一種不鏽鋼鍋複合鍋底用鋁基複合材料及其製備方法

2023-05-14 21:03:11 2

專利名稱：一種不鏽鋼鍋複合鍋底用鋁基複合材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種鋁基複合材料及其製備方法，尤其涉及一種用作不鏽鋼鍋複合鍋
底用鋁基複合材料及其製備方法。
背景技術：
顆粒增強鋁基複合材料具有比強度、比剛度高，耐磨損，熱膨脹係數小，高溫性能 及尺寸穩定性好等優點。其主要由鋁或鋁合金基體和增強陶瓷顆粒組成，可通過加入不同 含量的增強顆粒來設計複合材料的物理和力學性能。尤其是複合材料的熱膨脹係數可在較 大範圍內進行調整，而普通鋁合金的熱膨脹係數較大且很難在較大範圍進行改變。因此，顆 粒增強鋁基複合材料用作與具有低熱膨脹係數的不鏽鋼進行複合製成不鏽鋼複合鍋底相 比用純鋁或鋁合金製備複合鍋底具有較大優勢。目前已有纖維、短纖維、顆粒增強鋁基複合 材料實用，其中顆粒增強鋁基複合材料所用的顆粒粒徑也較小，製備成本較高，工藝複雜， 難以在普通民用領域推廣普及。 我們知道複合底不鏽鋼鍋具有傳熱均勻，加熱快，烹調效果好等優點。目前市場上 所售的複合鍋底的不鏽鋼鍋，其複合鍋底(不鏽鋼-鋁材-不鏽鋼/不鏽鐵)中間熱傳導 層多為鋁材，如中國專利00240125. 8和03139262. 8等。通常複合鍋底的鋁材與不鏽鋼間 採用熱壓釺焊而成，由於鋁材與不鏽鋼之間的熱膨脹係數差別較大，很容易在日後的使用 過程中發生變形、脫層等現象，對焊接質量要求較高。此外，由於熱膨脹係數差異引起的熱 應力也會導致傳熱不均勻，降低烹調效果。鋁基複合材料由於可以較大範圍的調整熱膨脹 係數，可獲得與不鏽鋼相近的熱膨脹係數，同時可保持高的熱導率，用作複合鍋底材料可大 大降低鍋底由於熱膨脹係數差異引起的變形和脫層現象，還可降低對釺焊質量的要求。鋁 基複合材料中的顆粒呈均勻分布，可保證傳熱的均勻性。 顆粒增強鋁基複合材料的主要製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單、成本低、易於規模化生 產、增強顆粒與基體界面結合好等優點，對於中等以上粒徑(^30iim)顆粒的分散效果好。 目前液相法製備複合材料主要存在的問題是顆粒易於團聚、吸氣夾雜、顆粒沉降或上浮、產 生過度的界面反應等。解決的方法主要有改善顆粒與鋁熔體間的潤溼性、確定合適的攪拌 工藝參數、選擇適當粒徑的增強顆粒和熔體複合增強顆粒的工作溫度。美國專利US4786467 和US4865806是在真空條件下高速攪拌下製備顆粒分布均勻鋁基複合材料的，是Dural鋁 複合材料公司成功工業化的典範。此法可以製得顆粒分散良好的複合材料，卻因工藝複雜、 成本過高，難以大範圍推廣其產品。

發明內容
本發明的目的是為了改進現有純鋁或鋁合金用作不鏽鋼複合鍋底材料，使用過程 中易於變形、脫層的問題而提供了一種用於不鏽鋼鍋複合鍋底材料的鋁基複合材料，本發 明還提供了上述鋁基複合材料的製備方法。該製備方法工藝簡單、穩定，成本低廉，製備的
3顆粒增強鋁基複合材料與不鏽鋼鍋有較好的複合匹配性。 本發明的技術方案為一種不鏽鋼鍋複合鍋底用鋁基複合材料，其特徵在於由鋁 基體和增強顆粒組成，增強顆粒為SiC、Al203、B^或Si02顆粒中的任意一種；增強顆粒粒徑 為30 100 m ;增強顆粒佔鋁基複合材料總體積百分比為5 30%;增強顆粒在基體中分 布均勻且與基體界面結合良好。
本發明還提供了上述鋁基複合材料的製備方法，其具體步驟如下 A.增強顆粒的前處理將增強顆粒清洗，烘乾後於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於680 78(TC熔化；加入活性元素攪 拌，製得活性元素處理後的鋁熔體； C.複合材料的攪拌鑄造將處理後的顆粒通過加料裝置加入活性元素處理後的 鋁熔體中，通過攪拌設備氣氛保護條件下攪拌，最後澆鑄成型。 優選步驟C中控制處理後的顆粒的溫度為400-600°C ;活性元素處理後的鋁熔體 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 。
