CN111360263B - 一种铝合金及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铝合金材料及其制造方法，本发明制造方法制备得到的铝合金材料，能适合各种尺寸、各种形状的铝合金产品的制备，并且具有优良的尺寸精度和表面平整度，同时铝合金产品还兼具了超高的强度和韧性。

Description

一种铝合金及其制造方法

技术领域

本发明涉及铝合金的技术领域，尤其是一种高强度铝合金及其制造方法。特别是硅含量相对较高的铝硅合金及其制造方法。

背景技术

铝及其合金的具有相对低的密度、高的导电性和导热性、以及在一些常见环境(包括环境大气)中的耐腐蚀性等优点，被大量应用到工程结构件，运输工具结构件，以及手机、穿戴等电子产品结构件。

其中，铝硅合金拥有更小的密度和更低的热膨胀系数，也更耐蚀，同时还具有很好的耐磨性，因此汽车零部件、电子封装元器件等各个领域具有广泛的应用。传统的铝硅合金的生产方式可以为铸造，而在冷却过程中，硅铝合金的微观组织中通常存在板片状、八面体和其它复杂形貌的初生硅，这些分布在铝硅合金基体中的较粗大初生硅，严重地割裂了合金基体，在外力作用下，合金中的硅相尖端和棱角部位极易引起局部应力集中，从而显著降低铝硅合金的力学性能，尤其是阻碍其塑性、强度及耐磨性的提高，从而降低了合金的整体性能。特别是，如果要提高合金中硅的含量，铝硅合金结晶温度范围就会变宽，从而其铸造加工性能也会变差，特别是具有小尺寸、尖锐拐角的产品零部件，因此，传统的铸造方法制备高硅的铝硅合金的性能不能满足当前对于铝合金应用要求。

金属的注射成型技术和铸造等传统的金属加工方法相比的确具有一些突出的优点，可以很好地解决传统的铸造过程中难以避免的各种缺陷。但是注射成型技术在金属制造工艺中的发展应用也面临一些非常明显的问题，因为零件金属注射成形是在塑料注射成形基础上发展起来的一种新型金属粉末成形技术，其最初应用主要是考虑用于制造形状非常复杂、用传统的成型工艺较难实现的一些小尺寸零部件的制造，而由于注射成型工艺中通常需要加入粘结剂，后续脱脂、烧结等步骤时会导致收率增高，导致烧结后制品的尺寸难易控制，因此其往往只能用在低精度、小尺寸、力学性能要求不高的产品零部件上，而不太适合应用于力学性能要求较高的产品零部件。

因此，如何能够将注射成型技术有效应用在高硅铝合金的制造方法中并克服相应的技术问题，是极具应用前景和经济价值的研究方向。

发明内容

本发明的目的即在于提供一种高强度铝合金及其制造方法，通过优选铝硅合金的组分配比，辅之以独特的制造方法，获得了具有优异强韧性的铝合金材料。

为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种铝合金的制造方法，其特征在于：包括以下工艺步骤，

1)按比例配制铝合金粉末、强化物粉末并充分混合以得到混合粉末；

2)将混合粉末、粘结剂及烧结助剂混炼得到射出成型用颗粒；

3)将射出成型用颗粒射出成型得到射出成型体；

4)去除射出成型体中的粘结剂；

5)将射出成型体进行烧结；

6)将烧结体进行加压处理；

7)将加压处理后的烧结体进行热处理；

8)将热处理后的烧结体进行整形处理；

9)对尺寸整形处理后的烧结体进行时效处理。

进一步优选的，步骤1)中，所述铝合金粉末中各成分的质量百分比为，Si 11.0～13.0％，Cu 2.0～3.0％，Mg 0.3～0.7％，余量为Al；相对于100重量份的铝合金粉末，所述强化物粉末为1.0～1.5份，特别的，所述强化物粉末为碳化硅；特别的，所述铝合金粉末的粒径为20～30μm，所述强化物粉末的粒径为1～3μm，并且优选所述强化物粉末的长宽比小于3，特别优选的，所述铝合金粉末与强化物粉末的粒径之比大于10。

