專利名稱：鋁復合材料的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及鋁復合材料的制造方法，更具體地涉及至少一種性質(zhì)優(yōu)異的鋁復合材料的制造，所述性質(zhì)例如塑性可加工性、導熱性、室溫或高溫下的強度、高剛性、中子吸收能力、耐磨性或低的熱膨脹性。
背景技術(shù)：
當使用粉末冶金法制造含有作為基相的鋁的復合材料時，將作為加強材料的陶瓷顆粒A12O3、SiC或B4C、BN、氮化鋁和氮化硅混合到形成基相的鋁粉中，然后將該混合粉末裝入到罐中并且冷壓等，然后脫氣或燒結(jié)以形成期望的形狀。燒結(jié)法包括簡單加熱法、諸如熱壓的加熱壓縮法、諸如熱擠壓的通過熱塑加工的加壓燒結(jié)法、熱鍛和熱軋、壓縮時通電的燒結(jié)方法以及這些方法的組合。此外，燒結(jié)和脫氣能夠同時進行。
專利文獻1JP 2001-329302 A發(fā)明公開本發(fā)明解決的問題近年來，已經(jīng)開發(fā)出了鋁復合材料，不僅由于其強度，而且還用于需要高楊氏模量、高耐磨性、低的熱膨脹性以及輻射吸收能力的其它用途。通常，能夠通過增加具有所需功能的陶瓷的含量來增加每一功能，但是簡單地增加含量能夠嚴重降低塑性可工作性，例如燒結(jié)能力、擠壓能力、軋制能力和鍛造能力。
因此，已經(jīng)設(shè)想預成形陶瓷的方法，使用鋁合金熔融物浸漬、然后將高濃度陶瓷均勻地分散于基相中，但是由于熔融物不充分的浸透以及固化過程中形成收縮，此方法具有可能出現(xiàn)缺陷的缺點。
考慮到上述情況開發(fā)了本發(fā)明，并且本發(fā)明的目的是提供能夠容易地制造含有高陶瓷含量的鋁復合材料的方法，所述高陶瓷含量例如是10％質(zhì)量比。
本發(fā)明的另一目的是提供通過使用金屬板材覆蓋鋁-陶瓷復合材料而更加易于塑性加工的鋁復合材料的制造方法。
本發(fā)明的另一目的是提供當對覆層鋁-陶瓷復合材料進行軋制時，能夠可靠地防止裂縫等產(chǎn)生的鋁復合材料的制造方法。
本發(fā)明的另一目的是提供能夠?qū)崿F(xiàn)高生產(chǎn)率的鋁復合材料的制造方法。
為了本說明書的目的，鋁既指鋁合金又指純鋁。
此外，本發(fā)明的制造方法不限于制造具有高含量加強材料的鋁復合材料，并且還能夠用于制造具有低含量加強材料的鋁復合合金，所述低含量例如0.5％質(zhì)量比。
解決問題的方法制造本發(fā)明鋁復合材料的方法，其特征在于所述方法包括(a)混合鋁粉和陶瓷顆粒以制備混合材料的步驟；(b)電流加壓燒結(jié)所述混合材料和金屬板材以形成覆層材料的步驟，其中金屬板材覆蓋燒結(jié)體；以及(c)將所述覆層材料進行塑性加工以得到鋁復合材料的步驟。
通常，陶瓷顆粒比鋁硬得多。因此，當塑性加工含有大量陶瓷顆粒的鋁粉燒結(jié)體時，表面上的陶瓷顆粒能夠是損傷的原點，并造成塑性加工材料中出現(xiàn)裂縫。此外，它們能夠引起擠壓模、軋輥、鍛模等的磨損。然而，在本發(fā)明中，在塑性加工步驟之前，使用金屬板材覆蓋鋁粉和陶瓷顆粒的混合材料、電流加壓燒結(jié)，然后使用金屬板材覆層含有陶瓷的鋁燒結(jié)體的表面，然后在該狀態(tài)下進行塑性加工。使用該方法，表面上將不存在可能是損傷原點或磨損沖模等的陶瓷顆粒，因此形成良好的塑性加工材料。此外，通過電流加壓燒結(jié)的方法使含有陶瓷的鋁粉被金屬板材覆層，因而在含有陶瓷的鋁材和金屬板材之間存在緊密的接觸，從而在含有陶瓷的鋁材和金屬板材之間提供良好的導熱性和導電性。此外，即使進行熱塑性加工，也不會在金屬板材和含有陶瓷的鋁材之間出現(xiàn)缺陷，因此無需在熱塑性加工后分離金屬板材。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，上述步驟(b)包括將上述的混合材料以與金屬板材接觸的狀態(tài)和金屬板材一起裝入到成形模中，并且進行電流加壓燒結(jié)同時使用沖頭進行壓縮并施加電壓。此處，這可能涉及在一對金屬板材之間夾入所述的混合材料、在成形模中裝入被沖頭壓緊的金屬板材以及壓縮混合材料和金屬板材，或者作為另一方法，將混合粉末置于具有與底部板材相對的蓋板材的金屬容器中，在成形模中裝入具有被沖頭壓緊的底部板材和蓋板材，并壓縮混合材料和容器。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施方案中，上述步驟(b)可以涉及制造混合材料和金屬板材的至少兩個組合體并且對以堆積狀態(tài)裝入成形模中的的上述至少兩個組合體進行電流加壓燒結(jié)，以同時成形至少兩個覆層材料，并且該方法能夠顯著提高生產(chǎn)率。此處，與沖頭運動方向垂直的至少一個間隔部件能夠分隔成形模中的接收空間以限定至少兩個間隔間，將上述的至少兩個組合體裝入到上述至少兩個間隔間中以進行電流加壓燒結(jié)。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施方案中，上述的金屬板材是由鋁或不銹鋼組成的。此外，在上述步驟(a)中，通常的操作是混合鋁粉和陶瓷顆粒以制備由混合粉末組成的混合材料，但是所述混合材料可以由通過壓縮成形鋁粉和陶瓷顆粒的混合粉末而形成的壓型體組成，例如通過冷等靜壓機(CIP)、冷單軸壓機或振動壓機，并且可以預先對所述混合材料進行電流加壓燒結(jié)，因為在電流加壓燒結(jié)過程中其變得更加易于燒結(jié)并且在諸如運輸過程中易于處理。此外，能夠壓縮成形裝入到金屬容器中的混合粉末或夾在金屬板材之間的混合粉末。
