CN105063438B

CN105063438B - 一种高硅铜镁系粉末冶金铝合金的制备方法

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Publication number: CN105063438B
Application number: CN201510503741.6A
Authority: CN
Inventors: 方华婵; 黄劲松
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2015-08-14
Filing date: 2015-08-14
Publication date: 2017-01-04
Anticipated expiration: 2035-08-14
Also published as: CN105063438A

Abstract

本发明涉及一种高硅铜镁系粉末冶金铝合金的制备方法，属于传统粉末冶金成形‑烧结工艺和铝合金加工相结合的材料成形领域。本发明通过室温压制‑烧结制备铝合金锭坯，然后将铝合金锭坯进行热挤压，得到铝合金型材，再将所述铝合金型材进行固溶淬火处理，最后将淬火处理后的铝合金型材进行时效处理。本发明通过适当的低温烧结，然后再辅以与低温烧结温度相匹配的热加工、热处理工艺，使得材料的性能得到显著提升，尤其在伸长率的提升上，产生了意想不到的效果。本发明制备工艺简单，所得产品性能优良，便于大规模的产业化应用。

Description

一种高硅铜镁系粉末冶金铝合金的制备方法

技术领域

本发明涉及一种高硅铜镁系粉末冶金铝合金材料的制备方法，属于铝合金及粉末冶金技术技术领域。

背景技术

随着全球能源日渐稀缺、环境污染日趋严重，汽车轻量化越来越多的引起人们的关注。近年来，汽车工业已经开始大量使用轻质的合金材料(如铝合金、钛合金等)替换传统的钢铁材料。特别是在发动机传送***方面，零部件的轻量能显著改善汽车的性能，铝合金的使用可使汽车自重下降可高达20％以上，节约燃料12％-16％，节能减排效果明显，因此铝合金的应用对汽车轻量化具有非常重要的作用。发展高硅铝合金是提高汽车发动机活塞的高温力学性能和耐磨性的主要方法之一。但是传统铸造高硅铝合金由于冷却速率较低，易导致初晶硅长大及宏观偏析，形成粗糙的微观结构，致使铸件材料脆化与切削性显著恶化，使用寿命短，无法实用化。相比之下，粉末冶金技术制备高硅铝合金则具有独特的优势，如制备温度低，减轻了基体和增强颗粒之间的界面反应，从而减少界面上硬质化合物的生成；增强颗粒的体积分数较高且增强颗粒分布均匀，不易出现偏析和偏聚。但是由于铝的活性较高，在快速凝固制粉的过程中，铝粉表面不可避免地形成一层致密的氧化铝膜，阻碍了烧结过程中合金元素的相互扩散作用，不利于粉末冶金铝合金的合金化和致密化，导致材料性能的降低，即使通过热压烧结(约560℃以上)也难以获得全致密的铝合金材料。因此，高性能的粉末冶金铝合金往往更依赖于特殊的成形方法，如喷射成形、冷等静压、热压、高速压制成形等，以及成形固结后大的冷/热加工处理，如锻、轧、挤等，以进一步破坏铝合金颗粒表面的氧化膜，实现金属颗粒间的冶金结合，增加材料的致密度，改善材料的强度和塑性。但是以上工艺制备的高硅铜镁系铝合金的延伸率很低(远低于1％)，脆性大。

发明内容

本发明针对高硅铜镁系铝合金力学性能较低、耐温性差和脆性大等问题，提供了一种生产工艺简单、成本低、室温力学性能高、耐热性和延性好的高硅铜镁系粉末冶金铝合金制备方法。

本发明一种高性能高硅铜镁系粉末冶金铝合金的制备方法；包括以下步骤：

将高硅铜镁系铝合金粉末经冷压成型后，在保护气氛下于480～515℃进行低温烧结，得到低温烧结坯，低温烧结坯经热挤压和/或热轧制、固溶处理、时效处理，得到成品；所述热挤压和/或热轧制、固溶处理、时效处理的最高温度均小于等于510℃。

