CN1165632C - 过共晶铝硅合金粉末冶金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种过共晶铝硅合金粉末冶金材料及其制备方法，特点是采用快速凝固法，以进一步提高合金中的硅含量，以提高材料的耐磨性并降低材料的热膨胀系数。
Description
技术领域
本发明涉及快速凝固技术和粉末冶金技术，具体是指一种高性能过共晶铝硅合金粉末冶金材料及其制备方法。
背景技术
现有的过共晶铝硅合金材料，其主要制备方法是铸造法，由于该法获得的初晶和共晶硅相尺寸较大，导致材料综合力学性能较差，这一缺点随着合金中硅含量的升高而变得更为明显。采用快速凝固技术制备过共晶铝硅合金材料，由于研究时间比较短，工艺尚不成熟。目前快速凝固过共晶铝硅合金材料由于制备工艺复杂，材料的制备成本高。从国内外本领域的研究来看，过共晶铝硅合金的硅含量基本在25wt％以下。当采用快速凝固技术和粉末冶金技术相结合制备过共晶铝硅合金材料时，国内外普遍采用了真空除气工艺，该法在一定程度上有利于降低粉末及材料的含氧量，但缺点在于工艺复杂，需要特殊设备。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术存在的缺点，提供一种过共晶铝硅合金粉末冶金材料，进一步提高合金中的硅含量，以提高材料的耐磨性并降低材料的热膨胀系数。
本发明的目的还在于提供一种过共晶铝硅合金粉末冶金材料的制备方法，采用快速凝固法，通过合理的成分设计与先进的制备工艺相结合，提高材料的综合力学性能；同时通过优化成形工艺路线，在保证材料高性能的条件下，简化制备工艺，降低材料成本。
本发明的过共晶铝硅合金粉末冶金材料质量百分比含量如下：
硅 30-32％，
铜 0.5-4.0％，
镁 0.2-2％，
铁 1.0-4％，
镍 0.5-2％，
锰 0-2％
其余为铝和不可避免的微量杂质
本发明的过共晶铝硅合金粉末冶金材料的制备方法包括如下步骤：
——气体雾化法制备合金粉末
将合金原料在感应电炉中熔炼，熔炼温度820～870℃，合金熔体经精练、除气后注入雾化装置，雾化介质为氮气、氩气或空气，雾化气体压力为2～10MPa，雾化温度780～850℃；
——压制生坯
在液压机上以100～400MPa的压力成形粉末生坯；
——包套封装
将粉末生坯用纯铝管、板材封装；
——预热除气
在热处理炉中空气气氛下加热封装好的粉末生坯，加热温度250～500℃，保温时间0.5～4小时；
——热挤压
将经预热除气的生坯从热处理炉中取出，迅速放入热挤压模具内，挤压成形致密材料。采用正挤压方式，挤压模具温度：250～500℃。挤压润滑剂：汽缸油+石墨粉，体积比2∶1。
——材料热处理
对挤压材料进行热处理，具体工艺参数为：470～520℃固溶处理0.5～4小时，在50～100℃的热水中淬火，人工时效处理150～220℃保温2～24小时。
过共晶铝硅合金粉末冶金材料的性能如下：相对密度达95％以上，常温抗拉强度在380MPa以上，200℃和300℃的抗拉强度分别在280MPa和150MPa以上，常温硬度HB≥110，线膨胀系数α125-200℃≤17×10-6K-1。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、本发明所采用的合金成分中硅含量较目前工业生产中常用的过共晶铝硅合金的硅含量为高，故材料的耐磨性得以提高，而热膨胀系数则有所下降。
2、在粉末成形工艺中取消了真空除气工艺，将预热和除气工序合而为一，且在空气气氛中完成生坯加热过程，不需要特殊设备，材料成形工艺路线得以简化，可以降低材料制备成本。
3、本发明制备的材料的综合性能远远高于采用铸造方法制备的成分相似的过共晶铝硅合金，如德国KS282合金。本发明制得的材料抗拉强度比KS282高80％以上，耐磨性能高20％以上，故是一种理想的活塞用材料。
通过如下实施例对本发明作进一步说明：
具体实施方式
实施例1：
步骤一：雾化制粉
合金成分：
Si：28％
Cu：2.0％
Mg：0.5％
Fe：1.0％
Ni：1.0％
Mn：0.5％
其余为铝和不可避免的微量杂质。
合金原料采用1#纯铝和结晶硅，Cu、Fe以中间合金的方式加入，Mg、Ni、Mn以单质形式加入。在感应电炉中熔炼合金，熔炼温度830℃。合金熔体经精练、除气后注入雾化装置，雾化介质为空气，雾化气体压力为8MPa，雾化温度820℃.粉末过GB6003规定的80目筛，去除大颗粒尺寸的粉末。
步骤二：压制生坯
将粉末在液压机上以200MPa的压力成形为生坯。
步骤三：包套封装。
将粉末生坯用纯铝管、板材封装。
步骤四：预热除气。
在热处理炉中空气气氛下加热封装好的粉末生坯，温度500℃，保温时间1小时。
步骤五：热挤压。
将经预热除气的生坯从热处理炉中取出，迅速放入热挤压模具内，挤压比17∶1。挤压模具温度：400℃。挤压润滑剂：汽缸油+石墨粉，体积比2∶1。
