一种汽车用双尺度混杂颗粒增强铝基复合材料及其制备方法
阅读说明：本技术 一种汽车用双尺度混杂颗粒增强铝基复合材料及其制备方法 (Double-scale hybrid particle reinforced aluminum matrix composite material for automobile and preparation method thereof ) 是由 王爱琴 宋亚虎 马窦琴 谢敬佩 王行 董雪丹 于 2021-09-13 设计创作，主要内容包括：本发明属于铝基复合材料领域,具体涉及一种汽车用双尺度混杂颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。该铝基复合材料由以下体积百分比的原料制成：纳米碳化硅颗粒1～5％、微米碳化硅颗粒13％～28％,余量是微米铝硅镁合金粉末；所述铝基复合材料包括铝基体和分布在铝基体中的增强颗粒,所述增强颗粒包括微米SiC颗粒、微米Si颗粒和纳米SiC颗粒,其中微米SiC颗粒和微米Si颗粒分布在晶粒内和晶界处,纳米SiC颗粒弥散分布在晶粒内。本发明的汽车用双尺度混杂颗粒增强铝基复合材料,形成双尺度复相混杂颗粒增强结构,双尺度混杂颗粒的协同作用提高了铝基复合材料的强度、硬度、塑韧性及其耐磨性,可广泛应用于汽车用轻质耐磨件。(The invention belongs to the field of aluminum-based composite materials, and particularly relates to a double-scale hybrid particle reinforced aluminum-based composite material for an automobile and a preparation method thereof. The aluminum-based composite material is prepared from the following raw materials in percentage by volume: 1-5% of nano silicon carbide particles, 13-28% of micron silicon carbide particles and the balance of micron aluminum-silicon-magnesium alloy powder; the aluminum matrix composite material comprises an aluminum matrix and reinforcing particles distributed in the aluminum matrix, wherein the reinforcing particles comprise micron SiC particles, micron Si particles and nano SiC particles, the micron SiC particles and the micron Si particles are distributed in crystal grains and at crystal boundaries, and the nano SiC particles are distributed in the crystal grains in a dispersed mode. The double-scale hybrid particle reinforced aluminum matrix composite material for the automobile forms a double-scale hybrid particle reinforced structure, and the synergistic effect of the double-scale hybrid particles improves the strength, hardness, plastic toughness and wear resistance of the aluminum matrix composite material, so that the double-scale hybrid particle reinforced aluminum matrix composite material can be widely applied to light wear-resistant parts for the automobile.)