本发明一种高性能高硅铜镁系粉末冶金铝合金的制备方法；所述高硅铜镁系铝合金粉末的粒度为20-500微米、优选为50-400微米、进一步优选为100-200微米。

本发明一种高性能高硅铜镁系粉末冶金铝合金的制备方法；所述高硅铜镁系铝合金粉末，以质量百分比剂包括下述组分：

Si 12-28％、优选为12-23％、进一步优选为14-20％；

Cu 0.8-5.0％、优选为0.8-4.5％、进一步优选为0.8-4.0％；

Mg 0.1-2.0％、优选为0.1-1.8％、进一步优选为0.1-1.5％；

余量为Al和不可避免杂质。

本发明一种高性能高硅铜镁系粉末冶金铝合金的制备方法；所述高硅铜镁系铝合金粉末，还可以含有稀土元素；所述稀土元素占高硅铜镁系铝合金粉末总质量的0.01-1.0％。

本发明一种高性能高硅铜镁系粉末冶金铝合金的制备方法；所述高硅铜镁系铝合金粉末，还可以含有Fe、Mn、Ni等很多微量元素。

本发明一种高性能高硅铜镁系粉末冶金铝合金的制备方法；为了达到更好的效果，所述高硅铜镁系铝合金粉末是采用快速凝固的方法制备的雾化高硅铜镁系铝合金粉末；快速凝固时，其冷却速度为10³～10⁶K/s。

本发明一种高性能高硅铜镁系粉末冶金铝合金的制备方法；所述冷压成型时，控制温度为10-40℃、压力为100-300MPa。

本发明一种高性能高硅铜镁系粉末冶金铝合金的制备方法；低温烧结的时间为4～10h、优选为4-8h、进一步优选为5-7h。

本发明一种高性能高硅铜镁系粉末冶金铝合金的制备方法；低温烧结时，所述保护气氛选自氮气气氛、氩气气氛、真空气氛中的一种。采用真空气氛时，控制炉内压力小于等于0.1Pa。

本发明一种高性能高硅铜镁系粉末冶金铝合金的制备方法；低温烧结坯进行热挤压时，控制温度为390～440℃，热挤压速度为0.3～1.0m/min，挤压比为8-12：1。

本发明一种高性能高硅铜镁系粉末冶金铝合金的制备方法；低温烧结坯进行热轧制时，控制温度为390～440℃，控制道次变形量为10-90％、优选为15-30％，进一步优选为15-25％。

本发明一种高性能高硅铜镁系粉末冶金铝合金的制备方法；所述固溶处理的条件为：温度480～510℃，保温时间1～12h、优选为1-10h、进一步优选为1-7h，保温完成后出炉水淬或油淬至淬件的温度为10～80℃。

本发明一种高性能高硅铜镁系粉末冶金铝合金的制备方法；固溶处理后立即进行时效处理，时效处理时，控制时效温度为160～200℃、时效时间为4～12h、优选为4-10h、进一步优选为5-8h。

本发明一种高性能高硅铜镁系粉末冶金铝合金的制备方法；所制得的铝合金的抗拉强度为250～480MPa，布氏硬度为110～180，伸长率大于等于5％。

本发明一种高性能高硅铜镁系粉末冶金铝合金的制备方法；所制得的铝合金的拉伸强度和耐热性与现有汽车发动机活塞用ZL109合金水平相当，但其伸长率达到5％以上(最高可达6-8％)，远远超过ZL109合金。

原理和优势

经发明人大量实验和研究分析后发现，高硅铜镁系铝合金在528℃左右会发生相变反应“Al+Al₂Cu+Si→液体”形成液相，而且在Al-Cu的共晶点温度548℃时，会有θ(Al₂Cu)析出，由于这些相与粉末表面的氧化铝膜的润湿性差，因此烧结温度高于520℃时，会有大量低熔点液相从合金压坯中溢出，虽然采用热压工艺加压保温能控制该现象的产生，但长时间高温保温会导致初晶硅显著长大，降低合金性能，且高温热压的成本高、对模具的损伤大。基于上述发现，发明人经多次尝试后，发明人发现当降低烧结温度至480～515℃，可避免了高硅铜镁系铝合金中低熔点液相的溢出。同时再辅以合适的热加工、热处理工艺，使得材料的性能得到显著提升，尤其在伸长率的提升上，产生了意想不到的效果。

本发明采用普通冷压-烧结的粉末冶金工艺制备高硅铜镁系铝合金锭坯，结合常规铝合金的热挤压-固溶时效方法，破坏了铝合金粉末颗粒表面的氧化膜，实现了合金的致密化，有效地提高了合金的密度，降低了元素的偏析，细化了初晶硅。该制备方法简单，成本低，与传统合金相比，具有更好的拉伸强度、延展性、耐热性能。本发明制备的高硅铜镁系粉末冶金铝合金锭坯的抗拉强度为～250MPa，布氏硬度为110～130，其拉伸强度和耐热性与现有汽车发动机活塞用ZL109合金水平相当，伸长率达到5％以上，远远超过ZL109合金。本发明制备的高硅铜镁系粉末冶金铝合金锭坯经热挤压-固溶时效处理后的高硅铜镁系粉末冶金铝合金型材的抗拉强度为250～480MPa，布氏硬度为130～180，伸长率不低于5％。

