CN113388752B - 一种金属基复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种金属基复合材料的制备方法,包括以下步骤:将基体金属材料加工为粒度均匀的毫米级基体合金粒子,与小尺寸的非金属增强相颗粒进行固态混合,形成非金属增强相包裹于金属粒子的状态;将固态混合得到的混料定量输送至金属触变注射机的筒体中,通过输送杆螺旋剪切推进,使基体金属被加热至半固态熔体,形成半固态复合浆料;通过注射机进行高速射出,在模具中成型冷却后,得到金属基复合材料构件。与现有技术相比,本发明方法所制备的金属基复合材料,加入增强相均匀,半固态过程氧化夹杂少,可以显著提高力学性能和导热性能,充分发挥材料复合化的性能优势,适于连续化制备与生产。
Description
技术领域
本发明属于金属基复合材料制备与成型领域,尤其是涉及一种金属基复合材料的制备方法。
背景技术
结构材料是社会生产生活的重要组成部分,其中金属材料由于具有优异的力学性能、导热性和耐久性等特点,在家居建材、交通汽车、电子通讯、航空航天等领域应用广泛,但随着现代社会快速发展,尤其在5G时代来临和新能源产业兴起下,先进构件对结构材料的性能要求逐渐提高,而传统金属材料逐渐无法满足新的需求。
合金化是提高金属材料性能的主要办法,经过多年发展,研究人员们展开了大量研究工作,已经开发出许多牌号的铝合金、镁合金、锌合金、铜合金,并基本建立了比较完善的合金化理论,认清了常见合金元素相互间的影响机理。但在传统合金化手段难以大幅提高材料性能的情况下,这时复合化提供了新的可能性:在金属中添加SiC、金刚石等非金属增强相,制备出的金属基复合材料可以具有更高的力学性能和改善的物理性能。金属基复合材料虽然具有获得优异性能的潜力,但制备方法却一直是限制其生产应用的难点。良好的金属基复合材料应具有细小弥散的增强体分布于基体之中,这种微观组织不仅可以有效提高材料的强度,同时可以保证材料的塑性。目前,比较成熟的金属基复合材料的制备工艺主要包括搅拌铸造法、粉末冶金法和压力浸渗法等,但这些方法普遍存在流程复杂、氧化夹杂多、增强体易团聚和工艺成本高等缺点,难以适应低成本高效生产的需要。因此,急需发展低成本、高效率的新型金属基复合材料制备方法。
经检索,公开号为103789590A的中国发明专利,该发明涉及一种颗粒增强镁基复合材料的制备方法,其中:“制备方法是按以下步骤进行的:一、制备镁合金半固态熔体;二、制备颗粒—镁合金熔体:①将颗粒加热到550℃~600℃,得到预热的颗粒;②在转速为800r/min~1000r/min的条件下将预热的颗粒加入到镁合金半固态熔体中,在转速为1200r/min~2000r/min的条件下搅拌3min~10min;③在温度为700℃~720℃和搅拌速度为200r/min~500r/min的条件下使用超声波处理10min~35min;④在温度为700℃~720℃和搅拌速度为200r/min~300r/min的条件下搅拌5min~10min,得到颗粒—镁合金熔体;三、颗粒—镁合金熔体浇注入模具中加压凝固成型。”该发明技术利用了半固态搅拌工艺,能够使增强相掺杂进入金属熔体中,但其缺点在于:熔体在机械搅拌时易存在死区,增强体进入后整体分散均匀难,局部容易发生团聚;搅拌时易引入氧化夹杂,导致材料性能不稳定;难以直接成型复杂构件和薄壁件,往往需要后续挤压提高致密度和机加工。
发明内容
本发明旨在开发一种金属基复合材料的制备方法,基体金属为镁合金、铝合金、锌合金、铜合金中的一种,非金属增强体可为一种或多种混杂,通过不同粒径的预混合、半固态加热、剪切再混合和射出成型,制得金属基复合材料构件,该材料中增强相分散均匀,氧化夹杂少,可以显著提高力学性能和导热性能。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:一种金属基复合材料的制备方法,包括以下步骤:
步骤1:按复合材料设计配比准备原料,将基体金属材料加工为粒度均匀的毫米级基体合金粒子,同时准备小尺寸的非金属增强相颗粒,均进行烘干处理;
步骤2:将基体合金粒子和非金属增强相颗粒进行固态混合,形成非金属增强相包裹于金属粒子的状态;
步骤3:将固态混合得到的混料定量输送至金属触变注射机的筒体中,通过输送杆螺旋剪切推进,进行逐步加热与保温(加热温度和保温时间根据原料的性能进行设定,目的在于将混料加热搅拌形成具有一定液相率的半固态),使基体金属被加热至半固态熔体,增强相也得到加热和强制搅拌,制备形成基体液相、基体球形固相、增强体固相颗粒三者均匀分布的半固态复合浆料;
步骤4:当半固态累积器中的复合浆料积累到一定体积,将半固态复合浆料通过注射机进行高速射出,在模具中成型冷却后,得到金属基复合材料构件。
所述的基体金属材料为镁合金、铝合金、锌合金、铜合金中的一种。
步骤1中所述的基体合金粒子的粒度在0.5~5mm之间,进一步优选粒度在1mm~3mm。
步骤1中所述的非金属增强相颗粒包括:SiC、B3N4、Al2O3、TiC、金刚石、石墨烯中的一种或多种,其颗粒尺寸≤100μm,优选的非金属增强相颗粒尺寸在0.5~20μm。
步骤2所述的固态混合的时间为15~45分钟,优选30分钟。
步骤2所述的固态混合的方式为三维机械搅拌混合,使各原料进行三维运动混合。
步骤3所述的输送杆螺旋剪切推进的速度为100r/min~350r/min,优选150r/min~300r/min。
步骤3所述的半固态复合浆料中液相率控制在40~80%之间,优选50~70%。
步骤4注射机射出半固态复合浆料的速度为1m/s~10m/s。
步骤4所述模具的温度为200℃~400℃。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
(1)选择不同数量级粒径的基体金属和增强体进行预混合,利用小尺寸的增强体颗粒具有较大的比表面积,通过适当的三维机械混合可充分粘附于大尺寸的金属粒子上,形成包裹状态,这为增强体均匀加入提供了初始条件。选取金属粒度不能超过5mm,以保证半固态加热过程中粒子受热均匀、效率较高。选取增强体颗粒尺寸在100μm以下,保证其粘附能力。
(2)混合粒料在密闭料筒中被加热和剪切螺杆高速搅拌,在达到半固态状态后,利用半固态金属熔体的触变特性,通过较大的表观黏度使增强体进一步弥散于基体中,搅拌过程避免了氧化和团聚。控制液相率在40~80%之间,一方面保证了半固态浆料的后续成型能力,另一方面保证了熔体黏度不能过低,否则增强体易发生团聚。
(3)由于增强体加入后会引起熔体流动性的下降,因此本发明采用将制备好的半固态复合浆料直接高速射出成型,集输送和成形过程于一体,这样避免了复合材料浇注过程引入杂质,同时利用一定的注射压力提高复合材料的致密度,并配合较高的射出速度以保证复杂构件充型完整。
附图说明
图1为实施例1所得复合材料的的显微组织照片;
图2为对比例1所得复合材料的的显微组织照片;
图3为本发明原理示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明方法制得的金属基复合材料,为现有的金属基材料,本发明通过特殊方法制成了这种现有金属基材料,目的在于提高材料的力学性能和导热性能。该材料的原料包括基体金属材料和非金属增强体,其配比为现有非金属增强体增强基体金属的复合材料,
本发明所述的金属基复合材料的制备方法,包括如下步骤,如图3所示:
步骤1:根据复合材料混合定理,按模量、导热等需求设计配比准备原料(这种配比为目标金属基复合材料的常规配比),基体金属可为镁合金、铝合金、锌合金、铜合金中的一种,其中基体金属材料1加工为粒度均匀的毫米级粒子,粒度在0.5~5mm;同时准备小尺寸的非金属增强相颗粒2,非金属增强相包括SiC、B3N4、Al2O3、TiC、金刚石、石墨烯等,可为其中的一种或多种,颗粒尺寸在微米级及以下(≤100μm),均进行烘干处理。
