专利名称：铝复合材料的制造方法
技术领域：
本发明总体涉及铝复合材料的制造方法，更具体地涉及至少一种性质优异的铝复合材料的制造，所述性质例如塑性可加工性、导热性、室温或高温下的强度、高刚性、中子吸收能力、耐磨性或低的热膨胀性。
背景技术：
当使用粉末冶金法制造含有作为基相的铝的复合材料时，将作为加强材料的陶瓷颗粒A12O3、SiC或B4C、BN、氮化铝和氮化硅混合到形成基相的铝粉中，然后将该混合粉末装入到罐中并且冷压等，然后脱气或烧结以形成期望的形状。烧结法包括简单加热法、诸如热压的加热压缩法、诸如热挤压的通过热塑加工的加压烧结法、热锻和热轧、压缩时通电的烧结方法以及这些方法的组合。此外，烧结和脱气能够同时进行。
专利文献1JP 2001-329302 A发明公开本发明解决的问题近年来，已经开发出了铝复合材料，不仅由于其强度，而且还用于需要高杨氏模量、高耐磨性、低的热膨胀性以及辐射吸收能力的其它用途。通常，能够通过增加具有所需功能的陶瓷的含量来增加每一功能，但是简单地增加含量能够严重降低塑性可工作性，例如烧结能力、挤压能力、轧制能力和锻造能力。
因此，已经设想预成形陶瓷的方法，使用铝合金熔融物浸渍、然后将高浓度陶瓷均匀地分散于基相中，但是由于熔融物不充分的浸透以及固化过程中形成收缩，此方法具有可能出现缺陷的缺点。
考虑到上述情况开发了本发明，并且本发明的目的是提供能够容易地制造含有高陶瓷含量的铝复合材料的方法，所述高陶瓷含量例如是10％质量比。
本发明的另一目的是提供通过使用金属板材覆盖铝-陶瓷复合材料而更加易于塑性加工的铝复合材料的制造方法。
本发明的另一目的是提供当对覆层铝-陶瓷复合材料进行轧制时，能够可靠地防止裂缝等产生的铝复合材料的制造方法。
本发明的另一目的是提供能够实现高生产率的铝复合材料的制造方法。
为了本说明书的目的，铝既指铝合金又指纯铝。
此外，本发明的制造方法不限于制造具有高含量加强材料的铝复合材料，并且还能够用于制造具有低含量加强材料的铝复合合金，所述低含量例如0.5％质量比。
解决问题的方法制造本发明铝复合材料的方法，其特征在于所述方法包括(a)混合铝粉和陶瓷颗粒以制备混合材料的步骤；(b)电流加压烧结所述混合材料和金属板材以形成覆层材料的步骤，其中金属板材覆盖烧结体；以及(c)将所述覆层材料进行塑性加工以得到铝复合材料的步骤。
通常，陶瓷颗粒比铝硬得多。因此，当塑性加工含有大量陶瓷颗粒的铝粉烧结体时，表面上的陶瓷颗粒能够是损伤的原点，并造成塑性加工材料中出现裂缝。此外，它们能够引起挤压模、轧辊、锻模等的磨损。然而，在本发明中，在塑性加工步骤之前，使用金属板材覆盖铝粉和陶瓷颗粒的混合材料、电流加压烧结，然后使用金属板材覆层含有陶瓷的铝烧结体的表面，然后在该状态下进行塑性加工。使用该方法，表面上将不存在可能是损伤原点或磨损冲模等的陶瓷颗粒，因此形成良好的塑性加工材料。此外，通过电流加压烧结的方法使含有陶瓷的铝粉被金属板材覆层，因而在含有陶瓷的铝材和金属板材之间存在紧密的接触，从而在含有陶瓷的铝材和金属板材之间提供良好的导热性和导电性。此外，即使进行热塑性加工，也不会在金属板材和含有陶瓷的铝材之间出现缺陷，因此无需在热塑性加工后分离金属板材。
在本发明的优选实施方案中，上述步骤(b)包括将上述的混合材料以与金属板材接触的状态和金属板材一起装入到成形模中，并且进行电流加压烧结同时使用冲头进行压缩并施加电压。此处，这可能涉及在一对金属板材之间夹入所述的混合材料、在成形模中装入被冲头压紧的金属板材以及压缩混合材料和金属板材，或者作为另一方法，将混合粉末置于具有与底部板材相对的盖板材的金属容器中，在成形模中装入具有被冲头压紧的底部板材和盖板材，并压缩混合材料和容器。
在本发明的另一优选实施方案中，上述步骤(b)可以涉及制造混合材料和金属板材的至少两个组合体并且对以堆积状态装入成形模中的的上述至少两个组合体进行电流加压烧结，以同时成形至少两个覆层材料，并且该方法能够显著提高生产率。此处，与冲头运动方向垂直的至少一个间隔部件能够分隔成形模中的接收空间以限定至少两个间隔间，将上述的至少两个组合体装入到上述至少两个间隔间中以进行电流加压烧结。
在本发明的另一优选实施方案中，上述的金属板材是由铝或不锈钢组成的。此外，在上述步骤(a)中，通常的操作是混合铝粉和陶瓷颗粒以制备由混合粉末组成的混合材料，但是所述混合材料可以由通过压缩成形铝粉和陶瓷颗粒的混合粉末而形成的压型体组成，例如通过冷等静压机(CIP)、冷单轴压机或振动压机，并且可以预先对所述混合材料进行电流加压烧结，因为在电流加压烧结过程中其变得更加易于烧结并且在诸如运输过程中易于处理。此外，能够压缩成形装入到金属容器中的混合粉末或夹在金属板材之间的混合粉末。
