一种硅铝复合材料及其制备方法

摘要

本发明提供了一种硅铝复合材料及其制备方法，包括水雾化铝硅合金粉64％～90％；铜粉4.5％～15％；镁粉0.4％～1％；铝粉3.3％～19％；锡粉0.3％～1％。本发明的硅铝复合材料，延伸率高，抗拉强度高，稳定性好，疲劳性能和耐磨性能好。采用本发明的制备方法，与传统的制备方法相比，该方法制备出的硅铝复合材料晶粒细小，硅颗粒在材料中分布均匀；同时采用铝合金活化烧结技术和液相烧结技术，解决了传统粉末冶金过程中硅铝复合材料烧结致密度不高的问题，利用热挤压工艺变形强化并进一步破碎细化晶粒，进一步提升了硅铝复合材料的性能。

权利要求

1.一种硅铝复合材料，其特征在于，包括以下组分，各组分的重量表示如下：所述硅铝复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1S：将各组分按预定比例倒入器皿盘中搅拌，得到混合粉；

2S：将混合粉倒入混料机或滚动球磨机中，加入不锈钢球，球料比为3:1，混合10～20小时后取出，得到混合均匀的粉末；

3S：将混合均匀的粉末装入包套中冷等静压，冷等静压的压力为180～220Mpa，保压时间5～10分钟，制得压坯；

4S：将压坯从包套中取出，放入气氛烧结炉中，控制气氛烧结炉升温至烧结温度540℃～580℃，在氮气保护下进行保温；

5S：冷却至300℃以下取出，得到烧结体，将烧结体去表皮，并加工成预定直径40-180mm的烧结体棒材；

6S：将烧结体棒材放入挤压机热挤压成型材，挤压温度为425℃～450℃，挤压速度为5～10mm/s；

7S：将挤压后的型材置于箱式电阻炉内热处理，热处理温度为490℃～510℃，保温7～9小时，然后在60～100℃的水中淬火；

8S：将淬火过的合金在油浴中时效处理，时效温度为160℃～180℃，保温10-14小时。

2.如权利要求1所述的硅铝复合材料，其特征在于，所述水雾化铝硅合金粉中的硅含量为12.6％～30％。

3.如权利要求2所述的硅铝复合材料，其特征在于，所述水雾化铝硅合金粉粒径为20～

24μm 。

4.如权利要求1-3任一项所述的硅铝复合材料，其特征在于，包括以下组分，各组分的重量表示如下：

5.如权利要求1中所述的硅铝复合材料，其特征在于，所述步骤4S中的烧结温度为540℃～575℃。

6.如权利要求1或5所述的硅铝复合材料，其特征在于，所述步骤4S中的保温时间依据压坯直径的不同而不同，其中，(1)压坯直径小于或等于66mm，保温时间为3～5小时；

(2)压坯直径为66mm～150mm，保温时间6～10小时；

(3)压坯直径大于或等于150mm，保温时间保温10-15小时。

7.如权利要求6所述的硅铝复合材料，其特征在于，所述步骤4S中的升温速度具体为(1)100～300℃之间，升温速度5℃/min；

(2)300～400℃之间，升温速度2.5℃/min；

(3)400～580℃之间，升温速度1℃/min。

8.如权利要求7所述的硅铝复合材料的硅铝复合材料，其特征在于，所述步骤4S中的氮气的纯度为99～99.9％。

9.如权利要求1所述的硅铝复合材料，其特征在于，所述步骤7S中，当外界温度为低于

10℃，在100℃的水中淬火。

说明书

一种硅铝复合材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于粉末冶金工艺生产硅铝复合材料技术领域，特别提供了一种以粉末冶金方法制备硅铝复合材料的技术。

背景技术

[0002] 铝合金具有比重轻、比强度高和良好的耐蚀性等优点，且地球上铝资源含量丰富，因而显示出广阔的应用前景。硅是铝合金中用量最大的合金化元素，就铸造铝合金而言，铝硅合金占有重要的地位，其用量占铝合金铸件总产量的80％以上，对铝硅合金的研究也吸引了众多学者的关注。