进一步优选的，步骤2)中，相对于100重量份的混合粉末，所述烧结助剂为0.5～1.0份，特别的，优选的，所述烧结助剂为Si，特别优选的所述烧结助剂的粒径为2～4μm；并且，相对于100容量份的混合粉末，所述粘结剂为50～60份，特别的，所述粘结剂包括明胶、硫酸铝、聚丙烯酸钠和水，并且相对于100重量份水，明胶为50～60份、硫酸铝为10～15份，聚丙烯酸钠为25～30份；特别的，所述混合是先将所述混合粉末预热到90～100℃，将所述粘结剂预热到80～90℃，然后将所述混合粉末分两次添加到粘结剂中，最后加入烧结助剂，边加入边搅拌。

进一步优选的，所述步骤3)中，将模具预热到20～30℃，且射出成型的温度为70～80℃。

进一步优选的，所述步骤4)中，将射出成型体在-10～-15℃、1.33Pa条件下进行冷冻干燥0.5～1h后，再在氩气流中加热到280～300℃进行加热脱脂。

进一步优选的，所述步骤5)中，将射出成型体在N₂气氛中、520～540℃条件下烧结2～3h。

进一步优选的，所述步骤6)中，将烧结体在10-30MPa压力下进行。

进一步优选的，所述步骤7)中，将烧结体在460～480℃下加热0.5～1h后水冷。

进一步优选的，所述步骤8)中，将水冷后放置0.5～1h的烧结体置于整形治具中施加60～80MPa的压力进行整形处理。

进一步优选的，所述步骤9)中，将整形处理后的铝合金加热到170～180℃保温7～8h。

本发明制造方法制备得到的铝合金材料，能适合各种尺寸、各种形状的铝合金产品的制备，并且具有优良的尺寸精度和表面平整度，同时铝合金产品还兼具了超高的强度和韧性。

本申请的其他特征和优点将在随后的说明书中详细阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者，部分特征和优点可以从说明书中推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本申请实施例了解。

具体实施方式

实施例1

首先，提供特定成分配比的铝合金粉末和强化物粉末。本申请中所用的铝合金粉末的成分配比为Si 12.0％，Cu 2.5％，Mg 0.5％，余量是Al，本申请中选取高硅铝合金作为改进的对象；其中，铝合金粉末的平均粒径为25μm，当然作为替代，铝合金粉末的平均粒径也可以选择其他，例如在20～30μm的范围内进行选择，但无论如何选择，铝合金粉末的粒径不宜过大，否则由于注射成型的原因而使得烧结体的相对密度难以达到理想的要求，但是铝合金粉末的粒径也不能太小，否则会导致生产成本过高。强化物粉末为碳化硅粉末，并且碳化硅粉末的平均粒径为2μm，特别重要的是，碳化硅粉末的粒径相较于铝合金粉末的平均粒径要足够小，例如像本实施例中一样，铝合金粉末的平均粒径：碳化硅粉末的平均粒径为12.5，这是由于，通常在注射成型中，混合后的金属粉末并没有发生像常规铸造工艺等那样充分地熔融混合，从而使得强化物在成型和烧结后，不能有效沿着铝合金的晶界析出而形成强化相，而更多的存在于铝合金晶粒内等位置，因此铝合金的晶界没有得到有效的强化而无法获得足够的强度，特别是在高温环境下的强度更无法满足使用要求，而为了解决上述问题，本申请采用了与铝合金粉末相比足够小的碳化硅粉末的粒径，以促进碳化硅粉末形成对铝合金金属晶粒的包裹，而使得强化相尽可能的在晶界析出而不是在晶粒内，为了保证强化效果，铝合金粉末的平均粒径与碳化硅粉末的平均粒径的比值至少应该大于10，但也不必过大，否则会导致碳化硅粉末的成本过高，在满足上述粒径比的前提下，优选碳化硅粉末的平均粒径为1-3μm。将铝合金粉末和强化物粉末准备好后，按照100重量份铝合金粉末和1.2重量份的强化物粉末的质量配比，将二者充分混合得到混合粉末，这里强化物粉末碳化硅的配比也可进行调整，但应当在1.0～1.5重量份的范围内，过高的含量，将会导致铝合金的脆性过大而劣化，过低则无法发挥其应有的效果。此外，还可以考虑控制碳化硅粉末的长宽比，例如使其小于3，这是因为较小的长宽比便于碳化硅粉末在烧结过程中的运动，从而更容易在铝合金晶粒的晶界处析出强化。

