CN107829003B - 一种采用粉末冶金法制备铝合金零部件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用粉末冶金法制备铝合金零部件的方法，属于粉末冶金法制备铝合金零部件的技术领域。其制备方法是将纯Al粉、以及Mg、Si、Cu三种合金元素粉或二元合金粉按一定比例混合均匀后，经过压制成形、烧结、热处理和后续表面处理等过程得到铝合金零件。本发明使用纯铝粉为主要原料，开发了适用于压制‑烧结工艺的铝合金体系，并且通过研究出烧结‑热处理一体化的生产工艺，简化了生产工艺，提高了生产效率，并降低了生产成本。本发明制备制备的铝合金材料致密度高于98％，其抗拉强度大于300MPa，延伸率约为5％。

Description

一种采用粉末冶金法制备铝合金零部件的方法

技术领域

本发明涉及一种采用粉末冶金法制备铝合金零部件的方法，属于粉末冶金法制备金属零部件的技术领域。

背景技术

铝合金密度低、比强度高、塑性好、具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，广泛应用于航空航天、电子电力、建筑等工业领域。粉末冶金工艺是一种零部件近净成型制备方法，所制备的产品无需或只需少量机加工，是一种节约能源、资源、低成本的零部件加工技术。粉末冶金铝合金结合了铝合金和粉末冶金的双重优势，使得粉末冶金铝合金得到了广泛的应用。近几年来，随着人们环保意识的提高，汽车轻量化越来越多地引起人们的关注，汽车的轻型化发展促进了粉末冶金铝合金在汽车中的应用。

关于粉末冶金铝合金的研究，Schaffer等研究了微量元素、气氛对Al-Cu-Mg体系烧结的影响。发现微量合金元素Sn、Zn等由于表面张力小，可以改善体系的润湿性，从而能促进液相烧结[Schaffer G B,Yao J Y,Bonner S J,Crossin E,Pas S J,Hill A J.ActaMaterialia,2008,56(11):2615-2624]。Cu元素的添加主要是在548℃时，Cu可以通过与Al形成低熔点的Al₂Cu的过渡相来实现液相烧结[Schaffer G B,Sercombe T B,Lumley RN.Materials Chemistry and Physics,2001,67(1-3):85-91]。此外他还研究了铝合金在氮气、氩气、氮气-氩气混合气以及真空等不同烧结气氛对烧结致密化的影响，发现在氮气条件下烧结可以获得最高的致密度，这是因为氮气在整个烧结过程中不仅仅作为保护气氛，还可以与Al发生反应生成AlN，AlN的形成可以减小孔隙中的压力，从而使得液相在压力差的作用下更容易填充孔隙[Sercombe T B，Schaffer G B.Acta Materialia,2004,52(10):3019-3025]。Lumley等人发现Mg元素可以在烧结过程中与Al表面的氧化膜反应生成MgAl₂O₄，从而有效的去除氧化膜，促进烧结的致密化[Lumley R N,Sercombe T B,SchafferG M.Metallurgical and Materials Transactions A,1999,30(2):457-463]；Delgado等发现Si元素不仅仅可以与Al生成共晶液相填充孔隙，还可以分布在Al与Al₂Cu液相之间，增强Al₂Cu液相的持续性，使得Al₂Cu液相更好的填充孔隙[Delgado M L，Ruiz-Navas E M，Gordo E，Torralba J M.Journal of Materials Processing Technology,2005,162-163,280-285]。关于铝合金的固溶处理，一般是根据铝合金的DSC曲线，进行单级固溶处理或双级固溶处理。

上述研究探明了氧化膜的破除机制、主要合金元素的作用、微量元素的作用。在实际生产中，国外已实现了粉末冶金工艺(压制-烧结)生产铝合金零部件的大规模制备，他们使用的铝合金体系主要是Al-Mg-Cu和Al-Mg-Si-Cu两种体系。但目前该类合金粉末仅有国外的Ampal和

等几家公司销售，且仅有少数几种铝合金体系，这导致粉体原料成本较高。

生产供应601AB(Al-0.25Cu-1Mg-0.6Si)和201AB(Al-4.4Cu-0.5Mg-0.8Si)等粉末，其中MPP公司使用201AB生产出引擎凸轮轴轴承盖，产品密度为2.5g/cm³，抗拉强度为207MPa，硬度55HRE；601AB用于主要用在汽车轮毂制造，其产品密度为2.52g/cm³，抗拉强度为224MPa，硬度70HRE。

