CN115418515A

CN115418515A - 一种强化复合铝铜合金的方法

Info

Publication number: CN115418515A
Application number: CN202211070714.0A
Authority: CN
Inventors: 严继康; 方文倩; 董石玉
Original assignee: Kunming University of Science and Technology
Current assignee: Kunming University of Science and Technology
Priority date: 2022-09-01
Filing date: 2022-09-01
Publication date: 2022-12-02
Anticipated expiration: 2042-09-01
Also published as: CN115418515B

Abstract

本发明涉及一种强化复合铝铜合金的方法，属于铝铜合金强化技术领域。本发明将纯铝粉、纯铜粉和Al₂Cu粉末进行球磨混匀得到混合粉料，将混合粉料进行冷压成型得到胚料；将胚料进行两段烧结，随炉冷却，得到强化复合铝铜合金。本发明通过改变Cu元素的添加方式，即以单质铜和Al₂Cu进行复合添加，提高铝铜合金的屈服强度和硬度。

Description

一种强化复合铝铜合金的方法

技术领域

本发明涉及一种强化复合铝铜合金的方法，属于复合铝铜合金强化技术领域。

背景技术

Al-Cu合金因其具有低密度、良好的强度和成型工艺性等优点，广泛应用于汽车、船舶、航空航天和建筑等领域。基于上述优点铝合金已成为首选环境友好金属材料，同时也对铝及铝合金的制造成型工艺以及性能指标提出了更高的要求。

目前强化铝铜合金大多采用传统的熔铸法，改进铸造工艺，掺杂稀土以及热处理。粉末冶金(PM)与传统的熔铸法相比有很多优点，例如减少了后续加工工艺、提高材料的利用率以及更容易获得组织均匀细小的复合材料等方面。

高强、耐高温铝铜合金材料的制备方法中，为实现有效改善合金组织，提高力学性能的目的，该方法通过优化Cu、Mn等元素的含量以及添加Al-Ti-C和稀土La复合，改善合金的组织结构，细化晶粒，强化晶界，提高铝铜合金的室温及高温强度，使其具有优良的高温性能及铸造性能；所制得的铝铜合金材料综合性能优异，室温抗拉强度≥490MPa；高温(300℃)抗拉强度≥244MPa，延伸率≥8.5％。但是，Al-Ti-C中间合金由于C和Al湿润性较差，会和Al反应产生其他化合物，导致存在制备工艺复杂无法大规模生产和细化效果不够理想等缺点。在实际工业生产过程中，纯金属稀土细化剂较为昂贵，添加量较少时带来的不可控因素较多，稀土多以中间合金加入。

Al-4.5Cu铝铜合金材料及其制备方法中，针对Al-Cu铸造合金的热裂及腐蚀问题，通过在合金中添加部分微量元素来抑制合金的热裂，同时提高合金的耐腐蚀等性能，通过微量Ni、La、Bi元素与Al-4.5Cu合金基体之间的相互作用，使得Al-4.5Cu合金的抗热裂性及耐蚀性得到改善，耐蚀性等级从EC提高到EA；制备工艺中增加了对Al-4.5Cu合金熔体的二次精炼，可有效去除合金熔体内部夹杂物，进行合金化，使得材料内部组织性能得到提升，有利于提高其耐蚀性，通过微量元素的添加及铸造工艺参数的优化，在提高Al-4.5Cu合金的抗热裂性的同时提高了合金的耐蚀性。但是，微量元素Ni会降低铝合金的热导性，而微量元素Bi会降低铝合金的硬度，Bi含量越高硬度越低。

发明内容

本发明针对现有铝铜合金强化存在冶炼工艺复杂、材料利用率低等问题，提出了一种强化复合铝铜合金的方法，本发明通过改变Cu元素的添加方式，即以单质铜和Al₂Cu进行复合添加，改善其微观组织，提高铝铜合金的屈服强度和硬度。

