一种低体积分数陶瓷颗粒增强铝基复合材料棒材的挤压方法与流程

本发明涉及一种低体积分数陶瓷颗粒增强铝基复合材料棒材的挤压方法。

背景技术：

颗粒增强铝基复合材料具有高比强度和比刚度、低密度、低膨胀系数、优异的高温性能和尺寸稳定性等优点，目前已经被广泛的用于航空航天、汽车、电子、体育器材以及核工业等方面，且需求量逐年增加。

目前，铝合金或者其他金属的挤压方法已经非常成熟，然而复合材料中，由于增强体颗粒的加入，挤压方法无法照搬应用，如低体积分数陶瓷颗粒增强铝基复合材料棒材等，挤压方法依旧不成熟，不仅产品的质量受到影响，尺寸也有所限制，严重影响其广泛应用。

专利号为CN105642691A，采用新型的挤压装置和挤压方法进行铝基陶瓷粉末增强复合材料挤压。但其挤压过程中，模具温度约为550℃，复合材料预热温度为500℃，预热温度较高，造成能源浪费。

专利号为CN102534289A，涉及颗粒增强铝基复合材料的挤压工艺。但其需要加入包套，工艺繁琐；保温时间较长，最长时间为10h，成本较高；挤压比较低，最高为20。

专利号为JP62235439A，发明了一种新的SiC晶须增强Al基复合材料的挤压方法，能够提高SiC晶须增强Al基复合材料中晶须和基体的界面结合并改善力学性能。其发明只能处理晶须增强的Al基复合材料，无其他类型增强体的铝基复合材料。

技术实现要素：

本发明是为了解决现有低体积分数颗粒增强Al基复合材料挤压方法复杂，成本较高，挤压比较低以及产品尺寸受限的问题，而提供了一种低体积分数陶瓷颗粒增强铝基复合材料棒材的挤压方法。

一种低体积分数陶瓷颗粒增强铝基复合材料棒材的挤压方法具体是按以下步骤进行的：

一、对低体积分数陶瓷颗粒增强铝基复合材料的表面进行清理，得到洁净的复合材料坯料；所述复合材料坯料的尺寸为φ50～φ350mm，长度大于600mm；

二、通过低体积分数陶瓷颗粒增强铝复合材料棒材挤压模具中底面的定位销和定位孔将挤压模具固定在挤压机的模座上，将低体积分数陶瓷颗粒增强铝复合材料棒材挤压模具中的挤压杆和挤压筒安装在挤压机上，对挤压通道、挤压杆与材料接触面和挤压筒内壁均采用润滑剂进行润滑；

三、对洁净的复合材料坯料和低体积分数陶瓷颗粒增强铝复合材料棒材挤压模具进行预热，然后将预热后的复合材料坯料置于挤压杆和腔模之间，控制出口速度和挤压比，进行挤压，即完成低体积分数陶瓷颗粒增强铝基复合材料棒材的挤压成型。

本发明的有益效果：

本发明挤压过程中不需要包覆即可保证高质量材料表面，无去包套过程，工艺过程简单，易于操作。

坯料尺寸最大直径为350mm，保证产品尺寸的同时可尽量提高挤压比，挤压比最高可达70～100，保证材料的质量，因此可以生产大尺寸产品，加快材料的更新换代，具有显著的社会效益。

挤压过程中，模具及坯料预热温度较低，最高为450℃，节省能源；且只要稍调整挤压比和预热温度等，即可实现多种低体积分数陶瓷颗粒增强铝基复合材料的挤压，具有显著的经济效益。

附图说明

图1为步骤二中所述低体积分数陶瓷颗粒增强铝复合材料棒材挤压模具的结构示意图；

图2为实施例四中15％B4C/6061Al复合材料挤压前的扫描电镜图；

图3为实施例四中15％B4C/6061Al复合材料挤压后的扫描电镜图；

图4为实施例四中15％B4C/6061Al复合材料挤压前后拉伸性能对比曲线；其中1为挤压前，2为挤压后。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种低体积分数陶瓷颗粒增强铝基复合材料棒材的挤压方法具体是按以下步骤进行的：

一、对低体积分数陶瓷颗粒增强铝基复合材料的表面进行清理，得到洁净的复合材料坯料；所述复合材料坯料的尺寸为长度大于600mm；

二、通过低体积分数陶瓷颗粒增强铝复合材料棒材挤压模具中底面的定位销8和定位孔9将挤压模具固定在挤压机的模座上，将低体积分数陶瓷颗粒增强铝复合材料棒材挤压模具中的挤压杆1和挤压筒2安装在挤压机上，对挤压通道5、挤压杆1与材料接触面和挤压筒2内壁均采用润滑剂进行润滑；

