CN102177264A - 铝合金粉末金属主体化学材料 - Google Patents

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Abstract

公开了一种粉末金属混合物，其为由粉末金属制得的部件如凸轮轴盖提供了改进的机械性质。该粉末金属混合物烧结后在Al-Cu-Mg合金体系中形成S相金属间化合物。该S相以导致对冷作强化粉末金属件作出增强响应的浓度存在。此外，通过略微调节某些合金元素如锡，可以调节所得部件的拉伸性质。

Description

铝合金粉末金属主体化学材料
相关申请的交叉引用
本申请要求2008年10月10日提交的题为“ALUMINUM ALLOY POWDER METAL BULK CHEMISTRY FORMULATION”的美国临时申请No.61/104,572的优先权。该申请的全部内容通过引用并入本文，就如本文的整体内容所述一样。
联邦资助的研究或开发的声明
不适用。
技术领域
本发明涉及粉末金属件。具体地，本发明涉及用于粉末金属件，具体是作为实例给出的凸轮轴轴承盖的铝合金粉末金属主体化学材料。
背景技术
凸轮轴轴承盖或“凸轮轴盖”常规用于将凸轮轴轴承组件固定到发动机机体上。凸轮轴盖呈各种形状，但典型地包括两侧具有螺栓孔的一段拱形。在将螺栓通过凸轮轴盖的螺栓孔拧到机体上，从而将凸轮轴盖固定到机体上时，凸轮轴轴承组件通过凸轮轴盖的拱形置于发动机中。随着凸轮轴旋转咬合气阀机构，凸轮轴盖必须能够耐受循环载荷。由于许多铝合金具有优异的强度与重量之比，因此已经更普遍采用铝合金形成各种发动机部件，包括凸轮轴盖。
过去已经通过压铸形成许多这些铝凸轮轴盖。但是，由于凸轮轴盖在拧到机体上时必须在凸轮轴轴承周围提供精确的配合，因此凸轮轴盖的许多尺寸具有严格的公差。由于在压铸后压铸的凸轮轴盖并不具有所需的尺寸精确度，因此必须随后对压铸的凸轮轴盖进行机器加工。机器加工凸轮轴盖增加生产凸轮轴盖的时间和成本。此外，某些凸轮轴盖可能具有精细水平的细节，例如油管，这不能通过压铸容易地形成。
为避免这些问题并提供机器加工前尺寸更准确的凸轮轴盖，采用粉末金属加工工艺来制造某些铝凸轮轴盖。但是，由于通过粉末金属加工工艺制得的凸轮轴盖与压铸的凸轮轴盖(通常全密度)相比具有更高程度的孔隙率，因此粉末金属凸轮轴盖与压铸凸轮轴盖相比往往具有略微受损的机械性质。
因此，存在对具有改进机械性质的粉末金属件如凸轮轴盖的需要。
发明内容
公开了一种粉末金属混合物，其为由粉末金属制得的部件如凸轮轴盖提供了改进的机械性质。该粉末金属混合物烧结后在Al-Cu-Mg合金体系中形成S相金属间化合物。该S相以导致对冷作强化粉末金属件作出增强响应的浓度存在。此外，通过略微调节某些合金元素如锡，可以调节所得部件的拉伸性质。
本发明的前述优点在下面的详述中将出现。在详述中，可以参照举例说明本发明优选实施方案的附图。
附图说明
图1A示出了电子显微镜拍摄的空气雾化铝粉末的照片；
图1B是表示图1A的空气雾化铝粉末的颗粒尺寸分布的图表；
图2A示出了电子显微镜拍摄的铝-铜(50/50)母合金粉末的照片；
图2B是表示图2A的铝-铜(50/50)母合金粉末的颗粒尺寸分布的图表；
图3A示出了电子显微镜拍摄的雾化镁粉末的照片；
图3B是表示图3A的雾化镁粉末的颗粒尺寸分布的图表；
图4A示出了比较不同粉末金属组合物在不同压制压力下的生坯密度的图表；
图4B示出了比较不同粉末金属组合物在不同压制压力下的生坯强度的图表；
图5A-5C示出了比较不同粉末金属组合物在不同压制压力下的尺寸变化的图表；
图6示出了比较不同粉末金属组合物在不同压制压力下的烧结密度的图表；
