CN109957684B

CN109957684B - 一种汽车零部件用高强耐热铝合金材料的制备方法

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Publication number: CN109957684B
Application number: CN201711427255.6A
Authority: CN
Inventors: 聂俊辉; 樊建中; 邬小萍; 杨必成; 赵月红; 马自力; 魏少华; 左涛; 刘彦强; 郝心想
Original assignee: GRIMN Engineering Technology Research Institute Co Ltd
Current assignee: Youyan metal composite technology Co.,Ltd.
Priority date: 2017-12-25
Filing date: 2017-12-25
Publication date: 2021-02-02
Anticipated expiration: 2037-12-25
Also published as: CN109957684A

Abstract

本发明公开了一种汽车零部件用高强耐热铝合金材料的制备方法。该铝合金材料成分为Al‑Cu‑Mg‑Si‑Fe高强耐热型铝合金，其制备方法包括：铝合金粉末制备、粉末压制、烧结成型、热处理强化等步骤。铝合金制粉步骤先采用气雾化工艺制备出Al‑Fe雾化粉末，然后再将Al‑Fe雾化粉末与纯Al、纯Cu、纯Mg、纯Si粉进行球磨混合，获得材料所需的Al‑Cu‑Mg‑Si‑Fe混合粉末。混合粉末经过冷压成型后，在温度为470～570℃，真空度≤10^‑2Pa的条件下进行烧结成型，获得铝合金材料坯锭，最后进行热处理强化。本发明大幅缩短了Al‑Cu‑Mg‑Si‑Fe粉末的制备时间，提高了生产效率；避免了粉末制备过程中Mg元素的烧损；制备的铝合金材料在室温和高温(200℃)条件下均获得了高的拉伸强度，可用于汽车零部件材料。

Description

一种汽车零部件用高强耐热铝合金材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种汽车零部件用高强耐热铝合金材料的制备方法，属于汽车材料制备技术领域。

背景技术

随着汽车工业的快速发展，汽车零部件对所用材料的要求越来越高，不仅需要材料具有低密度以满足轻量化目标，还要求耐高温、耐磨损、尺寸稳定性以达到服役使用要求。Al-Cu-Mg-Si-Fe是一种高强耐热型铝合金，具有低密度(＜3.0g/cm³)、高强度、耐高温、低热膨胀系数等综合性能，近年来已用于汽车发动机活塞、空调压缩机叶片等零部件。然而，采用铸造工艺制备Al-Cu-Mg-Si-Fe材料时，由于合金凝固过程中较难控制Si颗粒和Al-Fe耐热相的长大，材料性能一般难以达到使用要求；而采用粉末冶金气雾化方法快速冷却Al-Cu-Mg-Si-Fe合金熔体，可以得到具有微小尺寸的Si颗粒与Al-Fe相组织的Al-Cu-Mg-Si-Fe合金粉末，粉末经烧结后得到的材料可获得高的力学性能，可以满足汽车零部件的使用要求。

目前，传统Al-Cu-Mg-Si-Fe粉末气雾化工艺步骤为：合金原料熔炼制锭→合金锭入雾化炉二次熔化→合金熔体气雾化制粉。其中，在合金原料熔炼制锭过程中，为了提高合金的熔炼效率，一般需要先制备出Al-Si和Al-Fe中间合金，然后再将中间合金与Al锭、Cu锭和Mg锭共同熔炼制锭。上述熔炼过程存在以下问题：(1)Al-Cu-Mg-Si-Fe熔炼制锭包括三次熔炼过程，即Al-Si中间合金熔炼、Al-Fe中间合金熔炼、Al-Cu-Mg-Si-Fe合金熔炼，熔炼次数多、能耗大、生产制备周期长；(2)合金中的Mg为易烧损元素，熔炼过程中Mg的烧损导致合金成分较难精确控制，进而影响材料力学性能。并且熔体中Mg一般在熔炼最后阶段加入，这就需要将熔体温度(850～950℃)降至合适的温度(如700～750℃)再进行操作，导致熔体降温等候时间长，降低了生产效率。(3)Al-Cu-Mg-Si-Fe合金中元素种类多(Al、Cu、Mg、Si、Fe)，成分复杂，对雾化制粉工艺要求较高，工艺窗口窄(雾化温度、雾化冷却速度、雾化气体压力)，粉末雾化难度大、周期长。

发明内容

本发明的目的在于提供一种汽车零部件用高强耐热铝合金材料的制备方法，以缩短粉末制备时间，提高生产效率，降低材料中Mg元素的烧损，降低雾化粉末制备难度。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种汽车零部件用高强耐热铝合金材料的制备方法，铝合金材料成分为Al-Cu-Mg-Si-Fe，按重量百分比计，各元素含量为：Mg 0.8～2％，Si 9～25％，Cu 0～7％，Fe 1～8％，余量为Al；该方法包括以下步骤：

