一種高硅鋁復合材料的制備方法
【技術領域】
[000? ]本發明涉及招娃合金生廣制備的技術領域，特別涉及一種尚娃招復合材料的制備方法。
【背景技術】
[0002]鋁硅合金由于具有低膨脹系數、耐磨性好和輕質等優點被廣泛應用于汽車、電子封裝、航空航天等工業領域。對于過共晶高硅鋁合金(硅的質量分數大于18%時)，其結晶溫度范圍較大，硅相有足夠的時間生長，形成尺寸較大的片狀或條狀初晶硅，這些粗大的初晶硅嚴重割裂Al基體的連續性，導致材料變脆。因此，控制硅顆粒生長成為改善鋁硅合金尤其是高硅鋁合金綜合性能的關鍵。工業生產中主要通過控制熱和機械力來限制硅晶粒生長。傳統粉末冶金制造溫度低，有利于獲得相對細小的硅相。但是粉末容易氧化，導致壓型不致密，其延展性能不及采用傳統鑄造的制品。噴射沉積技術通過快速冷卻獲得細晶硅，但必須經過熱等靜壓等一系列后續加工來提高材料整體性能，工藝和設備復雜，成本很高。
[0003]鑄造方法制備鋁硅合金雖然具備工藝簡單和成本低等特點，但其過程冷卻速度低，易導致硅相粗大。當硅質量分數超過30%時，即使采用加變質劑和引入外部機械力等方法，也不能對初晶硅進行有效的細化，無法實現鑄造制品的工業化應用價值。攪拌摩擦加工方法是一種用于材料微觀組織改性和制造的固相加工方法，它利用攪拌頭所造成加工區材料的劇烈塑性變形、第二相顆粒的破碎和磨損，實現微觀結構的細化、均勻化和致密化。對于鑄造合金，可以通過攪拌摩擦細化基體晶粒、打碎枝晶和第二相、消除鑄造孔洞缺陷，獲得組織細小均勻的鍛造組織，從而有效提高材料的物理性能和機械性能。

【發明內容】

[0004]為了克服現有鑄造技術的缺陷，本發明提供了一種高硅鋁復合材料的制備方法，具體是通過多次攪拌鑄造和后續的攪拌摩擦加工制備獲得硅顆粒細小均勻的致密高硅鋁復合材料。
[0005 ]本發明解決技術問題采用以下技術方案:
[0006]本發明高硅鋁復合材料的制備方法，其特征在于按照如下步驟操作:
[0007](I)采用多次攪拌鑄造的方法制備高硅鋁板材，其中硅的質量分數占30?70%，硅顆粒尺寸控制在400μπι以下、縱橫尺寸比小于8;
[0008](2)將所制備的高硅鋁板材進行攪拌摩擦加工，獲得硅顆粒細小均勻的致密高硅鋁復合材料，其中硅顆粒平均尺寸小于5μπι、縱橫尺寸比為I?2。
[0009]上述步驟(I)具體是按如下方式進行:
[0010](II)首先將稱量好的工業純鋁塊放入坩禍中，在鋁塊表面添加覆蓋劑，覆蓋劑的加入量以覆蓋住鋁塊的表面為宜；將坩禍放入加熱爐中，升溫至700?750°C，保溫20?30min，將工業純鋁熔化；
[0011 ]同時將硅塊粉碎，經過震動篩篩分，獲得粒徑在I?5mm的硅顆粒;為減少硅顆粒表面吸附的空氣和污染物，將稱量好的硅顆粒在400?450°C下進行預熱處理10?30min;
[0012](12)取出坩禍，將預熱處理后的硅顆粒加入已經熔化的鋁液中，攪拌均勻后重新放回加熱爐中；
[0013](13)將加熱爐升溫至相應鋁硅液相線溫度以上30?50°C，保溫的同時采用攪拌棒(示意圖如圖1所示)對坩禍內材料進行機械攪拌，攪拌棒攪拌速度控制在150?300轉/分，直至硅顆粒完全溶入鋁液中；
[0014](14)將加熱爐溫度降至相應鋁硅液相線溫度以下20?40°C，保溫的同時采用攪拌棒機械攪拌坩禍內材料5?10分鐘，攪拌速度為200?400轉/分，停止攪拌后繼續保溫5?10分鐘，除氣精煉后，取出坩禍將鋁硅熔煉材料澆入金屬模具內，在空氣中自然冷卻，最終獲得高硅鋁板材。
[0015]上述步驟(2)具體是按如下方式進行:
[0016]首先將所述高硅鋁板材固定在攪拌摩擦加工設備工作臺上，進行攪拌摩擦加工(示意圖如圖2所示)，在攪拌摩擦加工過程中攪拌工具的傾斜角為2?3° ;攪拌摩擦加工的參數為:攪拌工具旋轉速度范圍為600?1500轉/分，攪拌摩擦加工速度范圍為30?100毫米/分，壓入量0.1?0.5毫米;攪拌摩擦加工采用多道次搭接攪拌摩擦加工，相鄰道次的搭接率為40?60%，對整個加工區域共進行I?3輪完整的攪拌摩擦加工。最終獲得硅顆粒平均尺寸小于5μπι、縱橫尺寸比為I?2的致密高硅鋁復合材料。
[0017]與已有技術相比，本發明的有益效果體現在:
[0018](I)本發明通過多次攪拌鑄造結合攪拌摩擦加工的方式，所得高硅鋁復合材料的硅顆粒細小、分布均勻、致密度高，所以使得高硅鋁材料的物理和機械性都能得到了優化。
[0019](2)本發明的工藝步驟和所用設備簡單、生產效率高、且所得鋁硅材料性能穩定，因此適合于批量化工業生產。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發明攪拌鑄造的示意圖；
[0021 ]圖2為本發明攪拌摩擦加工的示意圖；
[0022]圖3為實施例1所得高硅鋁板材的金相圖；
[0023]圖4為實施例1所得成品的金相圖；
[0024]圖5為實施例2所得高硅鋁板材的金相圖；
[0025]圖6為實施例2所得成品的金相圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結合具體實施例對本發明做進一步說明。
[0027]實施例1:Al_40Si硅鋁復合材料制備
[0028]本實施例的Al_40Si硅鋁復合材料按如下步驟制備:
[0029](I)首先按質量分數為60%將工業純鋁塊放入石墨坩禍中，表面添加覆蓋劑;將坩禍放入加熱爐中，加熱爐溫度升至720°C，保溫25min將工業純鋁熔化。
[0030]同時將硅塊粉碎，經過震動篩篩分，獲得粒徑在I?5mm的硅顆粒；按質量分數為40 %將娃顆粒在450 0C下進行預熱處理20min。
[0031]取出坩禍，將預熱處理后的硅顆粒加入已經熔化的鋁液中，攪拌均勻后重新放回加熱爐中。
[0032](2)將加熱爐溫度升至960°C，同時在加熱爐內采用圖1所示的攪拌棒對坩禍內材料進行機械攪拌，攪拌棒旋轉速度控制在250轉/分，直至硅顆粒完全溶入鋁液中。
[0033](3)將加熱爐溫度降至910°C，繼續采用攪拌棒機械攪拌坩禍內材料5分鐘，攪拌速度為300轉/分，停止攪拌后在此溫度下保溫10分鐘，除氣精煉后，取出坩禍將鋁硅熔煉材料澆入銅模具內，在空氣中自然冷卻，最終獲得高硅鋁板材，其金相圖如圖3所示，從圖中可以看出成品中娃顆粒的尺寸在40?200μηι，縱橫尺寸比小于4。
[0034](4)將所制備的高硅鋁板材固定在攪拌摩擦加工設備工作臺上，采用帶有標準螺紋的攪拌頭進行攪拌摩擦加工，所用圓柱型攪拌工具采用Η13模具鋼制作，在攪拌摩擦加工過程中攪拌工具的傾斜角為2°;攪拌摩擦加工的參數為:攪拌工具旋轉速度范圍為800轉/分，攪拌摩擦加工速度范圍為100毫米/分，壓入量0.2毫米;攪拌摩擦加工采用多道次搭接攪拌摩擦加工，相鄰道次的搭接率為40%，對整個加工區域共進行I輪完整的攪拌摩擦加工，即獲得成品。
[0035 ] 所得成品的金相圖如圖4所示，從圖中可以看出成品中娃顆粒的尺寸在0.1?5μηι，縱橫尺寸比在I?2。
[0036]實施例2:Al_55Si硅鋁復合材料制備
[0037]本實施例的Al_55Si硅鋁復合材料按如下步驟制備:
[0038](I)首先按質量分數為45%將工業純鋁塊放入石墨坩禍中，表面添加覆蓋劑;將坩禍放入加熱爐中，加熱爐溫度升至720°C，保溫25min將工業純鋁熔化。
[0039]同時將硅塊粉碎，經過震動篩篩分，獲得粒徑在I?5mm的硅顆粒；按質量分數為55 %將娃顆粒在450 °C下進行預熱處理20min。
[0040]取出坩禍，將預熱處理后的硅顆粒加入鋁液中，攪拌后重新放回加熱爐中。