活性元素可用於降低熔體表面張力，改善顆粒與熔體的潤溼性。優選鋁熔體中添 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量分數的1 4%。 所述的攪拌設備一般選擇為三葉或四葉槳葉式電動攪拌機，攪拌設備的攪拌參 數攪拌槳直徑與坩堝內徑比為0. 4 0. 6，槳葉傾角為25 45° ，攪拌速度為600 1000rpm ;攪拌持續時間為20min lh。所述的保護氣氛為大氣或惰性氣氛。
步驟A中增強顆粒的增強顆粒清洗，優選採用大功率超聲清洗，清洗液分別為丙 酮和清水，用於清除顆粒表面吸附的有機雜質和鐵屑等，一般清洗時間20 60min。烘乾 在電阻爐中焙燒，去除顆粒表面殘餘的雜質、游離碳等及適當的氧化顆粒表面以提高顆粒 與鋁熔體的潤溼性。過度的界面反應會脆化複合材料的界面，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現象發生。 複合材料增強體含量的設計，主要根據複合鍋底材料的物理性能和力學性能要求 以及與不鏽鋼物理性能的匹配性來設定。顆粒含量佔基體體積分數的5 30%。
複合材料可直接鑄造成鍋底形狀也可進行軋制後衝壓成鍋底形狀並可進行適當 的表面處理，使之更容易複合加工成複合鍋底。 用本發明所製備的材料用作不鏽鋼鍋複合底，其結構示意圖如圖2所示，複合鍋 底由內層不鏽鋼鍋底層，鋁基複合材料中間層和外層不鏽鋼鍋底層組成，即圖中的1複合 鍋底，2內層不鏽鋼鍋底層，3鋁基複合材料層，4外層不鏽鋼或不鏽鐵鍋底層。
有益效果 本製備方法具有工藝簡單、成本低廉、易於實施等優點，特別適合批量生產用於對 熱膨脹係數、耐磨性等有特殊性能要求的普通日常用品。製得的顆粒增強鋁基複合材料具 有與不鏽鋼鍋所用不鏽鋼的熱膨脹係數相近，與鍋底有良好的匹配性，熱導率高等特點。


圖1是JSM-6360掃描電鏡測試的SiC顆粒增強鋁基複合材料的SiC顆粒分布情況圖； 圖2是鋁基複合材料用作不鏽鋼鍋複合底的示意圖；其中1是複合鍋底，2是內層 不鏽鋼鍋底層，3是鋁基複合材料層，4是外層不鏽鋼或不鏽鐵鍋底層。
具體實施例方式
以下結合實施例對本發明作進一步的說明。本發明的保護範圍不受以下實施例的
限定，本發明的保護範圍由權利要求書來限定。
實施例1 本實施例的顆粒增強鋁基複合材料以SiC顆粒為增強顆粒，工業純鋁(99.7X)為 基體，SiC顆粒平均粒徑為80iim，在基體中均勻分布，SiC顆粒的質量百分比為10%。
具體製備方法為稱取佔基體總重10X質量的80iim SiC顆粒，SiC顆粒經過超聲 清洗和95(TC焙燒4h處理，置於爐中預熱到600°C ，預熱後的顆粒一方面可避免造成鋁液溫 度的過快降低，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放於 小105mm的平底碳鋼坩堝中(坩堝提前噴塗有塗料並烘乾)在電阻爐中40(TC預熱lh。升 溫到75(TC熔化，再降溫到70(TC通入Ar氣精煉15min，向熔體中加入佔鋁基體質量分數為 2XMg塊，以降低鋁熔體表面張力。放入攪拌設備(JB500D攪拌機，槳葉式攪拌槳)，攪拌參 數為攪拌槳直徑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，通過加料裝置均勻的加入SiC顆粒，加料速度約10g/min，攪拌持續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。製備得到10% SiC/Al復 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合較好，其性能指標見 表l。 實施例2 以實施例1為基礎製備佔基體總重20%顆粒含量的SiC顆粒增強鋁基複合材料， 稱取佔基體20%質量比的50iim SiC顆粒，約lkg的鋁錠於電阻爐中熔化，70(TC通入Ar 氣精煉15min，加入佔鋁基體質量3X的Mg塊，升溫到73(TC進行攪拌，攪拌參數為攪拌 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 面高度上下調整，可獲得較佳的顆粒分散速度和分散質量，攪拌時間45min，並逐漸降溫到 72(TC靜置lmin拔渣，進行重力澆鑄。製備得到20% SiC/Al複合材料，其性能指標見表1