在本發(fā)明的另一實施方案中，在上述步驟(a)中，鋁粉可以是純度至少為99.0％的純鋁粉，或者是含有鋁和0.2-2％質(zhì)量比的至少一種Mg、Si、Mn和Cr的合金粉末，并且陶瓷粉末可以占混合材料總質(zhì)量的0.5-60％。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施方案中，上述步驟(b)能夠涉及成形周緣部分被金屬框材覆蓋的覆層材料。更優(yōu)選地，上述步驟(b)能夠涉及在電流加壓燒結(jié)之后使用金屬框材覆蓋覆層材料。在另一方法中，可以在電流加壓燒結(jié)之前使用金屬框材覆蓋金屬板材和/或混合材料的周緣部分。此處，可以通過焊接、攪拌摩擦焊接(FSW焊接)等成形上述金屬框材，所述金屬框材可以是多個框架部件或者可以是單一構(gòu)件。優(yōu)選地，所述金屬框材是通過線切割或擠壓剪裁去掉鋁板材中部得到的一體構(gòu)件，或者是切割為合適長度的中空擠壓材料。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施方案中，上述步驟(c)可以涉及在塑性加工之前使用金屬保護板覆蓋上述覆層材料的表面。此處，上述保護板優(yōu)選由可鍛的、具有良好高溫強度和低導熱性的材料組成。例如，能夠使用不銹鋼、Cu、軟鐵等，其中最優(yōu)選軟鐵。此外，上述步驟(c)更優(yōu)選涉及在移動方向的前側(cè)和頂部與底部表面上使用上述保護板覆蓋上述覆層材料。此外，優(yōu)選在上述覆層材料和保護板之間進行潤滑，例如使用基于BN的潤滑劑進行固體潤滑。
本發(fā)明的另一實施方案提供通過鋁復合材料的上述制造方法之一制造的鋁復合材料。
發(fā)明效果本發(fā)明制造鋁復合材料的方法部分或完全解決制造鋁復合材料的常規(guī)方法的上述缺點。
特別地，使用本發(fā)明制造鋁復合材料的方法，在進行塑性加工之前將金屬板材和鋁粉與陶瓷顆粒的混合材料一起進行電流加壓燒結(jié)，因此，金屬板材覆蓋了含有陶瓷的鋁燒結(jié)體，因而表面上不存在可能是損傷原點或磨損沖模等的陶瓷顆粒，因而是良好的塑性加工材料。此外，通過電流加壓燒結(jié)的方法使用金屬板材來覆蓋含有陶瓷的鋁材，因而在含有陶瓷的鋁材和金屬板材之間存在緊密的接觸，并且在含有陶瓷的鋁材和金屬板材之間具有良好的導熱性和導電性。此外，即使進行熱塑性加工，也不會在金屬板材和含有陶瓷的鋁材之間出現(xiàn)缺陷。
此外，在本發(fā)明制造鋁復合材料的方法的優(yōu)選實施方案中，將混合材料和金屬板材的至少兩個組合體同時裝入到成形模中，并進行電流加壓燒結(jié)，因此能夠提高燒結(jié)步驟的效率并顯著提高鋁復合材料的生產(chǎn)率。
在另一優(yōu)選實施方案中，在進行軋制操作之前使用金屬框材覆蓋覆層材料的周緣部分或者使用金屬保護板覆蓋覆層材料的表面，從而實現(xiàn)可靠地避免由于塑性加工而在復合材料的表面、內(nèi)部或側(cè)面出現(xiàn)裂縫、裂隙等的效果。
此外，多堆積式燒結(jié)具有通過使用間隔物自由控制板材厚度的效果。


顯示用于實施本發(fā)明的電流加壓燒結(jié)裝置的主要部分的剖視示意圖。
本發(fā)明方法實施方案的示意圖，其中將混合粉末置于一對位于頂部和底部的金屬板材之間，然后裝入到電流加壓燒結(jié)裝置中。
本發(fā)明方法另一實施方案的示意圖，其中將混合粉末置于裝入到電流加壓燒結(jié)裝置中的金屬容器中。
顯示本發(fā)明方法另一實施方案的電流加壓燒結(jié)裝置的剖視示意圖，其顯示了兩階段燒結(jié)的實例。
顯示本發(fā)明方法另一實施方案的局部剖視圖，其中金屬框材與包含盒形狀元件和蓋部件的容器的邊緣部分結(jié)合。
顯示圖5容器整體的俯視圖，所述容器具有與其邊緣部分結(jié)合的框材。
與圖5類似的局部剖視圖，其顯示金屬框材與容器邊緣部分結(jié)合的另一實例。
顯示圖7容器整體的俯視圖，所述容器具有與其邊緣部分結(jié)合的框材。
與圖5類似的局部剖視圖，其顯示金屬框材與容器邊緣部分結(jié)合的另一實例。
與圖5類似的局部剖視圖，其顯示金屬框材與容器邊緣部分結(jié)合的另一實例。
與圖6類似的容器的整體俯視圖，其中金屬框材的角已經(jīng)被焊接。
容器的整體俯視圖，所述容器具有與其結(jié)合的線切割類型金屬框。
本發(fā)明另一實施方案的剖視示意圖，其顯示金屬框材是如何與混合材料的邊緣部分結(jié)合以便同時燒結(jié)混合材料和框材。
顯示本發(fā)明方法另一實施方案的示意圖，其中在塑性加工之前使用保護板覆蓋覆層材料的表面。
根據(jù)本發(fā)明實施例1所述的方法，使用鋁合金JIS 5052和JIS 1050矩形容器進行電流加壓燒結(jié)的燒結(jié)體的顯微照片。
燒結(jié)體和燒結(jié)材料的金屬容器之間邊界面的顯微照片，根據(jù)本發(fā)明實施例1所述的方法，使用鋁合金JIS 5052和JIS 1050矩形容器對所述燒結(jié)材料的金屬容器進行電流加壓燒結(jié)。