附图说明

附图1为实施例1制备的高硅铜镁系粉末冶金铝合金型材组织形貌；

附图2为实施例1制备的高硅铜镁系粉末冶金铝合金型材形貌；

附图3为对比例1制备的高硅铜镁系粉末冶金铝合金烧结件的形貌；

附图4为实施例2制备的高硅铜镁系粉末冶金铝合金型材组织形貌；

附图5为对比例2制备的高硅铜镁系粉末冶金铝合金烧结件的形貌；

附图6为实施例3制备的高硅铜镁系粉末冶金铝合金型材组织形貌；

附图7为对比例3制备的高硅铜镁系粉末冶金铝合金烧结件的形貌。

从图1、图4和图6中可以看出，高硅铜镁系粉末冶金铝合金基体上Si相数量较多，颗粒尺寸在3～5μm左右，说明并没有由于Si含量较高而出现粗大块状初晶硅和长针状共晶硅组织，高温挤压和后续高温固溶过程中，Si相颗粒没有发生粗化，且分布较均匀。

从图2可以看出本发明所制备型材的表面光滑，无毛刺。

从图3可以看出，比例1制备的高硅铜镁系粉末冶金铝合金烧结件存的表面有大块的熔滴渗出，粘在合金基体的四周及底部。同时还可以看出烧结件边缘比较疏松，轻轻触碰就容易脱落，致密化程度较差，进而可以推断出比例1所得烧结件的力学性不佳。

从图5可以看出烧结件表面有大量细小的熔滴渗出，材料表面甚至已经粉化成粉末，致密化程度很差。

从图7可以看出烧结件表面有大块的熔滴渗出，且基体发生了明显的皲裂现象，材料的致密化程度差。

具体实施方式

实施例1

本实施例1中所用高硅铜镁系铝合金粉末，以质量百分比计包括下述组分：

Si 17.5％；

Cu 4.6％；

Mg 0.6％；

余量为Al和不可避免杂质。

该实施例高硅铜镁系铝合金粉末的粒度150微米。

将高硅铜镁系铝合金粉末在室温下模压成形(压制压力为200MPa)，压坯在480℃下烧结10h，烧结气氛为高纯氮气，然后烧结坯进行热挤压，热挤压温度为390℃，热挤压的速度为1.0m/min；(挤压比为10:1)挤压型材进行固溶处理，在480℃固溶12h，出炉后室温水淬，淬火温度为20℃；淬火铝合金型材立即进行时效处理，160℃时效12h，得到高硅铜镁系粉末冶金铝合金型材(成品)，其具体形貌见图2。所得成品的室温抗拉强度为360MPa，布氏硬度为140，伸长率为6％。100℃时抗拉强度为345.5MPa，布氏硬度为135，伸长率为8％；200℃时抗拉强度为302MPa，布氏硬度为131，伸长率为16％；300℃时抗拉强度为175MPa，布氏硬度为100，伸长率为28％。

对比例1

其所用原料粉末与实施例1完全一致。

将高硅铜镁系铝合金粉末在室温下模压成形(压制压力为200MPa)，压坯在575℃下烧结6h，烧结气氛为高纯氮气，得到高硅铜镁系粉末冶金铝合金烧结件(半成品)，其具体形貌见图3，从图可以看出烧结件表面有大块的熔滴渗出，粘在合金基体的四周及底部，这是由于该温度下低熔点含铝组元先熔化，由于其对颗粒表面致密氧化铝膜的润湿性差，导致从内部渗出。这样处理的烧结件边缘比较疏松，轻轻触碰就容易脱落，致密化程度较差，且获得的组织由于低组元的渗出已经发生改变，证明对比例1所得烧结件的力学性不佳。

实施例2

本实施例2中所用高硅铜镁系铝合金粉末，以质量百分比计包括下述组分：

Si 23.0％；

Cu 3.5％；

Mg 1.0％；

余量为Al和不可避免杂质。

该实施例高硅铜镁系铝合金粉末的粒度80微米。

将高硅铜镁系铝合金粉末在室温下模压成形，压坯在495℃下真空烧结8h，真空度为0.001～0.1Pa，然后烧结坯进行热挤压(挤压比8:1)，热挤压温度为400℃，热挤压的速度为0.8m/min；挤压型材进行固溶处理，在490℃固溶8h，出炉后室温水淬，淬火温度为30℃；淬火铝合金型材立即进行时效处理，175℃时效8h，得到高硅铜镁系粉末冶金铝合金，组织见图4。所得成品的室温抗拉强度为443MPa，布氏硬度为175，伸长率为5.2％。100℃时抗拉强度为420MPa，布氏硬度为170，伸长率为9％；200℃时抗拉强度为375MPa，布氏硬度为160，伸长率为17％；300℃时抗拉强度为201MPa，布氏硬度为106，伸长率为27％。

