CN116100023A

CN116100023A - 一种铝合金复合材料及其注射成型制备方法

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Publication number: CN116100023A
Application number: CN202310079255.0A
Authority: CN
Inventors: 余勇; 欧阳豪; 王霄; 李益民
Original assignee: Hunan Injection High Technology Co ltd
Current assignee: Hunan Injection High Technology Co ltd
Priority date: 2023-01-29
Filing date: 2023-01-29
Publication date: 2023-05-12

Abstract

本发明公开了一种铝合金复合材料及其注射成型制备方法。基于MIM成型工艺以预处理后的SiC陶瓷颗粒作为增强相制备复杂形状铝合金复合材料，原料经原料预处理、混料、造粒，注射成型，脱脂，烧结，等静压处理，热处理后获得具有优良综合性能的铝合金复合材料，其抗拉强度≥510MPa，延伸率3~5%，致密度≥98%，热导率≥230W/（m·K）。

Description

一种铝合金复合材料及其注射成型制备方法

技术领域

本发明涉及铝合金制备领域，具体涉及一种铝合金复合材料及其注射成型制备方法。

背景技术

随着电子集成程度的提高，元件的散热需求逐步提升，而对于需要承载，具有较高可靠性要求的部件，材料的高强度也是必要的。碳化硅(SiC)密度为3.2g/cm³，热导率达290W/(m·K)，热膨胀系数低，为4.7×10^-6/K，并且莫氏硬度达9.5，硬度仅次于金刚石，是一种低密度、高硬度、且具有良好导热性能的材料，而铝同样具有低密度高热导率的优点，但其基体强度相对较低，限制了其的应用。将碳化硅颗粒作为铝的增强相，可获得具备高强度、低密度、优异的高温强度、高比刚度等力学性能，较高的热导率、较低的热膨胀系数等优良特性的复合材料。目前，碳化硅颗粒增强铝基复合材料在航空航天、汽车和其它制造业得到了应用，是金属基复合材料(MMC)中极具应用前景的新型高技术材料。

目前制备碳化硅颗粒增强铝基复合材料的方法主要分为固相法和液相法：固相法通过粉末冶金法进行固相烧结，液相法主要包括压力铸造、搅拌熔铸、无压渗透和喷射沉积。其中，粉末冶金工艺的烧结温度较低，可有效减轻增强体与基体间的有害界面反应，制得的复合材料具有良好的力学性能。当前铝合金的粉末冶金成型技术多采用压制成型，原因在于铝的性质极其活泼，其纯粉末及合金粉末表面存在性质稳定的Al₂O₃氧化膜，致使粉末间无法有效接触，导致烧结不致密，需要通过压制使粉末发生形变，使氧化膜破裂，粉末内部金属颗粒得以接触，后续烧结过程得以进行。包括固相烧结及液相烧结中压制成型制备法在内，制备精密部件，后续常需进行切削加工使零件的尺寸形状和精度满足要求，但陶瓷颗粒硬度大，因此刀具的要求较高，且损耗大，难度高，而零件表面加工质量较差，目前国内外关于陶瓷增强铝基复合材料的加工报道也较少。因此，一种一次成型制备陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备方法对于产品质量及成本控制极为有利，而MIM成型恰好能满足此要求。但现有技术的问题在于，MIM成型显然无法实现如同压制成型般压力破膜，MIM制备铝合金具有很大难度。再者，铝合金与碳化硅颗粒之间无法形成强力结合，降低了材料的综合性能。此外，粉末冶金法也存在一些弊端，如制造出来的复合材料一般均存在孔洞率较大、内部组织不均匀的现象。

目前，鲜有MIM成型制备陶瓷颗粒增强铝基复合材料的报道，将MIM成型与陶瓷颗粒增强相结合制备复杂形状铝合金复合材料有利于铝合金复合材料应用的扩展。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，提供了一种铝合金复合材料及其注射成型制备方法，以MIM成型技术为基础，结合材料预处理和等静压工艺制备陶瓷颗粒增强铝基复合材料，进一步推动MIM铝合金复合材料的应用。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

优选的方案，所述一种铝合金复合材料及其注射成型制备方法，基于MIM成型工艺以预处理后的SiC陶瓷颗粒作为增强相制备复杂形状铝合金复合材料，具体工艺过程包括原料预处理、混料、造粒，注射成型，脱脂，烧结，等静压处理和最后的热处理；

