CN117165803A - 一种连接金具用铝基复合材料板材的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种连接金具用铝基复合材料板材的制备方法。包括以下步骤：1、粉末预处理及混粉：将2024铝合金粉末进行高温氧化，使粉末表面形成一层纳米级氧化膜，在高温氧化处理后的2024铝合金粉末中加入SiC粉末，将二者充分混合，得到三种SiC/Al混合粉末；2、模具准备及装料预压：在圆柱形模具内装填SiC/Al混合粉末，得到五个块体；3、热压烧结；4、坯材切削加工；5、多道次交叉轧制。本发明制备方法简捷，通过该制备方法制得的铝基复合材料板材针具有成本低、组织均匀、耐磨性高、疲劳性能高的优点。

Description

一种连接金具用铝基复合材料板材的制备方法

技术领域

本发明涉及铝合金粉末冶金领域，具体涉及一种连接金具用铝基复合材料板材的制备方法。

背景技术

铝基复合材料是一种以铝或铝合金为基体，加入一定比例的增强体（如颗粒、纤维、晶须等）而制成的复合材料，具有高强度、高硬度、高耐磨性、高耐蚀性、低密度等优异性能，广泛应用于航空航天、汽车、电子、机械等领域。连接金具是一种用于连接或固定各种结构件的装置，其性能和质量直接影响到结构件的可靠性和安全性，因此需要选择合适的材料和制备工艺。

现有技术中，连接金具用的铝基复合材料主要有两种制备方法：液相复合工艺和固相复合工艺。液相复合工艺是将增强体与液态铝或铝合金混合，然后通过铸造或喷射等方式制成复合材料板材或零件。固相复合工艺是将增强体与粉末状或块状的铝或铝合金混合，然后通过热压或热静压等方式制成复合材料板材或零件。

液相复合工艺制备的复合材料，由于制备温度较高，容易导致增强体在熔体中发生偏析、下沉或上浮，导致分布不均匀；增强体与基体之间容易发生界面反应，影响结合强度和耐蚀性；熔体的粘度随着增强体含量的增加而增大，降低了流动性和充型性。

固相复合工艺制备的复合材料，需要高温高压的设备和条件，成本较高；难以制备大尺寸和复杂形状的零件；易产生残余应力和变形。

采用液相复合工艺、固相复合工艺制备的复合材料，由于SiC颗粒含量较低或分布不均匀，导致其耐磨性、抗疲劳性等方面不足，不能满足高压输电领域对连接金具的要求。

因此，亟需设计一种能解决上述技术问题的连接金具用铝基复合材料板材的制备方法。

发明内容

本发明的目的是公开一种连接金具用铝基复合材料板材的制备方法，制备方法简捷，通过该制备方法制得的铝基复合材料板材针具有成本低、组织均匀、耐磨性高、疲劳性能高的优点。

一种连接金具用铝基复合材料板材的制备方法，其特殊之处在于包括以下步骤：

步骤一：粉末预处理及混粉

将2024铝合金粉末进行高温氧化，使粉末表面形成一层纳米级氧化膜，将高温氧化处理后的2024铝合金粉末等分成三份，分别加入不同质量份数的SiC粉末，充分混合后得到三种SiC/Al混合粉末，并依次记为SiC/Al混合粉末A、SiC/Al混合粉末B、SiC/Al混合粉末C，其中SiC/Al混合粉末A中SiC粉末占总质量的15-20%，SiC/Al混合粉末B中SiC粉末占总质量的10%-14%、SiC/Al混合粉末C中SiC粉末占总质量的5%~9%；

所述2024铝合金粉末的平均粒径为1μm；

所述高温氧化是在气氛热处理炉中进行，向气氛热处理炉中通入高纯氧气，100-200℃下高温氧化4h；

所述SiC粉末采用粒径为50~100nm的SiC粉末；

所述混合采用V型混粉机进行混合；

步骤二：模具准备及装料预压

在圆柱形模具内装填SiC/Al混合粉末A，依次压制两次，得到第一块体、第五块体；在圆柱形模具中重新装填SiC/Al混合粉末B，压制后得到第二块体、第四块体，在圆柱形模具中重新装填SiC/Al混合粉末C，压制后得到第三块体，将第一块体、第二块体、第三块体、第四块体、第五块体按照自上而下的顺序罗列，放入热压模具中待烧结；