上述研究与生产还存在一些问题：首先，铝合金成分多是通过已有的变形铝合金成分调整得到的，目前其粉末冶金制品主要用于低应力条件下的使用，其性能和近终成形的能力较差，并不能制备出高性能的粉末冶金铝合金制品；其次，所用的原料粉末均为合金粉末，该原料粉末的制备成本较高。此外，上述研究和生产过程，其热处理方式均是在烧结完成后再重新升温至固溶温度进行热处理，整个生产过程周期长，能耗大，导致生产成本进一步提高。

发明内容

本发明针对现有的粉末冶金铝合金技术存在的问题，提供一种低成本制备高性能铝合金零部件的技术。本发明开发了适用于粉末冶金法制备的铝合金成分体系，并改变传统生产以Al合金粉末为原料的方式，直接采用纯Al粉为主要原料，Cu、Mg和Si等合金元素以单质粉或二元合金粉的形式引入，添加适量微量Sn元素等作为烧结助剂，通过混粉、压制、烧结、热处理和表面处理等工艺，制备出致密度高，性能优良的铝合金零部件。

一种采用粉末冶金法制备铝合金零部件的方法，其特征在于具体工艺路线为：

原料配置→成形→脱脂-烧结-固溶处理→时效处理→表面处理→铝合金制品。首先将纯Al粉、以及Mg、Si、Cu三种合金元素粉或二元合金粉按一定质量进行配比，将其与粘结剂在混料机上混合30-60min混合均匀；然后将混合均匀的粉末置于特定的模具中，以一定的压制压力压制得到所需形状的生坯；最后将所得生坯进行脱脂-烧结-固溶，时效以及后期喷砂表面处理得到最终铝合金零件。

进一步地，所用原料粉，Al、Cu、Sn以单质粉的形式加入，Si和Mg元素以Al-Si、Al-Mg二元合金粉的形式加入；其中纯铝粉的中位粒径为60-100μm，其余的单质或合金粉的中位粒径均小于50μm。

进一步地，所用合金元素Mg、Si、Cu和Sn的质量百分数分别为0.5-2.5、0.2-1.5、3.0-5.0、0.1-1.0，余量为Al。

进一步地，所使用的粘结剂为酰胺蜡C蜡、硬脂酸、石蜡有机物，粘结剂的质量百分数为合金粉的0.5-1.5％。

进一步地，铝合金的压制压力为100-400MPa。

进一步地，脱脂-烧结-固溶处理阶段采用一步法进行；过程主要分为3个阶段，第1阶段为脱脂阶段：将坯体以1-5℃/min的速率升至脱脂温度300℃，保温30-60min；第2阶段为烧结致密化阶段：依次升温至450-470℃、550-570℃、590-610℃；三个温度区间内，分别保温20-40min、20-50min、50-240min；第3阶段为固溶处理阶段：以1-5℃/min速率降至500-530℃，保温120-240min，水淬；整个烧结-固溶过程的气氛为氮气。

进一步地，时效阶段是将烧结-固溶后的试样在150-250℃时效2-24h。

本发明和现有生产技术相比的有益效果在于：

(1)本发明的优势为原料采用纯Al粉为主要原料、Mg、Si、Cu和Sn等合金元素通过单质或二元合金粉的形式引入。现有生产中均采用的是铝合金粉，该合金粉目前仅有国外少数几家公司销售，价格昂贵。本发明所采用的纯铝粉及其他二元合金粉价格低廉，大幅降低了原材料成本，适用于大规模的生产应用。

(2)本发明中添加Mg、Si、Cu、Sn合金元素进行烧结，通过添加适量Mg元素来破除粉末Al表面的氧化膜，提高了体系的润湿性，有利于烧结过程中颗粒之间的原子扩散；通过添加一定量的Si和Cu元素与Al形成共晶液相来实现液相填隙的过程，并且Al-Si共晶液相对Al-Cu共晶液相在基体上的润湿性有好的促进作用，使得Al-Cu液相在烧结过程中保持更长时间；此外，铝合金中脆性相Mg₂Si在晶界处的存在会降低铝合金的强度，通过控制元素Mg和Si的添加比例，使得两者比例大于1.73，进而控制Mg₂Si的形成量；反应助剂Sn的添加，由于其表面张力小，可以有效改善体系的润湿性，并且在氮气气氛下可以控制AlN的形成速率。

