CN105710373B

CN105710373B - 一种压缩机用粉末冶金铝合金连杆的制备方法

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Publication number: CN105710373B
Application number: CN201410717250.7A
Authority: CN
Inventors: 柳睿; 周国燕; 包崇玺; 毛增光
Original assignee: NBTM New Materials Group Co Ltd
Current assignee: NBTM New Materials Group Co Ltd
Priority date: 2014-12-01
Filing date: 2014-12-01
Publication date: 2018-09-21
Anticipated expiration: 2034-12-01
Also published as: CN105710373A

Abstract

一种压缩机用粉末冶金铝合金连杆的制备方法，步骤：铝合金连杆的化学成分为：Cu：0.1‑7wt％，Mg：0.1‑3wt％，Si：0.1‑6wt％，Zn：0.1‑8wt％，Sn：0.02‑2wt％，其他细化晶粒助剂含量小于2wt％，Al为余量；混合含有Al、Cu、Mg、Si、Zn、Sn元素的粉末，将混合粉在100‑600MPa的压力下模压成形得到生坯，成形密度为2.30‑2.65g/cm³；进行脱蜡、烧结处理；进行热处理；进行整形；喷砂或刷毛处理；机加工，使产品尺寸满足图纸要求。本发明制备工艺简单，具有加工量少、材料利用高的特点，降低了生产成本，提高生产效率，制得的连杆材质组分配比科学合理，拉伸强度高，耐磨性能良好，有利于优化压缩机设计，提高压缩机效率，适合大批量高效率生产。

Description

一种压缩机用粉末冶金铝合金连杆的制备方法

技术领域

本发明属于粉末冶金技术领域，具体是一种压缩机用粉末冶金铝合金连杆的制备方法。

背景技术

连杆在压缩机中的作用是将曲轴和活塞连接起来并进行力的传接，将曲轴的圆周运动转变为活塞的直线往复运动。连杆的主要生产方法为锻造、粉末冶金、铸造，力学性能以锻造最高，铸造最低，粉末冶金方法居中。相比锻造和铸造，粉末冶金具有机加工少，尺寸精度高，组织均匀，偏析和夹杂少、生产效率高等优点，目前粉末冶金连杆以铁基材料为主。与铝基材料相比，铁基材料力学性能较高，能够在较高的负载下工作，但难于生产出密度均匀、致密度高(>90％理论密度)的零件，且铁的导热性相对较差，机加工过程中必须使用冷却液。在表面封孔处理不彻底的情况下，冷却液会渗入到连杆基体中，在使用过程中又逐步溢出。溢出的冷却液老化后会造成零件匹配或润滑异常，导致压缩机运行不正常，如噪声增大，压力不正常等情况，甚至直接停机。采用铝合金连杆则能够避免以上问题，首先铝基材料具有较好的压制性能，较低压力下成型密度就可以达到理论密度的95％(含润滑剂)以上，且铝合金通常会有一定的烧结收缩，因此烧结后致密度可≥97％，此时孔隙球化，形成闭孔，密封性能良好。铝的导热性能良好，仅次于铜、银，比铁高一个数量级，因此在机加工过程中可采用吹气冷却，不需要加入冷却液，彻底避免冷却液渗入的问题。利用铝合金热导率高的优点，在设计连杆的时候也可简化设计。铝的密度是铁的0.34倍，因此采用铝合金连杆可以极大地降低压缩机工作时的功耗，提高能量利用率。

除以上所述优点外，粉末冶金铝合金与传统铸造和压铸铝合金相比，表面与内部缺陷少，组织均匀，晶粒细小，因为铸件存在一些固有缺陷，比如：在浇铸时，熔液前端的温度太低，相叠时产出痕迹(冷纹)；容易产生气孔、缩孔等缺陷，显微组织不均匀，表面晶粒较细，心部晶粒粗大，严重影响零件的力学性能；大多数压铸铝合金不可热处理，所以强度不高，但烧结铝合金可以通过热处理(T6)，显著提高材料的强度和硬度。因此，粉末冶金铝合金特别适合于服役条件要求更高的领域。采用粉末冶金方法制造铝合金连杆是一种简单、高效、节能、环保的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种工艺简单、材料利用率高、成本低的压缩机用粉末冶金铝合金连杆的制备方法，可适合批量生产，制得的铝合金连杆具有较好的力学性能。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种压缩机用粉末冶金铝合金连杆的制备方法，其特征在于依次包括以下步骤：

1)设计材料组成：铝合金连杆的化学成分为：Cu：0.1-7wt％，Mg：0.1-3wt％，Si：0.1-6wt％，Zn：0.1-8wt％，Sn：0.02-2wt％，其他细化晶粒助剂或烧结助剂含量小于2wt％，Al为余量；