顯示圖15和圖16燒結(jié)體中Mg的線分析的圖。
通過冷軋含有圖15和圖16燒結(jié)體的電流加壓燒結(jié)體而得到的軋制材料的照片。
通過實施例2所述的方法制造的擠壓材料的顯微結(jié)構(gòu)照片。
標號說明1成形模2上沖頭部件3下沖頭部件A接收材料的部分4，5金屬板材6底部板部件9蓋板部件10堆積式承載板11組合體12間隔物13間隔部件14容器
15框材16，18焊接的部分17空隙部分21保護板22軋輥發(fā)明的最佳實施方式本發(fā)明制造方法的特征在于混合鋁粉和陶瓷顆粒以制備混合材料的步驟；(b)電流加壓燒結(jié)所述混合材料和金屬板材以形成覆層材料的步驟，其中金屬板材覆蓋燒結(jié)體；以及(c)將所述覆層材料進行塑性加工以得到鋁復合材料的步驟。以下，對所使用的原料進行說明，然后以步驟(a)至(c)的順序?qū)Ω髯圆襟E進行詳細解釋。
(1)原料的說明[基材的鋁粉]由于不特別限制用于形成主體部分的基材的鋁粉組成，所以可以使用多種類型的合金粉末，例如純鋁(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，可以單獨使用上述物質(zhì)或使用兩種或更多種物質(zhì)的混合物。
通過考慮期望的性質(zhì)、隨后成形步驟中的變形阻力、混合陶瓷顆粒的量以及原料的成本能夠確定所選鋁合金粉末的組成。例如，當希望增加鋁復合材料的可加工性或熱散逸時，優(yōu)選純鋁粉。與鋁合金粉末相比，純鋁粉還有利于原料的成本。作為純鋁粉，優(yōu)選使用純度至少為99.5％質(zhì)量比(可商購的純鋁粉通常具有至少為99.7％質(zhì)量比的純度)的純鋁粉。
此外，當期望獲得中子吸收能力時，使用如下所述的硼化合物作為陶瓷顆粒，但是當希望進一步提高所得的中子吸收能力時，優(yōu)選向鋁粉中加入1-50％質(zhì)量比的一類提供中子吸收能力的元素，例如鉿(Hf)、釤(Sm)或釓(Gd)。此外，當需要高溫強度時，可以加入至少一種選自以下的元素鈦(Ti)、釩(V)、鉻(Cr)、錳(Mn)、鐵(Fe)、銅(Cu)、鎳(Ni)、鉬(Mo)、鈮(nb)、鋯(Zr)和鍶(Sr)，并且當需要室溫強度時，可以加入至少一種選自以下的元素硅(Si)、銅(Cu)、鎂(Mg)和鋅(Zn)，對于每一元素加入的量為2％質(zhì)量比或更低，并且總量為15％質(zhì)量比或更低。
此外，當在本發(fā)明中必須提高燒結(jié)能力時，優(yōu)選包括至少0.2％質(zhì)量比的至少一種Mg(鎂)、Cu(銅)或Zn(鋅)以滿足該目的。
在上述鋁合金粉末中，剩余未明確指明的成分基本上由鋁和不可避免的雜質(zhì)組成。
雖然不特別限制鋁粉的平均粒徑，但是粉末通常應該具有上限為500μm或更低的粒徑，優(yōu)選地具有150μm或更低的粒徑并且更優(yōu)選具有60μm或更低的粒徑。雖然只要可以生產(chǎn)就不特別限制平均粒徑的下限，但是其通常應該是1μm或更高，優(yōu)選20μm或更高。此外，如果鋁粉的粒徑分布為100μm或更低，并且強化材料顆粒的平均粒徑為10μm或更低，那么強化材料顆粒將會均勻地分散，因此極大地減少了強化材料較薄的部分，并提供穩(wěn)定性質(zhì)的效果。因為如果在鋁合金粉末的平均粒徑與下面討論的陶瓷顆粒的平均粒徑之間差異顯著的情況下進行諸如擠壓或軋制等塑性加工，那么將趨向出現(xiàn)裂縫，所以優(yōu)選平均粒徑的差異應該小。如果平均粒徑變得過大，那么將難于實現(xiàn)與其平均粒徑不能過大的陶瓷顆粒均勻混合，并且如果平均粒徑變得過小，那么精細鋁合金粉末能夠結(jié)塊，使得很難得到與陶瓷顆粒的均勻混合。此外，通過將平均粒徑限制在所述范圍內(nèi)，可以實現(xiàn)更好的可加工性、成形性和力學性質(zhì)。
為了本發(fā)明的目的，所述平均粒徑指通過激光衍射粒徑分布測量法測得的值。還不限制粉末的形狀，并且所述粉末的形狀可以是任意的淚滴狀、球形、橢圓體、片狀或不規(guī)則形狀。
不限制鋁粉的制造方法，并且可以通過制造金屬粉末的公知方法來制造鋁粉。例如，所述制造方法能夠是霧化、熔紡、旋轉(zhuǎn)圓盤、旋轉(zhuǎn)電極或其它快速冷卻固化法，但是對于工業(yè)生產(chǎn)優(yōu)選霧化法，特別是氣體霧化法，其中通過霧化熔融物制造粉末。
在霧化法中，通常將上述熔融物加熱至700-1200℃，然后霧化。通過將溫度設(shè)置在該范圍內(nèi)，可以更加有效地進行霧化。此外，用于霧化的噴霧介質(zhì)/氣氛可以是空氣、氮氣、氬氣、氦氣、二氧化碳、水或上述的混合氣，鑒于經(jīng)濟因素，噴霧介質(zhì)應當優(yōu)選空氣、氮氣或氬氣。
與鋁粉混合以形成主體部分的陶瓷的實例包括Al2O3、SiC或B4C、BN、氮化鋁和氮化硅。它們可以單獨使用或以混合物的形式使用，并且根據(jù)復合材料的期望用途進行選擇。
此處，硼(B)具有吸收中子的能力，因此如果使用含硼的陶瓷顆粒，那么能夠?qū)X復合材料用作中子吸收材料。在這種情況下，能夠使用諸如B4C、TiB2、B2O3、FeB或FeB2等含硼的陶瓷，它們被單獨或以混合物的形式使用。特別地，優(yōu)選使用碳化硼B(yǎng)4C，其大量地含有良好吸收中子的B同位素10B。