在本发明的另一实施方案中，在上述步骤(a)中，铝粉可以是纯度至少为99.0％的纯铝粉，或者是含有铝和0.2-2％质量比的至少一种Mg、Si、Mn和Cr的合金粉末，并且陶瓷粉末可以占混合材料总质量的0.5-60％。
在本发明的另一优选实施方案中，上述步骤(b)能够涉及成形周缘部分被金属框材覆盖的覆层材料。更优选地，上述步骤(b)能够涉及在电流加压烧结之后使用金属框材覆盖覆层材料。在另一方法中，可以在电流加压烧结之前使用金属框材覆盖金属板材和/或混合材料的周缘部分。此处，可以通过焊接、搅拌摩擦焊接(FSW焊接)等成形上述金属框材，所述金属框材可以是多个框架部件或者可以是单一构件。优选地，所述金属框材是通过线切割或挤压剪裁去掉铝板材中部得到的一体构件，或者是切割为合适长度的中空挤压材料。
在本发明的另一优选实施方案中，上述步骤(c)可以涉及在塑性加工之前使用金属保护板覆盖上述覆层材料的表面。此处，上述保护板优选由可锻的、具有良好高温强度和低导热性的材料组成。例如，能够使用不锈钢、Cu、软铁等，其中最优选软铁。此外，上述步骤(c)更优选涉及在移动方向的前侧和顶部与底部表面上使用上述保护板覆盖上述覆层材料。此外，优选在上述覆层材料和保护板之间进行润滑，例如使用基于BN的润滑剂进行固体润滑。
本发明的另一实施方案提供通过铝复合材料的上述制造方法之一制造的铝复合材料。
发明效果本发明制造铝复合材料的方法部分或完全解决制造铝复合材料的常规方法的上述缺点。
特别地，使用本发明制造铝复合材料的方法，在进行塑性加工之前将金属板材和铝粉与陶瓷颗粒的混合材料一起进行电流加压烧结，因此，金属板材覆盖了含有陶瓷的铝烧结体，因而表面上不存在可能是损伤原点或磨损冲模等的陶瓷颗粒，因而是良好的塑性加工材料。此外，通过电流加压烧结的方法使用金属板材来覆盖含有陶瓷的铝材，因而在含有陶瓷的铝材和金属板材之间存在紧密的接触，并且在含有陶瓷的铝材和金属板材之间具有良好的导热性和导电性。此外，即使进行热塑性加工，也不会在金属板材和含有陶瓷的铝材之间出现缺陷。
此外，在本发明制造铝复合材料的方法的优选实施方案中，将混合材料和金属板材的至少两个组合体同时装入到成形模中，并进行电流加压烧结，因此能够提高烧结步骤的效率并显著提高铝复合材料的生产率。
在另一优选实施方案中，在进行轧制操作之前使用金属框材覆盖覆层材料的周缘部分或者使用金属保护板覆盖覆层材料的表面，从而实现可靠地避免由于塑性加工而在复合材料的表面、内部或侧面出现裂缝、裂隙等的效果。
此外，多堆积式烧结具有通过使用间隔物自由控制板材厚度的效果。
显示用于实施本发明的电流加压烧结装置的主要部分的剖视示意图。
本发明方法实施方案的示意图，其中将混合粉末置于一对位于顶部和底部的金属板材之间，然后装入到电流加压烧结装置中。
本发明方法另一实施方案的示意图，其中将混合粉末置于装入到电流加压烧结装置中的金属容器中。
显示本发明方法另一实施方案的电流加压烧结装置的剖视示意图，其显示了两阶段烧结的实例。
显示本发明方法另一实施方案的局部剖视图，其中金属框材与包含盒形状元件和盖部件的容器的边缘部分结合。
显示图5容器整体的俯视图，所述容器具有与其边缘部分结合的框材。
与图5类似的局部剖视图，其显示金属框材与容器边缘部分结合的另一实例。
显示图7容器整体的俯视图，所述容器具有与其边缘部分结合的框材。
与图5类似的局部剖视图，其显示金属框材与容器边缘部分结合的另一实例。
与图5类似的局部剖视图，其显示金属框材与容器边缘部分结合的另一实例。
与图6类似的容器的整体俯视图，其中金属框材的角已经被焊接。
容器的整体俯视图，所述容器具有与其结合的线切割类型金属框。
本发明另一实施方案的剖视示意图，其显示金属框材是如何与混合材料的边缘部分结合以便同时烧结混合材料和框材。
显示本发明方法另一实施方案的示意图，其中在塑性加工之前使用保护板覆盖覆层材料的表面。
根据本发明实施例1所述的方法，使用铝合金JIS 5052和JIS 1050矩形容器进行电流加压烧结的烧结体的显微照片。
烧结体和烧结材料的金属容器之间边界面的显微照片，根据本发明实施例1所述的方法，使用铝合金JIS 5052和JIS 1050矩形容器对所述烧结材料的金属容器进行电流加压烧结。
显示图15和图16烧结体中Mg的线分析的图。