[0041](2)將加熱爐溫度升至1180°C，同時在加熱爐內采用圖1所示的對坩禍內材料進行機械攪拌，攪拌棒攪拌速度控制在200轉/分，直至硅顆粒完全溶入鋁液中。
[0042](3)將加熱爐溫度降至1110 °C，繼續采用攪拌棒機械攪拌坩禍內材料10分鐘，攪拌速度為300轉/分，停止攪拌后在此溫度下保溫5分鐘，除氣精煉后，取出坩禍將鋁硅熔煉材料澆入銅模具內，在空氣中自然冷卻，獲得高硅鋁板材，其金相圖如圖5所示，從圖中可以看出成品中娃顆粒的尺寸在50?350μηι，縱橫尺寸比小于6。
[0043](4)將所制備的高硅鋁板材固定在攪拌摩擦加工設備工作臺上，采用帶有標準螺紋的攪拌頭進行攪拌摩擦加工，所用攪拌工具采用高溫合金制作，在攪拌摩擦加工過程中攪拌工具的傾斜角為3%攪拌摩擦加工的參數為:攪拌工具旋轉速度范圍為1200轉/分，攪拌摩擦加工速度范圍為30毫米/分，壓入量0.4毫米;攪拌摩擦加工采用多道次搭接攪拌摩擦加工，相鄰道次的搭接率為60 %，對整個加工區域共進行3輪完整的攪拌摩擦加工即獲得成品。
[0044]所得成品的金相圖如圖4所示，從圖中可以看出成品中硅顆粒的尺寸在0.2?10μm，平均尺寸小于5μηι，縱橫尺寸比在I?2。
【主權項】
1.一種高硅鋁復合材料的制備方法，其特征在于按如下步驟操作: (1)采用多次攪拌鑄造的方法制備高硅鋁板材，其中硅的質量分數占30?70%，硅顆粒尺寸控制在400μπι以下、縱橫尺寸比小于8; (2)將所制備的高硅鋁板材進行攪拌摩擦加工，獲得硅顆粒細小均勻的致密高硅鋁復合材料，其中硅顆粒平均尺寸小于5μι、縱橫尺寸比為I?2。2.根據權利要求1所述的高硅鋁復合材料的制備方法，其特征在于:步驟(I)是按如下方式進行: (11)首先將工業純鋁塊放入坩禍中，在鋁塊表面添加覆蓋劑;將坩禍放入加熱爐中，升溫至700?750 °C，保溫，將工業純鋁熔化； 同時將硅塊粉碎，經過震動篩篩分，獲得粒徑在I?5mm的硅顆粒，在400?450 °C下進行預熱處理； (12)取出坩禍，將預熱處理后的硅顆粒加入已經熔化的鋁液中，攪拌均勻后重新放回加熱爐中； (13)將加熱爐升溫至相應鋁硅液相線溫度以上30?50°C，保溫的同時采用攪拌棒對坩禍內材料進行機械攪拌，直至硅顆粒完全溶入鋁液中； (14)將加熱爐降溫至相應鋁硅液相線溫度以下20?40°C，保溫的同時采用攪拌棒機械攪拌坩禍內材料5?10分鐘，停止攪拌后繼續保溫5?10分鐘，除氣精煉后，取出坩禍將鋁硅熔煉材料澆入金屬模具內，在空氣中自然冷卻，最終獲得高硅鋁板材。3.根據權利要求1所述的高硅鋁復合材料的制備方法，其特征在于: 步驟(2)是按如下方式進行: 首先將所述高硅鋁板材固定在攪拌摩擦加工設備工作臺上，進行攪拌摩擦加工，在攪拌摩擦加工過程中攪拌工具的傾斜角為2?3°;攪拌摩擦加工的參數為:攪拌工具旋轉速度范圍為600?1500轉/分，攪拌摩擦加工速度范圍為30?100毫米/分，壓入量0.1?0.5毫米；攪拌摩擦加工采用多道次搭接攪拌摩擦加工，相鄰道次的搭接率為40?60%，對整個加工區域共進行I?3輪完整的攪拌摩擦加工。
【專利摘要】本發明公開了一種高硅鋁復合材料的制備方法，是首先采用多次攪拌鑄造的方法制備高硅鋁材料，其中硅的質量分數占30～70％，硅顆粒大小控制在400μm以下、縱橫尺寸比小于8；然后將所制備的高硅鋁材料進行攪拌摩擦加工，獲得硅顆粒細小均勻的致密高硅鋁復合材料，其中硅顆粒平均尺寸小于5μm、縱橫比為1～2。本發明制備方法工藝步驟簡單，制造成本低廉，產品性能穩定，適合于規模化工業生產。
【IPC分類】C22C1/10, C22C21/02, C22C28/00
【公開號】CN105568036
【申請號】CN201511027722
【發明人】華鵬, 曹立超, 周偉, 李先芬, 吳玉程
【申請人】合肥工業大學
【公開日】2016年5月11日
【申請日】2015年12月30日