粉末冶金铝合金

《粉末冶金铝合金》由会员分享，可在线阅读，更多相关《粉末冶金铝合金（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、?粉末冶金技术? ? ?粉末冶金铝合金朱平张力宁?东南大学,南京? ?摘要本文概 述了粉 末冶金铝 合金 的发展现状和前景。较详细地介绍了普通粉末 冶 金铝 合 金和高性 能粉 末冶 金铝 合金 的组成、制备工艺、性能和应用。主题词铝合 金粉 末冶金在? ?年代中期,美国铝 工业 公 司的工作者发现粉末冶金? ?铝制品与常规 工 艺制造 的材料其性质十分不同,从 而 开始对烧结铝制品进行认真的研究,并 于? ?年由美 国? ? ? ?开发了第一代烧结铝粉末冶 金 ? ?材 料,它是 ? ?一? ?的 弥散合金,具有优异 的高温 强 度 和 热 稳定性。在 ? ?年代后期,? ?将液相烧结技术应

2、 用 于?铝合金,从而 出 现 了有用的直接 烧 结而 成 的 铝?零件。到? ?年代,由于快速 凝 固技术、机械合金 化 技术、复合技术等先进技术的 出现,导致了高性能?铝合金的出现,并在 ? ?年代得到迅速发展。目前?铝制品可分为二类,下面将详细 加以介 绍。?普通?铝合金与高性能?铝合金 不 同,这 类合金 的特点是?具有与铸锭 冶 金?铝合金相应 的化学成分?利用常规 的?工艺?即冷压、烧结工艺?直接得 到零件?在性能上 主 要是利 用其低比重、耐腐蚀、高导热导电性等优点?主要 应 用 于 一般工业,如汽车工 业、仪表工业等。?合金成分由于铝粉表面致密的不可还原的氧化膜将阻碍 颗粒 间

3、的结合,因此纯铝及预合金化的 铝合金粉是难以通过普通的压制和烧结工艺制成零件的,?铝合金的原料只能 是铝与合金元素的机械混和粉,其合金化过程 是在混和粉的烧结过 程中完成的。国外常用的普通?铝合金主要有三类?第一类成分相应于合金?一 ?,即 为? ?一?一?系合金,如 美国? ? ? 公司的? ? 一? ?和? ? ?公司的?及德国 的?一? 一? ?第二类成分相应于合金?,即为? ?一?一?一? ?系合金,如? ?的? ?和? ? 的? ?及德国的?一? ?第三 类 成分相 应 于合金?,即为? ?一?一?系合金,如? ?的?。考 虑 到成本因素,?铝中所 用铝粉通常是 空气雾化的不规则状铝

4、粉。原料的粒度分布也有一 定的要求,细粉可以改善烧结强度,但降低流动性且更易与模壁发生冷焊。因为铝粉在混 和过 程中有爆炸的危险,所以国外粉末生产者通常直接提供预混合粉。朱平,副教授,除教学工作外,先后从事金 属材料的微塑性变形、电真空代用银焊 料、粉 末冶金铝合金及金属基复合材料 的研究工作。收稿日期? ?月?粉末冶金铝合金?制造工艺普通?铝合金的制造 工艺总体上类似于其它金属的?工艺,但在各个环节上都有其 自身的特点。?压制由于 铝粉具有很好 的延性,铝基预 混 和粉所需的压制压力低,仅为铁粉的? ? ?,然而铝基预混和粉的流动性差,松装密度与压坯强 度低,与铁相比,较难成形具有薄截面的形

5、状复杂的零件。压制时铝粉颗粒易与模具发生冷焊,擦伤模具,因此压制模最好使用硬质合金模或表面涂覆有? ?的金 属模,模冲与阴模的配合精度尽量作的高些,以减小配合间隙。另外预混 和粉中还需 加入一 定量的润滑剂,通常为酞胺蜡,加入 量控制在?,过多过少都将产生 不利影响?。?烧结烧结是要求最严格的作业,压 坯烧结时,铝与合金元素?、? ?、?等相融合而形成液相,这些液体沿颗粒界 流动,穿透压制时已部分破碎的氧化铝膜,并扩散到铝粉颗粒中,液相烧结的结果,使颗粒内强度增高,颗粒间结合增强,合金均匀化。烧结时,根据所用设备及性能要求,可采用氢、氢、分解氨、真空及氮等作为保护气氛,其中最常用的是 水 份含