通过冷轧含有图15和图16烧结体的电流加压烧结体而得到的轧制材料的照片。
通过实施例2所述的方法制造的挤压材料的显微结构照片。
标号说明1成形模2上冲头部件3下冲头部件A接收材料的部分4，5金属板材6底部板部件9盖板部件10堆积式承载板11组合体12间隔物13间隔部件14容器
15框材16，18焊接的部分17空隙部分21保护板22轧辊发明的最佳实施方式本发明制造方法的特征在于混合铝粉和陶瓷颗粒以制备混合材料的步骤；(b)电流加压烧结所述混合材料和金属板材以形成覆层材料的步骤，其中金属板材覆盖烧结体；以及(c)将所述覆层材料进行塑性加工以得到铝复合材料的步骤。以下，对所使用的原料进行说明，然后以步骤(a)至(c)的顺序对各自步骤进行详细解释。
(1)原料的说明[基材的铝粉]由于不特别限制用于形成主体部分的基材的铝粉组成，所以可以使用多种类型的合金粉末，例如纯铝(JIS 1050、1070等)、Al-Cu合金(JIS 2017等)、Al-Mg合金(JIS 5052等)、Al-Mg-Si合金(JIS 6061等)、Al-Zn-Mg合金(J1S 7075等)以及Al-Mn合金，可以单独使用上述物质或使用两种或更多种物质的混合物。
通过考虑期望的性质、随后成形步骤中的变形阻力、混合陶瓷颗粒的量以及原料的成本能够确定所选铝合金粉末的组成。例如，当希望增加铝复合材料的可加工性或热散逸时，优选纯铝粉。与铝合金粉末相比，纯铝粉还有利于原料的成本。作为纯铝粉，优选使用纯度至少为99.5％质量比(可商购的纯铝粉通常具有至少为99.7％质量比的纯度)的纯铝粉。
此外，当期望获得中子吸收能力时，使用如下所述的硼化合物作为陶瓷颗粒，但是当希望进一步提高所得的中子吸收能力时，优选向铝粉中加入1-50％质量比的一类提供中子吸收能力的元素，例如铪(Hf)、钐(Sm)或钆(Gd)。此外，当需要高温强度时，可以加入至少一种选自以下的元素钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)、铜(Cu)、镍(Ni)、钼(Mo)、铌(nb)、锆(Zr)和锶(Sr)，并且当需要室温强度时，可以加入至少一种选自以下的元素硅(Si)、铜(Cu)、镁(Mg)和锌(Zn)，对于每一元素加入的量为2％质量比或更低，并且总量为15％质量比或更低。
此外，当在本发明中必须提高烧结能力时，优选包括至少0.2％质量比的至少一种Mg(镁)、Cu(铜)或Zn(锌)以满足该目的。
在上述铝合金粉末中，剩余未明确指明的成分基本上由铝和不可避免的杂质组成。
虽然不特别限制铝粉的平均粒径，但是粉末通常应该具有上限为500μm或更低的粒径，优选地具有150μm或更低的粒径并且更优选具有60μm或更低的粒径。虽然只要可以生产就不特别限制平均粒径的下限，但是其通常应该是1μm或更高，优选20μm或更高。此外，如果铝粉的粒径分布为100μm或更低，并且强化材料颗粒的平均粒径为10μm或更低，那么强化材料颗粒将会均匀地分散，因此极大地减少了强化材料较薄的部分，并提供稳定性质的效果。因为如果在铝合金粉末的平均粒径与下面讨论的陶瓷颗粒的平均粒径之间差异显著的情况下进行诸如挤压或轧制等塑性加工，那么将趋向出现裂缝，所以优选平均粒径的差异应该小。如果平均粒径变得过大，那么将难于实现与其平均粒径不能过大的陶瓷颗粒均匀混合，并且如果平均粒径变得过小，那么精细铝合金粉末能够结块，使得很难得到与陶瓷颗粒的均匀混合。此外，通过将平均粒径限制在所述范围内，可以实现更好的可加工性、成形性和力学性质。
为了本发明的目的，所述平均粒径指通过激光衍射粒径分布测量法测得的值。还不限制粉末的形状，并且所述粉末的形状可以是任意的泪滴状、球形、椭圆体、片状或不规则形状。
不限制铝粉的制造方法，并且可以通过制造金属粉末的公知方法来制造铝粉。例如，所述制造方法能够是雾化、熔纺、旋转圆盘、旋转电极或其它快速冷却固化法，但是对于工业生产优选雾化法，特别是气体雾化法，其中通过雾化熔融物制造粉末。
在雾化法中，通常将上述熔融物加热至700-1200℃，然后雾化。通过将温度设置在该范围内，可以更加有效地进行雾化。此外，用于雾化的喷雾介质/气氛可以是空气、氮气、氩气、氦气、二氧化碳、水或上述的混合气，鉴于经济因素，喷雾介质应当优选空气、氮气或氩气。
与铝粉混合以形成主体部分的陶瓷的实例包括Al2O3、SiC或B4C、BN、氮化铝和氮化硅。它们可以单独使用或以混合物的形式使用，并且根据复合材料的期望用途进行选择。
