CN105149592A

CN105149592A - 一种高强度铝合金的温压制备方法

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Publication number: CN105149592A
Application number: CN201510630872.0A
Authority: CN
Inventors: 李成章; 雷健; 袁福安; 石少军
Original assignee: Dongfeng Commercial Vehicle Co Ltd
Current assignee: Dongfeng Commercial Vehicle Co Ltd
Priority date: 2015-09-29
Filing date: 2015-09-29
Publication date: 2015-12-16
Anticipated expiration: 2035-09-29
Also published as: CN105149592B

Abstract

一种高强度铝合金的温压制备方法，其特征在于包括以下步骤：用电子天平称量一定量铝合金粉末或增强相、铝合金混合粉末，装入模具，并在常温条件下在压机上压制成初坯，随后将冷压成形工艺所得初坯置于真空环境下，在温度为250摄氏度-350摄氏度、压力为100MPa-300MPa的条件下保温1小时-3小时，通入氩气作为保护气氛，在无压环境下进行高温烧结，最后将高温烧结后的材料采用固溶处理，并加以时效处理，冷却至室温后形成高强度铝合金制品，本发明生产工艺简单、生产周期短、材料利用率高、成本低廉，通过冷压成形、温压成形、气氛无压烧结、热处理等工艺能得到组织均匀、致密度高及机械性能良好的铝合金材料。

Description

一种高强度铝合金的温压制备方法

技术领域

本发明涉及一种铝合金的制备方法，尤其涉及一种高强度铝合金的温压制备方法，属于粉末冶金技术领域。

背景技术

高强铝合金是广泛应用于航空航天、交通运输、汽车制造等重要工业领域，具有轻质、高强、高韧等诸多优良特性。世界各国对高强铝合金的制备及研究尤为关注。这些材料具有较高的抗拉强度，并且还能保持较高的韧性和耐腐蚀性，在很多领域已逐渐取代了价格昂贵的钛合金。

目前，高强铝合金的制备方法很多，如铸造法、喷射成形法、电磁搅拌法及粉末冶金法等。粉末冶金法是以金属或复合粉末作为原料，经过成形、烧结等过程制成金属材料、复合材料及各种类型材料的工艺技术，其制备的铝合金材料具有组织均匀、可设计性强、成形性好、加工量小等诸多优点，但由于金属铝本身性质活跃，易钝化，导致铝合金粉难于烧结，造成致密度较低、孔隙率较高、缺陷较多、机械性能较差等问题，直接制约了粉末冶金铝制品更为广阔的应用，因此后期还需增加诸如挤压、锻造、轧制等多个工序以弥补粉末冶金产品性能方面的不足，致使成本增加，工艺繁琐。

如中国发明专利公告号：CN1390964A，公开日：2003年1月15日的发明专利公开了一种粉末锌铝合金块材料的制备方法，它是在传统浇铸法制得锌铝合金锭的基础上，采用传统的浇铸法熔炼锌铝合金锭：利用坩埚电阻炉熔化锌锭、铝锭，熔化温度为800℃±50℃，加入含铜及稀土等强化元素的中间合金，经保温处理后，再经除渣、精炼，得合金锭；其中，稀土为镧、铈的混合稀土，强化元素还有铬、镍、镁、钛、硼或硅，中间合金占总合金锭的4-7wt％，应用单辊急冷法制得微晶脆性合金带，再把合金带打磨成粉末，然后装模进行温压烧结，最后脱模得到制成品。但该工艺成本较高，产品致密度低、孔隙率高，容易产生较多的缺陷，机械性能差，不便于大规模批量生产。

发明内容

本发明的目的是针对传统粉末冶金烧结铝合金技术存在产品致密度低、孔隙率高、缺陷多、机械性能差以及工艺繁琐等缺陷和不足，提供一种生产工艺环节较少、成本低廉、产品缺陷少、机械性能良好的一种高强度铝合金的温压制备方法。