图7是说明锡添加对由Dal-2324合金制得的粉末金属件的烧结密度影响的图；和
图8是说明锡添加对Dal-2324合金的机械性质的影响的图。
发明详述
根据本发明的一方面，提供用于制造粉末金属件如凸轮轴盖的粉末金属混合物。该粉末金属混合物包含空气雾化的铝粉末、铝-铜(50/50)母合金和雾化镁粉末。空气雾化的铝粉末和铝-铜(50/50)母合金可以从Ecka Granules获得，雾化镁粉末可以从Tangshan Weihao Magnesium Powder Company获得。使用Turbala共混或其它共混方法来混合粉末，制备这三种粉末金属和1.5重量％P/M级Licowax
Figure BPA00001347025000031
C(可从Clariant
Figure BPA00001347025000032
获得)。
图1A-3B表征每一种粉末在混合前的形态和颗粒尺寸分布。图1A、2A和3A分别示出了电子显微镜拍摄的空气雾化的铝粉末、铝-铜(50/50)母合金粉末和镁粉末的照片。值得注意的是，空气雾化的铝粉末和雾化镁粉末的颗粒形状一般呈圆形，并且镁粉末基本是球形。另一方面，铝-铜(50/50)母合金的颗粒形状更具变化和不规则得多。图1B、2B和3B示出了比特定颗粒尺寸(以微米计)细的每种粉末的累计百分比。而且，示出颗粒尺寸分布的图1B、2B和3B分别对应于空气雾化的铝粉末、铝-铜(50/50)母合金和雾化镁粉末。值得注意的是，表示颗粒尺寸的x轴是对数刻度。为更好地表征这些粉末，下表I概括比较了这些粉末在10、50和90累计百分比细粒含量的颗粒尺寸数据。
表I
  粉末 D10(μm) D50(μm)   D90(μm)
  雾化铝 63 104   150
  Al-Cu母合金 13 41   89
  雾化镁 23 35   51
优选将这些粉末混合以形成具有按重量百分比计一般主体(bulk)组成为Al-4.4Cu-1.5Mg的粉末金属件。如本文所用，Al-4.4Cu-1.5Mg混合物将称作“Dal-2324”。尽管优选具有4.4wt％铜和1.5wt％镁，并且最少包含其它合金元素的铝合金，但合金元素和其它杂质可以具有下表II所示范围的主体化学含量。
表II
Figure BPA00001347025000041
粉末金属混合物具有简单的化学组成。值得注意的是，不需要添加硅。此外，具有最低含量的铁杂质。
如从表III中可以看到的，Dal-2324粉末金属混合物具有与可用于制造凸轮轴盖的商购粉末相当的流率和表观密度。当与Alumix123(Ecka Granules制造)和AMB 2712A(Ampal，Inc.制造)比较时，粉末形式的Dal-2324具有近似相同的流率和表观密度。
表III
  合金  流率(s)   表观密度(g/cc)
  Alumix123  9   1.176
  AMB 2712A  9   1.289
  Dal-2324  8   1.206
利用常规粉末金属加工工艺将Dal-2324粉末金属混合物成形为凸轮轴盖。将空气雾化的铝粉末、铝-铜(50/50)母合金粉末、雾化镁粉末和粘结剂/润滑剂混合在一起以形成粉末金属混合物。然后将该粉末金属混合物填充进压制模型如具有上下压头、冲头和/或芯棒的模腔内。在压制压力下压制粉末金属混合物，以形成生坯。然后将生坯在正好在粉末金属混合物的液相曲线温度以下的烧结温度烧结一段时间，以形成烧结件。随着生坯烧结，粘结剂/润滑剂气化，生坯颗粒彼此通过扩散形成颈状联结。在该工艺过程中，颗粒之间的孔尺寸减小并往往被填充。随着部件的孔隙率降低，部件的密度升高，并且部件在尺寸上收缩。其它现象也可以在部件的致密化中起作用。例如，在液相烧结过程中，毛细作用可以更主要地决定孔被填充和部件致密化的速率。