上述鋁合金粉末中應該含有0.5％至60％質(zhì)量比的陶瓷顆粒，更優(yōu)選5％至45％質(zhì)量比。含量應該為至少0.5％質(zhì)量比的原因在于低于0.5％質(zhì)量比，不能充分加強復合材料。此外，含量應該為60％質(zhì)量比或更低的原因在于如果高于60％質(zhì)量比，那么燒結(jié)將變得困難，塑性加工的變形阻力將變大，塑性可加工性將變得困難，并且成形的物品將變得脆且易碎。此外，鋁和陶瓷顆粒之間的粘結(jié)變差，能夠產(chǎn)生裂縫，因此，不能得到期望的功能并降低了強度和導熱性。此外，還降低了切削能力。
雖然B4C或Al2O3陶瓷顆粒的平均粒徑是任意的，但是優(yōu)選為1-20μm。與鋁合金平均粒徑的解釋相同，兩種類型粉末間的粒徑差異優(yōu)選要小。因此，粒徑應該更優(yōu)選至少為5μm并且最大為20μm。如果平均粒徑高于20μm，那么在切割過程中會迅速磨損鋸齒，并且如果平均粒徑低于1μm(優(yōu)選3μm)，那么這些精細粉末可能結(jié)塊，使得非常難以得到與鋁粉的均勻混合。
為了本發(fā)明的目的，所述平均粒徑指通過激光衍射粒徑分布測量法測得的值。還不限制粉末的形狀，并且所述粉末的形狀可以是任意的淚滴狀、球形、橢圓體、片狀或不規(guī)則形狀。
雖然只要金屬優(yōu)于與粉末材料粘結(jié)并適于塑性加工，本發(fā)明的制造方法中所使用的金屬板材可以由任何金屬組成，但是應該優(yōu)選鋁或不銹鋼。例如，在使用鋁的情況下，優(yōu)選使用純鋁(JIS 1050，1070等)，還可以使用多種類型的合金材料，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。應該考慮期望的性質(zhì)、成本等來確定所選的鋁的組成。例如，當希望改善可加工性或熱散逸能力時，優(yōu)選純鋁。與鋁合金相比，在原料的成本方面，純鋁也是優(yōu)選的。此外，當希望提高強度和可加工性時，優(yōu)選Al-Mg合金(JIS 5052等)。此外，當希望提高中子吸收能力時，優(yōu)選地可以加入1-50％質(zhì)量比的至少一種具有中子吸收能力的元素，例如Hf、Sm或Gd。
此外，如下文中與電流加壓燒結(jié)步驟一起詳細描述的，金屬板材可以是一對金屬板材或容器，該容器中蓋板材與包含底部板材和側(cè)面板材的盒元件組合。在容器的情況下，可以將臺階形嵌合部分成形在盒元件的上邊緣部分，從而與蓋板材元件的周緣部分嵌合。
(2)步驟(a)(鋁-陶瓷混合物制造步驟)制備鋁粉和陶瓷顆粒，并且將這些粉末均勻地混合。所述鋁粉可以是單獨一種類型的，或者可以是多種類型的混合物，并且類似地所述陶瓷可以由單獨一種類型組成或由多種類型組成，例如通過混合B4C和Al2O3?？梢酝ㄟ^公知的方法進行指定時間(例如10分鐘至10小時)的混合，例如使用諸如V攪拌機或交叉旋轉(zhuǎn)攪拌器等攪拌器、或者振動磨或行星式球磨機。此外，可以在干或濕的條件下進行混合。此外，為了在混合過程中粉碎的目的，可以加入諸如氧化鋁球等介質(zhì)。
步驟(a)僅僅涉及制備粉末混合物，并且基本方法涉及向下一電流加壓燒結(jié)步驟輸送所述粉末混合物，但是在某些情況下，可以通過冷等靜壓機(CIP)、冷單軸壓機或振動壓機，在隨后的電流加壓燒結(jié)步驟之前，壓縮成形所述的混合鋁粉，并且可以預先進一步進行電流加壓燒結(jié)。通過形成壓縮成形材料而不使用混合粉末，在電流加壓燒結(jié)過程中材料變得易于燒結(jié)，并且還變得在運輸?shù)冗^程中易于處理。此外，可以將壓縮成形的材料加熱至200-600℃并在減壓氣氛、惰性氣氛或還原氣氛中脫氣。
(3)步驟(b)(電流加壓燒結(jié)步驟)在步驟(b)中，將步驟(a)產(chǎn)生的混合物(混合粉末或混合壓型體)裝入到電流加壓燒結(jié)裝置中并進行電流加壓燒結(jié)。電流加壓燒結(jié)裝置自身可以是任何能夠進行指定的電流加壓燒結(jié)的裝置，一個例子是圖1的示意圖中顯示的裝置。該裝置位于真空容器(未示出)中的燒結(jié)爐(未示出)中，并且包括成形模1、上部沖頭部件2和下部沖頭部件3、材料接收部分A，所述成形模1由具有貫通上下方向的孔的導電材料組成，例如硬金屬、硬合金或碳基材料，所述上部沖頭部件2和下部沖頭部件3由諸如硬金屬、硬合金或碳基材料等導電材料組成，位于成形模1的上部和下部，具有可移動地插入上述貫通孔的沖頭部分，由上述貫通孔的上部沖頭部件2和下部沖頭部件3限定的空間形成所述材料接收部分A。通常，將粉末材料裝入該材料接收部分A中，開動上部沖頭部件的驅(qū)動機構(gòu)和下部沖頭部件的驅(qū)動機構(gòu)(未示出)以通過上部沖頭部件2和下部沖頭部件3壓縮粉末材料從而制備生坯，對直流脈沖電流機構(gòu)(未示出)施加電壓以便在上部沖頭部件2和下部沖頭部件3之間通過直流脈沖電流，從而進行電流加壓燒結(jié)。雖然該電流加壓燒結(jié)法自身是公知的，本發(fā)明的特征在于并不將所述粉末材料直接裝入到材料接收部分A中，而是將其與金屬板材一起裝入到成形模1中，這樣粉末材料與金屬板材處于接觸的狀態(tài)，使用上部和下部沖頭部件2、3壓縮并施加電壓以進行電流加壓燒結(jié)。
