CN114427057A - 一种铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及铝基材料领域，特别是涉及一种铝基复合材料，包括如下质量百分含量的成分：Mg 0.7‑1.0wt％；Cu 0.5‑1.2wt％；Mn≤0.15wt％；Si 0.6‑1.5wt％；Cr≤0.06wt％；Ti≤0.04wt％；Zn≤0.05wt％；Fe≤0.15％；增强物0.5‑5wt％；其余组分为Al和不可避免的杂质。本发明通过合理添加增强物，使得铝基材料的力学性能及导热性能得到显著的提高，且材料可变形加工，有利于扩大铝基材料的应用范围。

Description

一种铝基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝基材料领域，特别是涉及一种铝基复合材料及其制备方法。
背景技术
3C产品对其外观件用铝合金的基本要求是高屈服强度、高导热及高阳极外观。高屈服强度的目的是为了保证铝合金外观件有足够的抗冲击或者抗变形能力，以保护屏幕或内部电子元件，而高导热则是为了提高部件对芯片运行过程中产生热量的散发。通常终端客户也希望金属外观件有较高的弹性模量，这比高屈服强度更有利于提高产品的抗变形能力。
但对于铝合金而言，弹性模量反应了材料内部原子的结合能力，几乎是常数，受成分与工艺的影响非常小，并不能通过常规的成分调整或者工艺调整，带来显著的改变。如Al合金中添加Li可提高材料的弹性模量，但弹性模量的提高极其有限，且增加加工难度和制备成本；又如高合金化的7系铝合金比6系铝合金的弹性模量略高。
通过复合材料的方式也可制备出高弹性模量的材料，通过在铝中添加50-60％vol.％的SiC颗粒可使材料的弹性模量达到200GPa以上，远高于铝的68GPa的弹性模量，且导热系数也可得到较大的提高。但材料中由于添加了大量的SiC颗粒，因此造成材料只能通过粉末冶金的方式制备，不能通过常规的加工方式制备，且塑性低，从而造成材料应用具有局限性；现有技术中公开了一种增强6061铝基复合材料的制备方法，在6061铝合金中添加5-20％晶须，并采用球磨法及烧结制备铝基复合材料。此种方法对6061铝合金的强度提高明显，但却不利于材料的变形加工、塑性以及后续的规模化量产。
因此有必要提供一种高性能铝基复合材料及其制备方法，以适应3C领域的应用。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种铝基复合材料及其制备方法，提高力学、导热性能，扩大应用范围。
本发明采用如下技术方案：
一种铝基复合材料，包括如下质量百分含量的成分：
Figure BDA0003490402690000021
其余组分为Al和不可避免的杂质。
对上述技术方案的进一步改进为，所述增强物为增强颗粒或增强纤维。
对上述技术方案的进一步改进为，所述增强物为增强颗粒时，所述增强颗粒为SiC。
对上述技术方案的进一步改进为，所述增强物为增强纤维时，所述增强纤维为石墨纤维。
一种铝基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
使用上述的成分铸造得到铝液，将增强物用铝箔包裹，当铝液温度为700-760℃时，将铝箔压入铝液内搅动10-30分钟，待铝液温度为690-750℃时浇铸成型，得到铸锭；
铸锭进行均质退火；均质后材料进行挤压；挤压材后进行时效处理，得到铝基复合材料。
对上述技术方案的进一步改进为，使用如权利要求1所述的成分铸造得到铝液，将增强物用铝箔包裹，当铝液温度为700-760℃时，将铝箔压入铝液内搅动10-30分钟，待铝液温度为690-750℃时浇铸成型，得到铸锭，其中冷却强度为300-600℃/分钟。
对上述技术方案的进一步改进为，铸锭进行均质退火，在540-570℃保温8-24h后冷却；均质后材料进行挤压，棒温530-550℃，挤压材出口温度520-540℃；挤压材进行时效处理，170-200℃保温2-20h，得到铝基复合材料。
对上述技术方案的进一步改进为，所述铝基复合材料的屈服强度≥430MPa。
对上述技术方案的进一步改进为，所述铝基复合材料的弹性模量≥73GPa。
对上述技术方案的进一步改进为，所述铝基复合材料的导热系数≥180W/(m.K)。
本发明的有益效果为：
