CN112626367A - 纳米氧化铝颗粒增强铝铜合金复合材料制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米氧化铝颗粒增强铝铜合金复合材料制备方法，将氧化铜粉末球磨得到纳米级氧化铜，将铝粉和氧化铜粉末按比例混合，在圆筒形钢模中用压力机压制成圆棒状坯料，将坯料通过铝热反应得到纳米级氧化铝和铜粉末，并加入至在圆筒形模具里熔融的铝熔液中，使纳米级氧化铝和铜粉末均匀分散在其中，保温一段时间后，将不锈钢模具快速冷却即得到纳米氧化铝增强铝铜合金材料。本发明改善了铝铜合金的组织结构，细化晶粒、强化晶界，可使铝铜合金材料具有极强的铸造性能和耐腐蚀性能，并消除现有铝铜合金材料的热裂倾向和晶间腐蚀倾向，具有极强的实际使用价值。
Description
技术领域
本发明涉及铝铜合金技术领域，具体涉及一种纳米氧化铝颗粒增强铝铜合金复合材料制备方法。
背景技术
在铝铜合金复合材料中，铜为主要合金化元素，铜既能够提高合金的强度，也能改善合金的机械加工性能，但是市面上的铝铜合金的铸造性能和耐腐蚀性能较差，有热裂倾向和晶间腐蚀倾向。在实际使用时往往由于这些缺陷导致部件损耗甚至引发事故。
中国专利申请CN 109207779 A公开了一种纳米氧化铝增强A356铝合金的制备方法，利用化学镀法在纳米氧化铝表面包覆一层金属铜，并在增强相添加至基体时利用高能超声的空化及声流效应使得纳米增强相均匀地分散在基体中。此外在凝固的过程中在覆膜砂型模具底部引入高能超声震动使得熔体中的增强相依旧保持均匀性，并细化晶粒。该方法成本低，能够大批量生产。同时，所形成的Al/Al2O3np界面通过金属铜层稳定结合，结合性能较好，所得的产品晶粒细小，机械性能优异。该发明通过纳米氧化铝增强得到的A356铝合金虽然提升了机械性能，但并没有对铝铜合金的铸造性能和耐腐蚀性进行改善，无法满足工业中日常使用时对这两方面性能的要求。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种纳米氧化铝颗粒增强铝铜合金复合材料制备方法，可有效改善铝铜合金的组织结构，细化晶粒，强化晶界，经该方法制得的铝铜合金材料有优异的铸造性能和耐腐蚀性，解决实际使用过程中遇到的铝铜合金热裂倾向和晶间腐蚀倾向问题，具有较强的经济价值和社会价值。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
纳米氧化铝颗粒增强铝铜合金复合材料制备方法，包含如下步骤：
a.将铝粉和氧化铜粉末置入球磨机中快速球磨至纳米级别，得到纳米铝粉和纳米氧化铜颗粒；
b.将纳米铝粉与纳米氧化铜粉末按比例混合，搅拌均匀，倒入内径为φ80mm圆筒形钢模中；
c.将钢模置于压力机下，将混合粉末压制成圆棒状坯料；
d.将圆棒状坯料放入内径为φ85mm石墨坩埚中，并置入真空加热炉中加热，使坯料中的铝与被铝包裹的纳米氧化铜粉末发生铝热反应，生成纳米氧化铝颗粒和纳米铜粉，反应放出的热量能够将坯料中的铝完全融化，直至完全反应后冷却，再将反应后的坯料从石墨坩埚中取出；
e.将铝锭置入内径为φ100mm的圆筒形钢模中，再放入电磁搅拌熔炼炉中熔融成铝熔液；
f.将反应后的坯料放入铝熔液中，保温一段时间，使坯料中的铝全部熔融，在电磁搅拌作用下，纳米氧化铝颗粒和纳米铜粉均匀分布在铝熔液中；
g.将圆筒模具从电磁搅拌熔炼炉中取出，放入冷水中快速冷却，得到纳米氧化铝颗粒增强铝铜合金复合材料。