步骤六：材料热处理。
采用T6工艺对挤压材料进行热处理，具体工艺参数为：500℃固溶处理1小时，在70℃的热水中淬火，人工时效处理160℃保温6小时。即得高性能快速凝固粉末冶金过共晶铝硅合金材料，材料的抗拉强度为440MPa，延伸率1.0％，200℃和300℃的抗拉强度分别为310MPa和150MPa，常温硬度HB120，线膨胀系数α125-200℃＝17.0×10-6K-1。
实施例2：
步骤一：雾化制粉
合金成分：
Si：30％
Cu：1.0％
Mg：0.2％
Fe：1.0％
Ni：0.5％
Mn：0.5％
其余为铝和不可避免的微量杂质。
合金原料采用1#纯铝和结晶硅，Cu、Fe以中间合金的方式加入，Mg、Ni、Mn以单质形式加入。在感应电炉中熔炼合金，熔炼温度850℃。合金熔体经精练、除气后注入雾化装置，雾化介质为氮气，雾化气体压力为6MPa，雾化温度830℃.粉末过GB6003规定的80目筛，去除大颗粒尺寸的粉末。
步骤二：压制生坯
将粉末在液压机上以400MPa的压力成形为生坯。
步骤三：包套封装。
将粉末生坯用纯铝管、板材封装。
步骤四：预热除气。
在热处理炉中空气气氛下加热封装好的粉末生坯，温度400℃，保温时间1h。
步骤五：热挤压。
将经预热除气的生坯从热处理炉中取出，迅速放入热挤压模具内，挤压比10∶1。挤压模具温度：400℃。挤压润滑剂：汽缸油+石墨粉，体积比2∶1。
步骤六：材料热处理。
采用T6工艺对挤压材料进行热处理，具体工艺参数为：500℃固溶处理1小时，在70℃的热水中淬火，人工时效处理160℃保温12小时。即得高性能快速凝固粉末冶金过共晶铝硅合金材料，材料的抗拉强度为410MPa，延伸率1.0％，200℃和300℃的抗拉强度分别为305MPa和140MPa，常温硬度HB120，线膨胀系数α125-200℃＝16.7×10-6K-1。
实施例3：
步骤一：雾化制粉
合金成分：
Si：32％
Cu：2.0％
Mg：0.5％
Fe：2.0％
Ni：0.5％
其余为铝和不可避免的微量杂质。
合金原料采用1#纯铝和结晶硅，Cu、Fe以中间合金的方式加入，Mg、Ni、Mn以单质形式加入。在感应电炉中熔炼合金，熔炼温度870℃。合金熔体经精练、除气后注入雾化装置，雾化介质为氩气，雾化气体压力为10MPa，雾化温度850℃。粉末过GB6003规定的80目筛，去除大颗粒尺寸的粉末。
步骤二：压制生坯
将粉末在液压机上以200MPa的压力成形为生坯。
步骤三：包套封装。
将粉末生坯用纯铝管、板材封装。
步骤四：预热除气。
在热处理炉中空气气氛下加热封装好的粉末生坯，温度350℃，保温时间2h。
步骤五：热挤压。
将经预热除气的生坯从热处理炉中取出，迅速放入热挤压模具内，挤压比6∶1。挤压模具温度：300℃。挤压润滑剂：汽缸油+石墨粉，体积比2∶1。
步骤六：材料热处理。
采用T6工艺对挤压材料进行热处理，具体工艺参数为：500℃固溶处理1小时，在70℃的热水中淬火，人工时效处理160℃保温24小时。即得高性能快速凝固粉末冶金过共晶铝硅合金材料，材料的抗拉强度为380MPa，延伸率0.5％，200℃和300℃的抗拉强度分别为280MPa和150MPa，常温硬度HB115，线膨胀系数α125-200℃＝16.5×10-6K-1。
Claims (2)
1.一种过共晶铝硅合金粉末冶金材料，其特征在于质量百分比含量如下：
硅30-32％，
铜0.5-4.0％，
镁0.2-2％，
铁1.0-4％，
镍0.5-2％，
锰0-2％
其余为铝和不可避免的微量杂质。
2.权利要求1所述的过共晶铝硅合金粉末冶金材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
——气体雾化法制备所述过共晶铝硅合金粉末将粉末原料在感应电炉中熔炼，熔炼温度800～870℃，合金熔体经精练、除气后注入雾化装置，雾化介质为氮气、氩气或空气，雾化气体压力为2～10MPa，雾化温度780～850℃；所述粉末原料的质量百分比用量如下：Si：28～32％、Cu：0.5～4％、Mg：0～2％、Fe：0～4％、Ni：0～2％、Mn：0～2％、其余为铝和不可避免的微量杂质；
——压制生坯
在液压机上以100～400MPa的压力成形粉末生坯；
——包套封装
将制得的粉末生坯用纯铝管、板材封装；
——预热除气
在热处理炉中空气气氛下加热封装好的粉末生坯，加热温度250～500℃，时间0.5～4h；
——热挤压
经预热除气的生坯从热处理炉中取出，迅速放入热挤压模具内，挤压成形致密材料；挤压模具温度：250～500℃；挤压润滑剂：汽缸油+石墨粉，体积比2∶1；
——材料热处理
470～520℃固溶处理0.5～4小时，在50～100℃的热水中淬火，人工时效处理150～220℃保温2～24小时。
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