技术领域
本发明属于铝基复合材料领域，具体涉及一种汽车用双尺度混杂颗粒增强铝基复合材料及其制备方法。
背景技术
铝基复合材料因其具有低密度、高比强度，高比模量、低膨胀系数、高耐磨性、高导热性、良好的高温性能及尺寸稳定性等性能优点，在空间技术、航空航天、国防工业、汽车工业和电子封装等高
技术领域
有极大的应用潜力。尤其是颗粒增强铝基复合材料因其制备工艺简单、成本低，适于批量生产，可用传统金属加工方法——铸造、挤压、轧制等工艺制造各种形状的零件，因而成为金属基复合材料(简称MMC)的主要发展方向。由于颗粒增强铝基复合材料自身的优点，其应用在汽车上，可减轻汽车重量提高相关产品性能，而且降低油耗、减少污染和延长零部件寿命使用寿命。美国Duralcan公司采用SiCp/Al复合材料成功地制造了汽车制动盘、刹车片、发动机活塞等汽车耐磨件，使用结果表明，其耐磨性能、降噪性能、散热性能比原用材料有很大的改善。
目前所研制的颗粒增强铝基复合材料，在提高材料强度、硬度和耐磨性的同时，导热性及塑韧性往往会大幅下降，这限制了铝基复合材料的实际应用效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种汽车用双尺度混杂颗粒增强铝基复合材料，解决现有铝基复合材料不能兼顾强度和塑韧性、强度与耐磨性的问题。
本发明的第二个目的在于提供一种汽车用双尺度混杂颗粒增强铝基复合材料的制备方法。
为实现上述目的，本发明的汽车用双尺度混杂颗粒增强铝基复合材料的技术方案是：
一种汽车用双尺度混杂颗粒增强铝基复合材料，由以下体积百分比的原料制成：纳米碳化硅颗粒1～5％、微米碳化硅颗粒13％～28％，余量是微米铝硅镁合金粉末；所述铝硅镁合金粉末由以下重量百分比的组分组成：Si：6.5％～13.0％、Mg：0.25％～1.0％、Mn：0.3％～0.9％、Cu：0.1％～0.2％，余量为铝；
所述铝基复合材料包括铝基体和分布在铝基体中的增强颗粒，所述增强颗粒包括微米SiC颗粒、微米Si颗粒和纳米SiC颗粒，其中微米SiC颗粒和微米Si颗粒分布在晶粒内和晶界处，纳米SiC颗粒弥散分布在晶粒内。
本发明的双尺度混杂颗粒增强铝基复合材料中，微米SiC颗粒和微米Si颗粒为较大硬质点，作为骨架承担磨损的载荷、可以提高复合材料的整体硬度，从而提高复合材料的耐磨性。纳米SiC颗粒尺度较小，具有较好的弥散强化效果，可以提高基体的强度及硬度，使得微米SiC颗粒、微米Si颗粒能牢固镶嵌进基体中而不易脱落，更好地发挥微米颗粒的骨架支撑作用。微米SiC颗粒和微米Si颗粒分布在晶粒内和晶界处，纳米SiC颗粒的混杂增强效果使得该复合材料在强度和塑韧性、强度与耐磨性方面实现兼顾。
本发明的汽车用双尺度混杂颗粒增强铝基复合材料，形成双尺度复相混杂颗粒增强结构，双尺度混杂颗粒的协同作用提高了铝基复合材料的强度、硬度、塑韧性及其耐磨性，可广泛应用于汽车用轻质耐磨件。
优选的，所述纳米碳化硅颗粒的尺寸D50纳米碳化硅为：60nm≤D50纳米碳化硅≤100nm；所述微米碳化硅颗粒的尺寸D50微米碳化硅为：5μm≤D50微米碳化硅≤20μm；所述铝硅镁合金粉末的尺寸D50铝硅镁合金为：5μm≤D50铝硅镁合金≤15μm。
本发明的汽车用双尺度混杂颗粒增强铝基复合材料的制备方法的技术方案是：
一种汽车用双尺度混杂颗粒增强铝基复合材料的制备方法，所述铝基复合材料由以下体积百分比的原料制成：纳米碳化硅颗粒1～5％、微米碳化硅颗粒13％～28％，余量是微米铝硅镁合金粉末；所述铝硅镁合金粉末由以下重量百分比的组分组成：Si：6.5％～13.0％、Mg：0.25％～1.0％、Mn：0.3％～0.9％、Cu：0.1％～0.2％，余量为铝；所述铝基复合材料的制备方法包括以下步骤：