(1)将纯Al锭、纯Fe棒按1∶1～9∶1的质量比配置，随后进行真空熔炼制备Al-Fe合金坯锭；

(2)对Al-Fe合金坯锭进行气雾化制粉，得到雾化Al-Fe粉末；

(3)将纯Al粉、纯Si粉、纯Mg粉、纯Cu粉与雾化Al-Fe粉末按比例配置，装入球磨机中进行混粉；

(4)将混合均匀的Al-Cu-Mg-Si-Fe粉末进行压制、烧结成型，获得铝合金坯锭，并进行热处理强化。

在所述步骤(1)中，纯Al锭、纯Fe棒的纯度＞99.5％，真空熔炼温度为1100～1300℃，真空度≤10^-2Pa。

在所述步骤(2)中，Al-Fe合金坯锭的气雾化浇注温度为1100～1300℃，雾化保护气氛为氮气、氩气或氦气中的任意一种，气体纯度之99.5％。

在所述步骤(3)中，Al粉为球形铝粉，纯度＞99.5％，平均粒径为2～50μm；Si粉为多角状硅粉，纯度＞99.5％，平均粒径为2～5μm；Mg粉为球形镁粉，纯度＞99.5％，平均粒径为30～80μm；Cu粉为树枝状或球形铜粉，纯度＞99.5％，平均粒径为5～20μm；雾化Al-Fe粉末的平均粒径为20～80μm。

在所述步骤(3)中，所用球磨机为滚筒式球磨机，球磨机转速为50～250转/分钟，混料时间为2～6h，球磨介质为直径10mm的不锈钢珠，混料方式为干混。

在所述步骤(4)中，烧结成型工艺为热压、热等静压、热挤压或轧制中的任意一种，成型温度为470～570℃。

在所述步骤(4)中，所述热处理的固溶温度为450～500℃，固溶时间为1～3h，时效温度为160～220℃，时效时间为2～20h。

本发明的有益效果是：

本发明采用雾化制粉与球磨混粉相结合的新型制粉工艺，只需进行一次熔炼制备出Al-Fe合金，再将Al-Fe合金进行雾化制粉，获得具有细小耐热相组织的Al-Fe合金粉；然后将Al-Fe粉末与纯Al粉、Cu粉、Mg粉、Si粉进行球磨混粉、压制、烧结、制备成Al-Cu-Mg-Si-Fe材料坯锭。制备过程中不需要进行三步合金熔炼，大大缩短了制备时间，提高了生产效率，节约了成本；并且Al-Fe合金为简单的二元合金，相对于Al-Cu-Mg-Si-Fe合金的成分简单，雾化制粉工艺简单，雾化时间缩短；更重要的是，球磨混粉过程中不涉及到高温环境，Mg元素不存在烧损，合金成分控制较精确。

采用本发明的方法制备的铝合金材料在室温和高温(200℃)条件下均获得了高的拉伸强度，可用于汽车零部件材料。

附图说明

图1为高强耐热铝合金材料的新型制备工艺流程。

图2为实施例2中高强耐热Al-Cu-Mg-Si-Fe材料的金相组织照片。

以下结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，但本发明的实施方式不仅限于此。

如图1所示，本发明高强耐热汽车零部件材料的制备工艺为：Al-Fe合金坯锭真空熔炼→气雾化制粉→Al-Fe雾化粉末与Al、Mg、Si、Cu粉末混合→压制成型→烧结成型→热处理强化。

实施例1

首先将纯Al锭(纯度＞99.5％)、纯Fe棒(纯度＞99.5％)按照质量百分数比例4∶1进行配置制备Al-20Fe合金，进行真空熔炼，熔炼温度为1300℃，真空度为1×10^-2Pa；然后将Al-Fe合金气雾化制粉，气雾化浇注温度为1300℃，雾化介质为氮气(纯度＞99.5％)；将Al-Fe雾化粉末(平均粒径为50μm)与Al粉(球形粉、纯度＞99.5％，平均粒径为10μm)、Cu粉(树枝状粉，纯度＞99.5％，平均粒径为10μm)、Mg粉(球形粉，纯度＞99.5％，平均粒径为50μm)、Si粉(多角状粉，纯度＞99.5％，平均粒径为4μm)按比例配置成名义成分为Al-3Cu-2Mg-20Si-6Fe(3、2、20和6表示Cu、Mg、Si、Fe的质量百分数分别为3％、2％、20％、6％)的粉末，并进行球磨混粉，球磨机转速为200转/分钟，混料时间4小时，球磨介质为10mm的不锈钢珠；将混合均匀的粉末进行冷压成型、热压烧结，烧结温度为550℃，真空度＜10^-2Pa，最后进行热处理强化，固溶温度为490℃，保温时间为2h，时效温度为190℃，保温时间为12h。

本实施例通过新型的气雾化与球磨混粉结合的制粉工艺，粉末制备周期相较于原有传统气雾化工艺，至少减少了10小时的生产周期，提高了生产效率；本实施例工艺制备的Al-3Cu-2Mg-20Si-6Fe混合粉末经热压烧结后测试材料成分，Mg元素含量为1.95wt.％(名义含量为2.0％)，基本未损失。而原有传统工艺制备的Al-3Cu-2Mg-20Si-6Fe雾化粉末经热压后测试材料中Mg含量为1.30wt.％，元素损失35％；新型工艺制备的材料室温强度为500MPa，200℃高温强度为230MPa，而原有传统工艺制备的材料室温强度为495MPa，200℃高温强度为225MPa，两种工艺制备的材料性能相近。

