CN112760526A - 一种粉末冶金的铝合金链轮或齿轮及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种粉末冶金的铝合金链轮或齿轮及制备方法，一种粉末冶金的铝合金链轮或齿轮其特征在于，其化学成分按照质量百分比为：Cu：0.1％～7％，Mg：0.1％～5％，Si：0.1％～40％，Zn：0％～10％，Sn：0％～1％，增强相：0％～10％，余量为Al。本发明的制备方法简单、加工方便，制备后的粉末冶金铝合金链轮或齿轮的重量轻，同时兼具了轻量化、耐腐蚀和高硬度的优势，有利于满足了汽车轻量化的需求，并利于节能减排。

Description

一种粉末冶金的铝合金链轮或齿轮及制备方法
技术领域
本发明属于粉末冶金技术领域，具体是一种铝合金链轮或齿轮及采用粉末冶金技术制备铝合金链轮或齿轮的方法。
背景技术
目前在保证汽车行驶安全的前提下减轻汽车的总质量，将在一定程度上减少汽车在行驶过程中的耗油量，从而减少一次能源的消耗。而轻量化技术是实现节能减排的重要手段。轻量化技术包括轻量化设计和轻量化材料，后者主要指采用低密度、高强度的轻质材料，其中铝合金材料是轻量化材料中的最佳选择之一。
传统的铝合金加工方式是轧制、挤压、拉伸、铸造、锻造等，而这些加工方式的原材料采用铝胚锭，原材料利用率很低。粉末冶金铝合金材料是将铝合金的低密度特性与粉末冶金工艺近净成形的特点相结合，具有材料的利用率高、生产成本低和综合性能好等独特优点，已成为汽车轻量化的主要发展方向之一，具有广阔的应用前景。
目前，汽车发动机的可变气门正时控制***所用的链轮或齿轮件通常是铁基的机加工产品或粉末冶金产品，由于铁基的产品重量大，不利于节能减排，且容易生锈，维护成本高。采用粉末冶金铝合金链轮或齿轮，可同时具备轻量化和耐腐蚀两大优势，且力学性能满足使用要求。
如中国发明专利申请《用于齿轮泵浮动侧板的耐磨铝合金材料及其制备方法》，其专利申请号为CN201810057747.9(申请公布号为CN108251725A)，公开了一种用于齿轮泵浮动侧板的耐磨铝合金材料及其制备方法，涉及齿轮泵技术领域，该耐磨铝合金材料由以下质量百分比的成分组成：Si：0.7～1.6％；Fe：0.06～0.14％；Cu：3.5～4.7％；Mn：0.54～0.72％；Mg：0.73～1.62％；Zn：0.006～0.17％；Ni：0.008～0.15％；Ti：0.01～0.07％；Sn≤6.4％；余量为Al。所制备的铝合金的强度高、耐磨性好且重量轻，但是，铝合金的成分复杂，且各成分的调控范围比较窄，硬度较低。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术的现状，提供一种硬度高且耐磨性好的粉末冶金的铝合金链轮或齿轮。
本发明所要解决的第二个技术问题是针对上述现有技术的现状，提供一种硬度高且耐磨性好的粉末冶金的铝合金链轮或齿轮的制备方法。
本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种粉末冶金的铝合金链轮或齿轮，其特征在于，其化学成分按照质量百分比为：Cu：0.1％～7％，Mg：0.1％～5％，Si：0.1％～40％，Zn：0％～10％，Sn：0％～1％，增强相：0％～10％，余量为Al。
优选地，所述增强相为SiC、Al2O3、石墨、铜包石墨、硫化物、氟化物中的一种。采用上述增强相，有利于提高铝合金的耐磨性和硬度。
本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种上述粉末冶金的铝合金链轮或齿轮的制备方法，其特征在于，依次包括以下步骤：
1)铝合金链轮或齿轮的化学成分按照质量百分比为：Cu：0.1％～7％，Mg：0.1％～5％，Si：0.1％～40％，Zn：0％～10％，Sn：0％-1％，增强相体积比：0％～10％，Al为余量；