2)按照上述成分配比，混合含有Al、Cu、Mg、Si、Zn、Sn元素的粉末，混合时添加粉末质量0.5～2.0％的粉末成型润滑剂；

3)将上述混合粉在100-600MPa的压力下模压成形得到生坯，成形密度为2.30～2.65g/cm³；

4)将成形生坯在250-470℃气氛保护或真空下进行脱蜡15-90分钟，脱除润滑剂，气氛选择氮气、氩气或氢气中的任意一种；

5)将脱除完润滑剂的生坯置于烧结炉中进行烧结，烧结温度为550-630℃，烧结时间20-120分钟，烧结过程采用真空，氮气、氩气、氢气或其中两种、三种混合气体保护，烧结后密度≥2.50g/cm³。

6)将烧结完成的铝合金连杆进行热处理，先进行固溶处理，固溶温度为460-540℃，固溶时间为0.5-8小时，水淬或盐水淬，接着进行时效处理，时效温度为20～200℃，时效时间为3-48小时；

7)将热处理后的产品进行整形；

8)将整形后的产品进行喷砂或刷毛处理；

9)进行机加工，使产品尺寸满足图纸要求；

10)根据产品使用要求决定是否需要进行阳极氧化处理或水洗钝化、表面涂覆表面处理，提高产品的耐磨性。

作为优选，所述步骤1)中铝合金连杆的化学成分为：Cu：0.2-5wt％，Mg：0.4-2wt％，Si：0.2-2wt％，Zn：0.1-6wt％，Sn：0.05-1.2％，其他细化晶粒助剂或烧结助剂含量小于2wt％，Al为余量。

作为优选，所述步骤2)的Cu、Mg、Si、Zn、Sn元素采用单质元素粉末或采用中间合金、预合金粉末形式加入，中间合金或预合金粉末为Al-Cu、Al-Mg、Al-Si、Al-Zn-Mg-Cu或者Cu-Sn合金粉，粉末的粒度为100～500目。

作为优选，所述步骤2)的润滑剂为酰胺类润滑剂。

再优选，所述步骤4)的气氛为氮气。

作为改进，所述步骤4)、步骤5)可合并为一道工序，采用连续炉，在脱蜡与烧结之间设置一过渡保温段，过渡保温段的温度为500～580℃，保温时间5～20分钟。

作为改进，所述步骤5)的烧结炉为网带炉、箱式炉或真空炉

优选地，所述步骤5)的烧结过程采用氮气作为保护气氛

再改进，所述步骤6)可调整到步骤7)之后进行，并且所述步骤6)在连杆力学性能满足使用要求的前提下可作为选项。

进一步改进，所述步骤10)在连杆表面硬度或耐磨性满足要求的前提下作为选项。

与现有技术相比，本发明的优点在于：提供了一种材料利用率高，生产成本低，适合于大批量生产的压缩机用铝合金连杆的制备方法，连杆的材质组分配比科学合理，制备工艺简单，具有加工量少、材料利用高的特点，降低了生产成本，提高生产效率，制得的连杆比强度高，耐磨性能良好，有利于优化压缩机设计，提高压缩机效率。

附图说明

图1是本发明的粉末冶金铝合金连杆的结构示意图；

图2是本发明实施例1中所用原材料Al、Al-Si、Cu、Al-Mg的粉末形貌照片；

图3是本发明实施例1中烧结态的产品金相组织照片

图4a是实施例1中烧结态的断口形貌SEM图；

图4b是实施例1中热处理态的断口形貌SEM图；

图5a是实施例1中烧结态的金相组织背散射形貌照片；

图5b是实施例1中热处理态的金相组织背散射形貌照片。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

1、混料：连杆的化学成分为Cu：4.5wt％，Mg：1.2wt％，Si：0.7wt％，Zn：0.1wt％，Sn：0.1wt％(质量分数)，将4.5wt％粒度为325目的电解铜粉，2.8wt％粒度为500目的Al-25Si合金粉，2.4wt％粒度为100目的Al-50Mg合金粉，0.1wt％粒度为200目的锌粉，0.1wt％粒度为200目的锡粉，1.4wt％润滑剂，88.7wt％100目铝粉置于双锥混料机中，混合45分钟，所使用粉末形貌如图2所示。