也就是說，在本發(fā)明中，以相互接觸的狀態(tài)將粉末材料和金屬板材裝入到材料接收部分A中，以便進行電流加壓燒結(jié)從而成形覆層材料，其中金屬板材覆蓋燒結(jié)體?？梢酝ㄟ^常規(guī)已知的方法進行電流加壓燒結(jié)，例如通過密封真空容器、將燒結(jié)爐的內(nèi)部置于通過真空泵等形成的減壓態(tài)中、根據(jù)需要將惰性氣體裝入真空容器中，開動上部沖頭部件2和下部沖頭部件3以便在成形模1中使用指定的壓力壓縮材料，然后通過上部沖頭部件2和下部沖頭部件3使直流脈沖電流通過得到的高密度壓縮體，以便加熱并燒結(jié)所述材料。必須選擇電流加壓燒結(jié)的條件以便實現(xiàn)期望的沖模燒結(jié)結(jié)果，并且根據(jù)所使用的粉末類型和期望的燒結(jié)程度來確定所述電流加壓燒結(jié)的條件。當考慮作為本發(fā)明基本要求的金屬板材和燒結(jié)體之間的粘結(jié)以及覆層材料的塑性可工作性時，可以在空氣中進行電流加壓燒結(jié)，但是可以在例如0.1托或更低的真空氣氛中，使用5000-30000A的電流、10-300℃/分鐘的升溫速率、500-650℃的燒結(jié)溫度、至少5分鐘的保留時間以及5-10MPa的壓力下進行所述電流加壓燒結(jié)。使用低于500℃的燒結(jié)溫度時，難以實現(xiàn)充分的燒結(jié)，并且在高于650℃時，鋁粉或鋁板材能夠熔融(優(yōu)選530-580℃或更低)。
此處，在本發(fā)明中，粉末材料和金屬板材處于相互接觸的狀態(tài)以便成形覆層材料，其中金屬板材覆蓋燒結(jié)體，為此設(shè)計并優(yōu)選以下兩個實施方案，。
也就是說，在圖2所示的第一實施方案中，首先將鋁或不銹鋼金屬板材4裝入到成形模1的粉末材料接收部分中并與底部沖頭材料3的沖頭表面相接觸，然后裝入步驟(a)中得到的粉末混合物M(或壓型體)，并使用金屬板材5從上部進行覆蓋。在該狀態(tài)下，在上述條件下進行電流加壓燒結(jié)。
在圖3所示的第二實施方案中，將步驟(a)中得到的粉末混合物M(或壓型體)裝入到由底部板材6和側(cè)面板材7組成的盒元件8中，然后從上面安裝蓋板材9。在成形模1的粉末材料接收部分中接收該容器，并且在該狀態(tài)下在上述條件下進行電流加壓燒結(jié)。雖然圖3中的盒元件8是矩形的，但是在擠壓的情況下，可以使用圓柱形盒元件8。
可以通過上述方法中的任意一種通過電流加壓燒結(jié)對由混合的鋁粉或其壓型體組成的混合物進行燒結(jié)，而同時與上部和下部金屬板材4、5或者容器的底部板材6和蓋板材9緊密接觸，從而形成覆層材料。
此外，在本發(fā)明中，所述燒結(jié)步驟可以是多堆積式燒結(jié)，例如二堆積式燒結(jié)或三堆積式燒結(jié)。圖4顯示二堆積式燒結(jié)的實施方案，并且能夠在三堆積式布置或使用類似結(jié)構(gòu)的更多堆積式布置中進行燒結(jié)。
在圖4中，13指與沖頭運動方向垂直交叉的至少一個間隔部件，從而在成形模的接收空間中限定了兩個間隔空間。雖然在向每一間隔空間中裝入混合物和金屬板材的一個組合體11之后進行電流加壓燒結(jié)，但是在上下、各個組合體11和成形模1之間以及各個組合體11和間隔部件13之間提供一對堆積式承載板10，以便沖頭部件或間隔部件不與組合體結(jié)合。此外，在每一對堆積式承載板10之間的堆積式承載板周緣部分的附近，提供沿著堆積式承載板外周緣延伸的矩形框架間隔物12，其上表面和下表面面對其上下一對堆積式承載板的相對表面。該間隔物12防止在電流加壓燒結(jié)過程中側(cè)面板材7和蓋板材9的接觸部分變形，因而，使盒元件8和蓋板材9不易分離。
此外，在本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，在步驟(b)中成形周緣部分被金屬框材覆蓋的覆層材料，所述金屬框材例如是鋁塊材料，從而當軋制金屬框材時，預防最易于在覆層材料的側(cè)面方向出現(xiàn)的裂縫和裂隙。可以在電流加壓燒結(jié)之后或電流加壓燒結(jié)之前實現(xiàn)由此金屬框材對覆層材料的保護。如果框材15的寬度a變得更大，那么框材15能夠接收更多的軋制負載，因此更好地預防覆層材料中出現(xiàn)裂縫或裂隙，所以框材15的寬度a應該優(yōu)選為至少5mm。應該更優(yōu)選為至少20mm。此外，如果框材15是由與金屬板材和金屬容器相同的金屬組成的，那么它們將更好地結(jié)合，并且在軋制期間，各個組成的變形量的差異也將更小。
圖5和圖6顯示金屬框材部件15與由容器14所代表的組合體的周緣部分結(jié)合的實例，容器14由盒元件和蓋部件組成，其中在電流加壓燒結(jié)時結(jié)合由鋁塊組成的框材15，并在電流加壓燒結(jié)之后焊接或攪拌摩擦焊接框材15的外周緣。在圖5中，參考數(shù)字16指焊接填料。從圖5能夠理解，如果容器14(或組合體，此后指容器14)被成形為在底部部分和頂部部分之間以及側(cè)面部分之間平滑地彎曲，并且在容器14和框材15的角部分之間形成空隙17，那么在燒結(jié)過程中框材15的鋁塊將會熔融入這些空隙17中，從而確?？虿?5和容器14成為一體，并提高框材15的摩擦系數(shù)。因為在容器中發(fā)生粉末壓縮，所以鋁塊框材15的厚度應該小于容器14的厚度。如果鋁塊框材的厚度約等于或大于容器14的厚度，那么框材15在電流加壓燒結(jié)過程中將受到許多壓縮力，其結(jié)果為沒有將大多數(shù)壓縮力施加于容器14以及其中的粉末。相反地，如果框材15的厚度不夠，那么在軋制的起始階段并不對框材15施加壓力，所以應該優(yōu)選容器14厚度的至少90％。