所述圆柱形模具采用钨钢圆柱形模具；

为了防止粉末粘附，所述圆柱形模具内表面涂覆有石墨防粘剂；

所述压制采用冷压机进行压制，压力控制在300-400MPa；

步骤三：热压烧结

将热压模具置于热压烧结装置中进行烧结，烧结结束后模具随炉冷却至室温，取出热压烧结得到的圆柱形坯体；

所述热压烧结装置内真空度控制在10^-1Pa以下，加热过程中，升温速率为10℃/min，最终烧结温度为400~450℃，压力控制在300~500MPa，控制压力随温度上升而上升，高温有利于提高粉末的烧结活性，促进粉末颗粒间的扩散与融合，从而实现固结成坯体，同时，高压有助于消除孔隙和气泡，使得坯材的致密性和强度得到增强；

步骤四：坯材切削加工

将热压烧结好的圆柱形坯体，上下两端切平，以获得平整的工作表面，将圆柱形坯体机械加工获得轧制所需的长方体坯材；

步骤五：多道次交叉轧制

将坯材进行预热，同时将轧机的轧辊加热，将预热后的坯材送入轧机，进行第一次轧制，第一次轧制完成后的板材厚度为轧制前坯材厚度的80-90%，在第一次轧制后，对板材进行第一次退火处理；

将第一次轧制处理后的板材旋转90°后进行第二次轧制，第二次轧制完成后的板材厚度为第一次轧制后板材厚度的80-90%，第二次轧制后，对板材进行第二次退火处理；

将第二次轧制处理后的板材旋转90°后进行第三次轧制，第三次轧制完成后的板材厚度为第二次轧制后板材厚度的80-90%，第三次轧制后，对板材进行第三次退火处理；进行表面处理；

对第三次轧制完成后的板材进行表面处理，使板材表面粗糙度Ra低于2；

所述第一次退火处理温度为400~420℃，保温时间为20~30分钟，达到消除应力和提高塑性的目的；所述第二次退火处理温度为425~450℃，保温时间为20~30分钟，进一步消除应力和提高可加工性；所述第三次退火温度为470~490℃，保温时间为12~14h，确保材料结构的稳定性；

所述表面处理采用抛光和研磨方法进行表面处理。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

一、本发明采用了五层不同SiC含量的铝基复合材料组成的板材结构，有效地提高了板材的整体性能和可靠性，最上方、最下方两层采用SiC含量最高的铝基复合材料，能够提供良好的表面硬度和耐磨性，保护内部的铝基复合材料不受外界损伤，中间三层SiC含量较低的铝基复合材料，能够提供较高的韧性和延展性，保证板材在受力时不易断裂或变形。

二、本发明采用了粉末预处理、热压烧结、多道次交叉轧制等先进的制备工艺，有效地控制了粉末的组成、坯体的致密度、板材的厚度和表面质量等关键参数，保证了板材的均匀性和一致性。同时，本发明通过有限元模拟计算，优化了轧制过程中的温度、压力、速度等工艺条件，实现了各层铝基复合材料之间的良好结合和致密化，避免了层间剥离和裂纹等缺陷的产生。

三、本发明制备的连接金具用铝基复合材料板材，采用多道次交叉轧制，可以制备大尺寸样件，并且制备成本低，相比于传统的单层或双层铝基复合材料板材，具有更广泛的应用前景和市场潜力。

四、采用本发明的铝基复合材料板材制备出的连接金具，具有高强度、高韧性、高耐磨性、高耐腐蚀性等优异的性能，适用于各种复杂的工作环境和载荷条件。

附图说明

图1：本发明一种连接金具用铝基复合材料板材的制备方法的流程图。

其中：1、第一块体；2、第二块体；3、第三块体；4、第四块体；5、第五块体；6、圆柱形模具；7、坯体。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

