技术领域本发明涉及一种铝合金复合材料及其生产方法，具体涉及一种包含至少两层及以上铝材的铝合金复合材料及其生产方法。
背景技术：
炊具在家庭生活中是必不可少的日常用品，因而压力锅的使用越来广泛。压力锅的锅体内胆材料目前主要有铝、不锈钢、复合材料等。不锈钢材质的内胆不需要额外的不沾涂层，因而不用担心不粘涂层的脱落问题，但是却存在不锈钢内胆热传导能力差且清洗比较麻烦的问题，并且还存在不锈钢内胆中的Cr、Ni等元素溶出后对人体产生慢性毒害的风险，因而大大限制了其应用。现有文献已公开的锅体内胆的复合材料主要有：1)由不锈钢(内层)/铝合金(外层)制成的双层复合材料(参看中国专利CN95112585)；2)由不锈钢(内层)/铝合金(中间层)/导磁材料(外层)(即特定牌号的不锈钢)制成的三层复合板材(参看中国专利CN200620101502)；3)由内不锈钢层/中间铝层/外导磁发热层(即导磁不锈钢)制成的三层复合材料(参看中国专利CN200920121575)。虽然这些复合材料可解决部分问题，如利用铝的整体均热作用改善不锈钢的导热性能、不锈钢材质内胆表面不需再做保护处理等。但是，由于这些复合材料的内胆基本上都是采用冲压结合或挤压结合等方式制作而成的，因而仍然存在着材料界面结合不牢固，导热性差等缺点，并且长时间使用还会在钢/铝界面生成化合物，存在影响使用寿命等问题。相比其它材质而言，铝质炊具具有质轻、耐腐蚀及高的热传导性等特点。但是就综合性质而言，铝材的强度比钢材低，承受压力的能力较差，因而存在高压下容易变形的缺点。因此对于压力锅而言，为了保证锅体内胆能够承受高温和高压力，一般铝质压力锅的锅体内胆厚度比不锈钢的要厚2-3倍。然而增加铝质锅体内胆的厚度不仅增加了压力锅的重量，使铝材轻的特点无法发挥，而且较厚的铝质锅体内胆也无疑增加了生产成本。目前市场上压力锅的锅体内胆广泛使用的是AA3003-H14铝材，其厚度一般在3.5mm以上。在经过深冲成形后，锅体内胆需进行特氟隆涂层涂敷工艺处理，以增加压力锅内胆的抵抗腐蚀能力和耐磨能力。特氟隆涂层涂敷工艺一般在430℃的温度下进行，经涂层后，AA3003-H14铝材的强度会降低很多，而该被软化的AA3003-H14铝材会导致压力锅在随后的室温压力测试时使产品过早失效。对于该问题目前解决的主要方法是增加材料的厚度或者使用另一种陶瓷涂层(固化温度一般在230℃温度)，或者同时使用这两种方法。但是这两种方法都有各自的缺点：前者由于增加材料的厚度，会导致重量增加和高的成本；而后者由于陶瓷涂层的结合力较弱，会导致涂层容易脱落。因此，研制一种既能满足特氟隆涂层涂敷工艺，使其在涂层后仍能维持很高的强度，又能同时满足室温下耐压测试要求的铝质复合材料具有很大的市场需求，并且有良好的应用前景。
技术实现要素：
鉴于以上问题，本发明的第一个目的是提供一种新型的铝合金复合材料，其具有优异的导热性、界面结合牢固、强度高、成形性好等优点。本发明所述的铝合金复合材料，包括芯材和复合层，其中以质量百分数计(wt％)，所述芯材包括以下合金元素：Si：0.6-1.8，Mn：1.0-1.5，Fe：<0.5，Cu：0.3-0.7，Mg：<0.4，Zn：<0.4，Ti：<0.2，Zr：<0.2；以及其它元素V、Cr和/或Ni中的一种，所述其它元素的单个含量≤0.05％，但其总量≤0.15％；其余为铝和含量≤0.05％的不可避免的杂质。优选地，以质量百分数计，所述芯材包括0.6-1.5的Si。优选地，以质量百分数计，所述芯材包括1.3-1.5的Mn。