此处，硼(B)具有吸收中子的能力，因此如果使用含硼的陶瓷颗粒，那么能够将铝复合材料用作中子吸收材料。在这种情况下，能够使用诸如B4C、TiB2、B2O3、FeB或FeB2等含硼的陶瓷，它们被单独或以混合物的形式使用。特别地，优选使用碳化硼B4C，其大量地含有良好吸收中子的B同位素10B。
上述铝合金粉末中应该含有0.5％至60％质量比的陶瓷颗粒，更优选5％至45％质量比。含量应该为至少0.5％质量比的原因在于低于0.5％质量比，不能充分加强复合材料。此外，含量应该为60％质量比或更低的原因在于如果高于60％质量比，那么烧结将变得困难，塑性加工的变形阻力将变大，塑性可加工性将变得困难，并且成形的物品将变得脆且易碎。此外，铝和陶瓷颗粒之间的粘结变差，能够产生裂缝，因此，不能得到期望的功能并降低了强度和导热性。此外，还降低了切削能力。
虽然B4C或Al2O3陶瓷颗粒的平均粒径是任意的，但是优选为1-20μm。与铝合金平均粒径的解释相同，两种类型粉末间的粒径差异优选要小。因此，粒径应该更优选至少为5μm并且最大为20μm。如果平均粒径高于20μm，那么在切割过程中会迅速磨损锯齿，并且如果平均粒径低于1μm(优选3μm)，那么这些精细粉末可能结块，使得非常难以得到与铝粉的均匀混合。
为了本发明的目的，所述平均粒径指通过激光衍射粒径分布测量法测得的值。还不限制粉末的形状，并且所述粉末的形状可以是任意的泪滴状、球形、椭圆体、片状或不规则形状。
虽然只要金属优于与粉末材料粘结并适于塑性加工，本发明的制造方法中所使用的金属板材可以由任何金属组成，但是应该优选铝或不锈钢。例如，在使用铝的情况下，优选使用纯铝(JIS 1050，1070等)，还可以使用多种类型的合金材料，例如Al-Cu合金(JIS 2017等)、Al-Mg合金(JIS 5052等)、Al-Mg-Si合金(JIS 6061等)、Al-Zn-Mg合金(JIS 7075等)以及Al-Mn合金。应该考虑期望的性质、成本等来确定所选的铝的组成。例如，当希望改善可加工性或热散逸能力时，优选纯铝。与铝合金相比，在原料的成本方面，纯铝也是优选的。此外，当希望提高强度和可加工性时，优选Al-Mg合金(JIS 5052等)。此外，当希望提高中子吸收能力时，优选地可以加入1-50％质量比的至少一种具有中子吸收能力的元素，例如Hf、Sm或Gd。
此外，如下文中与电流加压烧结步骤一起详细描述的，金属板材可以是一对金属板材或容器，该容器中盖板材与包含底部板材和侧面板材的盒元件组合。在容器的情况下，可以将台阶形嵌合部分成形在盒元件的上边缘部分，从而与盖板材元件的周缘部分嵌合。
(2)步骤(a)(铝-陶瓷混合物制造步骤)制备铝粉和陶瓷颗粒，并且将这些粉末均匀地混合。所述铝粉可以是单独一种类型的，或者可以是多种类型的混合物，并且类似地所述陶瓷可以由单独一种类型组成或由多种类型组成，例如通过混合B4C和Al2O3。可以通过公知的方法进行指定时间(例如10分钟至10小时)的混合，例如使用诸如V搅拌机或交叉旋转搅拌器等搅拌器、或者振动磨或行星式球磨机。此外，可以在干或湿的条件下进行混合。此外，为了在混合过程中粉碎的目的，可以加入诸如氧化铝球等介质。
步骤(a)仅仅涉及制备粉末混合物，并且基本方法涉及向下一电流加压烧结步骤输送所述粉末混合物，但是在某些情况下，可以通过冷等静压机(CIP)、冷单轴压机或振动压机，在随后的电流加压烧结步骤之前，压缩成形所述的混合铝粉，并且可以预先进一步进行电流加压烧结。通过形成压缩成形材料而不使用混合粉末，在电流加压烧结过程中材料变得易于烧结，并且还变得在运输等过程中易于处理。此外，可以将压缩成形的材料加热至200-600℃并在减压气氛、惰性气氛或还原气氛中脱气。
(3)步骤(b)(电流加压烧结步骤)在步骤(b)中，将步骤(a)产生的混合物(混合粉末或混合压型体)装入到电流加压烧结装置中并进行电流加压烧结。电流加压烧结装置自身可以是任何能够进行指定的电流加压烧结的装置，一个例子是图1的示意图中显示的装置。该装置位于真空容器(未示出)中的烧结炉(未示出)中，并且包括成形模1、上部冲头部件2和下部冲头部件3、材料接收部分A，所述成形模1由具有贯通上下方向的孔的导电材料组成，例如硬金属、硬合金或碳基材料，所述上部冲头部件2和下部冲头部件3由诸如硬金属、硬合金或碳基材料等导电材料组成，位于成形模1的上部和下部，具有可移动地插入上述贯通孔的冲头部分，由上述贯通孔的上部冲头部件2和下部冲头部件3限定的空间形成所述材料接收部分A。通常，将粉末材料装入该材料接收部分A中，开动上部冲头部件的驱动机构和下部冲头部件的驱动机构(未示出)以通过上部冲头部件2和下部冲头部件3压缩粉末材料从而制备生坯，对直流脉冲电流机构(未示出)施加电压以便在上部冲头部件2和下部冲头部件3之间通过直流脉冲电流，从而进行电流加压烧结。虽然该电流加压烧结法自身是公知的，本发明的特征在于并不将所述粉末材料直接装入到材料接收部分A中，而是将其与金属板材一起装入到成形模1中，这样粉末材料与金属板材处于接触的状态，使用上部和下部冲头部件2、3压缩并施加电压以进行电流加压烧结。