所述SiC陶瓷颗粒粒度为≤100μm，形状为完整六-八面体聚形及类六-八面体聚形及类六-八面体聚形；

所述SiC陶瓷颗粒为表面镀Cu的SiC颗粒，并在氢气氛围下，250～300℃保温60～90min除氧；

所述SiC颗粒表面镀铜并除氧处理后进行电镀Sn处理。

优选的方案，铝合金成分中Mg与Sn的比例低于2：1，具体质量比为：1～1.5％Mg，0.75～1％Sn，0.8～1.2％Zn，0.5～1.5％Cu，10～20％SiC，余量为Al。

优选的方案，金属粉末原料均为金属元素粉或预合金粉，形状为球形。

优选的方案，粘结剂为蜡基粘结剂，粉末体积占比为55～60％，混料、造粒过程中混料温度150～160℃，加料顺序为先加入粘结剂，待融化后加入金属粉末，最后加入SiC颗粒，再混料60～90min。

优选的方案，注射成型工艺为：模具温度40～50℃，注射温度150～170℃，注射压力120MPa～130MPa。

优选的方案，脱脂分两步进行，先进行溶剂脱脂，后进行热脱，其中溶剂为正庚烷，脱脂温度为35～40℃，热脱与烧结过程同时进行。

优选的方案，烧结工艺分四段保温，具体为：通氢气，4～5℃/min升温至250～300℃，保温120～150min，之后抽真空，真空度达10^-3Pa后以4～5℃/min升温至400～420℃，保温60～90min，以4～5℃/min升温至460～480℃保温60～90min，以4～5℃/min升温至580～600℃，保温90～120min，随炉冷却。

优选的方案，烧结后进行等静压处理，温度100～120℃，压力150～170MPa，包套材料为橡胶或塑料。

优选的方案，热处理为固溶+时效处理，具体为：500～510℃保温4～6h，水冷或油冷，190～200℃保温6～8h，随炉冷却。

优选的方案，所得铝合金制品的性能为：抗拉强度≥510MPa，延伸率3～5％，致密度≥98％，热导率≥230W/(m·K)。

原理与优势

本发明结合MIM成型及等静压优势，以陶瓷颗粒为增强相，制备陶瓷颗粒增强铝基复合材料，提供了一种能一次成型复杂形状的铝合金复合材料制备方法。

本发明合金成分为Mg、Sn、Cu、Zn，其中Mg元素的作用为与氧化膜发生反应破除氧化膜；Sn元素在Al中的固溶度极低，无法强化基体，但其熔点低，液相表面张力低，可在较高温度下降低形成的Al-Mg共晶液相的表面张力，使其润湿性得到提高，液相在铝粉表面铺展性更好，以此提高烧结密度；Mg与Sn的比例不超过2：1的原因在于，Mg元素与氧化膜反应后，剩余的Mg与Sn在528℃附近发生反应生成Mg₂Sn，该反应为放热反应，当Mg与Sn含量较大时，引起局部区域温度升高，高于实际设计温度，使液相量偏高，在烧结途中引起漏液现象，产品最终不致密或发生变形；Cu的添加一方面与Al形成共晶液相促进烧结，另一方面与陶瓷颗粒表面镀的Cu膜结合，增强基体与陶瓷颗粒的结合强度；Zn的添加主要目的是与Al固溶，产生固溶强化，以及生成η相(MgZn₂)和Τ相(Al₂Mg₃Zn₃)，η相在470℃下在Al中的固溶度达28％，室温下约为4％，Τ相489℃下在Al中的固溶度达17％，室温下降至约1％，两相在高温下高固溶度，低温下低固溶度的特性，使得可通过热处理获得很好的第二相强化效果，本发明即通过固溶+时效处理使铝基体强化，进一步提升复合材料性能。

陶瓷颗粒选择完整六-八面体聚形及类六-八面体聚形是为了在注射时，保证喂料具有良好的流动性，防止出现注射缺陷。碳化硅陶瓷颗粒与金属几乎不能形成化学键结合，一般以机械形式相连，但其金属基体与颗粒界面的结合程度决定了合金的强度属性。低的结合强度显著恶化复合材料的性能，因此在其表面进行表面镀铜，与基体形成冶金结合，而非机械式连接，增加颗粒与基体的结合强度，提高材料综合性能。但根据Al-Cu相图可知，Cu在550℃附近与Al发生共晶反应生成液相，此时为烧结初期，材料仍存在较多孔隙，会造成陶瓷颗粒表面镀Cu的脱落，使陶瓷基体裸露，裸露的基体后续无法与Al合金形成稳固的结合，降低强度和热导率。因此本发明对镀Cu陶瓷颗粒额外进行镀Sn处理，Sn与Cu在烧结过程250℃～300℃保温时，通过扩散反应在表面生成Cu₃Sn及Cu₆Sn₅，防止陶瓷颗粒表面Cu在烧结初期与Al反应生成液相造成镀Cu层的脱落，提高材料综合性能。Cu与Al具有类似的性质，易在空气中氧化形成氧化膜，因此Cu粉的烧结亦存在困难，Cu的氧化物高温下在氢气氛围中可与H₂反应被去除，所以当前Cu粉的烧结基本采用在氢气氛围中烧结，但如此会产生溶胀效应，即破膜过程产生水蒸气导致烧结密度偏低。本发明采用在250～300℃充入氢气并保温是为了除去Cu粉上的氧化膜，较长一段时间的保温使水分充分排除，避免产生孔隙。此外，在250～300℃之间保温生成的水蒸气，由于温度较低，而此时铝及其合金粉末表面氧化膜并未被破除，如此可降低水汽的影响，防止铝及其合金粉末表面氧化膜增厚。之后继续抽真空进行烧结，一方面排除保护气体中残余氧的干扰，另一方面降低成本。本发明在烧结后进行等静压处理目的在于降低孔隙率，进一步强化材料性能。