本发明通过合理添加增强物，使得铝基材料的力学性能及导热性能得到显著的提高，且材料可变形加工，有利于扩大铝基材料的应用范围。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面结合实施例对本发明作进一步说明，但是本发明的实施方式不限于此。
一种铝基复合材料，包括如下质量百分含量的成分：Mg 0.7-1.0wt％；Cu 0.5-1.2wt％；Mn≤0.15wt％；Si 0.6-1.5wt％；Cr≤0.06wt％；Ti≤0.04wt％；Zn≤0.05wt％；Fe≤0.15％；增强物0.5-5wt％；其余组分为Al和不可避免的杂质。
铝基复合材料的强化相为Mg2Si的前驱体(β″)，Mg、Si含量越高前驱体的体积分数越大，材料的屈服强度越高。但Mg、Si含量过高则会造成材料的导热性能下降，且组织中形成大量的过量Mg2Si，导致材料喷砂阳极效果发哑或者高亮阳极发麻。与Si相比，Mg对导热或者阳极效果的不利影响更大，因此Mg 0.7-1.0wt％，Si 0.6-1.5wt％为宜；
此外，铝基复合材料中通常添加Cu元素以提高固溶强化效果以及降低室温停放效应对铝合金性能的不利影响。Cu的含量0.5～1.2wt％为宜，过低达不到固溶强化及降低室温停放效应的效果，过高则超过其在基体中形成大量粗大化合物，降低材料的阳极效果及耐腐蚀性能。
Mn、Cr、Ti其晶粒组织控制的作用，其含量宜分别控制在≤0.15wt％，Cr≤0.06wt％,Ti≤0.04wt％，否则容易在组织中形成纤维晶和再结晶晶粒的混合组织，从而带来阳极花斑等缺陷。
Zn、Ti是材料中的杂质，需控制在≤0.05wt％及≤0.15wt％。
铸造合金化后，将增强物用铝箔包裹好，当铝液温度为700-760℃时，将铝箔压入铝液内搅动10-30分钟，待铝液温度为690-750℃时浇铸成型，冷却强度为300-600℃/分钟。控制压入铝箔的温度范围及搅动时间是为了保证在此温度下，铝液具有较好的流动性有利于增强物在铝液内的均匀分布。控制浇铸温度是为了保证铝液仍有较好的流动情况下进行浇铸，有利于控制铸锭质量，而控制冷却强度是为了保证增强物在铝材料中的均匀性，避免偏聚或者沉积。
对铸锭进行均质退火，在540-570℃保温8-24h后冷却；均质后材料进行挤压，棒温530-550℃，挤压材出口温度520-540℃；挤压材进行时效处理，170-200℃保温2-20h；均质是为了促使铸锭冷却过程中形成的粗大Mg2Si相溶入基体，为后续的挤压时效提供组织保证，而Mg2Si的溶解需要一定的保温温度和时间，保温温度过高则造成过烧，过低则造成溶解不充分；保温时间过长，并不会带来显著的溶解效果，而过低，则溶解效果不够。挤压过程中控制棒温及出口温度是为了控制Mg2Si相的溶解以及为组织中提高较高的淬火空位，为后续的时效析出做准备；控制时效温度和时间，是因为前驱体的析出需要一定的热力学和动力学条件，温度低或者时间短，不利于前驱体的析出；而温度高或者时间长，又有可能造成前驱体的粗化导致强化效果下降。
通过以上的控制使得铝基复合材料的屈服强度≥430MPa，弹性模量≥73GPa，导热系数≥180W/(m.K)。
实施例1
铝合金材料的成分为：Mg 1.0wt％，Cu 0.5wt％，Mn 0.15wt％，Si 0.6wt％，Cr0.06wt％,Ti 0.04wt％，Zn 0.05wt％,Fe 0.15wt％，其余组分为Al和不可避免的杂质。
将0.5wt.％的SiC颗粒用铝箔包裹好，当铝液温度为700℃时，将铝箔压入铝液内搅动30分钟，待铝液温度为750℃时浇铸成型，冷却强度为600℃/分钟。对获得的铸锭进行均质退火，在570℃保温8h后冷却；均质后材料进行挤压，棒温530℃，挤压材出口温度520℃；挤压材进行时效处理，170℃保温20h。
实施例2
铝合金材料的成分为：Mg 0.7wt％，Cu 1.2wt％，Mn 0.04wt％，Si 1.5wt％，Cr0.02wt％,Ti 0.01wt％，Zn 0.02wt％,Fe 0.08wt％，其余组分为Al和不可避免的杂质。
将5wt.％的SiC颗粒用铝箔包裹好，当铝液温度为760℃时，将铝箔压入铝液内搅动10分钟，待铝液温度为690℃时浇铸成型，冷却强度为300℃/分钟。对获得的铸锭进行均质退火，在540℃保温24h后冷却；均质后材料进行挤压，棒温550℃，挤压材出口温度540℃；挤压材进行时效处理，200℃保温4h。