步骤2:将基体合金粒子和非金属增强相颗粒进行固态混合,可采用三维运动混合等方法,混合时间不少于15min,最终形成小尺寸非金属增强相包裹于大尺寸金属粒子状态3。
步骤3:将混料定量输送至金属触变注射机(可采用JSW 280T MGlle型号的半固态成形机产品)的筒体中,通过输送杆螺旋剪切推进,剪切螺杆转速不低于100r/min,在经过逐步加热与保温(温度由具体材料的半固态区间而定)后,基体金属被加热至半固态熔体,增强相也得到加热和强制搅拌,制备形成基体液相、基体球形固相、增强体固相颗粒三者均匀分布的半固态复合浆料,其中液相率控制在40~80%之间。
步骤4:当半固态累积器中的复合浆料积累到满足铸件产品大小的体积,注射机进行高速射出,射出速度不低于1m/s,在温度不低于200℃的模具中成型冷却后,得到金属基复合材料构件。
实施例1
复合材料中增强体的组成按质量百分比为5wt%,基体金属为AZ91镁合金,加工为粒度1.2mmx1.2mmx4mm;同时准备小尺寸的非金属增强相SiC颗粒,颗粒尺寸为10μm,均进行烘干处理。将两者进行固态三维混合30min,之后将混料定量输送至金属触变注射机的筒体中,通过输送杆螺旋剪切推进,剪切螺杆转速为150r/min,在经过逐步加热与保温后,制备形成基体液相、基体球形固相、增强体固相颗粒三者均匀分布的半固态复合浆料,液相率控制在60%。当半固态累积器中的复合浆料积累到一定体积,注射机进行高速射出,射出速度2m/s,模具温度250℃,得到金属基复合材料构件,如图1所示。其力学性能如表1所示。可见,该合金的屈服强度为194MPa,抗拉强度为264MPa,延伸率为5.9%。
实施例2
复合材料中增强体的组成按质量百分比为5wt%,基体金属为AM60镁合金,加工为粒度1.2mmx1.2mmx4mm;同时准备小尺寸的非金属增强相SiC颗粒,颗粒尺寸为10μm,均进行烘干处理。将两者进行固态三维混合30min,之后将混料定量输送至金属触变注射机的筒体中,通过输送杆螺旋剪切推进,剪切螺杆转速为150r/min,在经过逐步加热与保温后,制备形成基体液相、基体球形固相、增强体固相颗粒三者均匀分布的半固态复合浆料,液相率控制在60%。当半固态累积器中的复合浆料积累到一定体积,注射机进行高速射出,射出速度2m/s,模具温度250℃,得到金属基复合材料构件。其力学性能如表1所示。可见,该合金的屈服强度为160MPa,抗拉强度为244MPa,延伸率为7.3%。
对比例1
复合材料中增强体的组成按质量百分比为5wt%,基体金属为AZ91镁合金,加工为粒度6mmx6mmx8mm;同时准备小尺寸的非金属增强相SiC颗粒,颗粒尺寸为10μm,均进行烘干处理。将两者进行固态三维混合30min,之后将混料定量输送至金属触变注射机的筒体中,通过输送杆螺旋剪切推进,剪切螺杆转速为150r/min,在经过逐步加热与保温后,制备形成基体液相、基体球形固相、增强体固相颗粒三者均匀分布的半固态复合浆料,液相率控制在60%。当半固态累积器中的复合浆料积累到一定体积,注射机进行高速射出,射出速度2m/s,模具温度250℃,得到金属基复合材料构件,如图2所示。其力学性能如表1所示。可见,该合金的屈服强度为170MPa,抗拉强度为250MPa,延伸率为2.1%。
表1
从上表1和附图1-2可以看出,在本发明的工艺方法下,合理的金属颗粒与增强体混合匹配状态,通过半固态剪切搅拌和成型,能够获得组织均匀的金属基复合材料,具有显著提高的弹性模量、力学性能和导热性能。
实施例3
一种金属基复合材料的制备方法,包括以下步骤:
步骤1:按复合材料设计配比准备原料,将锌合金加工为粒度均匀的0.5~1mm基体合金粒子,同时准备0.5~1μm的非金属增强相颗粒B3N4,均进行烘干处理;