优选地，以质量百分数计，所述芯材包括<0.3的Fe。优选地，以质量百分数计，所述芯材包括0.5-0.7的Cu。优选地，以质量百分数计，所述芯材包括<0.15的Mg。优选地，以质量百分数计，所述芯材包括<0.3的Zn。优选地，以质量百分数计，所述芯材包括<0.15的Ti。优选地，以质量百分数计，所述芯材包括<0.1的Zr。所述复合层为AA3003铝合金板材。本发明所述的铝合金复合材料的结构是：在所述芯材的一个面或两个面上包覆所述复合层。如图1、图2所示，其中图1为在所述芯材的一个面上包覆复合层的复合材料，即单面复合材料；图2为在所述芯材的两个面上均包覆复合层的复合材料，即双面复合材料。本发明所述的铝合金复合材料，对复合率没有限制，可以是任意数值，只要可获得目标厚度的铝合金复合材料即可，例如5％-15％，其中8％-10％是优选的。本发明所述的复合率是指复合层的厚度占复合材料总厚度的百分数，如复合材料厚度为1mm，复合层厚度为0.1mm，则复合率为10％。本发明所述的复合率一般是指一侧的复合率。本发明所述的铝合金复合材料的总厚度≤3.5mm。本发明的第二个目的是提供一种新型的铝合金复合材料的生产方法。根据本发明方法，将两层或两层以上的铝材(即本发明所述的芯材和复合层)通过加工结合在一起制成特定组成的铝合金复合材料，其是改进的压力锅用铝材，适合用于制备具有特氟隆(Teflon，即聚四氟乙烯)涂层的压力锅内胆，从而增加压力锅的锅体内胆的抗变形能力，提高压力锅的使用寿命，同时还可使铝材的厚度减薄，从而降低压力锅的重量，节省成本。具体地，本发明提供的铝合金复合材料的生产方法，包括以下工艺流程：以工业废料为原料熔炼制备芯材；将所述芯材锯切、均匀化和铣面；轧制复合层；将所述芯材和复合层进行搭配复合、焊接，制备复合板材；预加热所述复合板材；热轧和冷轧所述复合板材，和成品退火。详述如下：(1)熔炼制备芯材：用水冷半连续铸造法(DCcasting，即DC铸造法)生产芯材，其中原料为在铝材加工厂生产铝材过程中的各工序产生的工业废料。具体是：将所述工业废料和工业纯铝锭按照质量例1:9-2:8加入熔炼炉，在730-760℃的温度下进行熔炼，待全部熔化后加入各种合金元素，搅拌、精炼、扒渣，取样分析并微调，然后将该熔炼铝液倒入静置炉，再次搅拌、精炼、扒渣，在线加入铝钛硼晶粒细化剂，过滤，使滤液进入铸造机进行铸造，即获得所述芯材，其中以质量百分数计，所述芯材包含以下合金元素：Si：0.6-1.8，Mn：1.0-1.5，Fe：<0.5，Cu：0.3-0.7，Mg：<0.4，Zn：<0.4，Ti：<0.2，Zr：<0.2；以及其它元素V、Cr和/或Ni中的一种，所述其它元素的单个含量≤0.05％，但其总量≤0.15％；其余为铝和≤0.05％的不可避免的杂质。优选地，以质量百分数计，所述芯材包括0.6-1.5的Si。优选地，以质量百分数计，所述芯材包括1.3-1.5的Mn。优选地，以质量百分数计，所述芯材包括<0.3的Fe。优选地，以质量百分数计，所述芯材包括0.5-0.7的Cu。优选地，以质量百分数计，所述芯材包括<0.15的Mg。优选地，以质量百分数计，所述芯材包括<0.3的Zn。优选地，以质量百分数计，所述芯材包括<0.15的Ti。优选地，以质量百分数计，所述芯材包括<0.1的Zr。(2)将所述芯材锯切、均匀化和铣面将上述获得的芯材的头部锯掉300-500mm，然后在加热炉内在500-610℃的温度下保温10-20小时进行均匀化，随后将其两面各铣掉10-20mm。