实施例1

本实施例的一种连接金具用铝基复合材料板材的制备方法，参考附图1，包括以下步骤：

第一步：粉末预处理及混粉

将超细2024铝合金粉末(平均粒径1μm)放入气氛热处理炉，通高纯氧气，高温氧化4h，在粉末表面形成一层纳米级氧化膜。选用粒径为50~100nm的SiC，在上述预氧化处理的超细2024铝合金粉末中分别加入20%质量份数的SiC、10%质量份数的SiC、5%质量份数的SiC，利用V型混粉机将二者充分混合，分别形成SiC/Al混合粉末A、SiC/Al混合粉末B、SiC/Al混合粉末C；

第二步：模具准备及装料预压

选用钨钢圆柱形模具6，确保模具内表面光滑，无缺陷，并在模具的内表面涂覆石墨防粘剂，以防止粉末粘附。装填SiC/Al混合粉末A，在冷压机下以300MPa的压力进行压制得到五层结构中最外侧的两层，分别为第一块体1、第五块体5；装填SiC/Al混合粉末B，在冷压机下以300MPa的压力进行压制得到五层结构中次外侧的两层，分别为第二块体2、第四块体4；装填SiC/Al混合粉末C，在冷压机下以300MPa的压力进行压制得到五层结构中最中间的一层，第三块体3，将第一块体1、第二块体2、第三块体3、第四块体4、第五块体5按照自上而下的顺序罗列，放入热压模具中以待烧结。

第三步：热压烧结

将冷压好粉末的模具置于高温高压的热压烧结装置中，真空度控制不高于10^-1Pa。加热过程中，升温速率为10℃/min，最终烧结温度为400℃，压力控制在350MPa，压力随温度上升而上升。高温有利于提高粉末的烧结活性，促进粉末颗粒间的扩散与融合，从而实现固结成坯体。同时，高压有助于消除孔隙和气泡，使得坯材的致密性和强度得到增强。烧结结束后模具随炉冷却至室温，取出热压烧结得到圆柱形坯体7。

第四步：坯材切削加工

将热压烧结好的圆柱形坯体7，进行两端切平，以获得平整的工作表面。将坯材继续机械加工获得轧制所需的长方体坯材。

第五步：多道次交叉轧制

将坯材放入轧制机前进行预热，预热温度为300℃。同时将轧机的轧辊加热至300℃。将预热后的板材送入轧机，进行第一次轧制，轧下量为20%。在第一次轧制后，对板材进行退火处理。退火温度为400℃，保温时间为30分钟，达到消除应力和提高塑性的目的。将板材旋转90°，对退火后的板材进行第二次轧制，轧下量为20%。第二次轧制后，对板材进行二次退火处理。退火温度为425℃，保温时间为20分钟，进一步消除应力和提高可加工性。将板材旋转90°，对二次退火后的板材进行第三次轧制。轧下量为10~20%。对板材进行最终退火处理。退火温度为480℃，保温时间为12h，确保材料结构的稳定性。进行表面处理。采用抛光和研磨方法进行表面处理，板材表面粗糙度Ra低于2。

本实施例共进行了6组试验，验证了试验结果的均匀性及稳定性，具体试验样品机械性能及依据试验方法见表1。

表1：实施例1试验样品机械性能及依据试验方法表

综上，本实施例通过上述方法制备的连接金具用铝基复合材料板材室温抗拉强度为550MPa，断裂伸长率为18.5%，硬度达230HV，磨损量0.013g，疲劳极限153MPa。

实施例2

本实施例的一种连接金具用铝基复合材料板材的制备方法，参考附图1，包括以下步骤：

第一步：粉末预处理及混粉

将超细2024铝合金粉末(平均粒径1μm)放入气氛热处理炉，通高纯氧气，150℃高温氧化4h，在粉末表面形成一层纳米级氧化膜。选用粒径为50~100nm的SiC，在上述预氧化处理的超细2024铝合金粉末中分别加入15%质量份数的SiC粉末、10%质量份数的SiC粉末、5%质量份数的SiC粉末，利用V型混粉机将二者充分混合，得到SiC/Al混合粉末A、SiC/Al混合粉末B、SiC/Al混合粉末C。

