一种高性能粉末冶金耐热铝合金的制备方法转让专利
申请号 : CN201210112517.0
文献号 : CN102676958B
文献日 : 2014-05-07
发明人 : 曲选辉 , 原现杰 , 尹海清 , 关佳
申请人 : 北京科技大学
摘要 :
一种粉末冶金耐热铝合金的制备方法，属于粉末冶金新成形工艺和铝合金相结合的材料成形领域。采用用粉末冶金新工艺-高速压制成形方法，制备铝合金，有效降低合金中元素的偏析，提高材料的性能，通过加入过渡族元素来提高铝合金的耐热性能。主要用于汽车零件，如齿轮、活塞等。雾化粉经过高速压制强大的冲击能量，可以有效的提高合金的生坯密度，降低合金元素的偏析。液相烧结使得合金元素扩散充分，Cr、Ti有助于细化晶粒，铁提高合金的热稳定性。制备方法简单，高效，合金比传统合金有很好的拉伸强度、延展性、耐热性能。
权利要求 :
1.一种粉末冶金耐热铝合金的制备方法，其特征是具体工艺步骤为：
1）、采用快速凝固的方法制备铝合金粉，各种元素的成分含量分别是：铁4.0-5.8%、铬
3.6-5.0%、Ti3.3-4.8%，余量为铝；
2）、压制采用粉末冶金高速压制，压制成形设备为HYP35-2型高速冲击成形压机，压制3
能量为600-2000J，生坯压制密度最高达2.783g/cm ；
3）、烧结温度为610℃～650℃，保温时间为20min ～60min；
4）、烧结气氛采用氮气、氩气或真空；
5）、固溶处理温度为480℃～520℃；
6）、淬火采用水淬、空冷、随炉冷；
7）、退火；
8）、时效处理采用自然时效。
说明书 :
一种高性能粉末冶金耐热铝合金的制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于粉末冶金新成形工艺和铝合金相结合的材料成形领域。用高速压制的成形方法与粉末冶金铝合金热处理工艺相结合，制备Al-Fe-Cr-Ti耐热铝合金。本发明主要用于汽车零件，如齿轮、活塞等。提供高速压制工艺、粉末冶金铝合金材料成分和热处理工艺的设计方案。涉及耐热铝合金各组成成分的设计以及粉末冶金铝合金热处理工艺。
背景技术
[0002] 随着汽油价格的上涨和人们环保意识的增强，汽车轻量化越来越多的引起人们的关注，汽车上的一些铁基材料正在被铝基材料所取代。汽车轻量化为高比强度的铝基合金件的应用提供了工业化前景。特别是在发动机传送系统方面，零部件的轻量能显著改善汽车的性能，并降低能耗。传统铸造铝基合金由于存在成分偏析，无法满足材料高性能的要求，而粉末冶金件普遍具有以下几个优点：①能够避免成分的偏析，保证合金具有均匀的组织和稳定的性能；②能利用金属和金属、金属和非金属(包括一些高熔点的材料)的组合效果，生产各种特殊性能的材料。粉末冶金铝合金件除具有上述优点之外，还具有如下特性：3 3 3
①密度低(Al的密度为2.70 g/cm)，约为Fe(7.874 g/cm)和Cu(8.96 g/cm)的1/3；②不需要做防锈处理，因为A1表面极易形成一层氧化膜，进而起到防护作用，相对于需要防护涂层的零件节省了生产成本；③有较强的吸能性，在撞车时比钢制零件多吸收50％以上的冲击能，从而减少对人员的伤害，同时提高安全性和乘坐舒适性。由于粉末冶金铝合金具有低密度、高比强、高耐磨性和耐腐蚀性的特点，表现出广阔的应用前景。然而由于各种因素的影响,其开发利用远远落后于Fe 、Cu 系合金。这些制约因素主要包括：①Al 活性高，在快速凝固制粉的过程中，不可避免地形成一层致密的氧化膜，在压制和烧结过程中，这层氧化膜使合金元素的相互扩散受到阻碍，不利于其冶金粘结；②粉末价格高、缺少专有生产技术。这些制约因素，曾经限制了粉末冶金的铝合金的发展，粉末冶金铝合金经过几十年的发展，已经取得了许多新的突破。在材料种类上有Al-Si-X耐磨合金、Al-Fe-X耐热合金、高强合金、铝复合材料等等。粉末冶金铝合金整体水平有了很大的提高，在成形方法上有喷射成形、压制烧结、热挤压、冷等静压等等。目前主要存在的问题是缺少商业粉末冶金铝合金牌号，所以提高适用的铝基粉末冶金件的性能并有效地降低其成本，开发出商业可用的粉末冶金铝合金牌号，是研究发展的方向。当前压制烧结由于工艺简单，降低了成本，材料性能优越，显现出很强的优势。D P Bishop研究了用传统压制方法制备了铝硅合金，取得了一定成果，只是合金密度还待提高[W.G.E. Mosher, G.J. Kippouros, W.F. Caley, I.W. Donaldson, D.P. Bishop, On hot deformation of aluminium–silicon powder metallurgy alloys. Powder Metal., 54(2011), No. 3, P.366.]。高速压制主要的优点就是有效提高生坯密度，在这种情况下，研究粉末冶金铝合金高速压制及烧结工艺，对于汽车工业用高效节能粉末冶金铝合金件的发展具有重要意义。
