一种石墨烯增强过共晶铝硅合金及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种石墨烯增强过共晶铝硅合金及其制备方法，所述石墨烯增强过共晶铝硅合金按质量百分比计的化学组分为：Si 18.0～20.0％，Mg 0.45～0.70％，石墨烯0.001～0.009％，Zr 0.1～0.3％，Zn≤0.2％，Mn≤0.1％，Ti≤0.1％，Be≤0.1％，Sn≤0.05％，Pb≤0.1％；未指定的其它杂质元素：每种≤0.03％，杂质元素合计≤0.10％，余量为Al。本发明专利技术提供的石墨烯增强过共晶铝硅合金中石墨烯的含量远远低于现有石墨烯复合铝合金的石墨烯含量，不仅降低了成本，而且所得石墨烯增强过共晶铝硅合金综合力学性能有显著改善，拓宽了该合金在工业领域的应用。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯增强过共晶铝硅合金及其制备方法
本专利技术属于铝合金
，具体涉及一种石墨烯增强过共晶铝硅合金及其制备方法。
技术介绍
过共晶铝硅合金是一种重要的铸造铝合金，其合金成分超过共晶成分点，具有密度小，比强度和比刚度高，耐磨性优良，体积稳定性好和热膨胀系数低等优点，在航空航天、汽车、船舶海洋、化学化工、机械制造等领域应用广泛。同时，过共晶铝硅合金是制造发动机关键部件—气缸和活塞的理想材料，能够解决发动机存在的拉缸、抱缸、窜油、窜气、积炭、耗油、增噪等一系列问题，使汽车重量更轻、速度更快、功率更大、油耗更低、噪音更小，代表合金牌号如ZL108、ZL109等。在传统铸造条件下，由于冷却速率较低，未经处理的过共晶铝硅合金中存在大量的粗大多边角形块状或板状初晶硅及长针状共晶硅，严重割裂合金基体，并在硅相尖端及棱角处产生应力集中，显著降低材料的力学性能。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种石墨烯增强过共晶铝硅合金及其制备方法，该石墨烯增强过共晶铝硅合金不仅能够保持过共晶铝合金的高耐磨性，而且具有较好的综合力学性能和导电性能。为解决上述技术问题，本专利技术提供的技术方案是：提供一种石墨烯增强过共晶铝硅合金，所述石墨烯增强过共晶铝硅合金按质量百分比计的化学组分为：Si18.0～20.0％，Mg0.45～0.70％，石墨烯0.001～0.009％，Zr0.1～0.3％，Zn≤0.2％，Mn≤0.1％，Ti≤0.1％，Be≤0.1％，Sn≤0.05％，Pb≤0.1％；未指定的其它杂质元素：每种≤0.03％，杂质元素合计≤0.10％，余量为Al。优选的是，所述铝合金按质量百分比计的化学组分为：Si19.0％，Mg0.58％，石墨烯0.003％，Zr0.1％，Zn0.03％，Mn0.02％，Ti0.02％，Be0.01％，Sn0.03％，Pb0.02％，未指定的其它杂质元素：每种≤0.03％，杂质元素合计≤0.10％，铝余量。本专利技术还提供上述石墨烯增强过共晶铝硅合金的制备方法，具体步骤如下：1)按设计的合金成分重量比称取各组分原料，准备铝粒、铝箔、硅粒、镁粒、石墨烯、锆粒、锌粒、锰粒、钛粒、铍粒、锡粒、铅粒；2)将石墨烯平铺于铝箔之上，滴加高纯度酒精，直到全部石墨烯浸湿充分黏附于铝箔表面，将铝箔折叠包裹住石墨烯，得到黏附石墨烯的铝箔，将其置于烘箱充分干燥；3)将原料放入坩埚中：在坩埚底部铺一层铝粒，铝粒完全覆盖坩埚底部无缝隙，其用量为铝粒总量的四分之一到三分之一，接着放入步骤2)所得黏附石墨烯的铝箔，随后将除铝粒以外的其他原料加入坩埚中，之后将剩余的铝粒铺入坩埚内，使铝粒完全覆盖其他原料；4)将坩埚置于感应熔炼炉内，关闭感应熔炼炉炉门，开启真空泵抽离炉体中空气，随后充入高纯氩气进行洗气，继续抽真空到50Pa，然后充入惰性气体氩气作为保护气氛至气压为500Pa；5)打开熔炼炉电源，分阶段升温开始熔炼合金，熔炼过程如下：用300～320A电流加热200～250s，使炉温缓慢升温至780±5℃保持电流大小不变，晃动坩埚80～100s，晃动幅度为中轴线正负15°做钟摆运动，晃动频率为55～60次/min，然后将电流降低至275～285A，使炉温达到690±5℃，晃动坩埚50～60s，晃动幅度为中轴线正负15°做钟摆运动，晃动频率为55～60次/min，最后关闭电源，将合金熔液浇铸到石墨模具中冷却；6)浇铸完成后，采用真空泵抽出炉内高温气体，抽真空时间为30～50s，之后充入室温氩气，500～600s后开炉取样得到石墨烯增强过共晶铝硅合金。按上述方案，步骤1)所述铝粒平均粒径为1～6mm，纯度为99.95％以上；所述硅粒平均粒径为1～6mm，纯度为99.95％以上；所述镁粒平均粒径为1～6mm，纯度为99.99％以上；所述石墨烯为多层石墨烯；其余原料为纯度99.99％以上的金属颗粒，平均粒径为1～3mm。按上述方案，步骤2)所述高纯度酒精体积含量≥99.7％。本专利技术步骤5)熔炼过程先升高炉温，达到高硅铝合金液相线(如图1所示)以上100～150℃，随后对样品进行匀质处理，晃动坩埚，以促进石墨烯和合金元素均匀分布，最后将熔液温度降到690±5℃，低于镁的沸点，避免了镁元素的挥发。本专利技术采用铝箔包裹石墨烯的方法，借助石墨烯与酒精之间相似相溶的特性，这种方法的作用在于：一方面有效束缚了石墨烯，避免由于石墨烯和铝基体的润湿性较差而使得在熔炼过程中因熔融液振荡大量的石墨烯溢出，确保了石墨烯有效加入；另一方面石墨烯溶于酒精更易分散，避免了铸造过程中石墨烯的大量团聚现象；另外，固态疏松石墨烯溶于酒精后体积大幅减小，方便进行实验操作。本专利技术的石墨烯增强过共晶铝硅合金指标如下：硬度100～110HV，抗拉强度108～144MPa，屈服强度115～132MPa，伸长率0.30～0.49％，电导率15.4～16.MS/m，适用于航天航空、交通运输、机械加工等，尤其是在汽车行业能够得到广泛的应用。如何在低成本条件下有效控制Al-Si系铸造铝合金中初晶相的微观形貌以及共晶组织、杂质相的晶粒形态与尺寸分布是提高其综合力学性能的核心问题。本专利技术合金中各个主要组分的功能如下：Si是改善合金流动性的主要成分，另外，硅还可以改善抗拉强度、硬度以及切削性能。按合金中Si含量的多少，铸造铝硅合金可分为三类：亚共晶(Si<10％)，共晶(Si11～13％)，过共晶(16～26％)铝硅合金。常用的过共晶铸造铝硅合金一般比共晶合金有更好的流动性，但是Si含量过大反而会降低合金的流动性，本专利技术优选的Si含量为18.0～20.0wt.％。Mg是铝硅合金中主要的强化元素，在热处理后形成弥散分布的Mg2Si会显著提高合金的抗拉强度，但是为了保证合金塑性，其加入量通常不超过1wt.％。根据图1所示，Al-Si相图的共晶温度为550℃，该温度下(Al)能溶解的Mg为0.0～0.7wt.％，本专利技术优选的Mg用量为0.45～0.7wt.％。石墨烯具有高比表面积和突出的导电导热性能，强度高达1.01Tpa，是结构钢的100倍，但密度却不到其五分之一。本专利技术利用石墨烯轻质高强的优良性能，通过石墨烯与铝基体的良好复合，有效提升合金的力学性能。同时，由于石墨烯能够在铝基体内形成短程通道，对合金的导电性能也有一定程度的改良。微量的Zr在铝合金中和铝形成Al3Zr，可以阻碍再结晶过程，细化再结晶晶粒。同时，Zr元素还能够细化铸造组织，本专利技术优选的Zr添加量为0.1～0.3wt.％。本专利技术的有益效果在于：1、本专利技术提供的石墨烯增强过共晶铝硅合金中石墨烯的含量远远低于现有石墨烯复合铝合金的石墨烯含量，不仅降低了成本，而且所得石墨烯增强过共晶铝硅合金综合力学性能有显著改善(石墨烯含量为0.003wt.％时，锆元素含量为0.1％时，过共晶铝硅合金的抗拉强度达到150±3MPa，屈服强度达到132±3MPa，伸长率达到0本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯增强过共晶铝硅合金，其特征在于，所述石墨烯增强过共晶铝硅合金按质量百分比计的化学组分为：Si 18.0～20.0％，Mg 0.45～0.70％，石墨烯0.001～0.009％，Zr 0.1～0.3％，Zn≤0.2％，Mn≤0.1％，Ti≤0.1％，Be≤0.1％，Sn≤0.05％，Pb≤0.1％；未指定的其它杂质元素：每种≤0.03％，杂质元素合计≤0.10％，余量为Al。/n