[0003] 硅铝复合材料拥有更小的密度和更低的热膨胀系数，也更耐蚀，同时还具有很好的耐磨性。基于以上的优点，硅铝复合材料可用于制造内燃机活塞，显著提高内燃机的功率和速度，这顺应了目前内燃机向高功率、高速度发展的趋势，也更节省燃料，降低污染。目前国外己有硅铝复合材料牌号，如美国A390、日本AC9A.AC8A等，己经进入批量生产阶段。日本的摩托车活塞已全部选用这种材质的合金，并扩大应用于载重汽车，在小轿车上也有应用。在澳大利亚，硅铝复合材料A390已用作全铝汽车汽缸的砂型和硬模铸件。我国至今仍以共晶型硅铝复合材料作为活塞主导材料。不过，部分企业也已将硅铝复合材料投入应用，但我国目前仍没有自己的硅铝复合材料牌号。

[0004] 传统的硅铝复合材料生产方式为铸造，在冷却过程中，由于硅铝复合材料的微观组织中通常存在五瓣星形状、板片状、八面体和其它复杂形貌的初生硅，这些分布在该合金基体中的较粗大初生硅，严重地割裂了合金基体，在外力作用下，合金中的硅相尖端和棱角部位易引起局部应力集中，从而明显降低了合金的力学性能，尤其是影响其塑性、强度及耐磨性的提高，从而降低了合金的性能。另一方面，随着硅含量的增加，合金结晶温度范围变宽、其铸造加工性能变差，一味依靠传统铸造方法制备高硅铝合金的性能不能满足当前对于高硅铝合金应用需求。因此要想提高硅铝合金的性能，必须想办法改善初生硅的形貌及尺寸。

[0005] 为了改善初晶硅的大小及它在基体中的分布，研究者主要从变质细化处理、改进制备工艺这两个方面来解决这一问题，目前主要的方法有变质细化处理、半固态成形、喷射沉积等方法，但变质细化处理由于大量变质剂的加入不但增加了制备成本，还引入了杂质，一定程度上降低了合金的性能，半固态成型因为设备复杂，生产成本高而难以普及，而喷射沉积技术又难以生产大尺寸的硅铝复合材料。

[0006] 粉末冶金作为一种新兴的材料生产技术，可以细化晶粒、抑制初生硅晶粒的长大，从而大幅度提高硅铝复合材料的性能。其工艺流程如下：水雾化铝硅合金粉—冷等静压—烧结—(必要时加工或整形)—挤压—热处理—后续处理—成品。但是因为铝和硅的润湿性不好，利用传统的粉末冶金工艺制备硅铝复合材料时烧结过程进行不完全，烧结致密度不高，从而大大影响最终成品的机械性能。

发明内容

[0007] 本发明提供一种硅铝复合材料及其制备方法，结合粉末冶金工艺，利用粉末冶金所具有的晶粒细小，成分分布均匀，易于大规模生产的先天优势；结合铝合金活化烧结技术并加入锡元素产生液相促进硅铝复合材料的烧结，最终提高粉末冶金方法制备硅铝复合材料的性能。

[0008] 本发明提供一种硅铝复合材料，包括以下组分，各组分的重量表示如下：

[0009]

[0010] 其中，所述水雾化铝硅合金粉中的硅含量为12.6％～30％。

[0011] 其中，所述水雾化铝硅合金粉粒径为20～24um。

[0012] 其中，包括以下组分，各组分的重量表示如下：

[0013]