三、对洁净的复合材料坯料和低体积分数陶瓷颗粒增强铝复合材料棒材挤压模具进行预热，然后将预热后的复合材料坯料置于挤压杆1和腔模3之间，控制出口速度和挤压比，进行挤压，即完成低体积分数陶瓷颗粒增强铝基复合材料棒材的挤压成型。

本实施方式所述出口速度是影响材料质量的因素之一。准确的流速参数是高表面质量的重要保证，流速过高或者过低均会造成不等温挤压，甚至在挤压过程中超过材料的熔点，导致材料表面出现缺陷，增加产品的废品率。本发明中材料为低体积分数陶瓷颗粒增强铝基复合材料，相比于铝合金具有硬度高，模量大的特点，且含有陶瓷颗粒，因此流速控制至关重要，本发明中最佳出口速度为0.1～0.5m/min。

所述挤压比也是影响材料表面质量的关键因素，挤压比过大会导致复合材料中颗粒之间的相互碰撞，造成颗粒断裂，增加材料内部缺陷，反之则导致材料的结合面不牢固外，致密度也难以保证。本发明中坯料尺寸直径为350mm，尺寸极大，能够在保证材料尺寸的基础上尽量提高挤压比，本发明中挤压比控制在5～100，最佳挤压比为25～70，且产品尺寸为10～140mm。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述低体积分数陶瓷颗粒增强铝基复合材料是由陶瓷颗粒增强铝基体得到的；所述陶瓷颗粒为碳化硼或碳化硅，铝基体为2XXX系铝合金或6XXX铝合金；所述陶瓷颗粒的粒径为1～20μm，所述陶瓷颗粒体积分数为0.1％～25％。其他步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述铝基体为棒状型材。其他步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中所述低体积分数陶瓷颗粒增强铝复合材料棒材挤压模具由挤压杆1、挤压筒2和腔模3组成；所述挤压杆1的下端与挤压筒2内壁上端活动连接，所述腔模3固定在挤压筒2的下端；所述腔模3的上部沿轴向中心位置开有挤压通道5，所述腔模3的下部沿轴向中心位置开有导向孔7，所述挤压通道5与导向孔7相连通，所述腔模3的两侧对称设置起重孔6，所述导向孔7底面圆周的外侧对称设置有定位销8；所述腔模3的下端在轴向中心点的两侧对称设置定位孔9；所述挤压通道5的截面直径小于导向孔7的截面直径；对称设置的起重孔6的中心连线与对称设置的定位孔9的中心连线的夹角为45°。其他步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中所述润滑剂为机油、汽油、石墨、二硫化钼或六方氮化硼。其他步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：当步骤一中所述低体积分数陶瓷颗粒增强铝基复合材料为碳化硼陶瓷颗粒增强6XXX铝基复合材料时，步骤三中低体积分数陶瓷颗粒增强铝复合材料棒材挤压模具预热温度为330～400℃，洁净的复合材料坯料的预热温度为380～420℃。其他步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：当步骤一中所述低体积分数陶瓷颗粒增强铝基复合材料为碳化硼陶瓷颗粒增强2XXX铝基复合材料时，步骤三中低体积分数陶瓷颗粒增强铝复合材料棒材挤压模具预热温度为380～400℃，洁净的复合材料坯料的预热温度为400～450℃。其他步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤三中所述出口速度为0.2～1m/min。其他步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤三中所述挤压比为5～100。其他步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤三中所述挤压比为20～70。其他步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。

通过以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：一种低体积分数陶瓷颗粒增强铝基复合材料棒材的挤压方法具体是按以下步骤进行的：

一、对15％B4C/6061Al复合材料的表面进行清理，得到洁净的复合材料坯料；所述复合材料坯料的尺寸为长度大于600mm；

二、通过低体积分数陶瓷颗粒增强铝复合材料棒材挤压模具中底面的定位销8和定位孔9将挤压模具固定在挤压机的模座上，将低体积分数陶瓷颗粒增强铝复合材料棒材挤压模具中的挤压杆和挤压筒安装在挤压机上，对挤压通道5、挤压杆1与材料接触面和挤压筒2内壁均采用润滑剂进行润滑；所述润滑剂为六方氮化硼；