也就是说，在本发明中，以相互接触的状态将粉末材料和金属板材装入到材料接收部分A中，以便进行电流加压烧结从而成形覆层材料，其中金属板材覆盖烧结体。可以通过常规已知的方法进行电流加压烧结，例如通过密封真空容器、将烧结炉的内部置于通过真空泵等形成的减压态中、根据需要将惰性气体装入真空容器中，开动上部冲头部件2和下部冲头部件3以便在成形模1中使用指定的压力压缩材料，然后通过上部冲头部件2和下部冲头部件3使直流脉冲电流通过得到的高密度压缩体，以便加热并烧结所述材料。必须选择电流加压烧结的条件以便实现期望的冲模烧结结果，并且根据所使用的粉末类型和期望的烧结程度来确定所述电流加压烧结的条件。当考虑作为本发明基本要求的金属板材和烧结体之间的粘结以及覆层材料的塑性可工作性时，可以在空气中进行电流加压烧结，但是可以在例如0.1托或更低的真空气氛中，使用5000-30000A的电流、10-300℃/分钟的升温速率、500-650℃的烧结温度、至少5分钟的保留时间以及5-10MPa的压力下进行所述电流加压烧结。使用低于500℃的烧结温度时，难以实现充分的烧结，并且在高于650℃时，铝粉或铝板材能够熔融(优选530-580℃或更低)。
此处，在本发明中，粉末材料和金属板材处于相互接触的状态以便成形覆层材料，其中金属板材覆盖烧结体，为此设计并优选以下两个实施方案，。
也就是说，在图2所示的第一实施方案中，首先将铝或不锈钢金属板材4装入到成形模1的粉末材料接收部分中并与底部冲头材料3的冲头表面相接触，然后装入步骤(a)中得到的粉末混合物M(或压型体)，并使用金属板材5从上部进行覆盖。在该状态下，在上述条件下进行电流加压烧结。
在图3所示的第二实施方案中，将步骤(a)中得到的粉末混合物M(或压型体)装入到由底部板材6和侧面板材7组成的盒元件8中，然后从上面安装盖板材9。在成形模1的粉末材料接收部分中接收该容器，并且在该状态下在上述条件下进行电流加压烧结。虽然图3中的盒元件8是矩形的，但是在挤压的情况下，可以使用圆柱形盒元件8。
可以通过上述方法中的任意一种通过电流加压烧结对由混合的铝粉或其压型体组成的混合物进行烧结，而同时与上部和下部金属板材4、5或者容器的底部板材6和盖板材9紧密接触，从而形成覆层材料。
此外，在本发明中，所述烧结步骤可以是多堆积式烧结，例如二堆积式烧结或三堆积式烧结。图4显示二堆积式烧结的实施方案，并且能够在三堆积式布置或使用类似结构的更多堆积式布置中进行烧结。
在图4中，13指与冲头运动方向垂直交叉的至少一个间隔部件，从而在成形模的接收空间中限定了两个间隔空间。虽然在向每一间隔空间中装入混合物和金属板材的一个组合体11之后进行电流加压烧结，但是在上下、各个组合体11和成形模1之间以及各个组合体11和间隔部件13之间提供一对堆积式承载板10，以便冲头部件或间隔部件不与组合体结合。此外，在每一对堆积式承载板10之间的堆积式承载板周缘部分的附近，提供沿着堆积式承载板外周缘延伸的矩形框架间隔物12，其上表面和下表面面对其上下一对堆积式承载板的相对表面。该间隔物12防止在电流加压烧结过程中侧面板材7和盖板材9的接触部分变形，因而，使盒元件8和盖板材9不易分离。
此外，在本发明的优选实施方案中，在步骤(b)中成形周缘部分被金属框材覆盖的覆层材料，所述金属框材例如是铝块材料，从而当轧制金属框材时，预防最易于在覆层材料的侧面方向出现的裂缝和裂隙。可以在电流加压烧结之后或电流加压烧结之前实现由此金属框材对覆层材料的保护。如果框材15的宽度a变得更大，那么框材15能够接收更多的轧制负载，因此更好地预防覆层材料中出现裂缝或裂隙，所以框材15的宽度a应该优选为至少5mm。应该更优选为至少20mm。此外，如果框材15是由与金属板材和金属容器相同的金属组成的，那么它们将更好地结合，并且在轧制期间，各个组成的变形量的差异也将更小。