[0014] 一种如权利要求1-4任一项所述的硅铝复合材料的制备方法，包括以下步骤：

[0015] 1S：将各组分按预定比例倒入器皿盘中搅拌，得到混合粉；

[0016] 2S：将混合粉倒入混料机或滚动球磨机中，加入不锈钢球，球料比为3:1，混合10～20小时后取出，得到混合均匀的粉末；

[0017] 3S：将混合均匀的粉末装入包套中冷等静压，冷等静压的压力为180～220Mpa，保压时间5～10分钟，制得压坯；

[0018] 4S：将压坯从包套中取出，放入气氛烧结炉中，控制气氛烧结炉升温至烧结温度540℃～580℃，在氮气保护下进行保温；

[0019] 5S：冷却至300℃以下取出，得到烧结体，将烧结体去表皮，并加工成预定直径40-180mm的烧结体棒材；

[0020] 6S：将烧结体棒材放入挤压机热挤压成型材，挤压温度为425℃～450℃，挤压速度为5～10mm/s；

[0021] 7S：将挤压后的型材置于箱式电阻炉内热处理，热处理温度为490℃～510℃，保温7～9小时，然后在60～100℃的水中淬火；

[0022] 8S：将淬火过的合金在油浴中时效处理，时效温度为160℃～180℃，保温10-14小时。

[0023] 其中，所述步骤4S中的烧结温度为540℃～575℃。

[0024] 其中，所述步骤4S中的保温时间依据压坯直径的不同而不同，其中，[0025] (1)压坯直径小于或等于66mm，保温时间为3～5小时；

[0026] (2)压坯直径为66mm～150mm，保温时间6～10小时；

[0027] (3)压坯直径大于或等于150mm，保温时间保温10-15小时。

[0028] 其中，所述步骤4S中的升温速度具体为

[0029] (1)100～300℃之间，升温速度0～5℃/min；

[0030] (2)300～400℃之间，升温速度0～2.5℃/min；

[0031] (3)400～580℃之间，升温速度0～1℃/min。

[0032] 其中，所述步骤4S中的氮气的纯度为99～99.9％。

[0033] 其中，所述步骤7S中，当外界温度为低于10℃，在100℃的水中淬火。

[0034] 本发明的硅铝复合材料，包括水雾化铝硅合金粉，具有颗粒形状不规则，压制密度高，烧结效果好等特点。并且其冷却速度快，初晶硅颗粒来不及析出，从而导致最终成品中初晶硅颗粒细小，分布均匀。水雾化铝硅合金粉的重量比为64％～90％，优选的，为64％～84.6％；该比例范围为根据实际硅铝复合材料中硅含量确定的，比例过高或过低都会造成合金材料中硅含量不符合本发明中硅铝复合材料中对硅含量的要求。水雾化铝硅合金粉中的粒径为20～24um，该粒径的水雾化铝硅粉具有制备相对容易，价格相对合理，制成的成品性能好等优点，硅含量为12.6％～30％，硅均匀分布于铝基体粉末中。

[0035] 铜粉的含量为4.5％～15％，优选的，为5％～15％；铜粉可以与铝在热处理的过程中析出固溶强化相，从而提高合金的力学性能；以上比例为常见硅铝复合材料牌号的铜含量。镁粉的含量为0.4％～1％，镁粉与硅形成强化相，提升合金的性能。

[0036] 铝粉的含量为3.3％～19％，优选的，为9.7％～19％；铝粉为纯铝粉，铝粉作为填充成分，可以使铝和硅的含量可以达到标准牌号的配比。

[0037] 锡粉的含量为0.3％～1％，锡粉选用纯锡粉，由于锡的熔点低，少量的锡可以与许多金属无限互溶，从而产生液相烧结，从而提高烧结致密度并改善合金性能，由于锡本身性能差，大量的加入反而会降低合金的性能，故选择本发明的比例范围。

[0038] 本发明的硅铝复合材料的制备方法，主要包括：

[0039] 1S：将各组分按预定比例倒入器皿盘中搅拌，得到混合粉；

[0040] 2S：将混合粉倒入混料机或滚动球磨机中，加入不锈钢球，球料比为3:1，混合10～20小时后取出，得到混合均匀的粉末；

[0041] 3S：将混合均匀的粉末装入包套中冷等静压，冷等静压的压力为180～220Mpa，保压时间5～10分钟，制得压坯；冷等静压是在常温下，通常用橡胶或塑料作包套模具材料，以液体为压力介质，使得液体的压力可以均匀的通过包套磨具传递给压制的粉末，使粉末在各个方向上都受到同等压力，从而提高压制密度和成品性能的一种方式，过低的压力会造成粉末无法成型，过高的压力又会导致冷等静压机的价格高昂。

[0042] 4S：将压坯从包套中取出，放入气氛烧结炉中，控制气氛烧结炉升温至烧结温度为540℃～580℃，优选的，烧结温度为540℃～575℃，在氮气保护下进行保温；

[0043] 5S：冷却至300℃以下取出，得到烧结体，将烧结体去表皮，并加工成预定直径40-180mm的烧结体棒材；温度太高时从炉内取出会造成材料冷却速度过快，容易发生开裂等现象。

[0044] 6S：将烧结体棒材放入挤压机热挤压成型材，挤压温度为425℃～450℃，挤压速度为5～10mm/s；挤压速度根据挤压温度适当调整。该挤压温度范围为实验摸索温度，挤压温度高，挤压速度较快，材料表面质量好。