为实现本发明的目的，本发明的技术解决方案是：一种高强度铝合金的温压制备方法，其特征在于包括以下步骤：

a、冷压成形：用电子天平称量一定量铝合金粉末或增强相、铝合金混合粉末，装入模具，并在常温条件下在压机上压制成初坯；

b、温压成形：将冷压成形工艺所得初坯置于真空环境下，在温度为250℃-350℃、压力为100-300MPa的条件下保温1-3h；

c、气氛无压烧结：通入氩气作为保护气氛，在无压环境下进行高温烧结，烧结温度为500-600℃，并保温2-5h；

d、热处理：将高温烧结后的材料采用固溶处理，并加以时效处理。

所述步骤a中铝合金粉末的粒径为1-20μm。

所述步骤a中冷压成形工艺在压机中进行，成形压力400-500MPa、保压时间5分钟-15分钟。

所述步骤b中温压成形工艺在真空热压炉中进行。

所述步骤c中气氛无压烧结工艺在箱式气氛炉中进行，烧结温度500℃-600℃，并保温2-5h。

所述步骤d中热处理工艺在高温箱式炉中进行，具体在460℃-480℃下保温1-3h固溶处理后淬火，淬火后在100℃-150℃下保温12-36h进行时效处理。

本发明的有益效果是：

1．本发明具有更高的原料利用率，能有效降低原料成本，且试样具有均匀的组织以及较稳定的性能，温压成形过程是粉末颗粒重排、弹性变形、塑性变形综合作用的结果，颗粒重排作用于整个温压成形过程，能够使试样基体获得较高的填充密度。

2．本发明生产工艺简单、生产周期短、材料利用率高、成本低廉，通过冷压成形、温压成形、气氛无压烧结、热处理等工艺能得到组织均匀、致密度高及机械性能良好的铝合金材料，能够满足工业需求，便于大规模工业化运用。

附图说明

图1是本发明的工艺流程图。

图2是本发明2024铝合金粉末制备试样的压缩强度应力与应变曲线图。

图3是本发明5083铝合金粉末制备试样的压缩强度应力与应变曲线图。

图4是本发明6061铝合金粉末制备试样的压缩强度应力与应变曲线图。

图5是本发明7055铝合金粉末制备试样的压缩强度应力与应变曲线图。

图6是本发明7055铝合金粉末制备试样的压缩断口微观形貌图。

图7是本发明7055铝合金粉末制备试样的拉伸强度应力与应变曲线图。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

参见图1至图7，本发明的一种高强度铝合金的温压制备方法，其特征在于包括以下步骤：

c、气氛无压烧结：通入氩气作为保护气氛，在无压环境下进行高温烧结，烧结温度为500℃-600℃，并保温2-5h；

所述步骤a中铝合金粉末的粒径为1-20μm。

所述步骤b中温压成形工艺在真空热压炉中进行。

参见附图2，该图为2024铝合金粉末制备试样的压缩强度应力与应变曲线图。2024铝合金的主要成分为Cu:3.8～4.9wt%、Mn:0.30～1.0wt%、Zn:0.25wt%、Mg:1.2～1.8wt%、Cr:0.10wt%、其余为Al。上述粉末采用本发明的温压烧结工艺制备，其中冷压成形压力420MPa保压10min、温压温度300℃，保温时间2h、Ar气保护下无压烧结温度分别为530℃、560℃、580℃，保温2h并在470℃下保温2h，固溶处理后淬火，淬火后在120℃下保温24h进行时效处理。

图3为5083铝合金粉末制备试样的压缩强度应力与应变曲线图。5083铝合金的主要成分为Si:≤0.40wt%、Cu:≤0.10wt%、Mg:4.0～4.9wt%、Zn:≤0.25wt%、Mn:0.40～1.0wt%、Ti:≤0.15wt%、Cr:0.05～0.25wt%、Fe:0.000～0.400wt%、其余为Al。5083铝合金粉采用本发明的温压烧结工艺制备，其中冷压成形压力420MPa保压10min、温压温度300℃，保温时间2h、Ar气保护下无压烧结温度分别为530℃、580℃，保温2h并在470℃下保温2h，固溶处理后淬火，淬火后在120℃下保温24h进行时效处理。

图4为6061铝合金粉末制备试样的压缩强度应力与应变曲线图。6061铝合金的主要成分为Si:0.4～0.8wt%、Cu:0.15～0.4wt%、Mg:0.8～1.2wt%、Zn:0.25wt%、Mn:0.15wt%、Ti:0.15wt%、Cr:0.04～0.35wt%、Fe:0.7wt%、其余为Al。6061铝合金粉采用本发明的温压烧结工艺制备，其中冷压成形压力420MPa保压10min、温压温度300℃，保温时间2h、Ar气保护下无压烧结温度分别为560℃、580℃，保温2h并在470℃下保温2h，固溶处理后淬火，淬火后在120℃下保温24h进行时效处理。