图5和图6显示金属框材部件15与由容器14所代表的组合体的周缘部分结合的实例，容器14由盒元件和盖部件组成，其中在电流加压烧结时结合由铝块组成的框材15，并在电流加压烧结之后焊接或搅拌摩擦焊接框材15的外周缘。在图5中，参考数字16指焊接填料。从图5能够理解，如果容器14(或组合体，此后指容器14)被成形为在底部部分和顶部部分之间以及侧面部分之间平滑地弯曲，并且在容器14和框材15的角部分之间形成空隙17，那么在烧结过程中框材15的铝块将会熔融入这些空隙17中，从而确保框材15和容器14成为一体，并提高框材15的摩擦系数。因为在容器中发生粉末压缩，所以铝块框材15的厚度应该小于容器14的厚度。如果铝块框材的厚度约等于或大于容器14的厚度，那么框材15在电流加压烧结过程中将受到许多压缩力，其结果为没有将大多数压缩力施加于容器14以及其中的粉末。相反地，如果框材15的厚度不够，那么在轧制的起始阶段并不对框材15施加压力，所以应该优选容器14厚度的至少90％。
图7和图8显示金属框材15与容器14结合的另一实施方案，其中在电流加压烧结后，通过焊接16或搅拌摩擦焊接将由铝块组成的框材15与形成覆层材料的容器14的周缘部分结合。该方法易于进行并且通过使铝块框材15比容器14稍微厚一点，能够从起始阶段起就对框材15施加压力。如果在早期阶段对框材15施加压力，那么不容易在覆层材料中出现裂缝或裂隙。此外，因为无需将框材15置于电流加压烧结装置中，所以可以形成更大的电流加压烧结体。
此外，图9显示了另一实施方案，其中通过使容器在向外的方向逐渐变薄，使容器14的周缘部分的外部形状逐渐变细，从而使得轧制负载指向框材15，所述容器14组成覆层材料的外侧部分。由于这样的结构，当铝块框材15结合时，将向变细的部分更多的施加负载。此外，能够相对容易地制造用于覆层的容器14，以便在诸如CIP等压缩成形的情况下，在电流加压烧结过程之前，能够更容易地进行粉末的填充工作。
图10显示另一实施方案，其中在电流加压烧结时，铝块框材15与容器14同时进行烧结，并且在烧结之后，在其外周缘部分焊接或搅拌摩擦焊接框材15和容器14。通过将容器14凸缘部分的末端向外弯折约90度，能够增加凸缘部分的截面面积，并且在其整个周缘处焊接或搅拌摩擦焊接弯曲的中央部分。该方法的优点在于能够提高凸缘的抗拉强度。
此外，如图11所示，能够通过焊接或搅拌摩擦焊接将多个框部件15a熔合而形成金属框材15，但是在轧制过程中对角部分18施加大力，从而焊接角部分18以提高强度。此外，为了进一步提高框材15的角部分的强度，如图13所示可以使用通过线切割或通过压机切割铝板材中央部分而得到的整体金属框15。此外，能够将切割成合适尺寸的中空挤压铝材用作金属框材15。
图13显示了另一实施方案，其中19指金属板材并且20指混合物。在该实例中，在电流加压烧结之前，铝等金属框材15与混合物20的周缘部分结合，并且混合物20和框材15同时烧结。因为混合物中的铝和框材在熔融态烧结，所以能够得到更加整体化的烧结体。虽然金属框架部件15可以由多个铝块材料等组成，但是当考虑角部分的强度时，优选使用通过线切割或压机切割铝板材中央部分而得到的整体部分，或者切割成合适尺寸的中空铝挤压材料。在这种情况下，框材15还进入材料接收部分A，所以如果框材的宽度a太大，烧结体将小些。因此，可以使用薄框材15，并且在电流加压烧结后，向框材15的外部进一步加入框材。
(4)步骤(c)(塑性加工步骤)通常对电流加压烧结体进行热塑性加工，例如热挤压、热轧或热锻，因此在实现期望形状的同时进一步改善了加压烧结。当制造板形覆层材料时，可以通过只进行冷轧Al板材或Al容器而得到具有指定覆层比的覆层板材。热塑性加工可以由单一操作组成，或者可以是多个操作的组合。此外，可以在热塑性加工之后进行冷塑性加工。在冷塑性加工的情况下，在加工之前通过在100-530℃(优选400-520℃)下退火使得所述材料易于加工。
因为烧结体被金属板材覆层，所以表面不存在可能在塑性加工过程中是损伤原点的或者磨损冲模等的陶瓷颗粒。因而，可以得到具有良好塑性可加工性、具有良好强度和表面性质的铝复合材料。此外，所得的被用于热塑性加工的材料具有金属表面覆层，在表面金属和内部铝烧结体之间具有良好的粘结，因此具有耐蚀性、耐冲击性，并且与表面不被金属材料覆层的铝复合材料相比，具有更高的导热性。
在轧制法的优选实施方案中，在轧制之前，使用金属保护板覆盖覆层材料的表面，所述金属保护板例如是不锈钢薄板、铜或软铁薄板。因此，可以防止在轧制过程中(尤其是起始阶段)，由于辊子和金属板材之间的摩擦而造成烧结材料和金属板材之间出现分离。