6、量褪低的氮气,其露点控制在一? ?以下。? ?公司的研 究表明,当露点在一? ?以上时,烧结坯 强度将急剧 下降,同时坯件尺寸变化加剧川。烧结温度及时间是 另二个重要参数,温度的选择首先必 须使坯中存在 较 多 的液 相,但过多的液相将使坯体变形、坍塌?因此不同合金相应地都有不同的最佳烧结温度,如对? ?预 混 和粉压 坯,烧结温膺约 为 ? ?,而对? ?,约为? ?。?后续处理鉴 于烧结作业时控 制的困难,大部分烧结件都进行复压,复压 既可改善机械性能,又能改进烧结零件的 尺寸公差 和表面质量。?当需要较高的机械性能时,用 于 形变铝合金的热处理也可用 于烧结铝零件。?铝合金零件可像?铝合

7、金零件一 样进行机械加工与光饰加工。为改进烧结铝的机械性能也可将它们进行冷成形或热锻等成形操作。?性能及应用?铝合金零 件,依据其成 份、密度、烧结工艺、热处理和复压等条件的不 同,其性能可以在很大的范围内变化。?铝合金典型的烧结条件及性能 列于表?。表?铝合金典型的工艺条件及性能? ?即? ? ? ? ? ? ? ? ? !? ?伴? ? ?一? 一。罗工艺条件与性能压 坯密度,? ?”压坯相对密度,写烧结温度,烧结时 间,? ?烧结气氛?露点? 烧结坯密度,? ?烧结坯相对密度,? ?,?烧结态。,?,? ? ?,?态。?,? ? ? ? ? ? ? ? ?一? ? ? ? ? ? ? ?

8、一? ? ?,? ? ? ? ? ? ?一? ? ? ?固溶处理?人 工时效粉 末 冶金 技术? ?由于 铝的特殊性能?轻、无磁性,耐腐蚀,优 良的导 热 导 电性?及?方法的优势,目前,?铝零件主 要 在缝纫机、办 公 设备,汽车 工业等中找 到 一些应用,如缝纫机 中的连杆,小型和微型电机的无磁外壳,复印机中的驱动轮、轴承、轴套等,汽车上的 后镜座、转向柱衬套等,此 外还有医用 设备里的小型 热交换器,柴油机涡轮增压 器的转子、油泵外壳,据估计,如果 能提高摩擦阻力、铝烧结皮带轮可望大量使用。尽管铝粉末冶金 是个才开辟不 久 的 领域,但其 增 长速率却相 当快,? ?年,全 世 界生产的

9、?铝零件不超过 ? ?种,重量约? ? ?,而在? ?年 的报道 中,?铝零件年产值约为? ? ?。?高性能粉末冶金铝合金与?铝合金相比,一方面高性能?铝合金的显微组织大大细化,表现为晶粒尺寸、第二 相颗粒细 化,偏析程度降低,第二 相颗 粒分布均 匀?另一方面其化 学成分可以不 同于原IM铝合金,合金成分的 设计范围大大增加。与普通PM铝合金相比,除了 合金成 分不同外,其制备工艺、应 用领域也大不相同。2 .1合金成分目前迅速发展的高性能PM铝合金 主要有以下几类:2.L I高强度、耐腐蚀PM铝合金这是最早发展的一类合金,其合金成分是在ZX X X和7x x x系列 上 发展起来的。曾经

10、对Z x x x系 列 作 过 一 些研究,但近来的研究工作主要集中在7x x x系列5石,在A l一 zn一Mg一 Cu的基 础 上 添 加 约lw t% 的F e、N i、C o、Z r或Mn就产 生了高强、耐 蚀的新合金,如709D, 70gr和ew67。2.1.2低密度、高刚度PM铝合金降 B e以外,L i是唯 一能使铝合金的弹性模量提高、密 度下降的 合金 元 素,添 加lw t%的L i可使A l的密度降低约3%,而弹性模量约 增 加6%。尽管L i在 A l中 的 固溶度可达4wt%,但在铸锭 冶金 合金 中,当L i量超过2.7w t%时,将会遇 到严重的偏析问题,此 外这类

