一種高硅銅鎂系粉末冶金鋁合金的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高硅銅鎂系粉末冶金鋁合金材料的制備方法，屬于鋁合金及粉末冶金技術(shù)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著全球能源日漸稀缺、環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，汽車(chē)輕量化越來(lái)越多的引起人們的關(guān)注。近年來(lái)，汽車(chē)工業(yè)已經(jīng)開(kāi)始大量使用輕質(zhì)的合金材料(如鋁合金、鈦合金等)替換傳統(tǒng)的鋼鐵材料。特別是在發(fā)動(dòng)機(jī)傳送系統(tǒng)方面，零部件的輕量能顯著改善汽車(chē)的性能，鋁合金的使用可使汽車(chē)自重下降可高達(dá)20%以上，節(jié)約燃料12% _16%，節(jié)能減排效果明顯，因此鋁合金的應(yīng)用對(duì)汽車(chē)輕量化具有非常重要的作用。發(fā)展高硅鋁合金是提高汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的高溫力學(xué)性能和耐磨性的主要方法之一。但是傳統(tǒng)鑄造高硅鋁合金由于冷卻速率較低，易導(dǎo)致初晶硅長(zhǎng)大及宏觀偏析，形成粗糙的微觀結(jié)構(gòu)，致使鑄件材料脆化與切削性顯著惡化，使用壽命短，無(wú)法實(shí)用化。相比之下，粉末冶金技術(shù)制備高硅鋁合金則具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如制備溫度低，減輕了基體和增強(qiáng)顆粒之間的界面反應(yīng)，從而減少界面上硬質(zhì)化合物的生成；增強(qiáng)顆粒的體積分?jǐn)?shù)較高且增強(qiáng)顆粒分布均勻，不易出現(xiàn)偏析和偏聚。但是由于鋁的活性較高，在快速凝固制粉的過(guò)程中，鋁粉表面不可避免地形成一層致密的氧化鋁膜，阻礙了燒結(jié)過(guò)程中合金元素的相互擴(kuò)散作用，不利于粉末冶金鋁合金的合金化和致密化，導(dǎo)致材料性能的降低，即使通過(guò)熱壓燒結(jié)(約560°C以上)也難以獲得全致密的鋁合金材料。因此，高性能的粉末冶金鋁合金往往更依賴(lài)于特殊的成形方法，如噴射成形、冷等靜壓、熱壓、高速壓制成形等，以及成形固結(jié)后大的冷/熱加工處理，如鍛、乳、擠等，以進(jìn)一步破壞鋁合金顆粒表面的氧化膜，實(shí)現(xiàn)金屬顆粒間的冶金結(jié)合，增加材料的致密度，改善材料的強(qiáng)度和塑性。但是以上工藝制備的高硅銅鎂系鋁合金的延伸率很低(遠(yuǎn)低于1%)，脆性大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明針對(duì)高硅銅鎂系鋁合金力學(xué)性能較低、耐溫性差和脆性大等問(wèn)題，提供了一種生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、成本低、室溫力學(xué)性能高、耐熱性和延性好的高硅銅鎂系粉末冶金鋁合金制備方法。
[0004]本發(fā)明一種高性能高硅銅鎂系粉末冶金鋁合金的制備方法；包括以下步驟:
[0005]將高硅銅鎂系鋁合金粉末經(jīng)冷壓成型后，在保護(hù)氣氛下于480?515°C進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)，得到低溫?zé)Y(jié)坯，低溫?zé)Y(jié)坯經(jīng)熱擠壓和/或熱乳制、固溶處理、時(shí)效處理，得到成品；所述熱擠壓和/或熱乳制、固溶處理、時(shí)效處理的最高溫度均小于等于510°C。
[0006]本發(fā)明一種高性能高硅銅鎂系粉末冶金鋁合金的制備方法；所述高硅銅鎂系鋁合金粉末的粒度為20-500微米、優(yōu)選為50-400微米、進(jìn)一步優(yōu)選為100-200微米。
[0007]本發(fā)明一種高性能高硅銅鎂系粉末冶金鋁合金的制備方法；所述高硅銅鎂系鋁合金粉末，以質(zhì)量百分比劑包括下述組分:
[0008]Si 12-28%、優(yōu)選為 12-23%、進(jìn)一步優(yōu)選為 14-20% ;
[0009]Cu 0.8-5.0 %、優(yōu)選為 0.8-4.5 %、進(jìn)一步優(yōu)選為 0.8-4.0 % ；
[0010]Mg 0.1-2.0%、優(yōu)選為 0.1-1.8%、進(jìn)一步優(yōu)選為 0.1-1.5% ；
[0011 ] 余量為Al和不可避免雜質(zhì)。
[0012]本發(fā)明一種高性能高硅銅鎂系粉末冶金鋁合金的制備方法；所述高硅銅鎂系鋁合金粉末，還可以含有稀土元素；所述稀土元素占高硅銅鎂系鋁合金粉末總質(zhì)量的
0.01-1.