实施例3
铝合金材料的成分为：Mg 0.8wt％，Cu 1wt％，Mn 0.03wt％，Si 1.2wt％，Cr0.01wt％,Ti 0.01wt％，Zn 0.01wt％,Fe 0.09wt％，其余组分为Al和不可避免的杂质。
将5wt.％的石墨纤维用铝箔包裹好，当铝液温度为730℃时，将铝箔压入铝液内搅动20分钟，待铝液温度为710℃时浇铸成型，冷却强度为550℃/分钟。对获得的铸锭进行均质退火，在550℃保温18h后冷却；均质后材料进行挤压，棒温545℃，挤压材出口温度530℃；挤压材进行时效处理，180℃保温9h。
比较例1
合金成分与实施例3一致，加工工艺如下：
不添加增强颗粒，普通铸造。对获得的铸锭进行均质退火，在550℃保温18h后冷却；均质后材料进行挤压，棒温545℃，挤压材出口温度530℃；挤压材进行时效处理，170℃保温8h。
比较例2
合金成分与实施例3一致，加工工艺如下：
将5wt.％的石墨纤维用铝箔包裹好，当铝液温度为690℃时，将铝箔压入铝液内搅动5分钟，待铝液温度为720℃时浇铸成型，冷却强度为550℃/分钟。对获得的铸锭进行均质退火，在550℃保温18h后冷却；均质后材料进行挤压，棒温545℃，挤压材出口温度530℃；挤压材进行时效处理，180℃保温9h。
比较例3
铝合金材料的成分为：Mg 1.5wt％，Cu 0.7wt％，Mn 0.53wt％，Si 0.4wt％，Cr0.01wt％,Ti 0.01wt％，Zn 0.01wt％,Fe 0.09wt％，其余组分为Al和不可避免的杂质。
材料的加工工艺与实施例3一致。
表1示意了实施例及比较例中合金的性能。
表1
Figure BDA0003490402690000061
如表1所示，本发明通过对铝基复合材料的成分及制备工艺进行优化，使得材料的力学性能及导热性能获得显著的提高。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种铝基复合材料，其特征在于，包括如下质量百分含量的成分：
Figure FDA0003490402680000011
其余组分为Al和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的铝基复合材料，其特征在于，所述增强物为增强颗粒或增强纤维。
3.根据权利要求1所述的铝基复合材料，其特征在于，所述增强物为增强颗粒时，所述增强颗粒为SiC。
4.根据权利要求1所述的铝基复合材料，其特征在于，所述增强物为增强纤维时，所述增强纤维为石墨纤维。
5.一种铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
使用如权利要求1所述的成分铸造得到铝液，将增强物用铝箔包裹，当铝液温度为700-760℃时，将铝箔压入铝液内搅动10-30分钟，待铝液温度为690-750℃时浇铸成型，得到铸锭；
铸锭进行均质退火；均质后材料进行挤压；挤压材后进行时效处理，得到铝基复合材料。
6.根据权利要求5所述的铝基复合材料的制备方法，其特征在于，使用如权利要求1所述的成分铸造得到铝液，将增强物用铝箔包裹，当铝液温度为700-760℃时，将铝箔压入铝液内搅动10-30分钟，待铝液温度为690-750℃时浇铸成型，得到铸锭，其中冷却强度为300-600℃/分钟。
7.根据权利要求5所述的铝基复合材料的制备方法，其特征在于，铸锭进行均质退火，在540-570℃保温8-24h后冷却；均质后材料进行挤压，棒温530-550℃，挤压材出口温度520-540℃；挤压材进行时效处理，170-200℃保温2-20h，得到铝基复合材料。
8.根据权利要求5所述的铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述铝基复合材料的屈服强度≥430MPa。
9.根据权利要求5所述的铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述铝基复合材料的弹性模量≥73GPa。
10.根据权利要求5所述的铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述铝基复合材料的导热系数≥180W/(m.K)。
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