随后，提供粘结剂和烧结助剂。其中，本申请中的粘结剂包括明胶、硫酸铝、聚丙烯酸钠和水，具体是，相对于100重量份水，明胶为55份、硫酸铝为12份，聚丙烯酸钠为28份，当然，作为替换实施例，上述各成分的配比也可以作出调整，例如相对于100重量份水，明胶为50～60份、硫酸铝为10～15份，聚丙烯酸钠为25～30份。上述粘结剂各成分作用和成分配比解释如下，明胶能够在常温保持凝胶状态而在相对高温变成溶胶状态，这样就可以使得在射出成型时保持好的流动性而在后续脱脂过程保持生坯形状，为了实现明胶的上述可逆作用，明胶的含量不能少于50份，但是其含量也不能过高，否则会导致粘结剂粘度过高而影响混炼；硫酸铝能够与明胶中的羧基发生桥接而增强凝胶的强度而固定生坯形状，从而提高生坯的强韧性、避免裂纹的出现，为了发挥硫酸铝的作用，其含量至少应为10份，但其含量也不应过高，否则会导致粘度过高而难以混炼；聚丙烯酸钠的添加可以提高生坯强度并增强射出成型时的润滑性，为了实现上述效果，其含量至少应为25份，但也不能过高，否则会影响其他组分的作用。粘结剂的添加量相对于100容量分的混合粉末，其添加量为55容量份。其中，烧结助剂为Si，相对于100重量份的混合粉末，烧结助剂Si的添加量为0.8份，当然，作为替换实施例，烧结助剂的添加量也可以作出调整，例如相对于100重量份混合粉末，烧结助剂为0.5～1.0份，Si作为烧结助剂使用，能够显著促进烧结的进行，从而能够有效提高烧结的相对密度，使得本申请即便在铝合金粉末粒径超过20μm的情况下仍然能够得到高的相对密度，而且Si的添加也能在一定程度上避免铝合金粉末的表面氧化问题，为发挥Si的烧结助剂作用，其添加量应至少超过相对于100重量份混合粉末的0.5份，否则相对密度难以令人满意，但是其添加量也不应过高，否则并不会显著提升相对密度，反而会产生降低合金熔点而导致其他问题的出现。准备好粘结剂和烧结助剂后，本实施例是先将所述混合粉末预热到95℃，将所述粘结剂预热到85℃，然后将所述混合粉末分两次添加到粘结剂中，最后加入烧结助剂，边加入边搅拌混炼；为了使得粘结剂中的明胶处于溶胶状态，应将混合粉末进行预热后再添加到粘结剂中进行混炼，同时为了混炼充分均匀，将混合粉末分两次加入，同样的道理，粘结剂也应进行预热。

随后，将注射成型模具预热到25℃，并随后在75℃的条件下将混炼好的成型用颗粒进行注射成型以得到注射成型体。为了保证成型用颗粒和注射成型的温度，最好对注射成型模具进行预热；同时注射成型温度保持一定的温度能使得明胶处于溶胶状态即可。