所述步骤a中，铝粉与纳米氧化铜粉末球磨时间为8-12h。
所述步骤b中，纳米铝粉和与纳米氧化铜粉末混合时质量比为8:2，总质量为0.5kg，搅拌时长为10-25min。
所述步骤c中，压力机在压制混合粉末时，施加压力为100MPa，保持时间为3-6min。
所述步骤d中，圆棒形坯料加热时，加热温度为250-300℃，温度保持时间为15-30min。
所述步骤e中，铝锭用量为0.5kg。
所述步骤e中，铝锭加热时，熔炼炉温度为750-780℃。
所述步骤f中，圆棒状坯料加入铝溶液后，保持温度为750-780℃，保温时间为30-60min。
本发明的有益效果是：经试验验证，通过纳米氧化铝颗粒增强铝铜合金，有效改善铝铜合金的组织结构，细化晶粒、强化晶界，所制得的铝铜合金材料的铸造性能和耐腐蚀性效果有极大提升，可很好的满足工业中日常使用时对这两方面性能的要求，具有极强的社会经济效益。
附图说明
图1为本发明实施例1制得铝铜合金材料的微观组织结构图；
图2为本发明实施例2制得铝铜合金材料的微观组织结构图；
图3为本发明实施例3制得铝铜合金材料的微观组织结构图；
图4为本发明实施例4制得铝铜合金材料的微观组织结构图；
图5为现有铝铜合金材料的微观组织结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例1：
纳米氧化铝颗粒增强铝铜合金复合材料制备方法，包括步骤如下：
a.将铝粉和氧化铜粉末分别过100目筛去除杂质颗粒，置入球磨机中快速球磨8h，直到球磨至纳米级别，得到纳米铝粉和纳米氧化铜颗粒；
b.按质量比8:2的比例配置0.5kg纳米铝粉与纳米氧化铜粉末，倒入搅拌机中搅拌10min，使之充分混合均匀，再将混合粉末倒入内径为φ80mm的圆筒形钢模中；
c.将钢模置于压力机下，在100MPa的压力下保持3min，将混合粉末压制成圆棒状坯料；
d.将圆棒状坯料放入内径为φ85mm石墨坩埚中，并置入真空加热炉中加热至250℃，使坯料中的纳米铝粉与被纳米铝粉包裹的纳米氧化铜粉末发生铝热反应，生成纳米氧化铝颗粒和纳米铜粉，反应放出的热量能够将坯料中的铝完全融化，保持30min直至完全反应后冷却，再将反应后的坯料从石墨坩埚中取出；
e.将0.5kg的铝锭置入内径为φ100mm的圆筒形钢模中，再放入电磁搅拌熔炼炉中加热至750℃熔融成铝熔液；
f.将反应后的坯料放入铝熔液中，在750℃下保温60min，使坯料中的铝全部熔融，在电磁搅拌的作用下，纳米氧化铝颗粒和纳米铜粉均匀分布在铝熔液中；
g.将圆筒形钢模从熔炼炉中取出，快速放入冷水中冷却，得到纳米氧化铝颗粒增强铝铜合金复合材料。
实施例2：
一种纳米氧化铝颗粒增强铝铜合金复合材料制备方法，包括步骤如下：
a.将铝粉和氧化铜粉末分别过100目筛去除杂质颗粒，置入球磨机中快速球磨9h，直到球磨至纳米级别，得到纳米铝粉和纳米氧化铜颗粒；
b.按质量比8:2的比例配置0.5kg纳米铝粉与纳米氧化铜粉末，倒入搅拌机中搅拌15min，使之充分混合均匀，再将混合粉末倒入内径为φ80mm的圆筒形钢模中；
c.将钢模置于压力机下，在100MPa的压力下保持4min，将混合粉末压制成圆棒状坯料；
d.将圆棒状坯料放入内径为φ85mm石墨坩埚中，并置入真空加热炉中加热至270℃，使坯料中的纳米铝粉与被纳米铝粉包裹的纳米氧化铜粉末发生铝热反应，生成纳米氧化铝颗粒和纳米铜粉，反应放出的热量能够将坯料中的铝完全融化，保持25min直至完全反应后冷却，再将反应后的坯料从石墨坩埚中取出；
