研磨，得到粒度满足工艺需求的硅粉；所述硅粉的第一粒度为da；
步骤S2、通过第一物料喷枪和第二物料喷枪将质量比为(ma∶mb)的所述硅粉和铝粉分别输送进第一容器中，得到第一粉末混合物；其中，所述ma为所述硅粉的质量，所述mb为所述铝粉的质量，所述铝粉的第二粒度为db；所述第一物料喷枪和所述第二物料喷枪均通过风机将所述硅粉和所述铝粉喷洒进所述第一容器中；
步骤S3、将所述第一粉末混合物加入第一搅拌釜中进行搅拌熔炼，使所述第一粉末混合物熔化成半固态的胶状程度，温度控制在硅铝熔化温度之间；其中，通过加热装置对所述第一搅拌釜的内腔进行加热升温，通过第一搅拌器对所述第一粉末混合物进行搅拌，通过热成像装置对所述第一搅拌釜的所述内腔进行实时监测，并实时监测流经所述第一搅拌器的搅拌电流，待所述搅拌电流达到预设电流区间时，得到半固态形态的合金物料；
步骤S4、将处于半固态形态的所述合金物料输送到预先准备的物件模具中，密闭状态下，形成真空负压状态，然后通过高压将所述合金物料挤入所述物件模具，最后经冷却脱模，形成所需物件的毛坯；对所述毛坯进行细加工即可得所需的物件。
在该技术方案中，通过将粉末冶金和半固态技术相结合，即解决了硅颗粒与铝基体润湿性不好，硅颗粒难以加入溶体的问题，又使得生产出来的高硅铝合金具有良好的力学性能和物理性能，通过本技术方案生产的高硅铝合金具有密度低、耐腐蚀、高硬度、高耐磨等特点；通过所述第一物料喷枪和所述第二物料喷枪将所述硅粉和所述铝粉喷洒进所述第一容器内的方法，使得所述硅粉和所述铝粉混合均匀，得到混合均匀的所述第一粉末混合物；通过监测所述第一搅拌器的搅拌电流，在搅拌电流达到预设区间后则判断搅拌完成，反之则搅拌不均匀，其原理在于，合金物料搅拌不均匀，则搅拌电机的阻力不同，表征为搅拌电流不同，故而，通过监测搅拌电流能够有效获知混料是否均匀。
在一具体实施方式中，所述第一物料喷枪以第一脉冲循环运行将所述硅粉喷洒进所述第一容器内，所述第一脉冲循环的周期为Ta，所述第一物料喷枪的第一通电时长为ta，所述第一物料喷枪的输送速率为La；所述第二物料喷枪以第二脉冲循环运行将所述铝粉喷洒进所述第一容器内，所述第二脉冲循环的周期为Tb，所述第二物料喷枪的第二通电时长为tb，所述第二物料喷枪的输送速率为Lb；所述第一脉冲循环的第一占空比为
Figure BDA0002769588450000031
所述第二脉冲循环的第二占空比为
Figure BDA0002769588450000032
所述硅粉掉落到所述第一容器内的第一时长为t1，所述铝粉掉落到所述第一容器的第二时长为t2，所述Δt为所述硅粉和所述铝粉掉落到所述第一容器内的时间差，即Δt＝|t1-t2|；其中，所述t1、所述t2通过预先实验测量，所述ta、所述tb为预设值；所述第一粉末混合物散落于所述第一容器的底部的最大面积为S。
在该技术方案中，通过脉冲循环的方式运行所述第一物料喷枪和所述第二物料喷枪，使得所述硅粉和所述铝粉间隔的喷射进所述第一容器内，使得所述硅粉和所述铝粉均匀的散落于所述第一容器内，使得所述硅粉和所述铝粉混合均匀，得到混合均匀的所述第一粉末混合物。
在另一具体实施方式中，所述步骤S2中通过所述预先实验测量所述t1和所述t2的方法为：
以所述第一脉冲循环运行所述第一物料喷枪时，从所述硅粉输送出所述第一物料喷枪开始计时到所述硅粉掉落于所述第一容器底部计时结束的时长即为所述硅粉掉落到所述第一容器内的所述第一时长t1；
同理，以所述第二脉冲循环运行所述第二物料喷枪时，从所述铝粉输送出所述第二物料喷枪开始计时到所述铝粉掉落于所述第一容器底部计时结束的时长即为所述铝粉掉落到所述第一容器内的所述第二时长t2。
在一具体实施方式中，所述步骤S3具体包括：
步骤S31、通过所述加热装置对所述第一搅拌釜的所述内腔进行加热升温，升温至577～585℃，升温速率为60～70℃/min，同时控制所述第一搅拌器的第一转速为150～250r/min，制得第二混合物；