对比例2

其所用原料粉末与实施例2完全一致。

将高硅铜镁系铝合金粉末在室温下模压成形，压坯在560℃下真空烧结8h，真空度为0.001～0.1Pa。得到高硅铜镁系粉末冶金铝合金烧结件(半成品)，其具体形貌见图5，从图可以看出烧结件表面有大量细小的熔滴渗出，材料表面甚至已经粉化成粉末，致密化程度很差，并且对比例2所得的烧结件已经无法进行后续挤压处理。

实施例3

其所用原料粉末与实施例1完全一致。

将高硅铜镁系铝合金粉末在室温下模压成形，压坯在510℃下烧结4h，烧结气氛为高纯氩气然后烧结坯进行热挤压，热挤压温度为440℃，热挤压的速度为0.3m/min(挤压比12:1)；挤压型材进行固溶处理，在510℃固溶1h，出炉后室温油淬，淬火温度为80℃；淬火铝合金型材立即进行时效处理，195℃时效4h，得到高硅铜镁系粉末冶金铝合金，组织见图6。所得成品的室温抗拉强度为403MPa，布氏硬度为145，伸长率为9％。100℃时抗拉强度为381MPa，布氏硬度为138，伸长率为12％；200℃时抗拉强度为321MPa，布氏硬度为130，伸长率为19％；300℃时抗拉强度为195MPa，布氏硬度为107，伸长率为31％。

对比例3

其所用原料粉末与实施例3完全一致。

将高硅铜镁系铝合金粉末在室温下模压成形，压坯在400℃下烧结4h，烧结气氛为高纯氩气，得到高硅铜镁系粉末冶金铝合金烧结件见图7。从图可以看出烧结件表面有大块的熔滴渗出，且基体发生了明显的皲裂现象，材料的致密化程度差，且获得的组织由于低组元的渗出已经发生改变，证明对比例3所得烧结件的力学性不佳。

Claims

1.一种高性能高硅铜镁系粉末冶金铝合金的制备方法；其特征在于：将高硅铜镁系铝合金粉末经冷压成型后，在保护气氛下于480～515℃进行低温烧结，得到低温烧结坯，低温烧结坯经热挤压和/或热轧制、固溶处理、时效处理，得到成品；所述热挤压和/或热轧制、固溶处理、时效处理的最高温度均小于等于510℃；

所述高硅铜镁系铝合金粉末的粒度为20-500微米；

所述冷压成型时，控制温度为10-40℃、压力为100-300MPa；

低温烧结坯进行热挤压时，控制温度为390～440℃，热挤压速度为0.3～1.0m/min，挤压比为8-12：1；

低温烧结坯进行热轧制时，控制温度为390～440℃，控制道次变形量10-90％。

2.根据权利要求1所述的一种高性能高硅铜镁系粉末冶金铝合金的制备方法；其特征在于：所述高硅铜镁系铝合金粉末，以质量百分比计包括下述组分：

Si 12-28％；

Cu 0.8-5.0％；

Mg 0.1-2.0％；

余量为Al和不可避免杂质。

3.根据权利要求1所述的一种高性能高硅铜镁系粉末冶金铝合金的制备方法；其特征在于：

低温烧结的时间为4～10h；

低温烧结时，所述保护气氛选自氮气气氛、氩气气氛、真空气氛中的一种；

采用真空气氛时，控制炉内压力小于等于0.1Pa。

4.根据权利要求1所述的一种高性能高硅铜镁系粉末冶金铝合金的制备方法；其特征在于：所述固溶处理的条件为：温度480～510℃，保温时间1～12h，保温完成后出炉水淬或油淬至淬件的温度为10～80℃。

5.根据权利要求1所述的一种高性能高硅铜镁系粉末冶金铝合金的制备方法；其特征在于：固溶处理后立即进行时效处理，时效处理时，控制时效温度为160～200℃、时效时间为4～12h。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种高性能高硅铜镁系粉末冶金铝合金的制备方法；其特征在于：所制得的铝合金的抗拉强度为250～480MPa，布氏硬度为110～180，伸长率大于等于5％。