实施例2

首先将纯Al锭(纯度＞99.5％)、纯Fe棒(纯度＞99.5％)按照质量百分数比例4∶1进行配置制备Al-20Fe合金，进行真空熔炼，熔炼温度为1250℃，真空度为1×10^-2Pa；然后将Al-Fe合金气雾化制粉，气雾化浇注温度为1250℃，雾化介质为氩气(纯度＞99.5％)；将Al-Fe雾化粉末(平均粒径为30μm)与Al粉(球形粉、纯度＞99.5％，平均粒径为20μm)、Cu粉(球形粉，纯度＞99.5％，平均粒径为20μm)、Mg粉(球形粉，纯度＞99.5％，平均粒径为40μm)、Si粉(多角状粉，纯度＞99.5％，平均粒径为3μm)按比例配置成名义成分为Al-6Cu-1.5Mg-12Si-2Fe(6、1.5、12和2表示Cu、Mg、Si、Fe的质量百分数分别为6％、1.5％、12％、2％)的粉末，并进行球磨混粉，球磨机转速为220转/分钟，混料时间为3小时，球磨介质为10mm的不锈钢珠；将混合均匀的粉末进行冷压成型、热等静压烧结，烧结温度为470℃，真空度＜10^-2Pa，最后进行热处理强化，固溶温度为500℃，保温时间为1h，时效温度为170℃，保温时间为5h。图2为经过本实施例制备的Al-6Cu-1.5Mg-12Si-2Fe材料微观组织，显示材料内部组织细小、分布均匀，未出现粗大的板条状Si和粗大含Fe相组织。

本实施例通过新型的气雾化与球磨混粉结合的制粉工艺，粉末制备周期相较于原有传统气雾化工艺，至少减少了11小时的生产周期，提高了生产效率；本实施例工艺制备的Al-6Cu-1.5Mg-12Si-2Fe混合粉末经热压烧结后测试材料成分，Mg元素含量为1.46wt.％(名义含量为1.50％)，基本未损失。而原有传统工艺制备的Al-6Cu-1.5Mg-12Si-2Fe雾化粉末经热压后测试材料中Mg含量为0.8wt.％，元素损失46.7％。新型工艺制备的材料室温强度为458MPa，200℃高温强度为210MPa，而原有传统工艺制备的材料室温强度为449MPa，200℃高温强度为208MPa，两种工艺制备的材料性能相近。

Claims

1.一种汽车零部件用高强耐热铝合金材料的制备方法，铝合金材料成分为Al-Cu-Mg-Si-Fe，按重量百分比计，各元素含量为：Mg 0.8~2%，Si 9~25%，Cu 0~7%，Fe 1~8%，余量为Al；其特征在于，该方法包括以下步骤：

（1）将纯Al锭、纯Fe棒按1:1~9:1的质量比配置，随后进行真空熔炼制备Al-Fe合金坯锭；

（2）对Al-Fe合金坯锭进行气雾化制粉，得到雾化Al-Fe粉末；

（3）将纯Al粉、纯Si粉、纯Mg粉、纯Cu粉与雾化Al-Fe粉末按比例配置，装入球磨机中进行混粉，其中，Al粉为球形铝粉，纯度>99.5%，平均粒径为2~50μm；Si粉为多角状硅粉，纯度>99.5%，平均粒径为2~5μm；Mg粉为球形镁粉，纯度>99.5%，平均粒径为30~80μm；Cu粉为树枝状或球形铜粉，纯度>99.5%，平均粒径为5~20μm；雾化Al-Fe粉末的平均粒径为20~80μm；

（4）将混合均匀的Al-Cu-Mg-Si-Fe粉末进行压制、烧结成型，成型温度为470~570℃，获得铝合金坯锭，并进行热处理强化，所述热处理的固溶温度为450~500℃，固溶时间为1~3h，时效温度为160~220℃，时效时间为2~20h。

2.根据权利要求1所述的铝合金材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤（1）中，纯Al锭、纯Fe棒的纯度>99.5%，真空熔炼温度为1100~1300℃，真空度≤10^-2 Pa。

3.根据权利要求1所述的铝合金材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤（2）中，Al-Fe合金坯锭的气雾化浇注温度为1100~1300℃，雾化保护气氛为氮气、氩气或氦气中的任意一种，气体纯度≥99.5%。

4.根据权利要求1所述的铝合金材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤（3）中，所用球磨机为滚筒式球磨机，球磨机转速为50~250转/分钟，混料时间为2~6h，球磨介质为直径10mm的不锈钢珠，混料方式为干混。

5.根据权利要求1所述的铝合金材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤（4）中，烧结成型工艺为热压或热等静压。