一种提高铝合金粉末冶金零件烧结致密度的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及粉末冶金技术领域，属于金属材料的范畴，特别提供了一种提高铝合金粉末冶金零件烧结致密度的方法，即采用氧化硼(B2O3)-乙醇溶液对铝合金粉末进行表面改性，然后经过干燥、成形、烧结制备高致密度铝合金粉末冶金零件。
技术背景
[0002]粉末冶金具有节能、节材、环保、适于大批量生产等诸多优点，铁基、铜基、不锈钢等材料的粉末冶金零件在机械、五金、家电、电子产品等行业具有广泛的应用。
[0003]铝合金是应用最广泛的轻质高强材料，利用粉末冶金法制备的Al-Si合金具有较高的强度、低的热膨胀系数及良好的耐磨性，可用于汽车发动机和空调压缩机的零配件、活塞等部位；日本利用快速凝固-粉末冶金技术制备了铝合金汽车发动机阀门弹簧座和连杆，相应构件的重量分别减轻60%和30%，大幅度提高了发动机的转速；马自达汽车公司在循环发动机转子上采用Al-S1-Fe-Cu-Mg快速凝固粉末冶金合金制造零件，发动机的节油率高达20% ;日本住友电气公司用高速凝固粉末冶金Al-S1-X系高硅的铝合金取代烧结钢，大批量制造汽车空调系统压缩机转子和叶片，使转子减轻60%，整个压缩机减重40%，压缩机工作效率大为提高；日本雅马哈汽车公司生产的高速凝固粉末冶金铝-硅合金也已用于制造汽车与摩托车活塞，取得了比铸铁活塞轻20%、使用期延长30%的成就，而且噪声显著下降，污染减轻。但上述铝合金零件均采用热挤压、热等静压等特殊致密化手段才能达到较高的致密度和性能，用常规粉末冶金方法生产铝合金零件的技术，特别是铝合金零件的烧结致密化技术目前还未得到全面突破。
[0004]铝合金粉末难于烧结致密化的原因为:其表面存在致密的氧化铝膜，Al原子不能穿过这层连续且致密的氧化膜，实现物质的扩散转移，导致粉末颗粒之间不能互相融合长大消除孔隙，从而影响致密化。因此，国内外对铝合金粉末冶金零件的研究集中在如何破坏氧化铝膜促进烧结致密化的工艺技术方面。据国外文献报道，加入锡、铅等低熔点金属，或在高纯氮气气氛中烧结，均为比较有效的方法。本发明针对铝合金粉烧结致密化难题，提供了一种通过铝合金粉表面改性促进烧结致密化的方法。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种提高铝合金粉末冶金零件烧结致密度的方法。该方法的原理为:高温下氧化硼能够与几乎所有的金属氧化物发生化学反应形成硼玻璃。当Al合金粉中加入氧化硼时，氧化硼与Al合金粉颗粒表面的Al2O3反应，破坏氧化膜，实现物质的扩散转移，使粉末颗粒之间实现冶金结合，大幅度提高粉末冶金铝合金的烧结致密度、物理性能及机械性能。
[0006]本发明所采用的技术方案为:采用无水乙醇作为溶剂配置氧化硼溶液，按设定的氧化硼含量，将氧化硼溶液与一定质量的铝合金粉混合并充分搅拌，搅拌均匀后进行干燥使溶剂(乙醇)挥发，干燥后获得表面改性的铝合金粉，采用成形(模压、冷等静压、注射成型)、烧结(真空或N2、Ar保护气氛)工艺制备高致密度铝合金粉末冶金零件，烧结过程中利用氧化硼与Al颗粒表面氧化膜的反应促进烧结，提高烧结致密度。
[0007]一种提高铝合金粉末冶金零件烧结致密度的方法，包括以下工艺步骤:
[0008]1、配制氧化硼溶液:采用无水乙醇作为溶剂，在电动搅拌机作用下配制氧化硼质量分数为0.5%?20%的溶液，用于铝合金粉末的表面处理。
[0009]2、铝合金粉表面的改性
[0010]根据上述溶液中氧化硼的质量向溶液中加入一定质量的铝合金粉，氧化硼与铝合金粉的质量比为0.001?0.053，利用电动搅拌机进行搅拌，搅拌时间为30?60min，然后对样品进行干燥，干燥温度为30?70°C，确保乙醇挥发完全且不与氧化硼反应，干燥结束后获得表面改性的铝合金粉末，使得其中氧化硼的质量分数为0.1%?5%。
[0011]3、致密化
[0012]采用模压、冷等静压(CIP)或注射成型(MM)等成形工艺，模压压制压力为200?700MPa，保压时间为10?60s ;冷等静压压力为80?200MPa，保压时间为I?60min ;注射成型压力为50?200MPa，保压时间为0.3?lOmin。
[0013]采用真空炉或快速升温电炉烧结，烧结在真空、高纯队或Ar气氛中进行，烧结温度为500?670°C，保温时间为2?8h，保温结束后随炉冷却。