图5为7055铝合金粉末制备试样的压缩强度应力与应变曲线图。7055铝合金粉末的主要成分为Si:0.40wt%、Cu:1.2～2.0wt%、Mg:2.1～2.9wt%、Zn:5.1～6.1wt%、Mn:0.30wt%、Ti:0.20wt%、Cr:0.18～0.28wt%、Fe:0.50wt%、其余为Al。7055铝合金粉末采用本发明的温压烧结工艺加工，其中冷压成形压力420MPa保压10min、温压温度300℃，保温时间2h、Ar气保护下无压烧结温度为530℃，保温2h并在470℃下保温2h，固溶处理后淬火，淬火后在120℃下保温24h进行时效处理。

图6为本发明7055铝合金粉末制备试样的压缩断口微观形貌图，7075铝合金粉末采用本发明的温压烧结工艺制备，其中冷压成形压力420MPa保压10min、温压温度300℃，保温时间2h、Ar气保护下无压烧结温度为530℃，保温2h并在470℃下保温2h，固溶处理后淬火，淬火后在120℃下保温24h进行时效处理，制备试样的压缩断口微观形貌图，其中a、b为不同倍率。

图7为本发明7055铝合金粉末制备试样的拉伸强度应力与应变曲线图，7075铝合金粉末采用本发明的温压烧结工艺制备，其中冷压成形压力420MPa保压10min、温压温度300℃，保温时间2h、Ar气保护下无压烧结温度为560℃，保温4h并在470℃下保温2h，固溶处理后淬火，淬火后在120℃下保温24h进行时效处理。

实施例1

实验原料为2024铝合金(Cu:3.8～4.9wt%、Mn:0.30～1.0wt%、Zn:0.25wt%、Mg:1.2～1.8wt%、Cr:0.10wt%、Al余量)粉末，在压机上以420MPa压力成形并保压10min，得到冷压初坯。将冷压初坯置于热压炉中，在真空环境下温压成形，温压温度为300℃，保温时间2h。将温压后试样置于箱式气氛炉中，在Ar气保护下进行高温无压烧结，烧结温度分别为530℃、560℃、580℃，保温2h。最后进行热处理，热处理工艺为：470℃下保温2h，固溶处理后淬火，淬火后在120℃下保温24h进行时效处理。

经检测，在530℃、560℃、580℃烧结温度下所获得试样气孔率分别为：0.26%、2.78%、1.51%，致密度分别为：97.70%、88.09%、94.28%；抗压强度分别为786MPa、639MPa、518.4MPa，参见图2。

实施例2

实验原料为5083铝合金(Si:≤0.40wt%、Cu:≤0.10wt%、Mg:4.0～4.9wt%、Zn:≤0.25wt%、Mn:0.40～1.0wt%、Ti:≤0.15wt%、Cr:0.05～0.25wt%、Fe:0.000～0.400wt%、Al余量)粉末，在压机上以420MPa压力成形并保压10min，得到冷压初坯。将冷压初坯置于热压炉中，在真空环境下温压成形，温压温度为300℃，保温时间2h。将温压后试样置于箱式气氛炉中，在Ar气保护下进行高温无压烧结，烧结温度分别为530℃、580℃，保温2h。最后进行热处理，热处理工艺为：470℃下保温2h，固溶处理后淬火，淬火后在120℃下保温24h进行时效处理。

经检测，在530℃、580℃烧结温度下所获得试样气孔率分别为：0.34%、0.16%，致密度分别为：98.50%、96.77%；抗压强度分别为510.4MPa、462.4MPa，参见图3。

实施例3

实验原料为6061铝合金(Si:0.4～0.8wt%、Cu:0.15～0.4wt%、Mg:0.8～1.2wt%、Zn:0.25wt%、Mn:0.15wt%、Ti:0.15wt%、Cr:0.04～0.35wt%、Fe:0.7wt%、Al余量)粉末，在压机上以420MPa压力成形并保压10min，得到冷压初坯。将冷压初坯置于热压炉中，在真空环境下温压成形，温压温度为300℃，保温时间2h。将温压后试样置于箱式气氛炉中，在Ar气保护下进行高温无压烧结，烧结温度分别为560℃、580℃，保温2h。最后进行热处理，热处理工艺为：470℃下保温2h，固溶处理后淬火，淬火后在120℃下保温24h进行时效处理。