圖7和圖8顯示金屬框材15與容器14結(jié)合的另一實施方案，其中在電流加壓燒結(jié)后，通過焊接16或攪拌摩擦焊接將由鋁塊組成的框材15與形成覆層材料的容器14的周緣部分結(jié)合。該方法易于進行并且通過使鋁塊框材15比容器14稍微厚一點，能夠從起始階段起就對框材15施加壓力。如果在早期階段對框材15施加壓力，那么不容易在覆層材料中出現(xiàn)裂縫或裂隙。此外，因為無需將框材15置于電流加壓燒結(jié)裝置中，所以可以形成更大的電流加壓燒結(jié)體。
此外，圖9顯示了另一實施方案，其中通過使容器在向外的方向逐漸變薄，使容器14的周緣部分的外部形狀逐漸變細，從而使得軋制負載指向框材15，所述容器14組成覆層材料的外側(cè)部分。由于這樣的結(jié)構(gòu)，當鋁塊框材15結(jié)合時，將向變細的部分更多的施加負載。此外，能夠相對容易地制造用于覆層的容器14，以便在諸如CIP等壓縮成形的情況下，在電流加壓燒結(jié)過程之前，能夠更容易地進行粉末的填充工作。
圖10顯示另一實施方案，其中在電流加壓燒結(jié)時，鋁塊框材15與容器14同時進行燒結(jié)，并且在燒結(jié)之后，在其外周緣部分焊接或攪拌摩擦焊接框材15和容器14。通過將容器14凸緣部分的末端向外彎折約90度，能夠增加凸緣部分的截面面積，并且在其整個周緣處焊接或攪拌摩擦焊接彎曲的中央部分。該方法的優(yōu)點在于能夠提高凸緣的抗拉強度。
此外，如圖11所示，能夠通過焊接或攪拌摩擦焊接將多個框部件15a熔合而形成金屬框材15，但是在軋制過程中對角部分18施加大力，從而焊接角部分18以提高強度。此外，為了進一步提高框材15的角部分的強度，如圖13所示可以使用通過線切割或通過壓機切割鋁板材中央部分而得到的整體金屬框15。此外，能夠?qū)⑶懈畛珊线m尺寸的中空擠壓鋁材用作金屬框材15。
圖13顯示了另一實施方案，其中19指金屬板材并且20指混合物。在該實例中，在電流加壓燒結(jié)之前，鋁等金屬框材15與混合物20的周緣部分結(jié)合，并且混合物20和框材15同時燒結(jié)。因為混合物中的鋁和框材在熔融態(tài)燒結(jié)，所以能夠得到更加整體化的燒結(jié)體。雖然金屬框架部件15可以由多個鋁塊材料等組成，但是當考慮角部分的強度時，優(yōu)選使用通過線切割或壓機切割鋁板材中央部分而得到的整體部分，或者切割成合適尺寸的中空鋁擠壓材料。在這種情況下，框材15還進入材料接收部分A，所以如果框材的寬度a太大，燒結(jié)體將小些。因此，可以使用薄框材15，并且在電流加壓燒結(jié)后，向框材15的外部進一步加入框材。
(4)步驟(c)(塑性加工步驟)通常對電流加壓燒結(jié)體進行熱塑性加工，例如熱擠壓、熱軋或熱鍛，因此在實現(xiàn)期望形狀的同時進一步改善了加壓燒結(jié)。當制造板形覆層材料時，可以通過只進行冷軋Al板材或Al容器而得到具有指定覆層比的覆層板材。熱塑性加工可以由單一操作組成，或者可以是多個操作的組合。此外，可以在熱塑性加工之后進行冷塑性加工。在冷塑性加工的情況下，在加工之前通過在100-530℃(優(yōu)選400-520℃)下退火使得所述材料易于加工。
因為燒結(jié)體被金屬板材覆層，所以表面不存在可能在塑性加工過程中是損傷原點的或者磨損沖模等的陶瓷顆粒。因而，可以得到具有良好塑性可加工性、具有良好強度和表面性質(zhì)的鋁復合材料。此外，所得的被用于熱塑性加工的材料具有金屬表面覆層，在表面金屬和內(nèi)部鋁燒結(jié)體之間具有良好的粘結(jié)，因此具有耐蝕性、耐沖擊性，并且與表面不被金屬材料覆層的鋁復合材料相比，具有更高的導熱性。
在軋制法的優(yōu)選實施方案中，在軋制之前，使用金屬保護板覆蓋覆層材料的表面，所述金屬保護板例如是不銹鋼薄板、銅或軟鐵薄板。因此，可以防止在軋制過程中(尤其是起始階段)，由于輥子和金屬板材之間的摩擦而造成燒結(jié)材料和金屬板材之間出現(xiàn)分離。
圖14是該實施方案實例的示意圖，其中在運動方向的前側(cè)和頂部與底部表面使用保護板21覆蓋覆層材料23。此外，在覆層材料23和保護板21之間進行潤滑。該潤滑降低保護板和金屬板材之間的摩擦，使燒結(jié)體和金屬板材之間不易出現(xiàn)分離。更具體地，例如，能夠使用軟鐵薄板(0.5mm厚)覆蓋電流加壓燒結(jié)體，使用基于BN的潤滑劑在燒結(jié)體和軟鐵薄板內(nèi)部提供固體潤滑，并進行熱軋(輥子直徑φ340mm，表面長度400mm，速率15.2m/min)。為了改善咬合，可以不對輥子24進行潤滑，或者可以使軟鐵板的前部表面變粗糙(例如使用#120鐵砂紙)。直至完成軋制都無需使用保護板，并且一旦軋制進行到一定程度就可以不再繼續(xù)使用保護板并且金屬板材合燒結(jié)體之間的結(jié)合變強。此外，保護板的重復軋制能夠引起加工硬化。加工硬化的保護板能夠刮傷覆層材料。因為覆層材料的刮傷可以是進一步損傷的原點，所以在進行一定次數(shù)的軋制以后，應該使用新的保護板來代替原來的保護板。