随后，将射出成型体的生坯在-12℃、1.33Pa条件下进行冷冻干燥0.7h后，再在氩气流中以2℃/min的升温速率加热到290℃条件下加热脱脂。本申请中的冷冻干燥能够快速有效的将成型体生坯中的水分几乎全部去除，并且能够保持明胶在凝胶状态而维持生坯的形态，避免了生坯发生裂纹甚至破碎；而随后在较低的加热温度例如290℃的温度就可以进行充分脱脂，而这样的脱脂温度远远低于铝合金粉末的熔点，从而能够最大限度的避免铝合金粉末的氧化从而恶化后续的烧结性能，为此，虽然可以调整加热脱脂的升温速率和加热温度，但是必须对其严格控制，以保证脱脂充分同时又能够有效避免铝合金粉末的表面氧化。

随后，将射出成型体在N₂气氛中、530℃条件下烧结2.5h得到烧结体。N₂气氛能有效防止铝合金粉末的表面氧化，而530℃的低温烧结能够以固液共存的状态下进行烧结，而避免完全液相烧结所导致的后续烧结体尺寸的严重失真，保证了材料产品的尺寸精度，由于烧结温度相对较低，必须保证足够的烧结时间。

随后，对烧结体进行加压处理以消除烧结体中的空隙等缺陷，加压处理的压力可以为20MPa，虽然也可以调整压力但应当控制不易过高，以避免难以精确控制加压处理的程度效果，并容易产生裂纹缺陷等，加压处理可以在冷却的过程中同时进行。

随后，将冷却的烧结体进行热处理，具体是在470℃下加热0.7h后水冷，从而一定程度降低烧结体的硬度。并且随后，将水冷后放置1h的烧结体置于整形治具中施加70MPa的压力进行整形处理，以进一步提高铝合金材料的尺寸精度和表面平整度。