2)配料混粉：按照上述成分进行配料，将混有Al、Si、Cu、Mg、Zn、Sn元素的粉在混料机中混合均匀，且在混合时添加0.5～2％的润滑剂；
3)成形：将步骤2)所得到的混合粉进行模压成形得到铝合金链轮或齿轮的生坯，其中，压制压力为100～700MPa，成形密度为2.2～2.65g/cm3；
4)烧结：将步骤3)中的生坯放入烧结炉内得到致密化的铝合金烧结件；
5)固溶处理：将步骤4)中的烧结件放入固溶炉内进行保温处理；
6)时效处理：将固溶后的零件放入时效炉内进行时效处理，时效气氛为空气。
上述的固溶炉为网带炉、井式炉、箱式炉或真空炉；在最后步骤中进行喷砂、滚光、刷毛处理，并根据需要进行阳极氧化处理、微弧氧化处理、涂层处理。
具体地，在步骤2)中，Si、Cu、Mg、Zn、Sn元素的添加采用元素粉或中间合金粉及预合金粉的形式加入，其中，中间合金粉及预合金粉为Al、Si、Cu、Mg、Zn、Sn中任意两元、三元或者多元合金粉。
具体地，在步骤4)中，烧结过程包括脱脂与烧结，脱脂温度在400℃～500℃，脱脂保温时间为15～90min，烧结温度为510℃～620℃，烧结保温时间为10min～120min，烧结气氛为氮气、真空条件、分解氨和氢气中的一种或多种混合保护气氛。当烧结温度过低或者保温时间不够会造成烧结颈不好，烧结温度过高或保温时间过长会造成“过烧”，都会降低其力学性能与耐磨性。
优选地，在步骤5)中，固溶温度为460-540℃，保温时间为0.5～5小时，保护气氛为空气、氮气、真空条件、分解氨和氢气中的一种或多种混合气氛，在固溶保温结束后，立即淬火处理，使铝基体成为过饱和固溶体的亚稳态。
具体地，在固溶结束后移至淬火液中所用的时间小于30s，淬火液温度低于70℃，淬火液的温度过高会导致过饱和固溶体的浓度大大降低，最终强度与硬度也会相应显著降低。
具体地，在步骤6)中，时效温度在20～200℃范围内，保温时间为0.5～72小时。时效温度太低或保温时间太短会导致“欠时效”，造成强化相析出不充分；时效温度太高或保温时间太长会导致“过时效”，造成析出相长大、粗化；这两种情况都会导致强度、硬度、耐磨性的显著降低。
具体地，在步骤6)之后或在步骤4)后或者在步骤5)和步骤6)之间进行整形处理，即将齿轮或链轮放置在整形模具中进行挤压获得所需尺寸。
优选地，步骤4和步骤5)合并为一个工序，采用烧结固溶一体网带炉，该烧结固溶一体网带炉包括有四个区域，分别为用于脱蜡烧结的烧结区、用来将温度降为设定温度的缓冲区、用来进行固溶处理的固溶区及用来快冷的淬火区。
与现有技术相比，本发明的优点在于：粉末冶金的铝合金链轮或齿轮至少包括Cu、Mg、Si及Al，形成Al2Cu、Mg2Si、Al2CuMg等强化相，获得较好的硬度、耐磨性及轻量化，本发明的制备方法简单、加工方便，制备后的粉末冶金铝合金链轮或齿轮的重量轻，同时兼具了轻量化、耐腐蚀和高硬度的优势，有利于满足了汽车轻量化的需求，并利于节能减排。
附图说明
图1是实施例1中粉末冶金铝合金链轮的结构示意图；
图2为图1中沿A-A的剖视图；
图3为实施例1中所用原材料Al、Al-Si合金、Cu、Al-Mg的粉末形貌图；
图4为实施例1中烧结态的产品在放大倍数为200的金相组织图；
图5为实施例1中烧结态的产品在放大倍数为500的金相组织图；
图6为实施例1中烧结态在放大倍数为1000的断口形貌SEM图；
图7为实施例1中烧结态在放大倍数为2000的断口形貌SEM图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
如图1至图4所示，为本发明的第一个优选实施例。
本实施例的粉末冶金的铝合金链轮的制备方法，依次包括以下步骤：
1)混料：将Al-27Si合金粉、2.6wt％电解铜粉、Al-50Mg合金粉、纯Al粉及1.5％wt％润滑剂置于搅拌机中搅拌45min，配比成Al-15.5Si-2.6Cu-0.65Mg的成分，其成分设计参照表1所示，所使用的粉末形貌参见图2所示；
