專利名稱：一種不銹鋼鍋復(fù)合鍋底用鋁基復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋁基復(fù)合材料及其制備方法，尤其涉及一種用作不銹鋼鍋復(fù)合鍋
底用鋁基復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有比強(qiáng)度、比剛度高，耐磨損，熱膨脹系數(shù)小，高溫性能 及尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。其主要由鋁或鋁合金基體和增強(qiáng)陶瓷顆粒組成，可通過(guò)加入不同 含量的增強(qiáng)顆粒來(lái)設(shè)計(jì)復(fù)合材料的物理和力學(xué)性能。尤其是復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)可在較 大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，而普通鋁合金的熱膨脹系數(shù)較大且很難在較大范圍進(jìn)行改變。因此，顆 粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料用作與具有低熱膨脹系數(shù)的不銹鋼進(jìn)行復(fù)合制成不銹鋼復(fù)合鍋底相 比用純鋁或鋁合金制備復(fù)合鍋底具有較大優(yōu)勢(shì)。目前已有纖維、短纖維、顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合 材料實(shí)用，其中顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料所用的顆粒粒徑也較小，制備成本較高，工藝復(fù)雜， 難以在普通民用領(lǐng)域推廣普及。 我們知道復(fù)合底不銹鋼鍋具有傳熱均勻，加熱快，烹調(diào)效果好等優(yōu)點(diǎn)。目前市場(chǎng)上 所售的復(fù)合鍋底的不銹鋼鍋，其復(fù)合鍋底(不銹鋼-鋁材-不銹鋼/不銹鐵)中間熱傳導(dǎo) 層多為鋁材，如中國(guó)專利00240125. 8和03139262. 8等。通常復(fù)合鍋底的鋁材與不銹鋼間 采用熱壓釬焊而成，由于鋁材與不銹鋼之間的熱膨脹系數(shù)差別較大，很容易在日后的使用 過(guò)程中發(fā)生變形、脫層等現(xiàn)象，對(duì)焊接質(zhì)量要求較高。此外，由于熱膨脹系數(shù)差異引起的熱 應(yīng)力也會(huì)導(dǎo)致傳熱不均勻，降低烹調(diào)效果。鋁基復(fù)合材料由于可以較大范圍的調(diào)整熱膨脹 系數(shù)，可獲得與不銹鋼相近的熱膨脹系數(shù)，同時(shí)可保持高的熱導(dǎo)率，用作復(fù)合鍋底材料可大 大降低鍋底由于熱膨脹系數(shù)差異引起的變形和脫層現(xiàn)象，還可降低對(duì)釬焊質(zhì)量的要求。鋁 基復(fù)合材料中的顆粒呈均勻分布，可保證傳熱的均勻性。 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的主要制備方法有粉末冶金法、攪拌鑄造法、共噴射沉積 法、擠壓鑄造法、原位生成法等方法，其中攪拌鑄造法具有工藝簡(jiǎn)單、成本低、易于規(guī)?；?產(chǎn)、增強(qiáng)顆粒與基體界面結(jié)合好等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于中等以上粒徑(^30iim)顆粒的分散效果好。 目前液相法制備復(fù)合材料主要存在的問(wèn)題是顆粒易于團(tuán)聚、吸氣夾雜、顆粒沉降或上浮、產(chǎn) 生過(guò)度的界面反應(yīng)等。解決的方法主要有改善顆粒與鋁熔體間的潤(rùn)濕性、確定合適的攪拌 工藝參數(shù)、選擇適當(dāng)粒徑的增強(qiáng)顆粒和熔體復(fù)合增強(qiáng)顆粒的工作溫度。美國(guó)專利US4786467 和US4865806是在真空條件下高速攪拌下制備顆粒分布均勻鋁基復(fù)合材料的，是Dural鋁 復(fù)合材料公司成功工業(yè)化的典范。此法可以制得顆粒分散良好的復(fù)合材料，卻因工藝復(fù)雜、 成本過(guò)高，難以大范圍推廣其產(chǎn)品。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了改進(jìn)現(xiàn)有純鋁或鋁合金用作不銹鋼復(fù)合鍋底材料，使用過(guò)程 中易于變形、脫層的問(wèn)題而提供了一種用于不銹鋼鍋復(fù)合鍋底材料的鋁基復(fù)合材料，本發(fā) 明還提供了上述鋁基復(fù)合材料的制備方法。該制備方法工藝簡(jiǎn)單、穩(wěn)定，成本低廉，制備的
3顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料與不銹鋼鍋有較好的復(fù)合匹配性。 本發(fā)明的技術(shù)方案為一種不銹鋼鍋復(fù)合鍋底用鋁基復(fù)合材料，其特征在于由鋁 基體和增強(qiáng)顆粒組成，增強(qiáng)顆粒為SiC、Al203、B^或Si02顆粒中的任意一種；增強(qiáng)顆粒粒徑 為30 100 m ;增強(qiáng)顆粒占鋁基復(fù)合材料總體積百分比為5 30%;增強(qiáng)顆粒在基體中分 布均勻且與基體界面結(jié)合良好。
本發(fā)明還提供了上述鋁基復(fù)合材料的制備方法，其具體步驟如下 A.增強(qiáng)顆粒的前處理將增強(qiáng)顆粒清洗，烘干后于800 IOO(TC電阻爐中焙燒
1 6h ; B.鋁基體合金的熔化將切割好的鋁基體于680 78(TC熔化；加入活性元素?cái)?拌，制得活性元素處理后的鋁熔體； C.復(fù)合材料的攪拌鑄造將處理后的顆粒通過(guò)加料裝置加入活性元素處理后的 鋁熔體中，通過(guò)攪拌設(shè)備氣氛保護(hù)條件下攪拌，最后澆鑄成型。 優(yōu)選步驟C中控制處理后的顆粒的溫度為400-600°C ;活性元素處理后的鋁熔體 的溫度為720 78(TC;顆粒加入速度為每千克熔體5 20g/min ;澆鑄溫度720 750°C 。
活性元素可用于降低熔體表面張力，改善顆粒與熔體的潤(rùn)濕性。優(yōu)選鋁熔體中添 加的活性元素為Mg、 Li、 Ti、 Ca等中任意一種，活性元素加入量為鋁基體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的1 4%。 所述的攪拌設(shè)備一般選擇為三葉或四葉槳葉式電動(dòng)攪拌機(jī)，攪拌設(shè)備的攪拌參 數(shù)攪拌槳直徑與坩堝內(nèi)徑比為0. 4 0. 6，槳葉傾角為25 45° ，攪拌速度為600 1000rpm ;攪拌持續(xù)時(shí)間為20min lh。所述的保護(hù)氣氛為大氣或惰性氣氛。
步驟A中增強(qiáng)顆粒的增強(qiáng)顆粒清洗，優(yōu)選采用大功率超聲清洗，清洗液分別為丙 酮和清水，用于清除顆粒表面吸附的有機(jī)雜質(zhì)和鐵屑等，一般清洗時(shí)間20 60min。烘干 在電阻爐中焙燒，去除顆粒表面殘余的雜質(zhì)、游離碳等及適當(dāng)?shù)难趸w粒表面以提高顆粒 與鋁熔體的潤(rùn)濕性。過(guò)度的界面反應(yīng)會(huì)脆化復(fù)合材料的界面，降低材料的性能，選擇800 IOO(TC以下焙燒還可以避免顆粒的燒結(jié)現(xiàn)象發(fā)生。 復(fù)合材料增強(qiáng)體含量的設(shè)計(jì)，主要根據(jù)復(fù)合鍋底材料的物理性能和力學(xué)性能要求 以及與不銹鋼物理性能的匹配性來(lái)設(shè)定。顆粒含量占基體體積分?jǐn)?shù)的5 30%。
復(fù)合材料可直接鑄造成鍋底形狀也可進(jìn)行軋制后沖壓成鍋底形狀并可進(jìn)行適當(dāng) 的表面處理，使之更容易復(fù)合加工成復(fù)合鍋底。 用本發(fā)明所制備的材料用作不銹鋼鍋復(fù)合底，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，復(fù)合鍋 底由內(nèi)層不銹鋼鍋底層，鋁基復(fù)合材料中間層和外層不銹鋼鍋底層組成，即圖中的1復(fù)合 鍋底，2內(nèi)層不銹鋼鍋底層，3鋁基復(fù)合材料層，4外層不銹鋼或不銹鐵鍋底層。