一种强化复合铝铜合金的方法，具体步骤如下：

(1)将纯铝粉、纯铜粉和Al₂Cu粉末进行球磨混匀得到混合粉料，将混合粉料进行冷压成型得到胚料；

(2)将胚料进行两段烧结，随炉冷却，得到强化复合铝铜合金；

以混合粉料的质量为100％计，混合粉料中Cu元素含量占4～6％；

以混合粉料中Cu元素的含量为100％计，Cu粉的Cu占为20～80％，Al₂Cu粉末中Cu占20～80％；

所述步骤(2)两段烧结的方法：匀速升温至440～460℃进行一段预烧结85～95min，再匀速升温至580～595℃进行第二段烧结55～65min。

强化复合铝铜合金的原理：在压片制样过程中单向压力的作用下，铝基体作为软相，Al₂Cu颗粒作为硬相，铝基与Al₂Cu颗粒之间产生由铝基向Al₂Cu颗粒传递的载荷，进而提高铝铜复合材料的强度；Al₂Cu与Cu复合添加样品中的部分Cu与铝基形成Al₂Cu液相也能够提高添加的Al₂Cu颗粒与铝基的润湿性，从而建立Al₂Cu颗粒与铝基之间良好的界面结合。

本发明的有益效果是：

(1)本发明采用单质铜和Al₂Cu进行复合添加Cu元素的方法，由于Al₂Cu粉末中Cu的占比增多，附着在Al粉颗粒表面的细小的颗粒也逐渐增多，与此同时，纯Cu粉含量降低导致球磨形成的树枝状的铝铜化合物颗粒逐渐减少，球磨后的粉末颗粒大小不一且形状复杂，压制过程中小颗粒可以填充空隙，成型性较好；

(2)本发明Cu元素以不同化合物方式添加到铝基中，随着Al₂Cu含量的增多，第二相慢慢从粗大聚集型转变为细小针状型，进而转变为不规则球；Cu元素添加方式为2％Al₂Cu+3％Cu的样品的显微组织最佳，其力学性能最佳。

附图说明

图1为对比例只添加5％Cu粉的铝铜合金SEM图；

图2为实施例1Cu元素添加方式为1％Al₂Cu+4％Cu的铝铜合金SEM图；

图3为实施例2Cu元素添加方式为2％Al₂Cu+3％Cu的铝铜合金SEM图；

图4为实施例3Cu元素添加方式为3％Al₂Cu+2％Cu的铝铜合金SEM图；

图5为实施例4Cu元素添加方式为4％Al₂Cu+1％Cu的铝铜合金SEM图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

对比例1：一种复合铝铜合金的方法，具体步骤如下：

(1)用天平称取95g铝粉和5g铜粉，总质量为100g；其中铜粉中的Cu占整个样品的5％，样品中Cu元素总含量为5％；

(2)将称取的粉末用行星球磨机进行混料，采用500ml的玛瑙球磨罐和不同尺寸的玛瑙球磨介质，采用3:1球料比干磨1h，转速均为300r/min；

(3)采用单向冷压的方法利用压片机进行混合粉末的压制，使用凡士林涂抹模具内表面以便后续脱模，制成Φ15mm的圆柱形胚料，厚度约为6mm，压力为600MPa，保压时间为3min；

(4)将压制成型的圆柱形胚料在井式坩埚炉进行烧结，即先以5℃/min升温到450℃进行一段预烧结90min，再以5℃/min升温到595℃进行第二段烧结55min，最后随炉冷却，得到强化复合铝铜合金；

本对比例铝铜合金经过力学性能测试可知：屈服强度为123Mpa，显微硬度值为63.66HV；

本实施例铝铜合金的SEM图见图1，从图1可知，本实施例铝铜合金中的第二相属于聚集型分布，晶粒尺寸粗大，孔隙数量较多。

实施例1：一种改变Cu元素添加方式强化复合铝铜合金的方法，具体步骤如下：

(1)用天平称取88.60g铝粉，4g铜粉和7.40gAl₂Cu粉末，总质量为100g；其中铜粉中的Cu占整个样品的4％，Al₂Cu中的Cu占整个样品的1％，样品中Cu元素总含量为5％；