2、成形：利用混合好的粉末在成型压机上按照图纸要求成型，成型压力在150-400MPa，成型密度为2.60±0.05g/cm³。

3、脱蜡-烧结：将生坯在网带炉中连续进行脱腊、烧结，整个过程的保护气氛为纯氮气，露点≤-30℃。脱腊段温度为400℃，保温时间45分钟，脱蜡-烧结过渡段温度为530℃，保温时间10分钟，烧结段温度为600℃，保温时间为1小时，烧结后密度2.65±0.05g/cm³，烧结后金相组织如图3所示，孔隙尺寸较小≤50μm，孔隙率约为2.0～2.5％。晶粒尺寸约为100μm，沿晶界析出θ(Al₂Cu)相，晶内弥散分布条状平衡析出相S相(Al₂CuMg)。断口如图4a所示，金相组织背散射形貌如图5a所示，可观察到大量的铜沿晶界析出，韧窝、撕裂棱较多，说明烧结良好。

4、热处理：将烧结态产品在500℃温度下固溶处理1小时，水淬，160℃时效8小时，热处理后断口形貌如图4b所示，金相组织背散射形貌如图5b所示，与烧结态相比，韧窝加深，撕裂棱较多，说明其力学性能提高。

5、整形：将热处理完毕的连杆在整形模具中进行挤压变形，修正烧结、热处理产生的变形，提高连杆的尺寸及形位公差。

6、将整形后的产品进行喷砂或刷毛处理，去除脱蜡过程中产生的润滑剂分解产物及烧结、热处理过程中产生的表面局部氧化物，提高产品的外观质量。

7、机加工：根据连杆图纸尺寸要求，进行精加工，达到图纸要求。

所制备得到的连杆热处理前后力学性能如表1所示。

表1

状态	拉伸强度(MPa)	硬度(HRB)
			烧结态(T1)	180-210	50-58
热处理态(T6)	320-340	70-77

实施例2：

1、混料：连杆的化学成分为Zn：5.8wt％，Mg：2.5wt％，Cu：1.6wt％，Si：0.2wt％，Sn：0.1wt％(质量分数)，将97.6wt％的100目Al-5.8％Zn-2.5％Mg-1.6％Cu(质量分数)预合金粉末，0.8wt％的Al-25Si合金粉，0.1wt％的锡粉，1.5wt％润滑剂，置于双锥混料机中，混合30分钟。

2、成形：利用混合好的粉末在成型压机上按照图纸要求成型，成型压力在450-600MPa，成型密度为2.55±0.05g/cm³。

3、脱蜡：生坯快速加热至420℃，保温30min，保护气氛为纯氮气，氮气露点≤-30℃，脱蜡后残碳量≤0.05％。

4、将脱蜡完的产品加热至605℃，保温30min，保护气氛为纯氮气，氮气露点≤-45℃，烧结密度为2.75±0.05g/cm³。

5、整形：将烧结态的连杆在整形模具中进行挤压变形，修正烧结产生的变形，提高连杆的尺寸及形位公差。

所制备得到的连杆力学性能如表2所示：

表2

状态	拉伸强度(MPa)	硬度(HRB)
			烧结态(T1)	260～270	50～60

实施例3：

1、混料：连杆的化学成分为Cu：3.0wt％，Mg：1.0wt％，Si：1.0wt％，Zn：0.1wt％，Sn：0.6wt％(质量分数)，将6.0wt％粒度为325目的Al-50Cu合金粉，4wt％粒度为500目的Al-25Si合金粉，2.0wt％粒度为100目的Al-50Mg合金粉，0.1wt％粒度为200目的锌粉，0.6wt％粒度为200目的锡粉，1.5wt％润滑剂，85.8wt％100目铝粉置于双锥混料机中，混合45分钟。

4、烧结：将脱蜡完的产品加热至595℃，保温30min，保护气氛为纯氮气，氮气露点≤-45℃，烧结密度为2.65±0.05g/cm³。

6、热处理：将整形后的产品在495℃温度下固溶处理120分钟，水淬，180℃时效6小时。

7、将热处理后的产品进行喷砂或刷毛处理，提高产品的外观质量。

8、机加工：根据连杆图纸尺寸要求，进行精加工，达到图纸要求。

所制备得到的连杆力学性能如表3所示：

表3

状态	拉伸强度(MPa)	硬度(HRB)
			热处理态(T6)	340～350	60-65

实施例4：

1、混料：连杆的化学成分为Cu：0.42wt％，Mg：0.8wt％，Si：0.75wt％，Zn：0.1wt％，Sn：0.18wt％(质量分数)。将0.6wt％粒度为325目的Cu-30Sn合金粉，3.0wt％粒度为500目的Al-25Si合金粉，1.6wt％粒度为100目的Al-50Mg合金粉，0.1wt％粒度为200目的锌粉，1.2wt％润滑剂，93.5wt％100目铝粉置于双锥混料机中，混合45分钟。