(3)本发明在现有生产所用铝合金的基础上，优化合金成分范围。对于Mg元素，理论上用于去除氧化膜所需的含量约为0.1wt％，由于润滑剂的存在，Mg将与润滑剂反应生成硬脂酸镁，且Mg元素在Al基体中存在一定的固溶度，同时与Si元素生成Mg₂Si化合物，因此需要比理论更多的Mg元素，所以本体系中Mg元素的添加量约为0.5-2.5wt％；Si和Cu元素为铝合金中主要的液相形成元素，但过多的Si会使得脆性相Mg₂Si增多，过多的Cu元素会使得合金的耐蚀性降低，并且不利于后期的表面阳极氧化处理。为实现烧结的致密化，Si元素添加量为0.2-1.5wt％，Cu元素的添加量约为3.0-5.0wt％；Sn作为改善体系润湿性的元素，其在基体Al中的固溶度很小，过量的Sn会存在晶界处，对力学性产生不良影响，但小于0.1wt％时，对体系的润湿性改善不大，因此Sn的含量为0.1-1wt％。

(4)本发明中所用主要元素Al的中位粒径为60-100μm，此范围内烧结后得到的致密度最高。当Al粉颗粒太小时，造成体系中Al的比表面积增大，比表面积的增大一方面会使得体系的氧含量增加，不利于烧结致密化；另一方面，由于比表面积增大使得颗粒边界增多，实现致密化需要提供更多的液相量，因此需要加入更多的合金元素，这将影响铝合金的性能。当Al粉颗粒过大时，颗粒之间所形成的孔隙越大，液相难以充分填充孔隙影响铝合金的致密度。Si和Cu等合金元素粉末的中位粒径均小于50μm，这有利于在混粉压制后，合金元素在坯体里均匀分布，促进烧结过程合金的致密化。

(5)本发明中铝合金的烧结致密化过程材料阶梯烧结的方式进行，即分别在450-470℃、550-570℃、590-610℃三个温度区间内保温一定时间，而传统铝合金的烧结一般采用直接升温至最高烧结温度保温的方式。上述三个温度区间分别对应Al-Mg、Al-Cu和Al-Si共晶液相的生成温度，在这几个温度区间进行保温，有利于合金中液相的充分生成，促进烧结体的致密化。

(6)本发明采用脱脂-烧结-固溶处理一步法的烧结方式。传统的铝合金制备采用烧结和固溶处理分开进行一般是在烧结结束冷却至室温后，再升温到固溶温度进行热处理，整个过程时间长、能耗大，的生产方式如图1所示，。而本发明通过改善烧结-固溶热处理工艺(如图1所示)，在最高温度烧结完成后直接以1-5℃的冷却速度冷却至固溶温度进行保温，然后水淬。相比原有的生产工艺，本方法简化了生产过程，从而大大降低了时间成本和生产工艺成本，使得其在工业生产中更具有优势。

附图说明

图1为两种烧结、固溶生产工艺示意图；

图2为铝合金经过烧结-固溶处理后的微观组织图；

图3为铝合金经过时效处理后的微观组织图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

实施例1：一种采用粉末冶金法制备铝合金零部件的方法，具体步骤如下：

a.将所用的原料粉按照以下的质量分数及中位径进行配比，添加质量分数为1.5％的酰胺蜡C蜡作为润滑剂，然后在混料机上混合30min后得到混合均匀的粉体；

所用各原料粉的质量百分、中位径如下：

b.将步骤a得到的粉末在300MPa的压制压力下进行压制，得到直径为30mm的圆形坯体；

c.将步骤b得到的成形坯体在氮气气氛下进行烧结-固溶处理，具体工艺参数为：300℃(脱脂温度)保温20min，460℃保温20min，560保温20min，600℃保温50min，升温速度为2℃/min，随后将温度降低到520℃，保温120min进行固溶后进行水淬，降温速度为1℃/min；

d.将步骤c得到的试样放置真空干燥箱中于150℃下保温2h进行时效；

e.将步骤d得到的热处理后的样品表面进行喷砂处理，改善表面质量和提高表面硬度及耐磨性等性能。

经过上述步骤得到的不同成分样品微观组织图大致相同，如图2所示。从图中可以看出经过热处理后样品中的合金元素基本全部固溶到基体中，只有在颗粒边界仍有少量偏聚，微观组织均匀，孔洞较少，因此大大提高了铝合金的力学性能。经热处理后其致密度可达98％以上，抗拉强度可达310MPa以上，延伸率为4.0％-5.0％。