2)成形：将步骤1)混合好的粉末在成形压机上压制成形为铝合金链轮生坯，成形压力为200MPa，成形密度为2.4g/cm3；
3)烧结：将步骤2)的链轮生坯放入网带炉内烧结得到铝合金烧结件，烧结过程包括脱脂与烧结，脱脂温度在400℃，脱脂的保温时间为50min，烧结温度在550℃～570℃，烧结的保温时间为50min，烧结气氛为氮气，且炉内露点≤-40℃，烧结后产品的密度为2.5g/cm3，烧结后金相组织如图3所示，晶内或晶界上分布着初晶硅与析出硅，且初晶硅与析出硅均匀分布于基体中。烧结后的断口照片如图4所示，观察不到原始状态粉末的存在，且存在大量的撕裂棱，少量的韧窝，说明烧结良好，烧结态产品的HRB硬度达到40；
4)热处理：将烧结态产品在500℃下固溶处理1.5h后迅速水淬，然后180℃时效5h，热处理态产品的HRB硬度可以达到70；
5)整形：将热处理后的链轮在整形模具中进行挤压变形，矫正烧结、热处理产生的尺寸变形，达到图纸要求的尺寸与形位公差，并提高产品的密度，整形态的产品密度2.55g/cm3，HRB硬度为75；
6)滚光：将整形后的产品进行滚光处理，提高产品的外观质量；
7)机加工：根据链轮图纸尺寸要求，进行机加工，达到图纸要求，所得到的链轮的结构参见图1所示，该链轮包括有位于其中心的轴孔11及位于其周边外缘且沿周向间隔布置的多个齿12。与相同的烧结钢链轮相比，烧结铝合金链轮质量大概由230g减少到85g。由于质量减轻，改善了相应的动态响应能力，有利于提高发动机的性能和效率，减少了燃油消耗。
实施例2：
本实施例与上述实施例1的区别仅在于：步骤2)的成形压力和密度不同，具体地，成形压力为300Pa，成形密度为2.5g/cm3；步骤3)的工艺参数不同，具体地，脱脂温度为450℃，脱脂的保温时间为15min，烧结温度为570℃，烧结的保温时间为120min，烧结后产品的密度为2.6g/cm3，烧结态产品的HRB硬度达到50，固溶温度为500℃，固溶保温处理时间为5h，时效温度为200℃，时效保温时间为72h，时效后的HRB硬度为80；整形态的产品密度2.65g/cm3，HRB硬度为80。
实施例3：
本实施例与上述实施例1的区别仅在于：步骤2)的成形压力和密度不同，具体地，成形压力为450Pa，成形密度为2.45g/cm3；步骤3)的工艺参数不同，具体地，脱脂温度为420℃，脱脂的保温时间为90min，烧结温度为560℃，烧结的保温时间为10min，烧结后产品的密度为2.55g/cm3，烧结态产品的HRB硬度达到45，固溶温度为540℃，固溶保温处理时间为0.5h，时效温度为20℃，时效保温时间为30h，时效后的HRB硬度为75，整形态的产品密度2.6g/cm3，HRB硬度为70。
实施例4：
本实施例与上述实施例1的区别仅在于：步骤2)的成形压力和密度不同，具体地，成形压力为100Pa，成形密度为2.2g/cm3；步骤3)的工艺参数不同，具体地，脱脂温度为500℃，脱脂的保温时间为15min，烧结温度为510℃，烧结的保温时间为80min，烧结后产品的密度为2.5g/cm3，烧结态产品的HRB硬度达到45，固溶温度为480℃，固溶保温处理时间为5h，时效温度为200℃，时效保温时间为0.5h，时效后的HRB硬度为80，整形态的产品密度2.6g/cm3，HRB硬度为80。
实施例5：
本实施例与上述实施例1的区别仅在于：步骤1)中所配出的成分为Al-15.5Si-2.6Cu-0.65Mg-0.15Sn，成分设计具体参见表1所示；步骤2)的成形压力和密度不同，具体地，成形压力为700Pa，成形密度为2.65g/cm3；步骤3)的工艺参数不同，具体地，脱脂温度为430℃，脱脂的保温时间为40min，烧结温度为620℃，烧结的保温时间为10min，烧结后产品的密度为2.6g/cm3，烧结态产品的HRB硬度达到50，固溶温度为540℃，固溶保温处理时间为2.5h，时效温度为150℃，时效保温时间为10h，时效后的HRB硬度为78，整形态的产品密度2.65g/cm3，HRB硬度为76。在步骤7机加工之后进行阳极氧化处理，对产品进行阳极氧化处理，提高产品的耐磨性，阳极氧化膜厚达5μm。