步骤S32、通过所述热成像装置对所述第一搅拌釜的所述内腔进行实时监测，当所述内腔内的所述第二混合物的温度到达573～585℃时，控制所述第一搅拌器的第三转速为600～700r/min，实时监测流经所述第一搅拌器的所述搅拌电流，待所述搅拌电流达到预设电流区间，则关闭所述第一搅拌器，得到混合均匀的半固态的所述合金物料。
在另一具体实施方式中，
以采样周期来检测流经所述第一搅拌器的实时电流Ii，所述实时电流Ii用于评估所述第一搅拌器在搅拌过程中的阻力；所述i为所述实时电流的编号，所述i为正整数，以最新检测的所述实时电流为I0且越早检测到的电流数据编号越大；所述实时电流Ii为所述搅拌电流；所述采样周期小于所述第一搅拌器以所述第三转速运转的周期的一半；
判断最近N个所述实时电流Ii的大小范围是否在预设区间内；响应于所述实时电流Ii的大小范围在所述预设区间内，判断所述实时电流Ii的波动性；其中，所述预设区间为：与所述搅拌电流相对应的所述预设电流区间；
求解最近N个数据的所述实时电流Ii的波动值E；其中，所述波动值
Figure BDA0002769588450000051
所述λ为数据均值求解的加权衰减系数，0.9≤λ＜1；所述j为所述Ej的编号，0≤j＜m；
响应于所述波动值E小于波动阈值Eth，则停止运行所述第一搅拌器；其中，所述波动阈值Eth为预设值；所述波动值E为：与所述搅拌电流相对应的波动值；所述波动阈值Eth为：与所述搅拌电流相对应的波动阈值。
在该技术方案中，根据最近N个所述实时电流Ii大小范围是否在预设区间内，并判断其波动性来确定搅拌电机在搅拌过程中所受到的阻力是否均匀，以便判断搅拌混料是否均匀并且当实时电流在预设区间内则可以认为混料的阻力达到了预定阻力而认为搅拌均匀；考虑到了随着搅拌的进行，越新的数据越能提醒混料的当前状态而其权重越大，基于此，根据实时电流的均值
Figure BDA0002769588450000052
进行波动值的求解，提供波动性判断准确性。
在另一具体实施方式中，所述第一通电时长ta应满足
Figure BDA0002769588450000053
在另一具体实施方式中，所述硅粉掉落到所述第一容器内的所述第一时长t1与所述铝粉掉落到所述第一容器的所述第二时长t2的大小关系满足：t1＜t2。
在另一具体实施方式中，所述第二通电时长tb的起始时间点为所述第一通电时长ta的终止时间点。
本发明的有益效果是：在本发明中，通过将粉末冶金和半固态技术相结合，即解决了硅颗粒与铝基体润湿性不好，硅颗粒难以加入溶体的问题，又使得生产出来的高硅铝合金具有良好的力学性能和物理性能，通过本技术方案生产的高硅铝合金具有密度低、耐腐蚀、高硬度、高耐磨等特点；通过所述第一物料喷枪和所述第二物料喷枪将所述硅粉和所述铝粉喷洒进所述第一容器内的方法，使得所述硅粉和所述铝粉混合均匀，得到混合均匀的所述第一粉末混合物；通过监测所述第一搅拌器的搅拌电流，在搅拌电流达到预设区间后则判断搅拌完成，反之则搅拌不均匀，其原理在于，合金物料搅拌不均匀，则搅拌电机的阻力不同，表征为搅拌电流不同，故而，通过监测搅拌电流能够有效获知混料是否均匀。
附图说明
图1为本发明一具体实施方式中一种生产高硅铝合金的生产工艺的工艺流程图；
图2为本发明一具体实施方式中第一脉冲循环与第二脉冲循环的对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
如图1-2所示，在本发明的具体实施例中，提供一种生产高硅铝合金的生产工艺，所述工艺包括：
步骤S1、将普通冶炼硅进行提纯，得到原料硅；对所述原料硅进行研磨，得到粒度满足工艺需求的硅粉；所述硅粉的第一粒度为da；
步骤S2、通过第一物料喷枪和第二物料喷枪将质量比为(ma∶mb)的所述硅粉和铝粉分别输送进第一容器中，得到第一粉末混合物；其中，所述ma为所述硅粉的质量，所述mb为所述铝粉的质量，所述铝粉的第二粒度为db；所述第一物料喷枪和所述第二物料喷枪均通过风机将所述硅粉和所述铝粉喷洒进所述第一容器中；