有益效果 本制備方法具有工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、易于實(shí)施等優(yōu)點(diǎn)，特別適合批量生產(chǎn)用于對(duì) 熱膨脹系數(shù)、耐磨性等有特殊性能要求的普通日常用品。制得的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具 有與不銹鋼鍋所用不銹鋼的熱膨脹系數(shù)相近，與鍋底有良好的匹配性，熱導(dǎo)率高等特點(diǎn)。


圖1是JSM-6360掃描電鏡測(cè)試的SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的SiC顆粒分布情況圖； 圖2是鋁基復(fù)合材料用作不銹鋼鍋復(fù)合底的示意圖；其中1是復(fù)合鍋底，2是內(nèi)層 不銹鋼鍋底層，3是鋁基復(fù)合材料層，4是外層不銹鋼或不銹鐵鍋底層。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。本發(fā)明的保護(hù)范圍不受以下實(shí)施例的
限定，本發(fā)明的保護(hù)范圍由權(quán)利要求書來(lái)限定。
實(shí)施例1 本實(shí)施例的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料以SiC顆粒為增強(qiáng)顆粒，工業(yè)純鋁(99.7X)為 基體，SiC顆粒平均粒徑為80iim，在基體中均勻分布，SiC顆粒的質(zhì)量百分比為10%。
具體制備方法為稱取占基體總重10X質(zhì)量的80iim SiC顆粒，SiC顆粒經(jīng)過(guò)超聲 清洗和95(TC焙燒4h處理，置于爐中預(yù)熱到600°C ，預(yù)熱后的顆粒一方面可避免造成鋁液溫 度的過(guò)快降低，另一方面可減少顆粒表面的氣體吸附層。取切成小塊的純鋁錠約lkg放于 小105mm的平底碳鋼坩堝中(坩堝提前噴涂有涂料并烘干)在電阻爐中40(TC預(yù)熱lh。升 溫到75(TC熔化，再降溫到70(TC通入Ar氣精煉15min，向熔體中加入占鋁基體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 2XMg塊，以降低鋁熔體表面張力。放入攪拌設(shè)備(JB500D攪拌機(jī)，槳葉式攪拌槳)，攪拌參 數(shù)為攪拌槳直徑60mm、槳葉傾角3(T攪拌槳葉位置距坩堝底部20 %的熔體液面高度，攪 拌速度680rpm，通過(guò)加料裝置均勻的加入SiC顆粒，加料速度約10g/min，攪拌持續(xù)20min。 靜置lmin拔渣，金屬型重力鑄造澆鑄成鑄件，澆鑄溫度為720°C。制備得到10% SiC/Al復(fù) 合材料，其微觀形貌見圖1，圖中可以看出顆粒分布均勻且與基體結(jié)合較好，其性能指標(biāo)見 表l。 實(shí)施例2 以實(shí)施例1為基礎(chǔ)制備占基體總重20%顆粒含量的SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料， 稱取占基體20%質(zhì)量比的50iim SiC顆粒，約lkg的鋁錠于電阻爐中熔化，70(TC通入Ar 氣精煉15min，加入占鋁基體質(zhì)量3X的Mg塊，升溫到73(TC進(jìn)行攪拌，攪拌參數(shù)為攪拌 槳直徑50mm、槳葉傾角45° ，攪拌速度700rpm，攪拌槳葉位置可在距坩堝底部20%熔體液 面高度上下調(diào)整，可獲得較佳的顆粒分散速度和分散質(zhì)量，攪拌時(shí)間45min，并逐漸降溫到 72(TC靜置lmin拔渣，進(jìn)行重力澆鑄。制備得到20% SiC/Al復(fù)合材料，其性能指標(biāo)見表1
實(shí)施例3 本實(shí)施例的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料以A356鋁合金為基體，稱取鋁合金塊約lkg 于坩堝中，68(TC熔化后用鐘罩壓入占鋁基體質(zhì)量2%的Mg塊熔化保持5min攪勻，升溫到 73(TC通入Ar氣精煉15min，加入0. 06%的Sr變質(zhì)劑緩慢攪拌變質(zhì)處理10min，拔渣后進(jìn) 行攪拌，攪拌參數(shù)為攪拌槳直徑50mm、槳葉傾角30° ，攪拌速度780rpm，攪拌槳葉位置距 坩堝底部20%的熔體液面高度，通過(guò)加料漏斗均勻加入占基體10%重量90(TC高溫焙燒2h 后的50 ii m的A1203顆粒，攪拌30min，降溫至72(TC拔渣后澆鑄成型。 此方法制得的鋁基復(fù)合材料顆粒分布均勻，無(wú)明顯的氣孔夾渣等缺陷，物理力學(xué) 性能完全滿足復(fù)合鍋底用材料的性能要求，表1為幾種常用不銹鋼、鋁材和本方法制備的 鋁基復(fù)合材料的物理性能對(duì)比。 表1不銹鋼、鋁材和鋁基復(fù)合材料的物理性能對(duì)比材料\性能線膨脹系數(shù)/xio—7k (20 IO(TC )熱導(dǎo)率/w. (m. k)—1 (20°C )