在大多数烧结件中，烧结件的机械性质主要依赖于烧结件的密度。如果烧结件密度高(接近全密度)，这通常意味着烧结件将具有例如增加的表观硬度和拉伸强度。密度能够通过略微升高温度(同时仍保持在液相曲线温度以下)或延长一定温度下的烧结时间来进一步提高。但是，对于大多数粉末金属组合物，在热力学和动力学上难以获得接近全密度的密度。随着孔被填充，降低孔隙率的机制从颗粒颈状联结在一起变成空隙扩散通过烧结件。当空隙从孔扩散到烧结件的外表面变成致密化的主要机制时，通过增加烧结时间和/或温度仅能获得密度的边际增加。此外，将部件在烧结温度下保持更长时间可以不期望地影响部件的尺寸。如果部件经历过长时间的热梯度或高温，它在某些区域的收缩比在其它区域厉害。结果，部件在尺寸上更不准确。
但是，已发现上述粉末金属混合物具有改进的烧结响应。因此，与类似热处理的其它可商购粉末(Alumix123和AMB2712A)相比，Dal-2324粉末金属混合物获得更高的密度。已发现相对于用于制造凸轮轴盖的可比粉末，这种烧结密度增加和形成独特的金属间相强化了烧结件。
现在参照图4A和4B，示出了由Alumix123(示为“E123”)、AMB2712A(示为“Ampal 2712a”)和Dal-2324制得的生坯在不同压制压力(MPa)下的生坯密度和生坯强度。
最好如图4A所示，Dal-2324粉末在100MPa的压制压力下致密程度大约81％，在200MPa下90％，在300MPa下92.5％，在400MPa下93.5％，在500MPa下94％。在较高的压制压力下，压制压力增加的结果是生坯密度的边际增加下降。由于在增加的压制压力下器具上的应力增加，生坯密度下降，因此甚至更高的压制压力并不常用。Dal-2324粉末的生坯密度比Alumix123和AMB2712A粉末在给定压制压力下的生坯密度通常低1-4％。Dal-2324粉末与Alumix123和AMB2712A粉末的生坯密度百分比之差随压制压力增加而略微下降。
现在参照图4B，尽管具有比由Alumix123和AMB2712A粉末制得的部件在给定压制压力下更低的生坯密度，但由Dal-2324粉末制得的部件具有与其它两种粉末相当的生坯强度。在100MPa的压制压力下，Dal-2324粉末具有正好在3000kPa以上的生坯强度，在200MPa的压制压力下具有8000kPa的生坯强度，在300MPa的压制压力下具有正好低于11000kPa的生坯强度，在400MPa的压制压力下具有12000kPa的生坯强度，在500MPa的压制压力下具有大约12500kPa的生坯强度。这些生坯强度超过AMB2712A粉末在给定压制压力下的生坯强度，但低于Alumix123在给定压制压力下的生坯强度。
现在参照图5A-5C，Dal-2324粉末在烧结过程中具有升高的收缩程度。图5A-5C的图表比较了每种粉末在给定压制压力下的长度、宽度和总长度(OAL)变化。在给定压制压力下，由Dal-2324粉末制得的部件比由Alumix123粉末和AMB2712A粉末制得的部件收缩程度高。给定尺寸的收缩量一般随压制压力增加而下降，因此也随生坯密度增加而下降。这本身应该并不意外，因为Dal-2324生坯比Alumix123和AMB2712A生坯的生坯密度低，从而Dal-2324生坯提供更多空间在烧结过程中初步收缩。