[0013]本發(fā)明一種高性能高硅銅鎂系粉末冶金鋁合金的制備方法；所述高硅銅鎂系鋁合金粉末，還可以含有Fe、Mn、Ni等很多微量元素。
[0014]本發(fā)明一種高性能高硅銅鎂系粉末冶金鋁合金的制備方法；為了達(dá)到更好的效果，所述高硅銅鎂系鋁合金粉末是采用快速凝固的方法制備的霧化高硅銅鎂系鋁合金粉末；快速凝固時(shí)，其冷卻速度為13?10 6K/so
[0015]本發(fā)明一種高性能高硅銅鎂系粉末冶金鋁合金的制備方法；所述冷壓成型時(shí)，控制溫度為10-40 °C、壓力為100-300MPa。
[0016]本發(fā)明一種高性能高硅銅鎂系粉末冶金鋁合金的制備方法；低溫?zé)Y(jié)的時(shí)間為4?10h、優(yōu)選為4-8h、進(jìn)一步優(yōu)選為5-7h。
[0017]本發(fā)明一種高性能高硅銅鎂系粉末冶金鋁合金的制備方法；低溫?zé)Y(jié)時(shí)，所述保護(hù)氣氛選自氮?dú)鈿夥?、氬氣氣氛、真空氣氛中的一種。采用真空氣氛時(shí)，控制爐內(nèi)壓力小于等于0.1Pa0
[0018]本發(fā)明一種高性能高硅銅鎂系粉末冶金鋁合金的制備方法；低溫?zé)Y(jié)坯進(jìn)行熱擠壓時(shí)，控制溫度為390?440°C，熱擠壓速度為0.3?1.0m/min，擠壓比為8_12:1。
[0019]本發(fā)明一種高性能高硅銅鎂系粉末冶金鋁合金的制備方法；低溫?zé)Y(jié)坯進(jìn)行熱乳制時(shí)，控制溫度為390?440°C，控制道次變形量為10-90%、優(yōu)選為15-30%，進(jìn)一步優(yōu)選為15-25%。
[0020]本發(fā)明一種高性能高硅銅鎂系粉末冶金鋁合金的制備方法；所述固溶處理的條件為:溫度480?510°C，保溫時(shí)間I?12h、優(yōu)選為l_10h、進(jìn)一步優(yōu)選為l_7h，保溫完成后出爐水淬或油淬至淬件的溫度為10?80°C。
[0021]本發(fā)明一種高性能高硅銅鎂系粉末冶金鋁合金的制備方法；固溶處理后立即進(jìn)行時(shí)效處理，時(shí)效處理時(shí)，控制時(shí)效溫度為160?200°C、時(shí)效時(shí)間為4?12h、優(yōu)選為4_10h、進(jìn)一步優(yōu)選為5-8h。
[0022]本發(fā)明一種高性能高硅銅鎂系粉末冶金鋁合金的制備方法；所制得的鋁合金的抗拉強(qiáng)度為250?480MPa，布氏硬度為110?180，伸長(zhǎng)率大于等于5%。
[0023]本發(fā)明一種高性能高硅銅鎂系粉末冶金鋁合金的制備方法；所制得的鋁合金的拉伸強(qiáng)度和耐熱性與現(xiàn)有汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用ZL109合金水平相當(dāng)，但其伸長(zhǎng)率達(dá)到5%以上(最高可達(dá)6-8% )，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)ZL109合金。
[0024]原理和優(yōu)勢(shì)