1)将纳米碳化硅颗粒、微米铝硅镁合金粉末进行球磨混合，得到微米级复合颗粒；
2)将步骤1)所得微米级复合颗粒和微米碳化硅颗粒进行二次球磨混合，得到球磨混合粉；
3)将步骤2)所得球磨混合粉进行冷压成型，得到成型坯料；所述冷压成型的压力为300～500MPa；
4)将步骤3)所得成型坯料于530～560℃下进行真空固相烧结，得到烧结坯料；
5)将步骤4)所得烧结坯料进行热挤压，得到热挤压件；
6)将步骤5)所得热挤压件进行热处理。
本发明的汽车用双尺度混杂颗粒增强铝基复合材料的制备方法，通过球磨混粉、冷压成型、烧结、热挤压和热处理等过程，在铝基体内部的不同维度形成相应的微米和纳米颗粒增强相，保证了微米颗粒和纳米颗粒的空间位置分布，从而构建了双尺寸复相颗粒增强铝基复合材料。该制备方法的工艺简单、生产成本低且具有良好的加工性能，适于大规模工业化生产，推广应用前景良好。
优选的，步骤1)中，所述球磨混合为湿混，球磨转速为150～200r/min，球磨时间为10h～15h。液体分散剂为酒精，所用设备为QM-BP型行星球磨机，球磨的磨球为三种不同直径的氧化锆磨球(小径4mm、中径6-7mm、大径10mm的重量为2:3:5)，球料比为8:1。球磨时，每隔0.5h改变转向。湿磨后放入真空干燥箱中在50℃条件下烘干24h～48h。
优选的，步骤2)中，所述二次球磨混合为干混，球磨转速为150～200r/min，球磨时间为5～10h。二次球磨混合时，所用磨球为氧化锆磨球，磨球直径：6-7mm，球料比为8:1。二次球磨时，每隔0.5h改变转向。
优选的，步骤3)中，冷压成型时的保压时间为60min。卸压后静止30～60min。
优选的，步骤4)中，在530～560℃的保温时间为3～5h，之后随炉冷却。真空固相烧结在真空烧结炉中进行。
优选的，步骤5)中，所述热挤压的温度为480～520℃，挤压比≥10。挤压前先在箱式炉中480～520℃保温60～90min，挤压速度为1mm/s。
优选的，步骤6)中，所述热处理包括依次进行固溶处理和时效处理，固溶处理的温度为520～540℃，时间为6～12h；时效处理的温度为150～190℃，时间为3～8h。更优选的，固溶处理时水冷淬火，时效处理时空冷。
附图说明
图1为本发明实施例1中步骤1)混粉后得到微米级复合颗粒的外观形貌；
图2为本发明实施例1中步骤2)混粉后得到混合粉的外观形貌；
图3为本发明实施例1所得铝基复合材料的微观组织；
图4示出了铝基复合材料中纳米SiC在晶粒内弥散分布。
具体实施方式
本发明的汽车用双尺度混杂颗粒增强铝基复合材料，由纳米碳化硅颗粒、微米碳化硅颗粒、微米铝合金粉末为原料制成，碳化硅的总体积分数在15％～30％之间任意调整，保证了材料较高的硬度和耐磨性，同时使复合材料具有良好的加工性能。所得铝基复合材料具有如下性能：抗拉强度：320MPa～480Mpa，屈服强度：280～360Mpa，断后伸长率：1％～6％；弹性模量：80GPa～130GPa；硬度：100～160HBW。
本发明的铝基复合材料的增强相颗粒包括微米SiC颗粒、微米Si颗粒、纳米SiC颗粒。纳米一般指1nm≤粒径≤100nm，微米指1μm≤粒径≤100μm。
微米颗粒增强相作为硬质点起骨架和支撑作用可显著提高铝基复合材料强度、硬度和耐磨性，但是材料的导热性及塑韧性却大幅下降；而纳米颗粒增强相在提高其基体强度的同时能够保持较好的塑韧性，但是由于纳米颗粒比表面能大，易团聚，不易制备高体积分数的颗粒增强铝基复合材料。本发明主要是通过高能球磨、普通球磨混粉、冷压、烧结、热挤压和热处理等过程在铝基体形成双尺度混杂颗粒增强的微观结构。
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
一、本发明的汽车用双尺度混杂颗粒增强铝基复合材料的具体实施例
实施例1
本实施例的汽车用双尺度混杂颗粒增强铝基复合材料，由以下体积百分比的原料制成：纳米碳化硅颗粒2％、微米碳化硅颗粒13％，余量是微米A356铝合金粉末；A356铝合金粉末由以下重量百分比的组分组成：Si：7.1％、Mg：0.38％、Mn：0.5％、Cu：0.1％，余量为铝。