本实施例铝铜合金经过力学性能测试可知：屈服强度为137Mpa，显微硬度值为73.48HV，与对比例分别提高了11.38％和15.43％；

本实施例铝铜合金的SEM图见图2，从图2可知，本实施例铝铜合金中的聚集型第二相尺寸变小，并出现了均匀分布的针状第二相，基体晶粒尺寸细化，但孤立的孔隙仍然大量存在。

实施例2：一种改变Cu元素添加方式强化复合铝铜合金的方法，具体步骤如下：

(1)用天平称取91.45g铝粉，3g铜粉和5.55gAl₂Cu粉末，总质量为100g；其中铜粉中的Cu占整个样品的3％，Al₂Cu中的Cu占整个样品的2％，样品中Cu元素总含量为5％；

(2)将称取的粉末用行星球磨机进行混料，采用500ml的玛瑙球磨罐以及不同尺寸的玛瑙球磨介质，采用3:1球料比干磨1h，转速均为300r/min；

(4)将压制成型的圆柱形胚料在井式坩埚炉进行烧结，即先以5℃/min升温到440℃进行一段预烧结95min，再以5℃/min升温到590℃进行第二段烧结60min，最后随炉冷却，得到强化复合铝铜合金；

本实施例铝铜合金经过力学性能测试可知：屈服强度为206Mpa，显微硬度值为90.27HV，与对比例分别提高了67.48％和41.80％；

本实施例铝铜合金的SEM图见图3，从图3可知，本实施例铝铜合金中存在一处聚集型第二相，晶界处生成了大量的细小针状第二相，孤立的孔隙数量大大减少。

实施例3：一种改变Cu元素添加方式强化复合铝铜合金的方法，具体步骤如下：

(1)用天平称取94.30g铝粉，2g铜粉和3.70gAl₂Cu粉末，总质量为100g；其中铜粉中的Cu占整个样品的2％，Al₂Cu中的Cu占整个样品的3％，样品中Cu元素总含量为5％；

本实施例铝铜合金经过力学性能测试可知：屈服强度为165Mpa，显微硬度值为81.32HV，与对比例分别提高了34.15％和27.74％；

本实施例铝铜合金的SEM图见图4，从图4可知，本实施例铝铜合金只存在针状第二相，有些有针状向球状转变的球化趋势，虽然与实施例2相比晶粒得到细化，但孔隙尺寸大且数量多。

实施例4：一种改变Cu元素添加方式强化复合铝铜合金的方法，具体步骤如下：

(1)用天平称取97.15g铝粉，1g铜粉和1.85gAl₂Cu粉末，总质量为100g；其中铜粉中的Cu占整个样品的1％，Al₂Cu中的Cu占整个样品的4％，样品中Cu元素总含量为5％；

(4)将压制成型的圆柱形胚料在井式坩埚炉进行烧结，即先以5℃/min升温到460℃进行一段预烧结85min，再以5℃/min升温到580℃进行第二段烧结65min，最后随炉冷却，得到强化复合铝铜合金；

本实施例铝铜合金经过力学性能测试可知：屈服强度为153Mpa，显微硬度值为79.67HV，与对比例分别提高了24.39％和25.15％；

本实施例铝铜合金的SEM图见图5，从图5可知，本实施例铝铜合金中的孔隙数量更多，晶粒之间的结合性差，第二相的分布与实施例3类似。

以上对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims

1.一种强化复合铝铜合金的方法，其特征在于：具体步骤如下：

(2)将胚料进行两段烧结，随炉冷却，得到强化复合铝铜合金。

2.根据权利要求1所述强化复合铝铜合金的方法，其特征在于：以混合粉料的质量为100％计，混合粉料中Cu元素含量占4～6％。

3.根据权利要求1所述强化复合铝铜合金的方法，其特征在于：以混合粉料中Cu元素的含量为100％计，Cu粉的Cu占为20～80％，Al₂Cu粉末中Cu占20～80％。

4.根据权利要求1所述强化复合铝铜合金的方法，其特征在于：步骤(2)两段烧结的方法：匀速升温至440～460℃进行一段预烧结85～95min，再匀速升温至580～595℃进行第二段烧结55～65min。