实施例6：
本实施例的粉末冶金的铝合金链轮的制备方法，依次包括以下步骤：
1)混料：将3.5wt％电解铜粉、Al-50Mg合金粉、0.25wt％纯Si粉、纯Al粉、0.3wt％纯Sn粉、1.5％wt％润滑剂及5vol％(体积百分比)的Al2O3，配比成Al-3.5Cu-0.8Mg-0.25Si-0.3Sn的成分，其成分设计参照表1所示；
2)成形：将步骤1)混合好的粉末在成形压机上压制成形为铝合金链轮生坯，成形压力为450MPa，成形密度为2.6g/cm3；
3)烧结：将步骤2)的链轮生坯放入网带炉内烧结得到铝合金烧结件，烧结过程包括脱脂与烧结，脱脂温度为450℃，脱脂的保温时间为50min，烧结温度在570℃，烧结的保温时间为50min，烧结气氛为氮气，且炉内露点≤-40℃，烧结后产品的密度为2.6g/cm3，烧烧结态产品的HRB硬度达到55；
4)热处理：将烧结态产品在510℃下固溶处理1.5h后迅速水淬，然后140℃时效8h，热处理态产品的HRB硬度可以达到60；
5)整形：将热处理后的链轮在整形模具中进行挤压变形，矫正烧结、热处理产生的尺寸变形，达到图纸要求的尺寸与形位公差，并提高产品的密度，整形态的产品密度2.85g/cm3，HRB硬度为80；
6)滚光：将整形后的产品进行滚光处理，提高产品的外观质量；
7)机加工：根据链轮图纸尺寸要求，进行机加工，达到图纸要求。
实施例7：
本实施例的粉末冶金的铝合金链轮的制备方法，依次包括以下步骤：
1)混料：将电解铜粉、Al-50Mg合金粉、纯Si粉、纯Al粉、纯Sn粉、纯Zn粉润滑剂及5vol％(体积百分比)的Al2O3，并加入润滑剂，配比成Al-0.1Cu-5Mg-40Si-Sn-5Zn的成分，其成分设计参照表1所示；
2)成形：将步骤1)混合好的粉末在成形压机上压制成形为铝合金链轮生坯，成形压力为450MPa，成形密度为2.6g/cm3；
3)烧结固溶处理：将步骤2)的链轮生坯放入烧结固溶一体网带炉内，采用气氛为氮气气氛，此网带炉分为四区：烧结区(脱蜡烧结作用)、缓冲区(温度降到到设定的温度)、固溶区(固溶作用)、淬火区(快冷作用)，烧结得到铝合金烧结件后送至固溶区进行固溶处理，固溶完成后送至崔获取进行淬火；烧结过程包括脱脂与烧结，脱脂温度为450℃，脱脂的保温时间为50min，烧结温度在570℃，烧结的保温时间为50min，且炉内露点≤-40℃，烧结后产品的密度为2.6g/cm3，烧烧结态产品的HRB硬度达到55；将烧结态产品在510℃下固溶处理1.5h后迅速水淬，然后140℃时效8h，热处理态产品的HRB硬度可以达到60；
4)整形：将热处理后的链轮在整形模具中进行挤压变形，矫正烧结、热处理产生的尺寸变形，达到图纸要求的尺寸与形位公差，并提高产品的密度，整形态的产品密度2.85g/cm3，HRB硬度为80；
5)滚光：将整形后的产品进行滚光处理，提高产品的外观质量；
6)机加工：根据链轮图纸尺寸要求，进行机加工，达到图纸要求。
上述实施例中的增强相还可以采用：SiC、石墨、硫化物、氟化物中的一种。
实施例8：
本实施例与上述实施例1的区别仅在于：步骤1)中的成分设计存在不同，具体参见表1所示；步骤2)的成形压力和密度不同，具体地，成形压力为100Pa，成形密度为2.2g/cm3；步骤3)的工艺参数不同，具体地，脱脂温度为500℃，脱脂的保温时间为15min，烧结温度为510℃，烧结的保温时间为80min，烧结后产品的密度为2.5g/cm3，烧结态产品的HRB硬度达到45，固溶温度为480℃，固溶保温处理时间为5h，时效温度为200℃，时效保温时间为0.5h，时效后的HRB硬度为80，整形态的产品密度2.6g/cm3，HRB硬度为80。
表1 各实施例的化学成分汇总表(按质量百分比计wt/％)
Cu Mg Si Zn Sn 增强相 润滑剂 Al