①密度低(Al的密度为2.70 g/cm)，约为Fe(7.874 g/cm)和Cu(8.96 g/cm)的1/3；②不需要做防锈处理，因为A1表面极易形成一层氧化膜，进而起到防护作用，相对于需要防护涂层的零件节省了生产成本；③有较强的吸能性，在撞车时比钢制零件多吸收50％以上的冲击能，从而减少对人员的伤害，同时提高安全性和乘坐舒适性。由于粉末冶金铝合金具有低密度、高比强、高耐磨性和耐腐蚀性的特点，表现出广阔的应用前景。然而由于各种因素的影响,其开发利用远远落后于Fe 、Cu 系合金。这些制约因素主要包括：①Al 活性高，在快速凝固制粉的过程中，不可避免地形成一层致密的氧化膜，在压制和烧结过程中，这层氧化膜使合金元素的相互扩散受到阻碍，不利于其冶金粘结；②粉末价格高、缺少专有生产技术。这些制约因素，曾经限制了粉末冶金的铝合金的发展，粉末冶金铝合金经过几十年的发展，已经取得了许多新的突破。在材料种类上有Al-Si-X耐磨合金、Al-Fe-X耐热合金、高强合金、铝复合材料等等。粉末冶金铝合金整体水平有了很大的提高，在成形方法上有喷射成形、压制烧结、热挤压、冷等静压等等。目前主要存在的问题是缺少商业粉末冶金铝合金牌号，所以提高适用的铝基粉末冶金件的性能并有效地降低其成本，开发出商业可用的粉末冶金铝合金牌号，是研究发展的方向。当前压制烧结由于工艺简单，降低了成本，材料性能优越，显现出很强的优势。D P Bishop研究了用传统压制方法制备了铝硅合金，取得了一定成果，只是合金密度还待提高[W.G.E. Mosher, G.J. Kippouros, W.F. Caley, I.W. Donaldson, D.P. Bishop, On hot deformation of aluminium–silicon powder metallurgy alloys. Powder Metal., 54(2011), No. 3, P.366.]。高速压制主要的优点就是有效提高生坯密度，在这种情况下，研究粉末冶金铝合金高速压制及烧结工艺，对于汽车工业用高效节能粉末冶金铝合金件的发展具有重要意义。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于：采用用粉末冶金新工艺-高速压制成形方法，制备铝合金，有效降低合金中元素的偏析，提高材料的性能，通过加入过渡族元素来提高铝合金的耐热性能。
[0004] 一种高性能粉末冶金耐热铝合金的制备方法,其特征是采用粉末冶金高速压制，然后进行烧结和热处理。具体工艺步骤为：
[0005] 1 采用快速凝固的方法制备铝合金粉，各种元素的成分含量分别是：铁4.0-5.8%、铬3.6-5.0%、Ti3.3-4.8%，余量为铝。
[0006] 2压制采用粉末冶金高速压制，压制成形设备为HYP35-2型高速冲击成形压机，压3
制能量为600-2000J，生坯压制密度最高可达2.76g/cm。
制能量为600-2000J，生坯压制密度最高可达2.76g/cm。
[0007] 3烧结温度为610℃～650℃，保温时间为20min ～60min。
[0008] 4 烧结气氛采用氮气、氩气和真空。
[0009] 5 固溶处理温度为480℃～520℃。
[0010] 6 淬火采用水淬、空冷、随炉冷
[0011] 7 退火
[0012] 8 时效处理采用自然时效。
[0013] 本发明的优点在于：雾化粉经过高速压制强大的冲击能量，可以有效的提高合金的生坯密度，降低合金元素的偏析。液相烧结使得合金元素扩散充分，Cr、Ti有助于细化晶粒，铁提高合金的热稳定性。制备方法简单，高效，合金比传统合金有很好的拉伸强度、延展性、耐热性能。
附图说明
[0014] 图1为本发明设计的耐热铝合金组织形貌。
[0015] 图 2 为本发明设计的铝合金粉末的形貌。
具体实施方式
[0016] 实验过程中，用到的原料粉为气雾化方法制备。
[0017] 高速压制成形设备为HYP35-2型高速冲击成形压机。
[0018] 实施例1
[0019] 将雾化铝合金粉末加入高速压机的料穴中，采用自动模式的单次压制，压制能量为2000J，压坯在620℃的烧结温度下进行烧结并保温30min，烧结气氛选择高纯氮气，然后随炉冷却至室温。按照T6工艺进行热处理。
[0020] 实施例2
[0021] 将雾化铝合金粉末加入高速压机的料穴中，采用自动模式的单次压制，压制能量为2000J，压坯真空状态下在620℃的烧结温度下进行烧结并保温30min，然后随炉冷却至室温。按照T6工艺进行热处理。
[0022] 实施例3
[0023] 将雾化铝合金粉末加入高速压机的料穴中，采用自动模式的单次压制，压制能量为2000J，压坯在620℃的烧结温度下进行烧结并保温30min，在氢气气氛保护下。然后随炉冷却至室温。按照T6工艺进行热处理。
[0024] 实施例4
[0025] 将雾化铝合金粉末加入高速压机的料穴中，采用自动模式的单次压制，压制能量为2000J，在高纯氮气气氛的保护下，压坯在600℃的烧结温度下进行烧结并保温30min，然后随炉冷却至室温。按照T6工艺进行热处理。