第二步：模具准备及装料预压

选用钨钢圆柱形模具6，确保模具内表面光滑，无缺陷，并在模具的内表面涂覆石墨防粘剂，以防止粉末粘附。装填SiC/Al混合粉末A，在冷压机下以400MPa的压力进行压制得到五层结构中最外侧的两层，分别为第一块体1、第五块体5；装填10%质量份数的SiC/Al混合粉末B，在冷压机下以300MPa的压力进行压制得到五层结构中次外侧的两层，分别为第二块体2、第四块体4；装填5%质量份数的SiC/Al混合粉末C，在冷压机下以400MPa的压力进行压制得到五层结构中最中间的一层，第三块体3，将第一块体1、第二块体2、第三块体3、第四块体4、第五块体5按照自上而下的顺序罗列，放入热压模具中以待烧结。

第三步：热压烧结

将冷压好粉末的模具置于高温高压的热压烧结装置中，真空度控制不高于10^-1 Pa。加热过程中，升温速率为10℃/min，最终烧结温度为450℃，压力控制在300MPa，压力随温度上升而上升。高温有利于提高粉末的烧结活性，促进粉末颗粒间的扩散与融合，从而实现固结成坯体。同时，高压有助于消除孔隙和气泡，使得坯材的致密性和强度得到增强。烧结结束后模具随炉冷却至室温，取出热压烧结得到的圆柱形坯体7。

第四步：坯材切削加工

将热压烧结好的圆柱形坯体7，进行两端切平，以获得平整的工作表面。将坯材继续机械加工获得轧制所需的长方体坯材。

第五步：多道次交叉轧制

将坯材放入轧制机前进行预热，预热温度为400℃。同时将轧机的轧辊加热至400℃。将预热后的板材送入轧机，进行第一次轧制，轧下量为15%。在第一次轧制后，对板材进行退火处理。退火温度为420℃，保温时间为20分钟，达到消除应力和提高塑性的目的。将板材旋转90°，对退火后的板材进行第二次轧制，轧下量为10%。第二次轧制后，对板材进行二次退火处理。退火温度为440℃，保温时间为20分钟，进一步消除应力和提高可加工性。将板材旋转90°，对二次退火后的板材进行第三次轧制。轧下量为20%。对板材进行最终退火处理。退火温度为470℃，保温时间为14h，确保材料结构的稳定性。进行表面处理。采用抛光和研磨方法进行表面处理，板材表面粗糙度Ra低于2。

本实施例共进行了6组试验，验证了试验结果的均匀性及稳定性，具体试验样品机械性能及依据试验方法见表2。

表2：实施例2试验样品机械性能及依据试验方法表

综上，本实施例通过上述方法制备的铝合金块体室温抗拉强度为570MPa，断裂伸长率为17%，硬度达240HV，磨损量0.013，疲劳极限146MPa。

采用实施例1、2的连接金具用铝基复合材料板材的制备方法制得的铝基复合材料板材可用于制备板类连接金具，如：调整板、平行挂板、三角联板、梯形联板等等，一方面实现了金具轻量化的目的，同时保证机械强度优于现有金具用钢铁材料（Q235、Q345R），耐磨性也得到了极大的提升，相对Q235提高了10%以上。

比较例

本比较例的铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

第一步：复合粉体的制备

依次将平均粒径为20μm的2024铝合金粉末、过程控制剂硬脂酸和质量百分比为10%的SiC三者进行混合，采用行星式球磨工艺，球料比为10:1，转速为300 r/min，球磨时间为4h，制得复合粉体。

第二步：热压烧结

将制得的复合粉体填入模具置入高温高压的热压烧结装置中，真空度控制不高于10^-1 Pa。加热过程中，升温速率为10℃/min，最终烧结温度为450℃，压力控制在300MPa，压力随温度上升而上升。烧结结束后模具随炉冷却至室温，取出热压烧结得到的坯体。

第三步：热挤压

压力为500MPa，挤压比为10:1，挤压速度为2mm/s挤压成型。热挤压结束后去除包套、毛边，最终获得SiC铝基复合材料。

通过本比较例得到的铝基复合材料室温抗拉强度为450MPa，断裂伸长率为4%，硬度为160HV，磨损量0.03g，疲劳极限90MPa，性能明显低于实施例1-2的铝基复合材料板材。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列的运用方式。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种连接金具用铝基复合材料板材的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：粉末预处理及混粉