1 2.6 0.65 15.5 0 0 0 1.5 余量
2 2.6 0.65 15.5 0 0 0 1.5 余量
3 2.6 0.65 15.5 0 0 0 1.5 余量
4 2.6 0.65 15.5 0 0 0 1.5 余量
5 2.6 0.65 15.5 0 0.15 0 1.5 余量
6 3.5 0.8 0.25 0 0.3 0 1.5 余量
7 0.1 5 40 5 1 1 2 余量
8 7 0.1 0.1 10 0.6 2 0.5 余量
表2 各实施例的工艺参数汇总表
Figure BDA0002823788340000071
表3 各实施例的性能参数汇总表
Figure BDA0002823788340000081

Claims (10)

1.一种粉末冶金的铝合金链轮或齿轮，其特征在于，其化学成分按照质量百分比为：Cu：0.1％～7％，Mg：0.1％～5％，Si：0.1％～40％，Zn：0％～10％，Sn：0％～1％，增强相：0％～10％，余量为Al。
2.根据权利要求1所述的铝合金链轮或齿轮，其特征在于：所述增强相为SiC、Al2O3、石墨、铜包石墨、硫化物、氟化物中的一种。
3.一种权利要求根据权利要求1所述的粉末冶金的铝合金链轮或齿轮的制备方法，其特征在于，依次包括以下步骤：
1)铝合金链轮或齿轮的化学成分按照质量百分比为：Cu：0.1％～7％，Mg：0.1％～5％，Si：0.1％～40％，Zn：0％～10％，Sn：0％～1％，增强相体积百分比：0％～10％，Al为余量；
2)配料混粉：按照上述成分进行配料，将混有Al、Si、Cu、Mg、Zn、Sn元素的粉在混料机中混合均匀，且在混合时添加0.5～2％的润滑剂；
3)成形：将步骤2)所得到的混合粉进行模压成形得到铝合金链轮或齿轮的生坯，其中，压制压力为100～700MPa，成形密度为2.2～2.65g/cm3；
4)烧结：将步骤3)中的生坯放入烧结炉内得到致密化的铝合金烧结件；
5)固溶处理：将步骤4)中的烧结件放入固溶炉内进行保温处理；
6)时效处理：将固溶后的零件放入时效炉内进行时效处理，时效气氛为空气。
4.根据权利要求3所述的铝合金链轮或齿轮，其特征在于：在步骤2)中，Si、Cu、Mg、Zn、Sn元素的添加采用元素粉或中间合金粉及预合金粉的形式加入，其中，中间合金粉及预合金粉为Al、Si、Cu、Mg、Zn、Sn中任意两元、三元或者多元合金粉。
5.根据权利要求3所述的铝合金链轮或齿轮，其特征在于：在步骤4)中，烧结过程包括脱脂与烧结，脱脂温度在400℃～500℃，脱脂保温时间为15～90min，烧结温度为510℃～620℃，烧结保温时间为10min～120min，烧结气氛为氮气、真空条件、分解氨和氢气中的一种或多种混合保护气氛。
6.根据权利要求3所述的铝合金链轮或齿轮，其特征在于：在步骤5)中，固溶温度为460-540℃，保温时间为0.5～5小时，保护气氛为空气、氮气、真空条件、分解氨和氢气中的一种或多种混合气氛，在固溶保温结束后，立即淬火处理。
7.根据权利要求6所述的铝合金链轮或齿轮，其特征在于：在固溶结束后移至淬火液中所用的时间小于30s，淬火液温度低于70℃。
8.根据权利要求3所述的铝合金链轮或齿轮，其特征在于：在步骤6)中，时效温度在20～200℃范围内，保温时间为0.5～72小时。
9.根据权利要求3所述的铝合金链轮或齿轮，其特征在于：在步骤6)之后或在步骤4)之后或者在步骤5)和步骤6)之间进行整形处理，即将齿轮或链轮放置在整形模具中进行挤压获得所需尺寸。
10.根据权利要求3所述的铝合金链轮或齿轮，其特征在于：步骤4和步骤5)合并为一个工序，采用烧结固溶一体网带炉，该烧结固溶一体网带炉包括有四个区域，分别为用于脱蜡烧结的烧结区、用来将温度降为设定温度的缓冲区、用来进行固溶处理的固溶区及用来快冷的淬火区。
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