三、对洁净的复合材料坯料和低体积分数陶瓷颗粒增强铝复合材料棒材挤压模具进行预热，模具预热温度为400℃，将复合材料坯料预热温度为420℃，然后将预热后的复合材料坯料置于挤压杆和腔模之间，放入腔模中，挤压比为7，出口速度为0.5m/min，进行挤压，即完成低体积分数陶瓷颗粒增强铝基复合材料棒材的挤压成型。

实施例二：一种低体积分数陶瓷颗粒增强铝基复合材料棒材的挤压方法具体是按以下步骤进行的：

一、对低体积分数碳化硼增强2XXX复合材料的表面进行清理，得到洁净的复合材料坯料；所述复合材料坯料的尺寸为长度大于600mm；

二、通过低体积分数陶瓷颗粒增强铝复合材料棒材挤压模具中底面的定位销8和定位孔9将挤压模具固定在挤压机的模座上，将低体积分数陶瓷颗粒增强铝复合材料棒材挤压模具中的挤压杆和挤压筒安装在挤压机上，对挤压通道5、挤压杆1与材料接触面和挤压筒2内壁均采用润滑剂进行润滑；所述润滑剂为六方氮化硼；

三、对洁净的复合材料坯料和低体积分数陶瓷颗粒增强铝复合材料棒材挤压模具进行预热，模具预热温度为420℃，将复合材料坯料预热温度为450℃，然后将预热后的复合材料坯料置于挤压杆和腔模之间，放入腔模中，挤压比为30，出口速度为0.3m/min，进行挤压，即完成低体积分数陶瓷颗粒增强铝基复合材料棒材的挤压成型。

实施例三：一种低体积分数陶瓷颗粒增强铝基复合材料棒材的挤压方法具体是按以下步骤进行的：

一、对低体积分数碳化硼增强2XXX复合材料的表面进行清理，得到洁净的复合材料坯料；所述复合材料坯料的尺寸为长度大于600mm；

二、通过低体积分数陶瓷颗粒增强铝复合材料棒材挤压模具中底面的定位销8和定位孔9将挤压模具固定在挤压机的模座上，将低体积分数陶瓷颗粒增强铝复合材料棒材挤压模具中的挤压杆和挤压筒安装在挤压机上，对挤压通道5、挤压杆1与材料接触面和挤压筒2内壁均采用润滑剂进行润滑；所述润滑剂为六方氮化硼；

三、对洁净的复合材料坯料和低体积分数陶瓷颗粒增强铝复合材料棒材挤压模具进行预热，模具预热温度为400℃，将复合材料坯料预热温度为420℃，然后将预热后的复合材料坯料置于挤压杆和腔模之间，放入腔模中，挤压比为54，出口速度为0.4m/min，进行挤压，即完成低体积分数陶瓷颗粒增强铝基复合材料棒材的挤压成型。

实施例四：一种低体积分数陶瓷颗粒增强铝基复合材料棒材的挤压方法具体是按以下步骤进行的：

一、对的表面进行清理，得到洁净的复合材料坯料；所述复合材料坯料的尺寸为长度大于600mm；

二、通过低体积分数陶瓷颗粒增强铝复合材料棒材挤压模具中底面的定位销8和定位孔9将挤压模具固定在挤压机的模座上，将低体积分数陶瓷颗粒增强铝复合材料棒材挤压模具中的挤压杆和挤压筒安装在挤压机上，对挤压通道5、挤压杆1与材料接触面和挤压筒2内壁均采用润滑剂进行润滑；所述润滑剂为六方氮化硼；

三、对洁净的复合材料坯料和低体积分数陶瓷颗粒增强铝复合材料棒材挤压模具进行预热，模具预热温度为400℃，将复合材料坯料预热温度为420℃，然后将预热后的复合材料坯料置于挤压杆和腔模之间，放入腔模中，挤压比为7，出口速度为0.2m/min，进行挤压，即完成低体积分数陶瓷颗粒增强铝基复合材料棒材的挤压成型。

图1为步骤二中所述低体积分数陶瓷颗粒增强铝复合材料棒材挤压模具的结构示意图；图2为实施例四中15％B4C/6061Al复合材料挤压前的扫描电镜图，图3为实施例四中15％B4C/6061Al复合材料挤压后的扫描电镜图；从图2和图3中可以看出，挤压后B4C颗粒分布更加均匀，并且挤压前第二相(图灰色部分)几乎被消除，这种组织的特点对于材料的力学性能是有益的。

图4为实施例四中15％B4C/6061Al复合材料挤压前后拉伸性能对比曲线；其中1为挤压前，2为挤压后；从图中可以看出经过本发明挤压后，复合材料的强度和延伸率都得到了显著的提高，可见经过挤压后复合材料的品质显著提升。