步骤S3、将所述第一粉末混合物加入第一搅拌釜中进行搅拌熔炼，使所述第一粉末混合物熔化成半固态的胶状程度，温度控制在硅铝熔化温度之间；其中，通过加热装置对所述第一搅拌釜的内腔进行加热升温，通过第一搅拌器对所述第一粉末混合物进行搅拌，通过热成像装置对所述第一搅拌釜的所述内腔进行实时监测，并实时监测流经所述第一搅拌器的搅拌电流，待所述搅拌电流达到预设电流区间时，得到半固态形态的合金物料；
步骤S4、将处于半固态形态的所述合金物料输送到预先准备的物件模具中，密闭状态下，形成真空负压状态，然后通过高压将所述合金物料挤入所述物件模具，最后经冷却脱模，形成所需物件的毛坯；对所述毛坯进行细加工即可得所需的物件。
在本实施例中，所述第一物料喷枪以第一脉冲循环运行将所述硅粉喷洒进所述第一容器内，所述第一脉冲循环的周期为Ta，所述第一物料喷枪的第一通电时长为ta，所述第一物料喷枪的输送速率为La；所述第二物料喷枪以第二脉冲循环运行将所述铝粉喷洒进所述第一容器内，所述第二脉冲循环的周期为Tb，所述第二物料喷枪的第二通电时长为tb，所述第二物料喷枪的输送速率为Lb；所述第一脉冲循环的第一占空比为
Figure BDA0002769588450000071
所述第二脉冲循环的第二占空比为
Figure BDA0002769588450000072
所述硅粉掉落到所述第一容器内的第一时长为t1，所述铝粉掉落到所述第一容器的第二时长为t2，所述Δt为所述硅粉和所述铝粉掉落到所述第一容器内的时间差，即Δt＝|t1-t2|；其中，所述t1、所述t2通过预先实验测量，所述ta、所述tb为预设值；所述第一粉末混合物散落于所述第一容器的底部的最大面积为S。
值得一提的是，所述硅粉在一个所述第一脉冲循环内只能喷洒一层；所述铝粉在一个所述第二脉冲循环内只能喷洒一层。
在另一实施例中，所述步骤S2中通过所述预先实验测量所述t1和所述t2的方法为：
以所述第一脉冲循环运行所述第一物料喷枪时，从所述硅粉输送出所述第一物料喷枪开始计时到所述硅粉掉落于所述第一容器底部计时结束的时长即为所述硅粉掉落到所述第一容器内的所述第一时长t1；
同理，以所述第二脉冲循环运行所述第二物料喷枪时，从所述铝粉输送出所述第二物料喷枪开始计时到所述铝粉掉落于所述第一容器底部计时结束的时长即为所述铝粉掉落到所述第一容器内的所述第二时长t2。
在本实施例中，所述步骤S3具体包括：
步骤S31、通过所述加热装置对所述第一搅拌釜的所述内腔进行加热升温，升温至577～585℃，升温速率为60～70℃/min，同时控制所述第一搅拌器的第一转速为150～250r/min，制得第二混合物；
步骤S32、通过所述热成像装置对所述第一搅拌釜的所述内腔进行实时监测，当所述内腔内的所述第二混合物的温度到达573～585℃时，控制所述第一搅拌器的第三转速为600～700r/min，实时监测流经所述第一搅拌器的所述搅拌电流，待所述搅拌电流达到预设电流区间，则关闭所述第一搅拌器，得到混合均匀的半固态的所述合金物料。
在另一实施例中，
以采样周期来检测流经所述第一搅拌器的实时电流Ii，所述实时电流Ii用于评估所述第一搅拌器在搅拌过程中的阻力；所述i为所述实时电流的编号，所述i为正整数，以最新检测的所述实时电流为I0且越早检测到的电流数据编号越大；所述实时电流Ii为所述搅拌电流；所述采样周期小于所述第一搅拌器以所述第三转速运转的周期的一半；
判断最近N个所述实时电流Ii的大小范围是否在预设区间内；响应于所述实时电流Ii的大小范围在所述预设区间内，判断所述实时电流Ii的波动性；其中，所述预设区间为：与所述搅拌电流相对应的所述预设电流区间；
求解最近N个数据的所述实时电流Ii的波动值E；其中，所述波动值
Figure BDA0002769588450000091
所述λ为数据均值求解的加权衰减系数，0.9≤λ＜1；所述j为所述Ej的编号，0≤j＜m；
响应于所述波动值E小于波动阈值Eth，则停止运行所述第一搅拌器；其中，所述波动阈值Eth为预设值；所述波动值E为：与所述搅拌电流相对应的波动值；所述波动阈值Eth为：与所述搅拌电流相对应的波动阈值。