(3)轧制复合层将市售的AA3003铝合金板材按照步骤(2)的方法进行锯切、均匀化和铣面后，并在加热炉内在450-520℃的温度下保温5-10小时，然后在热轧机上轧制成20-60mm厚度，即获得复合层。(4)将所述芯材和复合层进行搭配复合、焊接，制备复合板材将铣面后的芯材与轧制的复合层进行搭配复合，并用氩弧焊机进行边部焊接，且使一侧的复合率为5-15％，制备复合板材。(5)预加热所述复合板材将上述制备的复合板材在420-520℃的加热炉内加热保温5-10小时后准备热轧。(6)热轧和冷轧所述复合板材将上述预加热后的复合板材首先在热轧机上轧制成厚度为5-10mm的热轧卷材；待热轧卷冷却后，再将其在冷轧机上轧制成厚度为2.5-3.5mm的冷轧卷材。(7)成品退火将上述冷轧卷材在退火炉内进行成品退火，退火温度为200-360℃，退火时间为1-3小时，即制得本发明的铝合金复合材料，成品总厚度≤3.5mm。其中上述生产方法中，对于热轧和冷轧没有特别限制，一般使用本领域技术人员所选择的常规热轧条件和冷轧条件，只要可获得本发明的目标铝合金复合材料即可。例如优选热轧温度为500℃左右，热轧时间控制在40分钟以内。根据本发明方法，巧妙地将在铝材加工厂生产铝材过程中的各工序产生的工业废料作为资源利用，与工业纯铝锭组合，经加工制得性能改进的铝合金复合材料。性能测试表明该产品可适用于特氟隆涂层涂敷工艺，从而杜绝食物和铝的直接接触，使锅体实现不粘效果；良好的延伸率可使原材料的厚度减薄，从而降低压力锅的重量，节省成本。此外，本发明方法工艺简单、易操作，适合工业化生产。附图说明图1为本发明的铝合金复合材料的一种复合结构。图2为本发明的铝合金复合材料的另一种复合结构。其中A代表芯材，C代表复合层。具体实施方式以下将通过举例方式并结合附图来进一步阐释本发明，但是应当理解，本发明并不限于以下所描述的具体实施方案。本发明还可以有其它实施方案，或能够以多种方式实践或进行。因此，本发明所述的用语旨在被赋予最宽泛的可能范围和含义；并且所述实施方案皆为示例性，而不是穷尽性。此外应当理解，本发明所用的术语是为了描述目的，而不应被视为是限制性的。在本发明所述的工业废料，是指通常在铝材加工厂生产铝材过程中各工序所产生的各种工业废料。在本发明中，所述工业废料来自申请人本厂在生产铝材过程中各工序所产生的工业废料，其成分如下表1所示。应注意，本发明方法所述的工业废料并不限于以下范围。在本发明方法中对所述工业废料的成分组成和来源没有特别限定，只要根据本发明方法可获得目标铝合金复合材料即可。表1铝合金废料的成分范围(重量％)SiFeCuMnMgZrZnTiAl0.8-2.30.1-0.50.08-0.70.7-1.50.05-0.40.01-0.120.05-0.50.03-0.12余量本发明所述的AA3003铝合金板材(铸态)，为市售产品。本发明所述的对比例AA3003-H14铝合金板材(轧制板材)为市售产品。本发明所述的铝钛硼晶粒细化剂，为市售产品，分子量为AlTi5B1。本发明以下实施例中对铝材的状态描述采用本行业的通用术语，如表3所示，O表示铝材在成形加工后处于全退火的状态，是完全软化状态，适用于经完全退火获得最低强度的加工产品；H表示加工硬化状态，用于通过加工硬化提高强度的产品，产品在加工硬化后可经过(也可不经过)使强度有所降低的附加热处理；H24表示加工硬化后部分退火到1/2硬；H14表示加工硬化后到1/2硬。本发明所述的交货状态是指铝材出厂前的状态，本发明所述的交货状态包括O和/或H24状态。