实施例2：一种采用粉末冶金法制备铝合金零部件的方法，具体步骤如下：

a.将所用的原料粉按照以下的质量分数及中位径进行配比，添加质量分数为1.5％wt的酰胺蜡C蜡作为润滑剂，然后在混料机上混合60min后得到混合均匀的粉体；

所用各原料粉的质量百分比、中位径以及Al在不同中位径下的烧结致密度如下：

b.将步骤a得到的粉末在300MPa的压制压力下进行压制，得到直径为30mm的圆形坯体；

c.将步骤b得到的成形坯体在氮气气氛下进行烧结-固溶处理，具体工艺参数为：300℃(脱脂温度)保温40min，460℃保温40min，560保温50min，600℃保温240min，升温速度为8℃/min，随后将温度降低到520℃，保温240min进行固溶后进行水淬，降温速度为5℃/min；

d.将步骤c得到的试样放置真空干燥箱中于250℃下保温24h进行时效；

e.将步骤d得到的热处理后的样品表面进行喷砂处理，改善表面质量和提高表面硬度及耐磨性等性能。

经过上述步骤得到的样品，从上表可以看出Al粉的粒径在45-85μm之间时材料的致密度较高，其微观组织图如图3所示，这与实施例1的微观组织类似，经热处理后其致密度可达98％以上，抗拉强度为310MPa以上，延伸率为3％-4％。当Al粉的粒径小于45μm时，由于整个粉末体系的比表面积增大，导致氧含量升高，在所研究使用元素范围内，体系的润湿性较差，并且液相量也相对减小，导致烧结后的致密度较低。当Al粉的粒径大于85μm时，虽然烧结后的致密度较高，但是由于颗粒大，烧结过程晶粒再次长大，使得烧结后组织颗粒过大使得铝合金的强度降低。

实施例3：一种采用粉末冶金法制备铝合金零部件的方法，具体步骤如下：

a.将所用的原料粉按照以下的质量分数及中位径进行配比，添加质量分数为1.5％wt的酰胺蜡C蜡作为润滑剂，然后在混料机上混合45min后得到混合均匀的粉体；

所用各原料粉的质量百分比及中位径如下：

	Mg	Si	Cu	Sn	Al
						质量分数(％)	1.50	0.8	4.0	0.5	93.2
中位径(μm)	75	32	45	27	75

b.将步骤a得到的粉末在300MPa压制压力下进行压制，得到直径为30mm的圆形坯体；

c.将步骤b得到的成形坯体在氮气气氛下进行烧结-固溶处理，其中整个过程升温速度为5℃/min，降温速度为2℃/min，固溶后进行水淬。具体工艺参数如下所示：

	时间(min)	方案1	方案2	方案3
					脱脂温度(℃)	30	280	300	350
第一阶段烧结温度(℃)	30	450	46	470
					第二阶段烧结温度(℃)	30	550	560	570
第三阶段烧结温度(℃)	180	590	600	610
					固溶温度(℃)	240	500	515	530

d.将步骤c得到的试样放置真空干燥箱中于200℃下保温10h进行时效；

e.将步骤d得到的热处理后的样品表面进行喷砂处理，改善表面质量和提高表面硬度及耐磨性等性能。

经过上述步骤得到的不同烧结-固溶参数下样品微观组织与实施例1的微观组织类似。经热处理后其致密度可达98％以上，抗拉强度可达310MPa以上，延伸率为4.0％-5.0％。

Claims (3)

1.一种采用粉末冶金法制备铝合金零部件的方法，其特征在于具体工艺路线为：

原料配置→成形→脱脂-烧结-固溶处理→时效处理→表面处理→铝合金制品；首先将纯Al粉、以及Mg、Si、Cu、Sn单质粉末按一定质量进行配比，将其与粘结剂在混料机上混合30min混合均匀；然后将混合均匀的粉末置于特定的模具中，以一定的压制压力压制得到所需形状的生坯；最后将所得生坯进行烧结、固溶、时效以及后期喷砂表面处理得到最终铝合金零件；

所用原料粉，Al、Cu、Sn、Si和Mg均以单质的形式加入；其中纯铝粉的中位粒径为75μm，Mg粉的中位粒径为75μm，Si粉的中位粒径为32μm，Cu粉的中位粒径为45μm，Sn粉的中位粒径为27μm；