[0045] 7S：将挤压后的型材置于箱式电阻炉内热处理，热处理温度为490℃～510℃，保温7～9小时，然后在60～100℃的水中淬火；经多次实验所得，在该工艺参数下材料力学性能最好。

[0046] 8S：将淬火过的合金在油浴中时效，时效温度为160℃～180℃，保温10-14小时。经多次实验所得，在该工艺参数下材料力学性能最好。

[0047] 步骤4S中的保温时间依据压坯直径的不同而不同，其中，(1)压坯直径小于或等于66mm，保温时间为3～4小时；(2)压坯直径为66mm～150mm，保温时间6～10小时；(3)压坯直径大于或等于150mm，保温时间保温10-15小时。较小的直径容易烧结，需要较短的时间即可，而较大的材料较难烧透，需要加大烧结时间

[0048] 升温速度具体为(1)100～300℃之间，升温速度0～5℃/min；(2)300～400℃之间，升温速度0～2.5℃/min；(3)400～580℃之间，升温速度0～1℃/min。温度越高，对烧结的影响越大，加之PID温控仪升温速度越慢，在升温过程中温度控制越精确，为了保证烧结质量，当温度较高时应减慢升温速度。

[0049] 步骤7S中，当外界温度为低于10℃，在100℃的水中淬火，防止内应力过大造成开裂。

[0050] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：

[0051] 1、采用粉末冶金工艺制备硅铝复合材料，填补了国内粉末冶金工艺制备硅铝复合材料的空白；

[0052] 2、利用粉末冶金的方法细化晶粒，抑制初晶硅颗粒的长大，防止成分偏析，从而提高硅铝复合材料的综合性能；

[0053] 3、根据粉末冶金工艺在提升温度后，晶粒长大不明显的特性，使硅铝复合材料在较高的温度下仍可以保持较高的综合性能；

[0054] 4、采用铝合金活化烧结技术和液相烧结技术，大大提高了硅铝复合材料的烧结致密度，从而提高硅铝复合材料的综合性能；

[0055] 5、该方法生产硅铝复合材料的连续性好，适宜大规模、大批量生产。

具体实施方式

[0056] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

[0057] 本发明的硅铝复合材料，包括以下组分，各组分的重量表示如下：水雾化铝硅合金粉64％～90％；铜粉4.5％～15％；镁粉0.4％～1％；铝粉3.3％～19％；锡粉0.3％～1％。

[0058] 优选的，水雾化铝硅合金粉64％～84.6％；铜粉5％～15％；镁粉0.4％～1％；铝粉9.7％～19％；锡粉0.3％～1％。

[0059] 其中，其含量为水雾化铝硅合金粉的粒径为20～24um，硅均匀分布于铝基体粉末中，硅含量为12.6％～30％。

[0060] 本发明的硅铝复合材料的制备方法包括以下步骤：

[0061] 1S：将64％～90％硅含量为12.6％～30％的水雾化铝硅合金粉、4.5％～15％铜粉、0.4％～1％镁粉、3.3％～19％纯铝粉、0.3％～1％纯锡粉倒入器皿盘中搅拌，得到混合粉；

[0062] 2S：将混合粉倒入混料机或滚动球磨机中，加入不锈钢球，球料比为3:1，混合10～20小时后取出，得到混合均匀的粉末；

[0063] 3S：将混合均匀的粉末装入包套中冷等静压，冷等静压的压力为180～220Mpa，保压时间5～10分钟，制得压坯；

[0064] 4S：将压坯从包套中取出，放入气氛烧结炉中，控制气氛烧结炉升温至烧结温度为540℃～575℃，100～300℃之间，升温速度0～5℃/min；300～400℃之间，升温速度0～2.5℃/min；400～575℃之间，升温速度0～1℃/min。在氮气保护下进行保温；