除非另有说明，本发明的所有元素含量均以重量百分数计。实施例11、铝合金复合材料的制备按照以下工艺制备本发明的铝合金复合材料。其中对比例为AA3003-H14铝合金板材(以下简称AA3003-H14)，其为市售产品，具有较好的成形性和耐腐蚀性能以及中等强度，因其综合性能较好，被广泛用于制备铝压力锅的锅体内胆。(1)熔炼制备芯材A：将本厂各工序产生的如表1所示的工业废料和工业纯铝锭按照质量比1:9加入熔炼炉，在730-760℃的熔炼温度下进行熔炼，随后向其中加入合金元素，搅拌、精炼、扒渣，取样分析并微调，然后将该熔炼铝液倒入静置炉，再次搅拌、精炼、扒渣，在线加入铝钛硼晶粒细化剂，过滤，使滤液进入铸造机进行铸造，即制得芯材A，其中所包含的各合金元素的含量如表2所示。表2(2)将所述芯材A锯切、均匀化和铣面将上述制得的芯材A的头部锯掉400mm，然后在加热炉内在580℃的温度下保温15小时进行均匀化，随后将其两面各铣掉15mm。(3)轧制复合层将市售的AA3003铝合金板材按照步骤(2)的方法进行锯切、均匀化和铣面后，并在加热炉内在480℃的温度下保温6小时，然后在热轧机上轧制成32mm厚度，即获得复合层。(4)将所述芯材A和复合层进行搭配复合、焊接，制备复合板材将所述芯材A和轧制的复合层按照表3所示的方式进行搭配复合(具体结构参看图1和图2)，并用氩弧焊机进行边部焊接，其中一侧的复合率为8％，制备复合板材。表3(5)预加热所述复合板材将上述制备的复合板材在加热炉内在480℃的温度下保温6小时后准备轧制。(6)热轧和冷轧所述复合板材将所述复合板材首先在热轧机上轧制成厚度为8.0mm的热轧卷材；待热轧卷冷却后，将其再在冷轧机上轧制成厚度为3.2mm的冷轧卷材。(7)成品退火将上述获得的冷轧卷材置于退火炉内，在240℃或360℃的退火温度下经2小时进行成品退火，即制得本发明的铝合金复合材料，成品厚度为3.2mm。2、性能评价将上述制得的铝合金复合材料作为试验材料，按照下述方法进行性能评价。(1)模拟特氟隆涂层涂敷工艺的热处理将试验材料放入加热炉中在90℃的温度下保温15分钟，出炉空冷；待冷却至室温后，将该试验材料再次放入加热炉中在430℃的温度下保温15分钟，出炉空冷。(2)试验样品的制备和强度测试将交货状态及经上述模拟的特氟隆涂层涂敷工艺热处理的试验材料按照标准EN10002-1制备成拉伸试验样品，标距为50mm。在室温下以20mm/分钟的拉伸速度进行拉伸实验，测试试验样品的抗拉强度和延伸率。结果示于表4。(3)杯突试验将交货状态的试验材料按照GB/T4156标准进行杯突试验。结果示于表4。表4由表4可知，在交货状态下作为本发明的试验材料A1-A4的杯突值与对比例材料AA3003-H14的数值相当，表明它们的成形性具有相同的水平。但是在模拟特氟隆涂层涂敷工艺热处理后本发明的试验材料A1-A4的拉伸强度和延伸率明显高于对比例材料AA3003-H14，其中抗拉强度最高可达到175MPa，延伸率最高可达到29％，均远高于对比例材料AA3003-H14；并且在交货状态下本发明的试验材料A1-A4的抗拉强度和延伸率也均高于对比例材料AA3003-H14。以上试验表明，本发明的复合材料性能更佳，可适用于特氟隆涂层涂敷工艺，从而杜绝食物和铝的直接接触，使锅体实现不粘效果；良好的延伸率可使原材料的厚度减薄，从而降低压力锅的重量，节省成本。因此更适合用于制备压力锅的锅体内胆。实施例21、铝合金复合材料的制备按照以下工艺制备本发明的铝合金复合材料，其中对比例为市售产品AA3003-H14铝合金板材。