e.将0.5kg的铝锭置入内径为φ100mm的圆筒形钢模中，再放入电磁搅拌熔炼炉中加热至760℃熔融成铝熔液；
f.将反应后的坯料放入铝熔液中，在760℃下保温50min，使坯料中的铝全部熔融，在电磁搅拌的作用下，纳米氧化铝颗粒和纳米铜粉均匀分布在铝熔液中；
g.将圆筒形钢模从熔炼炉中取出，快速放入冷水中冷却，得到纳米氧化铝颗粒增强铝铜合金复合材料。
实施例3：
一种纳米氧化铝颗粒增强铝铜合金复合材料制备方法，包括步骤如下：
a.将铝粉和氧化铜粉末分别过100目筛去除杂质颗粒，置入球磨机中快速球磨10h，直到球磨至纳米级别，得到纳米铝粉和纳米氧化铜颗粒；
b.按质量比8:2的比例配置0.5kg纳米铝粉与纳米氧化铜粉末，倒入搅拌机中搅拌20min，使之充分混合均匀，再将混合粉末倒入内径为φ80mm的圆筒形钢模中；
c.将钢模置于压力机下，在100MPa的压力下保持5min，将混合粉末压制成圆棒状坯料；
d.将圆棒状坯料放入内径为φ85mm石墨坩埚中，并置入真空加热炉中加热至285℃，使坯料中的纳米铝粉与被纳米铝粉包裹的纳米氧化铜粉末发生铝热反应，生成纳米氧化铝颗粒和纳米铜粉，反应放出的热量能够将坯料中的铝完全融化，保持20min直至完全反应后冷却，再将反应后的坯料从石墨坩埚中取出；
e.将0.5kg的铝锭置入内径为φ100mm的圆筒形钢模中，再放入电磁搅拌熔炼炉中加热至770℃熔融成铝熔液；
f.将反应后的坯料放入铝熔液中，在770℃下保温40min，使坯料中的铝全部熔融，在电磁搅拌的作用下，纳米氧化铝颗粒和纳米铜粉均匀分布在铝熔液中；
g.将圆筒形钢模从熔炼炉中取出，快速放入冷水中冷却，得到纳米氧化铝颗粒增强铝铜合金复合材料。
实施例4：
一种纳米氧化铝颗粒增强铝铜合金复合材料制备方法，包括步骤如下：
a.将铝粉和氧化铜粉末分别过100目筛去除杂质颗粒，置入球磨机中快速球磨11h，直到球磨至纳米级别，得到纳米铝粉和纳米氧化铜颗粒；
b.按质量比8:2的比例配置0.5kg纳米铝粉与纳米氧化铜粉末，倒入搅拌机中搅拌19min，使之充分混合均匀，再将混合粉末倒入内径为φ80mm的圆筒形钢模中；
c.将钢模置于压力机下，在100MPa的压力下保持6min，将混合粉末压制成圆棒状坯料；
d.将圆棒状坯料放入内径为φ85mm石墨坩埚中，并置入真空加热炉中加热至300℃，使坯料中的纳米铝粉与被纳米铝粉包裹的纳米氧化铜粉末发生铝热反应，生成纳米氧化铝颗粒和纳米铜粉，反应放出的热量能够将坯料中的铝完全融化，保持15min直至完全反应后冷却，再将反应后的坯料从石墨坩埚中取出；
e.将0.5kg的铝锭置入内径为φ100mm的圆筒形钢模中，再放入电磁搅拌熔炼炉中加热至780℃熔融成铝熔液；
f.将反应后的坯料放入铝熔液中，在780℃下保温30min，使坯料中的铝全部熔融，在电磁搅拌的作用下，纳米氧化铝颗粒和纳米铜粉均匀分布在铝熔液中；
g.将圆筒形钢模从熔炼炉中取出，快速放入冷水中冷却，得到纳米氧化铝颗粒增强铝铜合金复合材料。
表1
| 实施例 | 晶间结构 | 晶粒大小 | 耐腐蚀性 | 抗拉强度 |
| 实施例1 | 致密 | 62~77μm | 基材表面无裂纹、剥落、起泡现象，不易晶间腐蚀 | 355~380MPa |
| 实施例2 | 致密 | 58~69μm | 基材表面无裂纹、剥落、起泡现象，不易晶间腐蚀 | 360~392MPa |