本发明制备的产品具有优良的综合性能，其抗拉强度≥510MPa，延伸率3～5％，致密度≥98％，热导率＞230W/(m·K)。

附图说明

图1碳化硅六-八面体聚形颗粒形状示意图

具体实施方式

以下结合三个实施例对本发明方法作进一步说明。

实施例1

A原料预处理，将100μm的完整六-八面体聚形及类六-八面体聚形形状SiC颗粒进行镀铜，于氢气氛围下250℃保温1h除氧，并进行表面镀Sn处理。

B混料、造粒，以1.5％Mg，1％Sn，1.2％Zn，1.5％Cu，20％SiC，余量为Al的质量比与粘结剂进行混炼、造粒，混料温度160℃，先加入粘结剂，待融化后加入金属粉末，最后加入SiC颗粒，再混料90min，粉末体积占比55％。

C注射成型，将喂料用注射机进行注射成型，模具温度40℃，注射温度170℃，注射压力130MPa。

D热脱脂，将注射坯放入溶剂脱脂设备中，溶剂为正庚烷，脱脂温度为40℃。

E烧结，将脱脂坯放入烧结炉中进行烧结，烧结工艺为：通氢气，5℃/min升温至250℃，保温120min，之后抽真空，真空度达10^-3Pa后以5℃/min升温至400℃，保温60min，以5℃/min升温至480℃保温90min，以5℃/min升温至600℃，保温90min，随炉冷却。

F等静压处理，用塑料包套将烧结坯包裹，放入等静压机中处理，温度110℃，压力170MPa。

G热处理及检验，等静压处理后的材料进行热处理，工艺为：510℃保温6h，水冷，190℃保温8h，随炉冷却，检验材料性能为抗拉强度538MPa，延伸率3％，致密度99％，热导率254W/(m·K)。

实施例2

B混料、造粒，以1％Mg，0.75％Sn，0.8％Zn，0.75％Cu，10％SiC，余量为Al的质量比与粘结剂进行混炼、造粒，混料温度150℃，先加入粘结剂，待融化后加入金属粉末，最后加入SiC颗粒，再混料90min，粉末体积占比60％。

C注射成型，将喂料用注射机进行注射成型，模具温度40℃，注射温度160℃，注射压力130MPa。

E烧结，将脱脂坯放入烧结炉中进行烧结，烧结工艺为：通氢气，5℃/min升温至300℃，保温120min，之后抽真空，真空度达10^-3Pa后以5℃/min升温至420℃，保温60min，以5℃/min升温至480℃保温90min，以5℃/min升温至600℃，保温90min，随炉冷却。

F等静压处理，用塑料包套将烧结坯包裹，放入等静压机中处理，温度100℃，压力150MPa。

G热处理及检验，等静压处理后的材料进行热处理，工艺为：510℃保温6h，水冷，190℃保温8h，随炉冷却，检验材料性能为抗拉强度545MPa，延伸率3％，致密度99％，热导率231W/(m·K)。

实施例3

B混料、造粒，以1.5％Mg，1％Sn，1.2％Zn，1.5％Cu，15％SiC，余量为Al的质量比与粘结剂进行混炼、造粒，混料温度150℃，先加入粘结剂，待融化后加入金属粉末，最后加入SiC颗粒，再混料90min，粉末体积占比60％。

C注射成型，将喂料用注射机进行注射成型，模具温度50℃，注射温度160℃，注射压力120MPa。

E烧结，将脱脂坯放入烧结炉中进行烧结，烧结工艺为：通氢气，4℃/min升温至300℃，保温120min，之后抽真空，真空度达10^-3Pa后以4℃/min升温至420℃，保温60min，以4℃/min升温至480℃保温90min，以4℃/min升温至580℃，保温90min，随炉冷却。