實施例以下參考實施例將詳細描述本發(fā)明的制造方法。
測量實施例中所述各個物理值的方法如下。
(1)組成通過ICP發(fā)射光譜分析法進行分析。
(2)平均粒徑使用Microtrac(Nikkiso)進行激光衍射型粒徑分布測量。平均粒徑是基于體積的中位數(shù)。
(3)軋制能力當軋制時，評價樣品中存在的裂縫以及表面性質(zhì)。那些在板表面具有表面裂縫的樣品被定為“*”，那些沒有表面裂縫但是具有皺樣不規(guī)則的樣品被定為“○”，并且那些沒有任何裂縫和不規(guī)則的樣品被定為“

”。
(4)結(jié)構(gòu)觀察將從樣品切下的小片植入樹脂中，進行金剛砂拋光和軟皮摩擦拋光，然后通過光學顯微鏡觀察其結(jié)構(gòu)。
(5)線分析使用EPMA裝置研究用于結(jié)構(gòu)觀察的樣品中的Mg分布。
將B4C陶瓷粉末均勻地混合到具有表1所示組成的鋁合金粉末中，使其占35％質(zhì)量比。然后制造長100mm×寬100mm×高5mm、由鋁合金JIS 5052和JIS 1050組成的、板厚度為0.5mm的容器，并將其裝入到電流加壓燒結(jié)裝置中，該容器中裝有上述的混合粉末，然后在真空氣氛中(0.1托)通過施加電壓(電流7000A)進行電流加壓燒結(jié)。此處，燒結(jié)溫度為520-550℃，保留時間為20分鐘，升溫速率為20℃/分鐘以及壓力為7MPa。
形成基材的鋁合金粉末的組成(單位％質(zhì)量比)

鋁差額包括不可避免的雜質(zhì)從所得的燒結(jié)材料中取得測試片，并且使用光學顯微鏡觀察其金屬結(jié)構(gòu)。圖15和圖16顯示了顯微照片。該照片顯示測試片被燒結(jié)至充分高的密度。此外，圖16顯示容器的鋁粉末合金與其內(nèi)部牢固結(jié)合。
此外，使用EPMA裝置對用于結(jié)構(gòu)觀察的測試片進行Mg含量的線分析。圖17顯示了結(jié)果。圖17顯示5052材料中的Mg在結(jié)合面附近降低，并且在基材是純鋁的燒結(jié)體中檢測到了Mg。也就是說，5052材料中的Mg分散到燒結(jié)體內(nèi)部。其還顯示5052材料與燒結(jié)材料牢固結(jié)合。
隨后，將所得的燒結(jié)體冷軋成2mm厚的板。圖18是顯示冷軋材料外觀的照片。圖18顯示不存在外部缺陷并實現(xiàn)了軋制。此外，研究了冷軋材料的強度和耐蝕性(鹽水噴霧試驗在室溫下在鹽水溶液中浸漬500小時之后研究外觀)。結(jié)果顯示于表2中。
作為對比實施例，將未置于容器中的粉末進行電流加壓燒結(jié)得到的樣品進行冷軋(剩余組成和制造條件相同)。然而，在表面出現(xiàn)了裂縫和鑿孔，所以不能得到軋制材料。因此，研究了燒結(jié)材料的強度和耐蝕性。結(jié)果也顯示于表2中。
表2顯示，本發(fā)明實施例具有良好的強度和耐蝕性，以及良好的軋制能力，對比實施例的全部性質(zhì)均劣于本發(fā)明的實例，并且在軋制過程中出現(xiàn)裂縫。

將B4C陶瓷粉末混合到具有表1所示組成的鋁合金粉末中，使其占43％重量比。然后將混合粉末置于純鋁(JIS 1050)的圓柱形容器中(φ100mm，板厚度為2mm)并在實施例1所述的條件下進行電流加壓燒結(jié)。
隨后將所得的燒結(jié)材料加熱至480℃，并熱擠壓成厚度為6mm×40mm的平板。圖19顯示了金屬結(jié)構(gòu)的顯微照片。圖19顯示了擠壓材料被燒結(jié)，并且容器和擠壓材料結(jié)合良好。
權(quán)利要求
1.制造鋁復合材料的方法，其特征在于，所述方法包括(a)混合鋁粉和陶瓷顆粒以制備混合材料的步驟；(b)電流加壓燒結(jié)所述混合材料和金屬板材以形成覆層材料的步驟，其中金屬板材覆蓋燒結(jié)體；以及(c)將所述覆層材料進行塑性加工以得到鋁復合材料的步驟。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造鋁復合材料的方法，其中所述步驟(b)包括將所述混合材料和金屬板材以與所述金屬板材接觸的狀態(tài)裝入到成形模中，并且進行電流加壓燒結(jié)同時使用沖頭進行壓縮并施加電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制造鋁復合材料的方法，其中所述步驟(b)包括在一對金屬板材之間夾入所述混合材料、在成形模中裝入被沖頭壓緊的金屬板材，以及壓縮所述混合材料和所述金屬板材。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制造鋁復合材料的方法，其中所述步驟(b)包括將所述混合粉末置于具有與底部板材相對的蓋板材的金屬容器中，在成形模中裝入被沖頭壓緊的底部板材和蓋板材，并壓縮所述混合材料和所述容器。