304不銹鋼16. 612. 1
Al23. 6235
6061A1(T6)23. 6167
10% SiC/Al18. 4141
20% SiC/Al17. 2130
權(quán)利要求
一種不銹鋼鍋復(fù)合鍋底用鋁基復(fù)合材料，其特征在于由鋁基體和增強(qiáng)顆粒組成，增強(qiáng)顆粒為SiC、Al2O3、B4C或SiO2顆粒中的任意一種；增強(qiáng)顆粒粒徑為30～100μm；增強(qiáng)顆粒占鋁基復(fù)合材料總體積百分比為5～30％。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁基復(fù)合材料，其特征在于所述的鋁基體為工業(yè)純鋁或鋁合金。
3. —種制備如權(quán)利要求1所述的鋁基復(fù)合材料的方法，其具體步驟如下A. 增強(qiáng)顆粒的前處理將增強(qiáng)顆粒清洗，烘干后于800 IOO(TC電阻爐中焙燒1 6h ;B. 鋁基體合金的熔化將切割好的鋁基體于680 78(TC熔化，加入活性元素?cái)嚢?，?得活性元素處理后的鋁熔體；C. 復(fù)合材料的攪拌鑄造將處理后的增強(qiáng)顆粒通過(guò)加料裝置加入活性元素處理后的 鋁熔體中，通過(guò)攪拌設(shè)備在保護(hù)氣氛條件下攪拌，最后澆鑄成型。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于步驟C中控制處理后的增強(qiáng)顆粒的溫度為 400-600°C ;活性元素處理后的鋁熔體的溫度為720 780°C ;顆粒加入速度為每千克熔體 5 20g/min ;澆鑄溫度720 750°C 。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于鋁熔體中添加的活性元素為Mg、 Li、 Ti或 Ca中任意一種，加入量為鋁基體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的1 4%。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述的攪拌設(shè)備為電動(dòng)攪拌機(jī)，其攪拌 參數(shù)攪拌槳直徑與坩堝內(nèi)徑比為0. 4 0. 6，槳葉傾角為25 45° ，攪拌速度為600 1000rpm ;攪拌持續(xù)時(shí)間為20min lh。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種不銹鋼鍋復(fù)合鍋底用鋁基復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明的鍋底復(fù)合材料為鋁基體和增強(qiáng)顆粒構(gòu)成，鋁基體為純鋁或鋁合金，增強(qiáng)顆粒為SiC、Al2O3、B4C或SiO2顆粒中的任意一種，粒徑為30～100μm，體積分?jǐn)?shù)為5～30％，增強(qiáng)顆粒在基體中分布均勻且與基體界面結(jié)合良好。其制備方法為將鋁在電阻爐中熔化，精煉后，加入適當(dāng)活性元素，在氣氛保護(hù)下加入一定量處理后的顆粒，攪拌，澆鑄成型。本產(chǎn)品具有比剛度高，與不銹鋼復(fù)合匹配性好(熱膨脹系數(shù)與不銹鋼相近)和較高的熱導(dǎo)率，制得的復(fù)合鍋底具有質(zhì)輕，不易變形，傳熱均勻等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)B22D19/02GK101792876SQ20101013325
公開日2010年8月4日 申請(qǐng)日期2010年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月26日
發(fā)明者丁毅, 劉真云, 尹明勇, 張華 , 王傳廷, 趙相玉, 陳育貴, 馬立群 申請(qǐng)人:南京工業(yè)大學(xué)