最后，将整形处理后的铝合金加热到175℃保温7.5h，从而利于强化物的析出从而提高合金材料的强度。

实施例2

与实施例1的主要不同之处在于，其调整了铝合金粉末的粒径为40μm，其余的原料及工艺条件均与实施例相同。

实施例3

与实施例1的主要不同之处在于，其调整了铝合金粉末的粒径为20μm，而碳化硅粉末的粒径为3μm，其余的原料及工艺条件均与实施例相同。

实施例4

与实施例1的主要不同之处在于，其调整了碳化硅粉末的添加量为，相对于100重量份的铝合金粉末为0.5重量份，其余的原料及工艺条件均与实施例相同。

实施例5

与实施例1的主要不同之处在于，其调整了碳化硅粉末的添加量为，相对于100重量份的铝合金粉末为3重量份，其余的原料及工艺条件均与实施例相同。

实施例6

与实施例1的主要不同之处在于，其调整了粘结剂中的成分，相对于100重量份的水，明胶为30重量份、硫酸铝为5重量份，其余的原料及工艺条件均与实施例相同。

实施例7

与实施例1的主要不同之处在于，其调整了烧结助剂Si的添加量，相对于100重量份的混合粉末，Si的添加量为0.2重量份，其余的原料及工艺条件均与实施例相同。

实施例8

与实施例1的主要不同之处在于，其调整了烧结助剂Si的添加量，相对于100重量份的混合粉末，Si的添加量为3重量份，其余的原料及工艺条件均与实施例相同。

实施例9

与实施例1的主要不同之处在于，将加热脱脂的温度设定为250℃，其余的原料及工艺条件均与实施例相同。

实施例10

与实施例1的主要不同之处在于，将加热脱脂的温度设定为320℃，其余的原料及工艺条件均与实施例相同。

实施例11

与实施例1的主要不同之处在于，将烧结的温度设定为560℃，其余的原料及工艺条件均与实施例相同。

实施例12

与实施例1的主要不同之处在于，不进行加压处理的步骤，其余的原料及工艺条件均与实施例相同。

将上述实施例1-12制备得到的注射成型铝合金材料，进行以下实验测试，以得到并评价铝合金材料的各项性能，结果列于表1。

(1)相对密度

相对密度是根据公式(表观密度/理论密度)×100％计算得到，单位：％。

(2)抗拉强度

采用JIS Z 2241(2011)规定的测试方法进行测定，单位：MPa。

(3)延伸率

采用JIS Z 2241(2011)规定的测试方法进行测定，单位：％。

(4)垂直度

采用JIS B 0621(1984)规定的测试方法进行测定，单位：％。

表1

	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
													相对密度(％)	98.1	89.0	97.3	97.5	93.4	90.6	85.7	94.6	89.7	92.2	97.1	80.1
抗拉强度(MPa)	380	336	342	316	377	355	310	368	324	349	353	296
													延伸率(％)	2.5	1.8	2.2	2.6	1.3	1.9	1.6	2.3	1.7	2.1	2.1	1.5
垂直度(％)	0.04	0.21	0.05	0.06	0.09	0.35	0.43	0.57	0.51	0.13	0.52	0.45

综上，本发明制造方法得到的铝合金材料，具有优异的烧结密度和尺寸精度，并且兼具了高硅铝合金的强韧性。采用本发明独特的注射成型工艺和后续的独特的烧结和整形工艺，可以获得具有优异尺寸精度和力学性能的铝合金材料，同时适用于各种尺寸和形状的铝合金产品的制造。

虽然本发明通过上述实施例来说明本发明铝合金材料的性能，但本发明并不局限于上述实施例，上述仅仅是在发明人研发过程中提供的有代表性的实施例。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料和工艺参数的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (6)

1.一种铝合金的制造方法，其特征在于：包括以下工艺步骤，

1）按比例配制铝合金粉末、强化物粉末并充分混合以得到混合粉末；

2）将混合粉末、粘结剂及烧结助剂混炼得到射出成型用颗粒；

3）将射出成型用颗粒射出成型得到射出成型体；

4）去除射出成型体中的粘结剂；

5）将射出成型体进行烧结；

6）将烧结体进行加压处理；

7）将加压处理后的烧结体进行热处理；

8）将热处理后的烧结体进行整形处理；

9）对整形处理后的烧结体进行时效处理；

其中，所述步骤1）中，相对于100重量份的铝合金粉末，所述强化物粉末为1.0~1.5份，所述强化物粉末为碳化硅；所述铝合金粉末的粒径为20~30μm，所述强化物粉末的粒径为1~3μm，并且所述强化物粉末的长宽比小于3，所述铝合金粉末与强化物粉末的粒径之比大于10；所述铝合金粉末中各成分的质量百分比为，Si 11.0~13.0%，Cu 2.0~3.0%，Mg 0.3~0.7%，余量为Al；

所述步骤2）中，相对于100重量份的混合粉末，所述烧结助剂为0.5~1.0份的Si，所述烧结助剂的粒径为2~4μm；并且，相对于100重量份的混合粉末，所述粘结剂为50~60份，所述粘结剂包括明胶、硫酸铝、聚丙烯酸钠和水，并且相对于100重量份水，明胶为50~60份、硫酸铝为10~15份，聚丙烯酸钠为25~30份；所述混合是先将所述混合粉末预热到90~100℃，将所述粘结剂预热到80~90℃，然后将所述混合粉末分多次添加到粘结剂中，最后加入烧结助剂，边加入边搅拌；

所述步骤4）中，将射出成型体在-10~-15℃、1.33Pa条件下进行冷冻干燥0.5~1h后，再在氩气流中加热到280~300℃进行加热脱脂；

所述步骤5）中，将射出成型体在N₂气氛中、520~530℃条件下烧结2~3h。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：

所述步骤3）中，将模具预热到20~30℃，且射出成型的温度为70~80℃。

3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：

所述步骤6）中，将烧结体在10-30MPa压力下进行。

4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：

所述步骤7）中，将烧结体在460~480℃下加热0.5~1h后水冷。

5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：

所述步骤8）中，将水冷后放置0.5~1h的烧结体置于整形治具中施加60~80MPa的压力进行整形处理。

6.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：

所述步骤9）中，将整形处理后的铝合金加热到170~180℃保温7~8h。