脱脂-烧结-固溶处理阶段采用一步法进行；过程主要分为3个阶段，第1阶段为脱脂阶段：将坯体以2℃/min的速率升至脱脂温度300℃，保温20min；第2阶段为烧结致密化阶段：以2℃/min的速率依次升温至460℃、560℃、600℃；三个温度区间内，分别保温20min、20min、50min；第3阶段为固溶处理阶段：以1℃/min速率降至520℃，保温120min，水淬；整个烧结-固溶过程的气氛为氮气；

时效阶段是将烧结-固溶后的试样在150℃时效2h；

所用合金元素Mg、Si、Cu和Sn的质量百分数分别为1.0、0.5、3.5、0.2，或者为1.5、0.8、4.0、0.3，或者为2.0、1.0、5.0、0.5，余量为Al；

所使用的粘结剂为酰胺蜡C蜡，粘结剂的质量百分数为原料粉的1.5％；

铝合金的压制压力为300MPa。

2.一种采用粉末冶金法制备铝合金零部件的方法，其特征在于具体工艺路线为：

原料配置→成形→脱脂-烧结-固溶处理→时效处理→表面处理→铝合金制品；首先将纯Al粉、以及Mg、Si、Cu、Sn单质粉末按一定质量进行配比，将其与粘结剂在混料机上混合60min混合均匀；然后将混合均匀的粉末置于特定的模具中，以一定的压制压力压制得到所需形状的生坯；最后将所得生坯进行烧结、固溶、时效以及后期喷砂表面处理得到最终铝合金零件；

所用原料粉，Al、Cu、Sn、Si和Mg均以单质粉的形式加入；其中纯铝粉的中位粒径为75μm或85μm，Mg粉的中位粒径为75μm，Si粉的中位粒径为32μm，Cu粉的中位粒径为45μm，Sn粉的中位粒径为27μm；

脱脂-烧结-固溶处理阶段采用一步法进行；过程主要分为3个阶段，第1阶段为脱脂阶段：将坯体以8℃/min的速率升至脱脂温度300℃，保温40min；第2阶段为烧结致密化阶段：以8℃/min的速率依次升温至460℃、560℃、600℃；三个温度区间内，分别保温40min、50min、240min；第3阶段为固溶处理阶段：以5℃/min速率降至520℃，保温240min，水淬；整个烧结-固溶过程的气氛为氮气；

时效阶段是将烧结-固溶后的试样在250℃时效24h；

所用合金元素Mg、Si、Cu和Sn的质量百分数分别为1.5、0.8、4.0、0.3，余量为Al；

所使用的粘结剂为酰胺蜡C蜡，粘结剂的质量百分数为原料粉的1.5％；

铝合金的压制压力为300MPa。

3.一种采用粉末冶金法制备铝合金零部件的方法，其特征在于具体工艺路线为：

原料配置→成形→脱脂-烧结-固溶处理→时效处理→表面处理→铝合金制品；首先将纯Al粉、以及Mg、Si、Cu、Sn单质粉末按一定质量进行配比，将其与粘结剂在混料机上混合45min混合均匀；然后将混合均匀的粉末置于特定的模具中，以一定的压制压力压制得到所需形状的生坯；最后将所得生坯进行烧结、固溶、时效以及后期喷砂表面处理得到最终铝合金零件；

所用原料粉，Al、Cu、Sn、Si和Mg均以单质粉的形式加入；其中纯铝粉的中位粒径为75μm，Mg粉的中位粒径为75μm，Si粉的中位粒径为32μm，Cu粉的中位粒径为45μm，Sn粉的中位粒径为27μm；

脱脂-烧结-固溶处理阶段采用一步法进行；过程主要分为3个阶段，第1阶段为脱脂阶段：将坯体以5℃/min的速率升至脱脂温度280℃，保温30min；第2阶段为烧结致密化阶段：以5℃/min的速率依次升温至450℃、550℃、590℃，三个温度区间内，分别保温30min、30min、180min；第3阶段为固溶处理阶段：以2℃/min速率降至500℃，保温240min，水淬；整个烧结-固溶过程的气氛为氮气；

或者上述脱脂温度为350℃，烧结致密化温度为470℃、570℃、610℃，固溶处理温度为530℃；

时效阶段是将烧结-固溶后的试样在200℃时效10h；

所用合金元素Mg、Si、Cu和Sn的质量百分数分别为1.5、0.8、4.0、0.5，余量为Al；

所使用的粘结剂为酰胺蜡C蜡，粘结剂的质量百分数为原料粉的1.5％；

铝合金的压制压力为300MPa。

Images