在另一实施例中，所述第一通电时长ta应满足
Figure BDA0002769588450000092
值得一提的是，所述最大面积S满足：
Figure BDA0002769588450000093
在另一实施例中，所述硅粉掉落到所述第一容器内的所述第一时长t1与所述铝粉掉落到所述第一容器的所述第二时长t2的大小关系满足：t1＜t2。
值得一提的是，所述第一时长t1的大小和所述硅粉掉落的初始速度和粒度大小有关，不同的初始速度和不同的粒度大小均会导致所述第一时长t1的改变；所述第二时长t2的大小和所述铝粉掉落的初始速度和粒度大小有关，不同的初始速度和不同的粒度大小均会导致所述第二时长t2的改变；故而，所述第一时长t1和所述第二时长t2的大小关系不唯一。
在另一实施例中，所述第二通电时长tb的起始时间点为所述第一通电时长ta的终止时间点。
下面对本实施例中涉及到的公式进行推导：
为了保证所述第一粉末混合物的混合均匀度，所述硅粉和所述铝粉在喷洒的过程中互不干涉；故而，在一个脉冲循环内，所述铝粉喷洒的终止时间距离所述硅粉喷洒的起始时间间隔应为所述硅粉和所述铝粉掉落到所述第一容器内的时间差Δt；
所以第一脉冲循环的周期Ta＝ta+tb+Δt；所述第二脉冲循环的周期Tb＝ta+tb+Δt；
由占空比的定义可得：所述第一占空比
Figure BDA0002769588450000101
所述第二占空比
Figure BDA0002769588450000102
所述硅粉在一个所述第一脉冲循环内喷洒的面积为
Figure BDA0002769588450000103
所述铝粉在一个所述第二脉冲循环内喷洒的面积为
Figure BDA0002769588450000104
所述硅粉和所述铝粉喷洒一次刚好铺满一层，所以
Figure BDA0002769588450000105
以上详细描述了本发明的具体实施例。应当理解，本发明的具体实施例并不唯一，本领域的普通技术人员可以在权利要求的范围内根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本领域中的技术人员根据本发明的具体实施例在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种生产高硅铝合金的生产工艺，其特征在于，所述工艺包括：
步骤S1、将普通冶炼硅进行提纯，得到原料硅；对所述原料硅进行研磨，得到粒度满足工艺需求的硅粉；所述硅粉的第一粒度为da；
步骤S2、通过第一物料喷枪和第二物料喷枪将质量比为(ma∶mb)的所述硅粉和铝粉分别输送进第一容器中，得到第一粉末混合物；其中，所述ma为所述硅粉的质量，所述mb为所述铝粉的质量，所述铝粉的第二粒度为db；所述第一物料喷枪和所述第二物料喷枪均通过风机将所述硅粉和所述铝粉喷洒进所述第一容器中；
步骤S3、将所述第一粉末混合物加入第一搅拌釜中进行搅拌熔炼，使所述第一粉末混合物熔化成半固态的胶状程度，温度控制在硅铝熔化温度之间；其中，通过加热装置对所述第一搅拌釜的内腔进行加热升温，通过第一搅拌器对所述第一粉末混合物进行搅拌，通过热成像装置对所述第一搅拌釜的所述内腔进行实时监测，并实时监测流经所述第一搅拌器的搅拌电流，待所述搅拌电流达到预设电流区间时，得到半固态形态的合金物料；
步骤S4、将处于半固态形态的所述合金物料输送到预先准备的物件模具中，密闭状态下，形成真空负压状态，然后通过高压将所述合金物料挤入所述物件模具，最后经冷却脱模，形成所需物件的毛坯；对所述毛坯进行细加工即可得所需的物件。
2.如权利要求1所述的一种生产高硅铝合金的生产工艺，其特征在于，所述第一物料喷枪以第一脉冲循环运行将所述硅粉喷洒进所述第一容器内，所述第一脉冲循环的周期为Ta，所述第一物料喷枪的第一通电时长为ta，所述第一物料喷枪的输送速率为La；所述第二物料喷枪以第二脉冲循环运行将所述铝粉喷洒进所述第一容器内，所述第二脉冲循环的周期为Tb，所述第二物料喷枪的第二通电时长为tb，所述第二物料喷枪的输送速率为Lb；所述第一脉冲循环的第一占空比为