图14是该实施方案实例的示意图，其中在运动方向的前侧和顶部与底部表面使用保护板21覆盖覆层材料23。此外，在覆层材料23和保护板21之间进行润滑。该润滑降低保护板和金属板材之间的摩擦，使烧结体和金属板材之间不易出现分离。更具体地，例如，能够使用软铁薄板(0.5mm厚)覆盖电流加压烧结体，使用基于BN的润滑剂在烧结体和软铁薄板内部提供固体润滑，并进行热轧(辊子直径φ340mm，表面长度400mm，速率15.2m/min)。为了改善咬合，可以不对辊子24进行润滑，或者可以使软铁板的前部表面变粗糙(例如使用#120铁砂纸)。直至完成轧制都无需使用保护板，并且一旦轧制进行到一定程度就可以不再继续使用保护板并且金属板材合烧结体之间的结合变强。此外，保护板的重复轧制能够引起加工硬化。加工硬化的保护板能够刮伤覆层材料。因为覆层材料的刮伤可以是进一步损伤的原点，所以在进行一定次数的轧制以后，应该使用新的保护板来代替原来的保护板。
实施例以下参考实施例将详细描述本发明的制造方法。
测量实施例中所述各个物理值的方法如下。
(1)组成通过ICP发射光谱分析法进行分析。
(2)平均粒径使用Microtrac(Nikkiso)进行激光衍射型粒径分布测量。平均粒径是基于体积的中位数。
(3)轧制能力当轧制时，评价样品中存在的裂缝以及表面性质。那些在板表面具有表面裂缝的样品被定为“*”，那些没有表面裂缝但是具有皱样不规则的样品被定为“○”，并且那些没有任何裂缝和不规则的样品被定为“
”。
(4)结构观察将从样品切下的小片植入树脂中，进行金刚砂抛光和软皮摩擦抛光，然后通过光学显微镜观察其结构。
(5)线分析使用EPMA装置研究用于结构观察的样品中的Mg分布。
将B4C陶瓷粉末均匀地混合到具有表1所示组成的铝合金粉末中，使其占35％质量比。然后制造长100mm×宽100mm×高5mm、由铝合金JIS 5052和JIS 1050组成的、板厚度为0.5mm的容器，并将其装入到电流加压烧结装置中，该容器中装有上述的混合粉末，然后在真空气氛中(0.1托)通过施加电压(电流7000A)进行电流加压烧结。此处，烧结温度为520-550℃，保留时间为20分钟，升温速率为20℃/分钟以及压力为7MPa。
形成基材的铝合金粉末的组成(单位％质量比)
铝差额包括不可避免的杂质从所得的烧结材料中取得测试片，并且使用光学显微镜观察其金属结构。图15和图16显示了显微照片。该照片显示测试片被烧结至充分高的密度。此外，图16显示容器的铝粉末合金与其内部牢固结合。
此外，使用EPMA装置对用于结构观察的测试片进行Mg含量的线分析。图17显示了结果。图17显示5052材料中的Mg在结合面附近降低，并且在基材是纯铝的烧结体中检测到了Mg。也就是说，5052材料中的Mg分散到烧结体内部。其还显示5052材料与烧结材料牢固结合。
随后，将所得的烧结体冷轧成2mm厚的板。图18是显示冷轧材料外观的照片。图18显示不存在外部缺陷并实现了轧制。此外，研究了冷轧材料的强度和耐蚀性(盐水喷雾试验在室温下在盐水溶液中浸渍500小时之后研究外观)。结果显示于表2中。
作为对比实施例，将未置于容器中的粉末进行电流加压烧结得到的样品进行冷轧(剩余组成和制造条件相同)。然而，在表面出现了裂缝和凿孔，所以不能得到轧制材料。因此，研究了烧结材料的强度和耐蚀性。结果也显示于表2中。
表2显示，本发明实施例具有良好的强度和耐蚀性，以及良好的轧制能力，对比实施例的全部性质均劣于本发明的实例，并且在轧制过程中出现裂缝。
将B4C陶瓷粉末混合到具有表1所示组成的铝合金粉末中，使其占43％重量比。然后将混合粉末置于纯铝(JIS 1050)的圆柱形容器中(φ100mm，板厚度为2mm)并在实施例1所述的条件下进行电流加压烧结。
随后将所得的烧结材料加热至480℃，并热挤压成厚度为6mm×40mm的平板。图19显示了金属结构的显微照片。图19显示了挤压材料被烧结，并且容器和挤压材料结合良好。
权利要求
1.制造铝复合材料的方法，其特征在于，所述方法包括(a)混合铝粉和陶瓷颗粒以制备混合材料的步骤；(b)电流加压烧结所述混合材料和金属板材以形成覆层材料的步骤，其中金属板材覆盖烧结体；以及(c)将所述覆层材料进行塑性加工以得到铝复合材料的步骤。
2.根据权利要求1所述的制造铝复合材料的方法，其中所述步骤(b)包括将所述混合材料和金属板材以与所述金属板材接触的状态装入到成形模中，并且进行电流加压烧结同时使用冲头进行压缩并施加电压。