(1)熔炼制备芯材B：用DC铸造法制备芯材B，其中添加本厂各工序产生的工业废料。该熔炼过程具体为：将如表1所示的工业废料和工业纯铝锭二者按照质量比2:8加入熔炼炉，在730-760℃的熔炼温度下熔炼，随后加入各种合金元素，搅拌、精炼、扒渣，取样分析并微调，然后将该熔炼铝液倒入静置炉，再次搅拌、精炼、扒渣，在线加入铝钛硼晶粒细化剂，过滤，使滤液进入铸造机进行铸造，即制得芯材B，其中所包含的各合金元素的含量如表5所示。表5(2)将所述芯材B锯切、均匀化和铣面将上述制得的芯材B的头部锯掉400mm，然后在加热炉内在580℃的温度下保温15小时进行均匀化，最后将其两面各铣掉15mm。(3)轧制复合层将市售的AA3003铝合金板材按照步骤(2)的方法进行锯切、均匀化和铣面后，并在加热炉内在480℃的温度下保温6小时，然后在热轧机上将其轧制成40mm厚度，即获得复合层。(4)将所述芯材B和复合层进行复合、焊接，制备复合板材将铣面后的芯材B与轧制成的复合层按照表6所示方式进行搭配复合(结构参看图1和图2)，并用氩弧焊机进行边部焊接，其中一侧的复合率为10％，制备复合板材。表6(5)预加热所述复合板材将上述制备的复合板材在加热炉内在480℃的温度下保温6小时后准备热轧。(6)热轧和冷轧所述复合板材将上述预加热后的复合板材首先在热轧机上轧制成厚度为8.0mm的热轧卷材；待热轧卷冷却后，将其再在冷轧机上轧制成厚度为3.0mm的冷轧卷材。(7)成品退火将上述冷轧卷材置于退火炉内，在240度或360℃的退火温度下进行成品退火，退火时间为2小时，即制得本发明的铝合金复合材料，成品厚度为3.0mm。2、性能评价将上述制得的铝合金复合材料作为试验材料，按照下述方法进行性能评价。(1)模拟特氟隆涂层涂敷工艺的热处理将试验材料放入加热炉，在90℃的温度下保温15分钟，出炉空冷；待冷至室温后，将其再次放入加热炉，在430℃的温度下保温15分钟，出炉空冷。(2)试验样品的制备和强度测试将交货状态及经过模拟特氟隆涂层涂敷工艺热处理的试验材料按照标准EN10002-1制备成拉伸试验样品，标距为50mm。在室温下以20mm/分钟的拉伸速度进行拉伸实验，测试试验样品的强度和延伸率。结果示于表7。(3)杯突试验将交货状态的试验材料按GB/T4156标准进行杯突试验。结果示于表7。表7由表7可知，在交货状态下作为本发明的实验材料B1-B4的杯突值与对比例材料AA3003-H14的数值相当，表明它们的成形性具有相同的水平。但是在模拟特氟隆涂层涂敷工艺热处理后，本发明的实验材料B1-B4的拉伸强度和延伸率明显优于对比例材料AA3003-H14，其中拉伸强度最高可达到183MPa，延伸率最高可达到26％，均高于对比例材料AA3003-H14；此外在交货状态下的力学性能也显示本发明的实验材料B1-B4的拉伸强度和延伸率明显优于对比例材料AA3003-H14。以上试验表明，本发明的复合材料性能更佳，可适用于特氟隆涂层涂敷工艺，从而杜绝食物和铝的直接接触，使锅体实现不粘效果；良好的延伸率可使原材料的厚度减薄，从而降低压力锅的重量，节省成本。因此更适合用于制备压力锅的锅体内胆。虽然本发明已阐述并描述了典型的实施方案，但并不限于所显示的细节。由于各种可能的修改和替换没有背离本发明的精神，为此，本领域技术人员不仅使用常规试验可想到的本发明的修改和等同物，并且相信所有这些修改和等同物都落入通过以下权利要求书所定义的本发明的精神和范围内。