5.根據(jù)權(quán)利要求2-4中任一權(quán)利要求所述的制造鋁復合材料的方法，其中所述步驟(b)包括制造混合材料和金屬板材的至少兩個組合體并且對裝入成形模中處于堆積狀態(tài)的所述兩個組合體進行電流加壓燒結(jié)，以同時成形至少兩個覆層材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制造鋁復合材料的方法，其中與所述沖頭運動方向垂直的至少一個間隔部件分隔成形模中的接收空間以限定至少兩個間隔間，將所述至少兩個組合體裝入到所述至少兩個間隔間中以進行所述電流加壓燒結(jié)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制造鋁復合材料的方法，其中在所述組合體和所述成形模之間以及在所述組合體和所述間隔部件之間提供一對堆積式承載板以進行所述電流加壓燒結(jié)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一權(quán)利要求所述的制造鋁復合材料的方法，其中所述金屬板材由鋁或不銹鋼組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一權(quán)利要求所述的制造鋁復合材料的方法，其中所述步驟(a)包括混合所述鋁粉和陶瓷顆粒以制備由混合粉末組成的混合材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一權(quán)利要求所述的制造鋁復合材料的方法，其中所述步驟(a)包括混合所述鋁粉和陶瓷顆粒以制備混合粉末，并將所述混合粉末壓縮成形以制備由壓型體組成的混合材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一權(quán)利要求所述的制造鋁復合材料的方法，其中在所述步驟(a)中，所述鋁粉是純度至少為99.0％的純鋁粉，或者是含有鋁和0.2-2％質(zhì)量比的至少一種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總質(zhì)量的0.5-60％。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-11中任一權(quán)利要求所述的制造鋁復合材料的方法，其中所述步驟(b)包括成形周緣部分被金屬框材覆蓋的覆層材料，并且在所述步驟(c)中，所述塑性加工是軋制法。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的制造鋁復合材料的方法，其中所述步驟(b)包括在電流加壓燒結(jié)之后使用金屬框材覆蓋所述覆層材料的周緣部分。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的制造鋁復合材料的方法，其中所述步驟(b)包括在電流加壓燒結(jié)之前使用金屬框材覆蓋所述金屬板材和/或所述混合材料的周緣部分。
15.根據(jù)權(quán)利要求12-14中任一權(quán)利要求所述的制造鋁復合材料的方法，其中通過焊接或攪拌摩擦焊接結(jié)合多個框架部件來成形所述金屬框材。
16.根據(jù)權(quán)利要求12-14中任一權(quán)利要求所述的制造鋁復合材料的方法，其中所述金屬框材由單一構(gòu)件組成。
17.根據(jù)權(quán)利要求12-16中任一權(quán)利要求所述的制造鋁復合材料的方法，其中所述金屬框材是鋁材。
18.根據(jù)權(quán)利要求1-17中任一權(quán)利要求所述的制造鋁復合材料的方法，其中所述步驟(c)包括在所述軋制操作之前使用金屬保護板覆蓋所述覆層材料的所述表面。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的制造鋁復合材料的方法，其中所述步驟(c)包括在移動方向的前側(cè)和頂部與底部表面上使用所述保護板覆蓋所述覆層材料。
20.根據(jù)權(quán)利要求18或19所述的制造鋁復合材料的方法，其中在所述覆層材料和保護板之間進行潤滑。
21.根據(jù)權(quán)利要求18-20中任一權(quán)利要求所述的制造鋁復合材料的方法，其中所述保護板是由不銹鋼、Cu或軟鐵組成的薄板。
22.使用權(quán)利要求1-21中任一權(quán)利要求所述的制造鋁復合材料的方法制造的鋁復合材料。
全文摘要
提供容易地制造具有高含量陶瓷的鋁復合材料的方法。一種方法，其包括(a)混合鋁粉和陶瓷顆粒以制備混合材料的步驟；(b)電流加壓燒結(jié)上述混合材料和金屬板材以形成覆層材料的步驟，其中所述覆層材料包括覆蓋有所述金屬板材的燒結(jié)體；以及(c)將上述覆層材料進行塑性加工以制備鋁復合材料的步驟。在所述步驟(b)中，在一對金屬板材之間夾入所述的混合材料，或者將混合材料的粉末置于金屬容器中，將混合材料以金屬板材被沖頭壓緊的狀態(tài)裝入成形模中，并且壓縮所述混合材料和所述金屬板材。所述金屬板材是由鋁或不銹鋼制成的。
文檔編號B22F7/08GK101090788SQ20058004522
公開日2007年12月19日 申請日期2005年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月28日
發(fā)明者岡庭茂, 青山茂樹, 西山俊正, 北浩明 申請人:日本輕金屬株式會社, 日輕金Act株式會社