3.根据权利要求2所述的制造铝复合材料的方法，其中所述步骤(b)包括在一对金属板材之间夹入所述混合材料、在成形模中装入被冲头压紧的金属板材，以及压缩所述混合材料和所述金属板材。
4.根据权利要求2所述的制造铝复合材料的方法，其中所述步骤(b)包括将所述混合粉末置于具有与底部板材相对的盖板材的金属容器中，在成形模中装入被冲头压紧的底部板材和盖板材，并压缩所述混合材料和所述容器。
5.根据权利要求2-4中任一权利要求所述的制造铝复合材料的方法，其中所述步骤(b)包括制造混合材料和金属板材的至少两个组合体并且对装入成形模中处于堆积状态的所述两个组合体进行电流加压烧结，以同时成形至少两个覆层材料。
6.根据权利要求5所述的制造铝复合材料的方法，其中与所述冲头运动方向垂直的至少一个间隔部件分隔成形模中的接收空间以限定至少两个间隔间，将所述至少两个组合体装入到所述至少两个间隔间中以进行所述电流加压烧结。
7.根据权利要求6所述的制造铝复合材料的方法，其中在所述组合体和所述成形模之间以及在所述组合体和所述间隔部件之间提供一对堆积式承载板以进行所述电流加压烧结。
8.根据权利要求1-7中任一权利要求所述的制造铝复合材料的方法，其中所述金属板材由铝或不锈钢组成。
9.根据权利要求1-8中任一权利要求所述的制造铝复合材料的方法，其中所述步骤(a)包括混合所述铝粉和陶瓷颗粒以制备由混合粉末组成的混合材料。
10.根据权利要求1-9中任一权利要求所述的制造铝复合材料的方法，其中所述步骤(a)包括混合所述铝粉和陶瓷颗粒以制备混合粉末，并将所述混合粉末压缩成形以制备由压型体组成的混合材料。
11.根据权利要求1-10中任一权利要求所述的制造铝复合材料的方法，其中在所述步骤(a)中，所述铝粉是纯度至少为99.0％的纯铝粉，或者是含有铝和0.2-2％质量比的至少一种Mg、Si、Mn和Cr的合金粉末，并且所述陶瓷粉末占所述混合材料总质量的0.5-60％。
12.根据权利要求1-11中任一权利要求所述的制造铝复合材料的方法，其中所述步骤(b)包括成形周缘部分被金属框材覆盖的覆层材料，并且在所述步骤(c)中，所述塑性加工是轧制法。
13.根据权利要求12所述的制造铝复合材料的方法，其中所述步骤(b)包括在电流加压烧结之后使用金属框材覆盖所述覆层材料的周缘部分。
14.根据权利要求12所述的制造铝复合材料的方法，其中所述步骤(b)包括在电流加压烧结之前使用金属框材覆盖所述金属板材和/或所述混合材料的周缘部分。
15.根据权利要求12-14中任一权利要求所述的制造铝复合材料的方法，其中通过焊接或搅拌摩擦焊接结合多个框架部件来成形所述金属框材。
16.根据权利要求12-14中任一权利要求所述的制造铝复合材料的方法，其中所述金属框材由单一构件组成。
17.根据权利要求12-16中任一权利要求所述的制造铝复合材料的方法，其中所述金属框材是铝材。
18.根据权利要求1-17中任一权利要求所述的制造铝复合材料的方法，其中所述步骤(c)包括在所述轧制操作之前使用金属保护板覆盖所述覆层材料的所述表面。
19.根据权利要求18所述的制造铝复合材料的方法，其中所述步骤(c)包括在移动方向的前侧和顶部与底部表面上使用所述保护板覆盖所述覆层材料。
20.根据权利要求18或19所述的制造铝复合材料的方法，其中在所述覆层材料和保护板之间进行润滑。
21.根据权利要求18-20中任一权利要求所述的制造铝复合材料的方法，其中所述保护板是由不锈钢、Cu或软铁组成的薄板。
22.使用权利要求1-21中任一权利要求所述的制造铝复合材料的方法制造的铝复合材料。
全文摘要
提供容易地制造具有高含量陶瓷的铝复合材料的方法。一种方法，其包括(a)混合铝粉和陶瓷颗粒以制备混合材料的步骤；(b)电流加压烧结上述混合材料和金属板材以形成覆层材料的步骤，其中所述覆层材料包括覆盖有所述金属板材的烧结体；以及(c)将上述覆层材料进行塑性加工以制备铝复合材料的步骤。在所述步骤(b)中，在一对金属板材之间夹入所述的混合材料，或者将混合材料的粉末置于金属容器中，将混合材料以金属板材被冲头压紧的状态装入成形模中，并且压缩所述混合材料和所述金属板材。所述金属板材是由铝或不锈钢制成的。
文档编号B22F7/08GK101090788SQ20058004522
公开日2007年12月19日 申请日期2005年12月28日 优先权日2004年12月28日
发明者冈庭茂, 青山茂树, 西山俊正, 北浩明 申请人:日本轻金属株式会社, 日轻金Act株式会社