| 实施例3 | 致密 | 45~53μm | 基材表面无裂纹、剥落、起泡现象，不易晶间腐蚀 | 367~414MPa |
| 实施例4 | 致密 | 36~47μm | 基材表面无裂纹、剥落、起泡现象，不易晶间腐蚀 | 383~417MPa |
| 现有铝铜合金 | 松散 | 87~96μm | 基材表面有裂纹、剥落、起泡现象，易晶间腐蚀 | 285~306MPa |
实施例1、实施例2、实施例3、实施例4和现有铝铜合金的晶间结构、晶粒大小、耐腐蚀性和抗拉强度的数据比对如表1内容所示。其中抗拉强度采用万能试验机测试；耐腐蚀性试验采用200h耐盐雾试验，测试样品基材是否有裂纹、起泡、剥落及腐蚀现象；晶粒大小和晶界结构均可从微观组织结构图中直接得到。
通过上述具体数值的对比，可以很直观的看到，经过本发明方法增强的铝铜合金材料，通过改善组织结构、细化晶粒、强化晶界，其铸造性能和耐腐蚀性有极大的提升，可以满足日常使用中对这两方面性能的要求。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (8)
1.纳米氧化铝颗粒增强铝铜合金复合材料制备方法，其特征是，包含如下步骤：
a.将铝粉和氧化铜粉末置入球磨机中快速球磨至纳米级别，得到纳米铝粉和纳米氧化铜颗粒；
b.将纳米铝粉与纳米氧化铜粉末按比例混合，搅拌均匀，倒入内径为φ80mm圆筒形钢模中；
c.将钢模置于压力机下，将混合粉末压制成圆棒状坯料；
d.将圆棒状坯料放入内径为φ85mm石墨坩埚中，并置入真空加热炉中加热，使坯料中的铝与被铝包裹的纳米氧化铜粉末发生铝热反应，生成纳米氧化铝颗粒和纳米铜粉，反应放出的热量能够将坯料中的铝完全融化，直至完全反应后冷却，再将反应后的坯料从石墨坩埚中取出；
e.将铝锭置入内径为φ100mm的圆筒形钢模中，再放入电磁搅拌熔炼炉中熔融成铝熔液；
f.将反应后的坯料放入铝熔液中，保温一段时间，使坯料中的铝全部熔融，在电磁搅拌作用下，纳米氧化铝颗粒和纳米铜粉均匀分布在铝熔液中；
g.将圆筒模具从电磁搅拌熔炼炉中取出，放入冷水中快速冷却，得到纳米氧化铝颗粒增强铝铜合金复合材料。
2.如权利要求1所述的纳米氧化铝颗粒增强铝铜合金复合材料制备方法，其特征是，所述步骤a中，铝粉与纳米氧化铜粉末球磨时间为8-12h。
3.如权利要求1所述的纳米氧化铝颗粒增强铝铜合金复合材料制备方法，其特征是，所述步骤b中，纳米铝粉和与纳米氧化铜粉末混合时质量比为8:2，总质量为0.5kg，搅拌时长为10-25min。
4.如权利要求1所述的纳米氧化铝颗粒增强铝铜合金复合材料制备方法，其特征是，所述步骤c中，压力机在压制混合粉末时，施加压力为100MPa，保持时间为3-6min。
5.如权利要求1所述的纳米氧化铝颗粒增强铝铜合金复合材料制备方法，其特征是，所述步骤d中，圆棒形坯料加热时，加热温度为250-300℃，温度保持时间为15-30min。
6.如权利要求1所述的纳米氧化铝颗粒增强铝铜合金复合材料制备方法，其特征是，所述步骤e中，铝锭用量为0.5kg。
7.如权利要求1所述的纳米氧化铝颗粒增强铝铜合金复合材料制备方法，其特征是，所述步骤e中，铝锭加热时，熔炼炉温度为750-780℃。
8.如权利要求1所述的纳米氧化铝颗粒增强铝铜合金复合材料制备方法，其特征是，所述步骤f中，圆棒状坯料加入铝溶液后，保持温度为750-780℃，保温时间为30-60min。
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