将2024铝合金粉末进行高温氧化，使粉末表面形成一层纳米级氧化膜，将高温氧化处理后的2024铝合金粉末等分成三份，分别加入不同质量份数的SiC粉末，充分混合后得到三种SiC/Al混合粉末，并依次记为SiC/Al混合粉末A、SiC/Al混合粉末B、SiC/Al混合粉末C，其中SiC/Al混合粉末A中SiC粉末占总质量的15-20%，SiC/Al混合粉末B中SiC粉末占总质量的10%-14%、SiC/Al混合粉末C中SiC粉末占总质量的5%~9%；

步骤二：模具准备及装料预压

在圆柱形模具内装填SiC/Al混合粉末A，依次压制两次，得到第一块体、第五块体；在圆柱形模具中重新装填SiC/Al混合粉末B，压制后得到第二块体、第四块体，在圆柱形模具中重新装填SiC/Al混合粉末C，压制后得到第三块体，将第一块体、第二块体、第三块体、第四块体、第五块体按照自上而下的顺序罗列，放入热压模具中待烧结；

步骤三：热压烧结

将热压模具置于热压烧结装置中进行烧结，烧结结束后模具随炉冷却至室温，取出热压烧结得到的圆柱形坯体；

步骤四：坯材切削加工

将热压烧结好的圆柱形坯体，上下两端切平，以获得平整的工作表面，将圆柱形坯体机械加工获得轧制所需的长方体坯材；

步骤五：多道次交叉轧制

将坯材进行预热，同时将轧机的轧辊加热，将预热后的坯材送入轧机，进行第一次轧制，第一次轧制完成后的板材厚度为轧制前坯材厚度的80-90%，在第一次轧制后，对板材进行第一次退火处理；

将第一次轧制处理后的板材旋转90°后进行第二次轧制，第二次轧制完成后的板材厚度为第一次轧制后板材厚度的80-90%，第二次轧制后，对板材进行第二次退火处理；

将第二次轧制处理后的板材旋转90°后进行第三次轧制，第三次轧制完成后的板材厚度为第二次轧制后板材厚度的80-90%，第三次轧制后，对板材进行第三次退火处理；进行表面处理；

对第三次轧制完成后的板材进行表面处理，使板材表面粗糙度Ra低于2。

2.按照权利要求1所述的一种连接金具用铝基复合材料板材的制备方法，其特征在于步骤一中所述2024铝合金粉末的平均粒径为1μm，所述SiC粉末采用粒径为50~100nm的SiC粉末。

3.按照权利要求1或2所述的一种连接金具用铝基复合材料板材的制备方法，其特征在于步骤一中所述高温氧化是在气氛热处理炉中进行，向气氛热处理炉中通入高纯氧气，100-200℃下高温氧化4h。

4.按照权利要求1所述的一种连接金具用铝基复合材料板材的制备方法，其特征在于步骤二中所述圆柱形模具6采用钨钢圆柱形模具。

5.按照权利要求4所述的一种连接金具用铝基复合材料板材的制备方法，其特征在于步骤二中所述圆柱形模具内表面涂覆有石墨防粘剂。

6.按照权利要求1所述的一种连接金具用铝基复合材料板材的制备方法，其特征在于步骤二中所述压制采用冷压机进行压制，压力控制在300-400MPa。

7.按照权利要求1所述的一种连接金具用铝基复合材料板材的制备方法，其特征在于步骤三中所述热压烧结装置内真空度控制在10^-1 Pa以下，加热过程中，升温速率为10℃/min，最终烧结温度为400~450℃，压力控制在300~500MPa。

8.按照权利要求1所述的一种连接金具用铝基复合材料板材的制备方法，其特征在于步骤五中所述第一次退火处理温度为400~420℃，保温时间为20~30分钟；所述第二次退火处理温度为425~450℃，保温时间为20~30分钟；所述第三次退火温度为470~490℃，保温时间为12~14h。

9.按照权利要求1所述的一种连接金具用铝基复合材料板材的制备方法，其特征在于步骤五中所述表面处理采用抛光和研磨方法进行表面处理。