纳米碳化硅颗粒的D50为80nm，微米碳化硅颗粒的D50为10μm，微米A356铝合金粉末的D50为8μm。
铝基复合材料包括铝基体和分布在铝基体中的增强颗粒，增强颗粒包括微米SiC颗粒、微米Si颗粒和纳米SiC颗粒，其中微米SiC颗粒和微米Si颗粒分布在晶粒内和晶界处，纳米SiC颗粒弥散分布在晶粒内。
本实施例的汽车用双尺度混杂颗粒增强铝基复合材料的制备方法，对实施例1的铝基复合材料的制备过程进行说明，具体包括以下步骤：
1)球磨：首先将11.6g纳米SiC颗粒与412.8g微米Al-Si合金颗粒进行球磨混合，得到微米级复合颗粒。
球磨在QM-BP型行星球磨机中进行，采用湿磨形式，球磨的磨球为三种不同直径的氧化锆磨球(小径4mm、中径6-7mm、大径10mm的重量比为2:3:5)，液体分散剂为酒精，球磨湿混工艺为：球料比8:1，转速150r/min，每隔0.5h改变转向，时间为10h，随后放入真空干燥箱中在50℃条件下烘干24h。
2)二次球磨：将步骤1)所得微米复合颗粒与75.6g微米级SiC颗粒进行二次球磨混合，得到500g铝基复合材料混合粉。
二次球磨为干混形式，磨球为氧化锆磨球，磨球直径：6-7mm，球磨干混工艺为：球料比8:1，转速150r/min，每隔0.5h改变转向，时间为10h。
3)冷压成型：将步骤2)所得球磨混合粉装入模具，在500T液压机压制成型，得成型坯料；
该实施例中，在500MPa下，保压60min，卸压后静止60min。
4)烧结：将步骤3)所得成型坯料在真空烧结炉中进行固相烧结，烧结温度为550℃，保温5h，随炉冷却至室温后取出坯料。
5)热挤压：将步骤4)所得成型坯料首先在箱式炉中加热至500℃，保温60min，然后在模具中进行热挤压得到盘状热挤压件，挤压速度为1mm/s，挤压比为15。
6)热处理：将步骤5)所得热挤压件进行固溶处理，固溶处理的温度为530℃，时间为8h，60℃水冷淬火；水淬后进行时效处理，时效处理的温度为170℃，时间为4h，空冷，即得双尺度混杂颗粒增强铝基复合材料。
实施例2
本实施例的汽车用双尺度混杂颗粒增强铝基复合材料，由以下体积百分比的原料制成：纳米碳化硅颗粒2％、微米碳化硅颗粒18％，余量是微米A356铝合金粉末；A356铝合金粉末由以下重量百分比的组分组成：Si：7.1％、Mg：0.38％、Mn：0.5％、Cu：0.1％，余量为铝。
纳米碳化硅颗粒的D50为80nm，微米碳化硅颗粒的D50为10μm，微米A356铝合金粉末的D50为8μm。
铝基复合材料包括铝基体和分布在铝基体中的增强颗粒，增强颗粒包括微米SiC颗粒、微米Si颗粒和纳米SiC颗粒，其中微米SiC颗粒和微米Si颗粒分布在晶粒内和晶界处，纳米SiC颗粒弥散分布在晶粒内。
本实施例的汽车用双尺度混杂颗粒增强铝基复合材料的制备方法，对实施例1的铝基复合材料的制备过程进行说明，具体包括以下步骤：
1)球磨：首先将11.5g纳米SiC颗粒与384.8g微米Al-Si合金颗粒进行球磨混合，得到微米级复合颗粒。
球磨在QM-BP型行星球磨机中进行，采用湿磨形式，球磨的磨球为三种不同直径的氧化锆磨球(小径4mm、中径6-7mm、大径10mm的重量比为2:3:5)，液体分散剂为酒精，球磨湿混工艺为：球料比8:1，转速150r/min，每隔0.5h改变转向，时间为10h，随后放入真空干燥箱中在50℃条件下烘干24h。
2)二次球磨：将步骤1)所得微米复合颗粒与103.7g微米级SiC颗粒进行二次球磨混合，得到500g铝基复合材料混合粉。
二次球磨为干混形式，磨球为氧化锆磨球，磨球直径：6-7mm，球磨干混工艺为：球料比8:1，转速150r/min，每隔0.5h改变转向，时间为10h。
3)冷压成型：将步骤2)所得球磨混合粉装入模具，在500T液压机压制成型，得成型坯料；
该实施例中，在500MPa下，保压60min，卸压后静止60min。
4)烧结：将步骤3)所得成型坯料在真空烧结炉中进行固相烧结，烧结温度为550℃，保温5h，随炉冷却至室温后取出坯料。