[0025]經(jīng)發(fā)明人大量實(shí)驗(yàn)和研究分析后發(fā)現(xiàn)，高硅銅鎂系鋁合金在528°C左右會(huì)發(fā)生相變反應(yīng)“Al+Al2Cu+Si —液體”形成液相，而且在Al-Cu的共晶點(diǎn)溫度548°C時(shí)，會(huì)有Θ (Al2Cu)析出，由于這些相與粉末表面的氧化鋁膜的潤(rùn)濕性差，因此燒結(jié)溫度高于520°C時(shí)，會(huì)有大量低熔點(diǎn)液相從合金壓坯中溢出，雖然采用熱壓工藝加壓保溫能控制該現(xiàn)象的產(chǎn)生，但長(zhǎng)時(shí)間高溫保溫會(huì)導(dǎo)致初晶硅顯著長(zhǎng)大，降低合金性能，且高溫?zé)釅旱某杀靖?、?duì)模具的損傷大?；谏鲜霭l(fā)現(xiàn)，發(fā)明人經(jīng)多次嘗試后，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)當(dāng)降低燒結(jié)溫度至480?515°C，可避免了高硅銅鎂系鋁合金中低熔點(diǎn)液相的溢出。同時(shí)再輔以合適的熱加工、熱處理工藝，使得材料的性能得到顯著提升，尤其在伸長(zhǎng)率的提升上，產(chǎn)生了意想不到的效果。
[0026]本發(fā)明采用普通冷壓-燒結(jié)的粉末冶金工藝制備高硅銅鎂系鋁合金錠坯，結(jié)合常規(guī)鋁合金的熱擠壓-固溶時(shí)效方法，破壞了鋁合金粉末顆粒表面的氧化膜，實(shí)現(xiàn)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，細(xì)化了初晶硅。該制備方法簡(jiǎn)單，成本低，與傳統(tǒng)合金相比，具有更好的拉伸強(qiáng)度、延展性、耐熱性能。本發(fā)明制備的高硅銅鎂系粉末冶金鋁合金錠坯的抗拉強(qiáng)度為?250MPa，布氏硬度為110?130，其拉伸強(qiáng)度和耐熱性與現(xiàn)有汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用ZL109合金水平相當(dāng)，伸長(zhǎng)率達(dá)到5%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)ZL109合金。本發(fā)明制備的高硅銅鎂系粉末冶金鋁合金錠坯經(jīng)熱擠壓-固溶時(shí)效處理后的高硅銅鎂系粉末冶金鋁合金型材的抗拉強(qiáng)度為250?480MPa，布氏硬度為130?180，伸長(zhǎng)率不低于
【附圖說(shuō)明】
[0027]附圖1為實(shí)施例1制備的高硅銅鎂系粉末冶金鋁合金型材組織形貌；
[0028]附圖2為實(shí)施例1制備的高硅銅鎂系粉末冶金鋁合金型材形貌；
[0029]附圖3為對(duì)比例I制備的高硅銅鎂系粉末冶金鋁合金燒結(jié)件的形貌；
[0030]附圖4為實(shí)施例2制備的高硅銅鎂系粉末冶金鋁合金型材組織形貌；
[0031]附圖5為對(duì)比例2制備的高硅銅鎂系粉末冶金鋁合金燒結(jié)件的形貌；
[0032]附圖6為實(shí)施例3制備的高硅銅鎂系粉末冶金鋁合金型材組織形貌；
[0033]附圖7為對(duì)比例3制備的高硅銅鎂系粉末冶金鋁合金燒結(jié)件的形貌。
[0034]從圖1、圖4和圖6中可以看出，高硅銅鎂系粉末冶金鋁合金基體上Si相數(shù)量較多，顆粒尺寸在3?5 μπι左右，說(shuō)明并沒(méi)有由于Si含量較高而出現(xiàn)粗大塊狀初晶硅和長(zhǎng)針狀共晶硅組織，高溫?cái)D壓和后續(xù)高溫固溶過(guò)程中，Si相顆粒沒(méi)有發(fā)生粗化，且分布較均勻。
[0035]從圖2可以看出本發(fā)明所制備型材的表面光滑，無(wú)毛刺。
[0036]從圖3可以看出，比例I制備的高硅銅鎂系粉末冶金鋁合金燒結(jié)件存的表面有大塊的熔滴滲出，粘在合金基體的四周及底部。同時(shí)還可