F等静压处理，用橡胶包套将烧结坯包裹，放入等静压机中处理，温度110℃，压力160MPa。

G热处理及检验，等静压处理后的材料进行热处理，工艺为：500℃保温6h，水冷，200℃保温8h，随炉冷却，检验材料性能为抗拉强度515MPa，延伸率4％，致密度99％，热导率246W/(m·K)。

对比例1

本对比例采用与实施例1基本相同的方法，不同的是陶瓷颗粒形状为不规则形状，结果产生注不满、气孔等注射缺陷。

对比例2

本对比例采用与实施例1基本相同的方法，不同的是陶瓷颗粒未进行镀Cu处理，产品抗拉强度267MPa，导热系数157W/(m·K)。

对比例3

本对比例采用与实施例1基本相同的方法，不同的是陶瓷颗粒未进行镀Sn处理，产品抗拉强度387MPa，导热系数175W/(m·K)。

对比例4

本对比例采用与实施例1基本相同的方法，不同的是成分不同，具体如下所示：

对比例5

本对比例采用与实施例1基本相同的方法，不同的是烧结工艺不同，具体为：

对比例6

本对比例采用与实施例1基本相同的方法，不同的是未进行等静压处理，产品致密度95％，抗拉强度373MPa，导热系数165W/(m·K)。

以上所述实例仅是本发明较优的实施方法，故不能以此限定本发明的实施范围，其他按照本发明的原理和内容所做的等效改变、修饰、替代和组合，都仍属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种铝合金复合材料及其注射成型制备方法，其特征在于，基于MIM成型工艺以预处理后的SiC陶瓷颗粒作为增强相制备复杂形状铝合金复合材料，具体工艺过程包括原料预处理、混料、造粒，注射成型，脱脂，烧结，等静压处理和最后的热处理；

所述SiC陶瓷颗粒粒度为≤100μm，形状为完整六-八面体聚形及类六-八面体聚形；

所述SiC陶瓷颗粒为表面镀Cu的SiC颗粒，并在氢气氛围下，250~300℃保温60~90min除氧；

所述SiC颗粒表面镀铜并除氧处理后进行电镀Sn处理。

2.权利要求1中所述的一种铝合金复合材料及其注射成型制备方法，其特征在于，铝合金成分中Mg与Sn的比例低于2：1，具体质量比为：1~1.5%Mg，0.75~1%Sn，0.8~1.2%Zn，0.5~1.5%Cu，10~20%SiC，余量为Al。

3.权利要求1中所述的一种铝合金复合材料及其注射成型制备方法，其特征在于，金属粉末原料均为金属元素粉或预合金粉，形状为球形，Al的原料粉末氧含量≤0.3%，平均粒度≤100μm。

4.根据权利要求1中所述的一种铝合金复合材料及其注射成型制备方法，其特征在于，粘结剂为蜡基粘结剂，粉末体积占比为55~60%，混料、造粒过程中混料温度150~160℃，加料顺序为先加入粘结剂，待融化后加入金属粉末，最后加入SiC颗粒，再混料60~90min。

5.根据权利要求1中所述的一种铝合金复合材料及其注射成型制备方法，其特征在于，注射成型工艺为：模具温度40~50℃，注射温度150~170℃，注射压力120MPa~130MPa。

6.根据权利要求1中所述的一种铝合金复合材料及其注射成型制备方法，其特征在于，脱脂分两步进行，先进行溶剂脱脂，后进行热脱，其中溶剂为正庚烷，脱脂温度为35~40℃，热脱与烧结过程同时进行。

7.根据权利要求1中所述的一种铝合金复合材料及其注射成型制备方法，其特征在于，烧结工艺分四段保温，具体为：通氢气，4~5℃/min升温至250~300℃，保温120~150min，之后抽真空，真空度达10^-3Pa后以4~5℃/min升温至400~420℃，保温60~90min，以4~5℃/min升温至460~480℃保温60~90min，以4~5℃/min升温至580~600℃，保温90~120min，随炉冷却。

8.根据权利要求1中所述的一种铝合金复合材料及其注射成型制备方法，其特征在于，烧结后进行等静压处理，温度100~120℃，压力150~170MPa，包套材料为橡胶或塑料。

9.根据权利要求1中所述的一种铝合金复合材料及其注射成型制备方法，其特征在于，热处理为固溶+时效处理，具体为：500~510℃保温4~6h，水冷或油冷，190~200℃保温6~8h，随炉冷却。

10.根据权利要求1-9任意一项所述的一种铝合金复合材料及其注射成型制备方法，其特征在于，所得铝合金制品的性能为：抗拉强度≥510MPa，延伸率3~5%，致密度≥98%，热导率≥230W/（m·K）。