11、合金的延性和断裂韧性也很低。在A l一L i中加入Z r可以改 善延性,但z r在A l中的固溶度很低,因此对于IMA I一L i合金,要改善其性能是很困难的。利用快速凝固或机械合金化的PMA I一L i合金就能解决上述问题,在PM的 A l一L i合金中,L i和zr的 固溶度可 分别 达到sw t% 和0.sw t%,此外通 过 添 加Cu和Mg还可以进一 步增 加A l一L i一 z:合金的强度。2.1.3高温PM铝合金过 渡族金 属 元素在铝 中不仅固溶度很低,而且扩散速率也 很慢,这两 点正是发展高温铝合金所必 须的,因此高温PM铝合金至少 含有一种过渡族金 属元素,但是铝和过渡族元

12、素组成的二 元合金的强度与热稳定性都不是 太 理 想,因此合金的发展 主要集中在三元和四元合金上,目前发 展的合金主要是 添加有ee、Mo或v+51的A I一 Fe合金。此外 表2列举 了国外 部 分厂家 正 在研制开 发 的高温pM铝合金 7。表2国外正在发展的高温PM铝合金T able2H i ghtemP erat ur e P/MA Ialloy Sdevelo - -Ping intheworl d厂名高温PM铝合金A I一SFe一3.4Ce(CU78)AI一7Fe一6Ce(CZ42)AI一8.4Fe一7Ce衣 WhirneySignalA ICaf lPeehlneySUm ito

13、moA I一SFe一ZMoAI一10.SFe一ZMo一IVAI一8.SFe一IV一251(FVS0812)AI一12. SFe一IV一251(FVS1212)AI一SCr一1.SZr一IMnAI一gFe一ZMo一IZr(CP806)AI一SFe一ZV一ZMo - -IZra t tl j e dP r A IA I2.1.4PM铝基复合材料 PM铝 基复合材料,目前仍 主 要采用工业上 现有的形变铝合金作为其基体材料,其中最 常用的 是 A l一 cu合金 ( 2x x x系 列)、Al一Mg一s i合金 ( 6x x x系 列)和 A l一 zn合金( 7x x x系列)。此外,当要求材料

14、的高温性粉末冶金铝合金能时,可采用弥散强化 的 A l一F e基、A l一T i基合金,同样,若以A l一L i合金为基体则在比强度、比模量方面更有优势。在PM铝基复 合材料中,目前最常用的增 强体是S IC,此外 A 12o3、 B; C也常用。与颗粒增强的复合材料相比,晶须增强的复合材料在 强度与热稳定性方面要更佳,但由于 目前它的成本太高,且对人体健康有害,因此晶须 增 强 铝基复合材料 的商业化进程一直很慢8。2.1.5耐磨、低热膨胀系数粉末冶金铝合金 A l中添加s i可以提高合金的强度和耐磨性,同时降低线膨胀系数。但当s i量大于 15%时,铸造 A l一 s i合金中初晶s i粗

15、大,从而损坏了合金 的性能。高性能粉末冶金 A l一s i合金却不存在此 问题,如日本开发的低膨胀粉末冶金A一51合金“CMSHA一 40”其51含量达 4 0 %幻。为提高 A l一s i合金的强度及高温性能,目前开发的 A l一s i合金,其s i含量通常在20%左右,同时合金中添加cu,Mg以提高强度,加 F e或 N i以提高高温性能,从而满足汽 车发 动机、压缩 机中一些零件的性能 要求“,。2.2制造工艺高性能 A l合金粉末冶金制备工艺的主 要特点表现在其制粉与巍化两个阶段。2.2.1制粉用 于高性能PM铝合金的原料主要有三类:即快速凝固铝合金粉、机械合金化的铝合金粉以及增强体与铝合金粉末的混 和粉。快速凝固铝合金粉是将铝合金熔液以极快的冷却速度(1)10 sK/s)冷却得 到的。在制备快速凝固铝合金粉时最常用最经济的方法是雾化法,通过改进喷嘴的设计和喷嘴的操作(如超声喷嘴),雾化