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯增强过共晶铝硅合金，其特征在于，所述石墨烯增强过共晶铝硅合金按质量百分比计的化学组分为：Si18.0～20.0％，Mg0.45～0.70％，石墨烯0.001～0.009％，Zr0.1～0.3％，Zn≤0.2％，Mn≤0.1％，Ti≤0.1％，Be≤0.1％，Sn≤0.05％，Pb≤0.1％；未指定的其它杂质元素：每种≤0.03％，杂质元素合计≤0.10％，余量为Al。


2.根据权利要求1所述的石墨烯增强过共晶铝硅合金，其特征在于，所述铝合金按质量百分比计的化学组分为：Si19.0％，Mg0.58％，石墨烯0.003％，Zr0.1％，Zn0.03％，Mn0.02％，Ti0.02％，Be0.01％，Sn0.03％，Pb0.02％，未指定的其它杂质元素：每种≤0.03％，杂质元素合计≤0.10％，铝余量。


3.一种权利要求1或2所述的石墨烯增强过共晶铝硅合金的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
1)按设计的合金成分重量比称取各组分原料，准备铝粒、铝箔、硅粒、镁粒、石墨烯、锆粒、锌粒、锰粒、钛粒、铍粒、锡粒、铅粒；
2)将石墨烯平铺于铝箔之上，滴加高纯度酒精，直到全部石墨烯浸湿充分黏附于铝箔表面，将铝箔折叠包裹住石墨烯，得到黏附石墨烯的铝箔，将其置于烘箱充分干燥；
3)将原料放入坩埚中：在坩埚底部铺一层铝粒，铝粒完全覆盖坩埚底部无缝隙，其用量为铝粒总量的四分之一到三分之一，接着放入步骤2)所得黏附石墨烯的铝箔，随后将除铝粒以外的其他原料加入坩...

【专利技术属性】
技术研发人员：范国强，
申请(专利权)人：广州埃米石墨烯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44