2、成形：利用混合好的粉末在成型压机上按照图纸要求成型，成型压力在150-200MPa，成型密度为2.45±0.05g/cm³。

3、脱蜡-烧结：将生坯在网带炉中连续进行脱腊、烧结，整个过程的保护气氛为纯氮气，露点≤-30℃。脱腊段温度为420℃，保温时间25分钟，脱蜡-烧结过渡段温度为530℃，保温时间10分钟，烧结段温度为630℃，保温时间为40分钟，烧结后密度2.55±0.05g/cm³。

4、热处理：将烧结态在520℃温度下固溶处理30分钟，水淬或盐水淬，180℃时效8小时。

6、刷毛：将整形后的产品进行刷毛处理，去除脱蜡过程中产生的润滑剂分解产物及烧结、热处理过程中产生的表面局部氧化物，提高产品的外观质量。

8、阳极氧化处理:对产品进行阳极氧化处理，提高产品的耐磨性。

通过本方法获得产品的力学性能如表4所示：

表4

状态	拉伸强度(MPa)	硬度(HRB)
			烧结态(T1)	140-150	N/A
热处理态(T6)	230-250	55-60

实施例5：

1、混料：连杆的化学成分为Cu：0.3wt％，Mg：1.0wt％，Si：0.6wt％，Zn：0.1wt％，Sn：0.05wt％(质量分数)。将98.85wt％的100目Al-1.0％Mg-0.6％Si-0.3％Cu(质量分数)预合金粉末，0.1％的锌粉，0.05％的锡粉，1.0wt％润滑剂，置于双锥混料机中，混合30分钟。

3、脱蜡：生坯快速加热至400℃，保温20min，保护气氛为纯氮气，氮气露点≤-30℃。

4、烧结：脱蜡完的产品加热至625℃，保温30min，保护气氛为纯氮气，氮气露点≤-45℃，烧结密度为2.55±0.05g/cm³。

5、整形：将烧结完毕的连杆在整形模具中进行挤压变形，修正烧结产生的变形，提高连杆的尺寸及形位公差

6、热处理：将整形的产品在520℃温度下固溶处理30分钟，水淬或盐水淬，180℃时效8小时。。

7、刷毛：将整形后的产品进行刷毛处理，去除脱蜡过程中产生的润滑剂分解产物及烧结、热处理过程中产生的表面局部氧化物，提高产品的外观质量。

9、阳极氧化处理:对产品进行阳极氧化处理，提高产品的耐磨性。

所制备得到的连杆性能如表5所示：

表5

状态	拉伸强度(MPa)	阳极氧化膜厚(μm)	表面硬度HV
				阳极氧化后	250-280	15-25	≥500

结论：采用本发明制备的粉末冶金铝合金连杆拉伸强度高、硬度好，具有良好的耐磨性能，有利于优化压缩机设计，提高压缩机效率，适合大批量高效率生产。

Claims

1.一种压缩机用粉末冶金铝合金连杆的制备方法，其特征在于依次包括以下步骤：

1)设计材料组成：铝合金连杆的化学成分为：0.2＜Cu≤5wt％，Mg：0.4-2wt％，0.2＜Si≤2wt％，Zn：0.1-8wt％，0.02＜Sn≤2wt％，其他细化晶粒助剂或烧结助剂含量小于2wt％，Al为余量；

5)将脱除完润滑剂的生坯置于烧结炉中进行烧结，烧结温度为550-630℃，烧结时间20-120分钟，烧结过程采用真空，氮气、氩气、氢气或其中两种、三种混合气体保护，烧结密度≥2.50g/cm³；

7)将热处理后的产品进行整形；

8)将整形后的产品进行喷砂或刷毛处理；

9)进行机加工，使产品尺寸满足图纸要求；

10)根据产品使用要求决定是否需要进行阳极氧化处理或表面涂覆、水洗钝化表面处理，提高产品的耐磨性。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中铝合金连杆的化学成分中的Zn：0.1-6wt％，Sn：0.05-1.2％。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤2)的Cu、Mg、Si、Zn、Sn元素采用单质元素粉末或采用中间合金、预合金粉末形式加入，中间合金或预合金粉末为Al-Cu、Al-Mg、Al-Si、Al-Zn-Mg-Cu或者Cu-Sn合金粉，粉末的粒度为100～500目。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤2)的润滑剂为酰胺类润滑剂。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤4)的气氛为氮气。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤4)、步骤5)可合并为一道工序，采用连续炉，在脱蜡与烧结之间设置一过渡保温段，过渡保温段的温度为500～580℃，保温时间为5～20分钟。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤5)的烧结炉为网带炉、箱式炉或真空炉。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤5)的烧结过程采用氮气作为保护气氛。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤6)可调整到步骤7)之后进行，并且所述步骤6)在连杆力学性能满足使用要求的前提下可作为选项。

10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤10)在连杆表面硬度或耐磨性满足要求的前提下作为选项。