步骤2:将基体合金粒子和非金属增强相颗粒进行固态混合15分钟,形成非金属增强相包裹于金属粒子的状态;
步骤3:将固态混合得到的混料定量输送至金属触变注射机的筒体中,通过输送杆螺旋剪切推进,推进的速度为100r/min,进行逐步加热与保温,使基体金属被加热至半固态熔体,增强相也得到加热和强制搅拌,制备形成基体液相、基体球形固相、增强体固相颗粒三者均匀分布的半固态复合浆料,液相率控制在40%;
步骤4:当半固态累积器中的复合浆料积累到一定体积,将半固态复合浆料通过注射机按1m/s高速射出,在200℃模具中成型冷却后,得到金属基复合材料构件。
所得金属基复合材料构件的屈服强度为250MPa,抗拉强度为305MPa,延伸率为4.5%,热导率为80。
实施例4
一种金属基复合材料的制备方法,包括以下步骤:
步骤1:按复合材料设计配比准备原料,将铜合金加工为粒度均匀的4~5mm基体合金粒子,同时准备10~20μm的非金属增强相颗粒石墨烯,均进行烘干处理;
步骤2:将基体合金粒子和非金属增强相颗粒进行固态混合45分钟,形成非金属增强相包裹于金属粒子的状态;
步骤3:将固态混合得到的混料定量输送至金属触变注射机的筒体中,通过输送杆螺旋剪切推进,推进的速度为350r/min,进行逐步加热与保温,使基体金属被加热至半固态熔体,增强相也得到加热和强制搅拌,制备形成基体液相、基体球形固相、增强体固相颗粒三者均匀分布的半固态复合浆料,液相率控制在80%;
步骤4:当半固态累积器中的复合浆料积累到一定体积,将半固态复合浆料通过注射机按10m/s高速射出,在400℃模具中成型冷却后,得到金属基复合材料构件。
所得金属基复合材料构件的屈服强度为250MPa,抗拉强度为330MPa,延伸率为5.3%,热导率为280。
Claims (7)
1.一种金属基复合材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:按复合材料设计配比准备原料,将基体金属材料加工为粒度均匀的毫米级基体合金粒子,同时准备小尺寸的非金属增强相颗粒,均进行烘干处理;所述的基体合金粒子的粒度在1.1~5mm之间;所述的非金属增强相颗粒包括:SiC、B3N4、Al2O3、TiC、金刚石中的一种或多种,其颗粒尺寸在0.5~100μm;
步骤2:将基体合金粒子和非金属增强相颗粒进行固态混合,形成非金属增强相包裹于金属粒子的状态;
步骤3:将固态混合得到的混料定量输送至金属触变注射机的筒体中,通过输送杆螺旋剪切推进,进行逐步加热与保温,使基体金属被加热至半固态熔体,制备形成基体液相、基体球形固相、增强体固相颗粒三者均匀分布的半固态复合浆料;所述的半固态复合浆料中液相率控制在40~80%之间;
步骤4:将半固态复合浆料通过注射机进行高速射出,在模具中成型冷却后,得到金属基复合材料构件。
2.根据权利要求1所述的一种金属基复合材料的制备方法,其特征在于,所述的基体金属材料为镁合金、铝合金、锌合金、铜合金中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种金属基复合材料的制备方法,其特征在于,步骤2所述的固态混合的时间为15~45分钟。
4.根据权利要求1所述的一种金属基复合材料的制备方法,其特征在于,步骤2所述的固态混合的方式为三维机械搅拌混合。
5.根据权利要求1所述的一种金属基复合材料的制备方法,其特征在于,步骤3所述的输送杆螺旋剪切推进的速度为100r/min~350r/min。
6.根据权利要求1所述的一种金属基复合材料的制备方法,其特征在于,步骤4注射机射出半固态复合浆料的速度为1m/s~10m/s。
7.根据权利要求1所述的一种金属基复合材料的制备方法,其特征在于,步骤4所述模具的温度为200℃~400℃。
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