但是，现在参照图6，其表明对于大部分压制压力，尤其是较高的压制压力，Dal-2324粉末的烧结密度远超过这两种其它的可商购粉末。在200MPa的压制压力下，Dal-2324具有正好在2.6g/cc以上的烧结密度，在300MPa的压制压力下Dal-2324具有正好在2.63g/cc以上的烧结密度，在400MPa的压制压力下Dal-2324具有大约2.65g/cc的烧结密度，在500MPa的压制压力下Dal-2324具有正好在2.64g/cc以下的烧结密度。在200MPa以上的压制压力下，Dal-2324的烧结密度超过这两种其它可商购粉末的烧结密度达0.1g/cc至0.05g/cc。这种烧结密度增加和由该独特粉末组合形成的金属间相导致下文所列的改进的机械性质。
表IV列举了合金中不含任何显著量的锡的情况下制备的一些样品的机械性质。
表IV
值得注意的是，由Dal-2324制得的部件表现出比由Alumix123制得的部件更大的屈服强度、最终拉伸强度(UTS)和硬度。相比当前使用的标准AC2014型粉末金属合金，Dal-2324粉末在表观硬度和拉伸强度方面提供了30-50％增益。
为理解机械性质的差别，理解Dal-2324组分的显微状况以及它如何不同于标准粉末金属合金是有帮助的。大部分高性能铝合金通过适当热处理工序形成的细金属间化合物分散体来强化。所形成的金属间化合物的类型至少部分是该材料主体化学组成的函数。例如在Alumix123或Ampal2712A中，铜与镁之比较高(通常为8-9∶1)。在这些情况下，主要的强化金属间相是θ相(CuAl2)及其亚稳态变化形式。
借助混合物的主体化学组成和粉末金属的形态，调节Al-4.4Cu-1.5Mg组合物以促进金属间S相(CuMgAl2)及其亚稳态变化形式的形成。S相金属间化合物在冷作铝合金中表现出比θ相更有效的强化效应。与通过θ相金属间化合物相比，位错更难通过S相金属间化合物；结果，具有S相金属间化合物的合金更硬并表现出改进的拉伸性质。可以预期，该粉末金属混合物在经过“press-sinter-size”型生产工艺中常见的冷作操作后甚至可以更有益。
可以对原料粉末混合物进行略微调节，以实现形成S相金属间化合物的相同或基本类似的结果。例如，铝铜母合金粉末可以具有不是50/50重量百分比的组成。此外，可以对混合粉末的量进行略微调节，以将主体化学结构中每种合金元素的量控制在表II所示的范围内，有时具有额外的好处。
锡是一种这样的合金元素例子，可以调节它来改变合金的微结构、相发展和机械与化学性质，锡的量至多占低的百分比，例如至多1.2wt％。现在参照图7和8，提供这两幅图来说明锡添加至1.0wt％分别对Dal-2324合金的烧结密度和各种机械性质的影响。从这两幅图中可以观察到，锡添加至约0.2wt％，烧结密度和拉伸性质将提高。如图8所示，在大约0.2wt％，Dal-2324合金具有大约295MPa的最终拉伸强度(UTS)和大约245MPa的屈服强度。
但是，在大约0.2wt％锡的附近或之后，Dal-2324合金中额外量的锡开始具有不同的影响。在大约0.2wt％以上，添加更多的锡引起最终拉伸强度(UTS)和屈服强度下降，但是伸长率百分比继续上升。据信这种变化趋势是锡添加到大约0.2wt％以上抑制S相金属间化合物形成的结果。这有助于说明S相存在在增加烧结合金硬度方面的益处，因为0wt％至1.0wt％的锡添加比较表明，尽管具有相近的最终拉伸强度，但在1.0wt％锡的屈服强度比在0.0wt％锡的屈服强度低大约30MPa。
还可以预期陶瓷或金属间增强物可以添加到粉末金属中。这种增强物包括但不限于Al2O3、SiC和AlN。由于这些增强物在铝合金的烧结温度下稳定，因此它们可以包含在粉末金属混合物中以使它们在烧结后均匀分散在整个部件中。该增强物在部件中的添加量可以高达15体积％。这种增强物提高材料的模量、耐磨性和强度。例如，在包含Dal-2324粉末和5体积％SiC的一组样品中，发现所得材料的多种性质都具有可测量到的改进。在包含5体积％SiC增强物的部件中观察到屈服强度、最终拉伸强度和杨氏模量具有大约10％增益。