實施例3 本實施例的顆粒增強鋁基複合材料以A356鋁合金為基體，稱取鋁合金塊約lkg 於坩堝中，68(TC熔化後用鐘罩壓入佔鋁基體質量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變質劑緩慢攪拌變質處理10min，拔渣後進 行攪拌，攪拌參數為攪拌槳直徑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，通過加料漏鬥均勻加入佔基體10%重量90(TC高溫焙燒2h 後的50 ii m的A1203顆粒，攪拌30min，降溫至72(TC拔渣後澆鑄成型。 此方法製得的鋁基複合材料顆粒分布均勻，無明顯的氣孔夾渣等缺陷，物理力學 性能完全滿足複合鍋底用材料的性能要求，表1為幾種常用不鏽鋼、鋁材和本方法製備的 鋁基複合材料的物理性能對比。 表1不鏽鋼、鋁材和鋁基複合材料的物理性能對比材料\性能線膨脹係數/xio—7k (20 IO(TC )熱導率/w. (m. k)—1 (20°C )
304不鏽鋼16. 612. 1
Al23. 6235
6061A1(T6)23. 6167
10% SiC/Al18. 4141
20% SiC/Al17. 2130
權利要求
一種不鏽鋼鍋複合鍋底用鋁基複合材料，其特徵在於由鋁基體和增強顆粒組成，增強顆粒為SiC、Al2O3、B4C或SiO2顆粒中的任意一種；增強顆粒粒徑為30～100μm；增強顆粒佔鋁基複合材料總體積百分比為5～30％。
2. 根據權利要求1所述的鋁基複合材料，其特徵在於所述的鋁基體為工業純鋁或鋁合金。
3. —種製備如權利要求1所述的鋁基複合材料的方法，其具體步驟如下A. 增強顆粒的前處理將增強顆粒清洗，烘乾後於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於680 78(TC熔化，加入活性元素攪拌，制 得活性元素處理後的鋁熔體；C. 複合材料的攪拌鑄造將處理後的增強顆粒通過加料裝置加入活性元素處理後的 鋁熔體中，通過攪拌設備在保護氣氛條件下攪拌，最後澆鑄成型。
4. 根據權利要求3所述的方法，其特徵在於步驟C中控制處理後的增強顆粒的溫度為 400-600°C ;活性元素處理後的鋁熔體的溫度為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. 根據權利要求3所述的方法，其特徵在於鋁熔體中添加的活性元素為Mg、 Li、 Ti或 Ca中任意一種，加入量為鋁基體質量分數的1 4%。
6. 根據權利要求3所述的方法，其特徵在於所述的攪拌設備為電動攪拌機，其攪拌 參數攪拌槳直徑與坩堝內徑比為0. 4 0. 6，槳葉傾角為25 45° ，攪拌速度為600 1000rpm ;攪拌持續時間為20min lh。
全文摘要
本發明涉及一種不鏽鋼鍋複合鍋底用鋁基複合材料及其製備方法。本發明的鍋底複合材料為鋁基體和增強顆粒構成，鋁基體為純鋁或鋁合金，增強顆粒為SiC、Al2O3、B4C或SiO2顆粒中的任意一種，粒徑為30～100μm，體積分數為5～30％，增強顆粒在基體中分布均勻且與基體界面結合良好。其製備方法為將鋁在電阻爐中熔化，精煉後，加入適當活性元素，在氣氛保護下加入一定量處理後的顆粒，攪拌，澆鑄成型。本產品具有比剛度高，與不鏽鋼複合匹配性好(熱膨脹係數與不鏽鋼相近)和較高的熱導率，製得的複合鍋底具有質輕，不易變形，傳熱均勻等特點。
文檔編號B22D19/02GK101792876SQ20101013325
公開日2010年8月4日 申請日期2010年3月26日 優先權日2010年3月26日
發明者丁毅, 劉真雲, 尹明勇, 張華 , 王傳廷, 趙相玉, 陳育貴, 馬立群 申請人:南京工業大學