Figure FDA0002769588440000021
所述第二脉冲循环的第二占空比为
Figure FDA0002769588440000022
所述硅粉掉落到所述第一容器内的第一时长为t1，所述铝粉掉落到所述第一容器的第二时长为t2，所述Δt为所述硅粉和所述铝粉掉落到所述第一容器内的时间差，即Δt＝|t1-t2|；其中，所述t1、所述t2通过预先实验测量，所述ta、所述tb为预设值；所述第一粉末混合物散落于所述第一容器的底部的最大面积为S。
3.如权利要求2所述的一种生产高硅铝合金的生产工艺，其特征在于，所述步骤S2中通过所述预先实验测量所述t1和所述t2的方法为：
以所述第一脉冲循环运行所述第一物料喷枪时，从所述硅粉输送出所述第一物料喷枪开始计时到所述硅粉掉落于所述第一容器底部计时结束的时长即为所述硅粉掉落到所述第一容器内的所述第一时长t1；
同理，以所述第二脉冲循环运行所述第二物料喷枪时，从所述铝粉输送出所述第二物料喷枪开始计时到所述铝粉掉落于所述第一容器底部计时结束的时长即为所述铝粉掉落到所述第一容器内的所述第二时长t2。
4.如权利要求1所述的一种生产高硅铝合金的生产工艺，其特征在于，所述步骤S3具体包括：
步骤S31、通过所述加热装置对所述第一搅拌釜的所述内腔进行加热升温，升温至577～585℃，升温速率为60～70℃/min，同时控制所述第一搅拌器的第一转速为150～250r/min，制得第二混合物；
步骤S32、通过所述热成像装置对所述第一搅拌釜的所述内腔进行实时监测，当所述内腔内的所述第二混合物的温度到达573～585℃时，控制所述第一搅拌器的第三转速为600～700r/min，实时监测流经所述第一搅拌器的所述搅拌电流，待所述搅拌电流达到预设电流区间，则关闭所述第一搅拌器，得到混合均匀的半固态的所述合金物料。
5.如权利要求4所述的一种生产高硅铝合金的生产工艺，其特征在于：
以采样周期来检测流经所述第一搅拌器的实时电流Ii，所述实时电流Ii用于评估所述第一搅拌器在搅拌过程中的阻力；所述i为所述实时电流的编号，所述i为正整数，以最新检测的所述实时电流为I0且越早检测到的电流数据编号越大；所述实时电流Ii为所述搅拌电流；所述采样周期小于所述第一搅拌器以所述第三转速运转的周期的一半；
判断最近N个所述实时电流Ii的大小范围是否在预设区间内；响应于所述实时电流Ii的大小范围在所述预设区间内，判断所述实时电流Ii的波动性；其中，所述预设区间为：与所述搅拌电流相对应的所述预设电流区间；
求解最近N个数据的所述实时电流Ii的波动值E；其中，所述波动值
Figure FDA0002769588440000031
所述λ为数据均值求解的加权衰减系数，0.9≤λ＜1；所述j为所述Ej的编号，0≤j＜m；
响应于所述波动值E小于波动阈值Eth，则停止运行所述第一搅拌器；其中，所述波动阈值Eth为预设值；所述波动值E为：与所述搅拌电流相对应的波动值；所述波动阈值Eth为：与所述搅拌电流相对应的波动阈值。
6.如权利要求3所述的一种生产高硅铝合金的生产工艺，其特征在于，所述第一通电时长ta应满足
Figure FDA0002769588440000041
7.如权利要6所述的一种生产高硅铝合金的生产工艺，其特征在于，所述硅粉掉落到所述第一容器内的所述第一时长t1与所述铝粉掉落到所述第一容器的所述第二时长t2的大小关系满足：t1＜t2。
8.如权利要7所述的一种生产高硅铝合金的生产工艺，其特征在于，所述第二通电时长tb的起始时间点为所述第一通电时长ta的终止时间点。
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张士林 等: "《简明铝合金手册》", 30 September 2006 *

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