经检测，在560℃、580℃烧结温度下所获得试样气孔率分别为：0.16%、0.40%，致密度分别为：97.59%、97.48%；抗压强度分别为：455.9MPa、411.8MPa，参见图4。

实施例4

实验原料为7075铝合金(Si:0.40wt%、Cu:1.2～2.0wt%、Mg:2.1～2.9wt%、Zn:5.1～6.1wt%、Mn:0.30wt%、Ti:0.20wt%、Cr:0.18～0.28wt%、Fe:0.50wt%、Al余量)粉末，在压机上以420MPa压力成形并保压10min，得到冷压初坯。将冷压初坯置于热压炉中，在真空环境下温压成形，温压温度为300℃，保温时间2h。将温压后试样置于箱式气氛炉中，在Ar气保护下进行高温无压烧结，烧结温度为530℃，保温2h。最后进行热处理，热处理工艺为：470℃下保温2h，固溶处理后淬火，淬火后在120℃下保温24h进行时效处理。

经检测，在530℃烧结温度下所获得试样气孔率为：0.16%，致密度为：96.51%；抗压强度为：832.8MPa，参见图5。

实施例5

实验原料为7075铝合金(Si:0.40wt%、Cu:1.2～2.0wt%、Mg:2.1～2.9wt%、Zn:5.1～6.1wt%、Mn:0.30wt%、Ti:0.20wt%、Cr:0.18～0.28wt%、Fe:0.50wt%、Al余量)粉末，在压机上以420MPa压力成形并保压10min，得到冷压初坯。将冷压初坯置于热压炉中，在真空环境下温压成形，温压温度为300℃，保温时间2h。将温压后试样置于箱式气氛炉中，在Ar气保护下进行高温无压烧结，烧结温度为560℃，保温4h。最后进行热处理，热处理工艺为：470℃下保温2h，固溶处理后淬火，淬火后在120℃下保温24h进行时效处理。

经检测，在560℃烧结温度下所获得试样抗拉强度为319.45MPa，屈服强度为242.61MPa，应变率为9.21%，参见图7。

现阶段金属粉末的温压成形主要应用于铁基粉末，涉及领域包括汽车、医疗、机械等工业领域。铁基粉末温压成形工艺温度一般集中在100-200℃，也有报道指出，铁基粉末温压温度可达250℃，而针对铝基粉末，在过低温度下温压成形，影响试样烧结后致密度，因此本发明将温压温度确定在250-350℃。

本发明是在粉末冶金法制备铝合金基础上进行改进，在获得高致密度样品的同时，较传统铸造及锻造工艺，本发明具有更高的原料利用率，能有效降低原料成本，且试样具有均匀的组织以及较稳定的性能。温压成形过程是粉末颗粒重排、弹性变形、塑性变形综合作用的结果，颗粒重排作用于整个温压成形过程，能够使试样基体获得较高的填充密度，是之后无压烧结能够获得高致密度的首要原因，而后期颗粒的塑性变形又为颗粒重排提供协调性塑性变形，是温压成形后期的主要作用机制。铝合金粉由于暴露于空气中，极易被氧化，传统工艺难于实现烧结致密，从而严重制约试样强度、硬度、出品率、等一系列产品指标，借助于温压成形工艺，所制备试样能够获得较高的致密度和良好的机械性能。

Claims

1.一种高强度铝合金的温压制备方法，其特征在于包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种高强度铝合金的温压制备方法，其特征在于：所述步骤a中铝合金粉末的粒径为1-20μm。

3.根据权利要求1所述的一种高强度铝合金的温压制备方法，其特征在于：所述步骤a中冷压成形工艺在压机中进行，成形压力400-500MPa、保压时间5-15min。

4.根据权利要求1所述的一种高强度铝合金的温压制备方法，其特征在于：所述步骤b中温压成形工艺在真空热压炉中进行。

5.根据权利要求1所述的一种高强度铝合金的温压制备方法，其特征在于：所述步骤c中气氛无压烧结工艺在箱式气氛炉中进行，烧结温度500-600℃，并保温2-5h。

6.根据权利要求1所述的一种高强度铝合金的温压制备方法，其特征在于：所述步骤d中热处理工艺在高温箱式炉中进行，具体在460-480℃下保温1-3h固溶处理后淬火，淬火后在100-150℃下保温12-36h进行时效处理。