[0065] 5S：冷却至300℃以下取出，得到烧结体，将烧结体去表皮，并加工成预定直径40-180mm的烧结体棒材；

[0066] 6S：将烧结体棒材放入挤压机热挤压成型材，挤压温度为425℃～450℃，挤压速度为5～10mm/s；

[0067] 7S：将挤压后的型材置于箱式电阻炉内热处理，热处理温度为490℃～510℃，保温7～9小时，然后在60～100℃的水中淬火；

[0068] 8S：将淬火过的合金在油浴中时效处理，时效温度为160℃～180℃，保温10-14小时。

[0069] 下面列出本发明硅铝复合材料及其制备方法的具体实施例：

[0070] 实施例1：

[0071] 制备直径为10mm的A390棒材：

[0072] 1.90％硅含量为20％的铝硅合金粉、5％的铜粉、0.65％的镁粉、3.35％的纯铝粉、1％的纯锡粉倒入器皿盘中搅拌，备用；

[0073] 2.将混合粉倒入混料机或滚动球磨机中，加入不锈钢球，保持球料比为3:1，混合20小时后取出；

[0074] 3.将混合均匀后的粉末装入直径为66mm的包套中冷等静压，冷等静压的压力为180Mpa，并保压10分钟，之后从包套中取出压坯；

[0075] 4.将压坯放入气氛烧结炉中，烧结温度为575℃，在氮气保护气氛烧结，在100～300℃，加热速度5℃/min，300～400℃，加热速度2.5℃/min，400℃～575℃，加热速度1℃/min，保温5小时；

[0076] 5.冷却至300℃以下取出；将烧结体去表皮，并加工至直径40mm的烧结体棒材；

[0077] 6.将烧结体棒材放入挤压机热挤压成型材，挤压模具的挤压比为16:1，挤压温度为425℃，挤压速度为5mm/s，挤压过的棒材直径为10mm。

[0078] 7.将挤压后的型材置于箱式电阻炉内热处理，热处理温度为510℃，保温7小时，并在100℃的水中淬火；

[0079] 8.将淬火过的合金在油浴中时效，时效温度为180℃，保温10-14小时。

[0080] 实施例2

[0081] 制备直径为40mm的A390棒材：

[0082] 1.90％硅含量为20％的铝硅合金粉、5％的铜粉、0.65％的镁粉、3.35％的纯铝粉、1％的纯锡粉倒入器皿盘中简单搅拌，备用；

[0083] 2.将混合粉倒入混料机或滚动球磨机中，加入不锈钢球，保持球料比为3:1，混合20小时后取出；

[0084] 3.将混合均匀后的粉末装入直径为200mm的包套中冷等静压，冷等静压的压力为180Mpa，并保压10分钟，之后从包套中取出压坯；

[0085] 4.将压坯放入气氛烧结炉中，烧结温度为575℃，在氮气保护气氛烧结，在100～300℃，加热速度5℃/min，300～400℃，加热速度2.5℃/min，400℃～575℃，加热速度1℃/min，并保温10小时。

[0086] 5.冷却至300℃以下取出；将烧结体去表皮，并加工至直径160mm的烧结体棒材；

[0087] 6.将加工过的棒材放入挤压机热挤压成型材，挤压模具的挤压比为16:1，挤压温度为425℃，挤压速度为5mm/s，挤压过的棒材直径为40mm。

[0088] 7.将挤压后的型材置于箱式电阻炉内热处理，热处理温度为510℃，保温7小时，并在100℃的水中淬火；

[0089] 8.将淬火过的合金在油浴中时效，时效温度为180℃，保温10-14小时。

[0090] 本发明的硅铝复合材料的各组分重量也可用表1所示。

[0091] 表1

[0092]

[0093] 制备方法中的工艺参数可以是表2中的所示数据。

[0094] 表2

[0095]

[0096] 测试例

[0097] 表3是实施例1-3的硅铝复合材料的部分实验性能参数。

[0098] 表3

[0099]方案 硬度(HB) 延伸率(％) 抗拉强度(Mpa)
实施例1 105 12.5 325
实施例2 107 10.2 350

[0100] 由表1可以看到，相比于现有的铸造法制备的A390合金，本方法制备的A390合金硬度提高了10％，延伸率提高了8％，抗拉强度提升了10％。

[0101] 综上，本发明的硅铝复合材料，与传统硅铝复合材料相比，具有延伸率高，抗拉强度高，稳定性好，疲劳性能和耐磨性能好等特点，其性能可基本满足发动机活塞的要求。采用本发明的制备方法，与传统的制备方法相比，该方法制备出的硅铝复合材料晶粒细小，硅颗粒在材料中分布均匀；同时采用铝合金活化烧结技术和液相烧结技术，解决了传统粉末冶金过程中硅铝复合材料烧结致密度不高的问题，利用热挤压工艺变形强化并进一步破碎细化晶粒，进一步提升了硅铝复合材料的性能。

[0102] 最后应说明的是：在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包含一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个…”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

[0103] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。