虽然已经示出并描述了目前考虑到的本发明的优选实施方案，但对于本领域技术人员而言显而易见的是，在不偏离所附权利要求限定的本发明范围下可以进行各种变化和修改。

Claims (22)

1.一种粉末金属件，包括由粉末金属材料形成的主体，所述粉末金属材料包含雾化铝粉末、铝-铜母合金粉末和雾化镁粉末的粉末金属混合物，所述混合物经过压制和烧结以在主体中形成金属间S型相(CuMgAl2)，所述金属间S型相的浓度导致对粉末金属件的冷作强化作出增强响应。
2.根据权利要求1所述的粉末金属件，其中在烧结后粉末金属件基本由4.4重量％的铜和1.5重量％的镁组成，粉末金属件的余量基本是铝。
3.根据权利要求1所述的粉末金属件，其中粉末金属混合物表现出比AC2014型标准PM合金提高的烧结响应。
4.根据权利要求1所述的粉末金属件，其中粉末金属混合物表现出比AC2014型标准PM合金改进的表观硬度。
5.根据权利要求1所述的粉末金属件，其中粉末金属混合物表现出比AC2014型标准PM合金改进的拉伸强度。
6.根据权利要求1所述的粉末金属件，其中粉末金属件是用于发动机凸轮轴的凸轮轴盖。
7.根据权利要求1所述的粉末金属件，其中粉末金属混合物包含锡，其含量接近不会抑制金属间S型相形成的重量百分比。
8.根据权利要求1所述的粉末金属件，其中粉末金属件的硬度超过70HRE。
9.根据权利要求1所述的粉末金属件，其中粉末金属件的烧结密度超过2.6g/cm3。
10.根据权利要求1所述的粉末金属件，其中所述雾化铝粉末是空气雾化的。
11.根据权利要求1所述的粉末金属件，其中所述铝-铜母合金粉末是50重量％铝和50重量％铜。
12.一种制造粉末金属件的方法，包括：
混合雾化铝粉末、铝-铜母合金粉末和雾化镁粉末以形成粉末金属混合物；
将粉末金属混合物填充进压制模型；
将压制模型中的粉末金属混合物压制成生坯；和
烧结生坯以形成具有金属间S相(CuMgAl2)的粉末金属件，所述金属间S相的浓度导致对粉末金属件的冷作强化作出增强响应。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括粉末金属件的冷作步骤。
14.根据权利要求12所述的方法，其中粉末金属件是用于发动机凸轮轴的凸轮轴盖。
15.根据权利要求12所述的方法，其中在烧结后粉末金属件基本由4.4重量％的铜和1.5重量％的镁组成，粉末金属件的余量是铝。
16.一种粉末金属混合物，包含：
雾化铝粉末；
铝-铜母合金粉末；
雾化镁粉末；而且
其中将这些粉末混合以形成粉末金属混合物，所述混合物在压制和烧结后提供具有金属间S相(CuMgAl2)的粉末金属件，所述金属间S相的浓度导致对粉末金属件的冷作强化作出增强响应。
17.根据权利要求16所述的粉末金属混合物，其中所述雾化铝粉末是空气雾化的，所述铝-铜母合金粉末是50重量％铝和50重量％铜。
18.根据权利要求16所述的粉末金属混合物，其中在烧结后粉末金属件基本由4.4重量％的铜和1.5重量％的镁组成，粉末金属件的余量是铝。
19.根据权利要求16所述的粉末金属混合物，其中粉末金属混合物表现出比AC2014型标准PM合金提高的烧结响应。
20.根据权利要求16所述的粉末金属混合物，其中粉末金属混合物表现出比AC2014型标准PM合金改进的表观硬度。
21.根据权利要求16所述的粉末金属混合物，其中粉末金属混合物表现出比AC2014型标准PM合金改进的拉伸强度。
22.根据权利要求16所述的粉末金属混合物，其还包含锡，并且锡的含量接近不会抑制金属间S相形成的重量百分比。
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