5)热挤压：将步骤4)所得成型坯料首先在箱式炉中加热至500℃，保温60min，然后在模具中进行热挤压得到盘状热挤压件，挤压速度为1mm/s，挤压比为15。
6)热处理：将步骤5)所得热挤压件进行固溶处理，固溶处理的温度为530℃，时间为8h，60℃水冷淬火；水淬后进行时效处理，时效处理的温度为170℃，时间为4h，空冷，即得双尺度混杂颗粒增强铝基复合材料。
实施例3
本实施例的汽车用双尺度混杂颗粒增强铝基复合材料，由以下体积百分比的原料制成：纳米碳化硅颗粒2％、微米碳化硅颗粒23％，余量是微米A356铝合金粉末；A356铝合金粉末由以下重量百分比的组分组成：Si：7.1％、Mg：0.38％、Mn：0.5％、Cu：0.1％，余量为铝。
纳米碳化硅颗粒的D50为80nm，微米碳化硅颗粒的D50为10μm，微米A356铝合金粉末的D50为8μm。
铝基复合材料包括铝基体和分布在铝基体中的增强颗粒，增强颗粒包括微米SiC颗粒、微米Si颗粒和纳米SiC颗粒，其中微米SiC颗粒和微米Si颗粒分布在晶粒内和晶界处，纳米SiC颗粒弥散分布在晶粒内。
本实施例的汽车用双尺度混杂颗粒增强铝基复合材料的制备方法，对实施例1的铝基复合材料的制备过程进行说明，具体包括以下步骤：
1)球磨：首先将11.4g纳米SiC颗粒与357.3g微米Al-Si合金颗粒进行球磨混合，得到微米级复合颗粒。
球磨在QM-BP型行星球磨机中进行，采用湿磨形式，球磨的磨球为三种不同直径的氧化锆磨球(小径4mm、中径6-7mm、大径10mm的重量比为2:3:5)，液体分散剂为酒精，球磨湿混工艺为：球料比8:1，转速150r/min，每隔0.5h改变转向，时间为10h，随后放入真空干燥箱中在50℃条件下烘干24h。
2)二次球磨：将步骤1)所得微米复合颗粒与131.3g微米级SiC颗粒进行二次球磨混合，得到500g铝基复合材料混合粉。
二次球磨为干混形式，磨球为氧化锆磨球，磨球直径：6-7mm，球磨干混工艺为：球料比8:1，转速150r/min，每隔0.5h改变转向，时间为10h。
3)冷压成型：将步骤2)所得球磨混合粉装入模具，在500T液压机压制成型，得成型坯料；
该实施例中，在500MPa下，保压60min，卸压后静止60min。
4)烧结：将步骤3)所得成型坯料在真空烧结炉中进行固相烧结，烧结温度为550℃，保温5h，随炉冷却至室温后取出坯料。
5)热挤压：将步骤4)所得成型坯料首先在箱式炉中加热至500℃，保温60min，然后在模具中进行热挤压得到盘状热挤压件，挤压速度为1mm/s，挤压比为15。
6)热处理：将步骤5)所得热挤压件进行固溶处理，固溶处理的温度为530℃，时间为8h，60℃水冷淬火；水淬后进行时效处理，时效处理的温度为170℃，时间为4h，空冷，即得双尺度混杂颗粒增强铝基复合材料。
三、实验例
实验例1
本实验例对实施例1的铝基复合材料制备过程中，主要步骤所得材料的外观形貌进行分析。
图1为步骤1)混粉后得到微米级复合颗粒的外观形貌，由图1可以看出，纳米级SiC颗粒在微米级铝合金颗粒上复合，纳米级颗粒分散均匀，基本无团聚现象。
图2为步骤2)混粉得到混合粉的外观形貌，由图2可以看出，混合粉粒径规则，分布良好，基本无团聚现象。
图3为步骤6)所得铝基复合材料的微观组织，微米SiC颗粒、微米Si颗粒和纳米SiC颗粒在铝基体上分布良好，基本无团聚现象，其中微米SiC颗粒和微米Si颗粒分布在晶粒内和晶界处，纳米SiC颗粒弥散分布在晶粒内。
图4显示了铝基复合材料中纳米SiC在晶粒内弥散分布。
实验例2
本实验例测试各实施例所得铝基复合材料的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、弹性模量以及硬度等指标，其中，抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、弹性模量按照GB/T228.1-2010金属材料拉伸试验的规定进行，硬度检测按照GB/T231.1-2018金属材料布氏硬度试验的规定进行。具体检测结果如表1所示。
表1各实施例所得铝基复合材料的检测结果
由表1的结果可知，实施例所得材料兼顾强度、塑韧性、硬度等指标，非常适合在汽车领域应用。