[0014]采用以上技术方案，本发明的优点在于:
[0015]1、在较低的烧结温度下即可获得烧结致密度较高的铝合金粉末冶金零件，且零件强度大大提尚;
[0016]2、原料丰富易得，成本低廉，操作简单。
【附图说明】
[0017]图1是本发明制备高致密度铝合金粉末冶金零件的工艺流程图具体实施方案
[0018]实施例1:
[0019]1、配置氧化硼溶液
[0020]以无水乙醇作为溶剂，在电动搅拌机作用下配置氧化硼质量分数为5%的溶液；
[0021]2、铝合金粉表面的改性
[0022]向上述溶液中加入铝合金粉，氧化硼与铝合金粉的质量比为0.001，利用电动搅拌机进行搅拌，搅拌时间为30min，然后进行干燥，干燥温度为40°C，获得表面改性的铝合金粉，其中氧化硼的质量分数为1% ;
[0023]3、致密化
[0024]将上述表面改性后的粉末采用成形烧结工艺，获得高致密度的铝合金粉末冶金零件。
[0025]I)成形:采用模压成形，模压压制压力为300MPa，保压时间为20s ;
[0026]2)烧结:采用真空烧结，烧结温度为600°C，保温时间为2h，保温结束后随炉冷却。
[0027]实施例2:
[0028]1、配置氧化硼溶液
[0029]以无水乙醇作为溶剂，在电动搅拌机作用下配置氧化硼质量分数为10%的溶液；
[0030]2、铝合金粉表面改性
[0031]向上述溶液中加入铝合金粉，氧化硼与铝合金粉的质量比为0.031，采用电动搅拌机进行搅拌，搅拌时间为40min，使铝合金粉与溶液混合均匀。然后进行干燥，干燥温度为50°C，获得表面改性的铝合金粉，其中氧化硼的质量分数为3% ;
[0032]3、致密化
[0033]将上述表面改性后的粉末采用成形烧结工艺，获得高致密度的铝合金粉末冶金零件。
[0034]I)成形:采用冷等静压成形，成形压力为lOOMPa，保压时间为2min ;
[0035]2)烧结:采用快速升温电炉烧结，烧结在高纯N2气氛中进行，烧结温度为620°C，保温时间为3h，保温结束后随炉冷却。
[0036]实施例3:
[0037]1、配置氧化硼溶液
[0038]以无水乙醇作为溶剂，在电动搅拌机作用下配置氧化硼质量分数为15%的溶液；
[0039]2、铝合金粉表面的改性
[0040]向上述溶液中加入铝合金粉，氧化硼与铝合金粉的质量比为0.053，利用电动搅拌机进行搅拌，搅拌时间为50min，使铝合金粉与溶液混合均匀。然后进行干燥，干燥温度为70°C，获得表面改性的铝合金粉，其中氧化硼的质量分数为5% ;
[0041]3、致密化
[0042]将上述表面改性后的粉末采用成形烧结工艺，获得高致密度的铝合金粉末冶金零件。
[0043]I)成形:采用注射成形，成形压力为lOOMPa，保压时间为3min ;
[0044]2)烧结:采用快速升温电炉烧结，烧结在高纯Ar气氛中进行，烧结温度为650°C，保温时间为5h，保温结束后随炉冷却。
【主权项】
1.一种提高铝合金粉末冶金零件烧结致密度的方法，其特征在于:包括以下工艺步骤: 1)配置氧化硼溶液:以无水乙醇作为溶剂配置氧化硼溶液，在电动搅拌机作用下，促进氧化硼溶解； 2)铝合金粉表面改性:将一定质量的铝合金粉置于上述溶液中继续搅拌，搅拌机转速控制在100rad/min?350rad/min，然后对样品进行干燥，干燥温度为30?70°C，干燥后得到表面改性的铝合金粉； 3)致密化:将表面改性的铝合金粉采用成形烧结工艺，获得烧结致密度显著提高的铝合金粉末冶金零件。2.根据权利要求1所述的提高铝合金粉末冶金零件烧结致密度的方法，其特征在于:所述配置氧化硼溶液的工艺为: 采用无水乙醇作为溶剂，配置氧化硼质量分数为0.5%?20%的氧化硼溶液。3.根据权利要求1所述的提高铝合金粉末冶金零件烧结致密度的方法，其特征在于:所述铝合金粉表面改性工艺为: 将一定质量的铝合金粉置于上述溶液中继续搅拌，氧化硼与铝合金粉的质量比为0.001?0.053，然后将样品进行干燥，干燥温度为30?70°C，得到表面改性的铝合金粉，使得其中氧化硼的质量分数为0.1%?5%。4.根据权利要求1所述的提高铝合金粉末冶金零件烧结致密度的方法，其特征在于:所述成形烧结工艺为: 1)成形:采用模压、冷等静压(CIP)或注射成形(MIM)，模压压制压力为200MPa?700MPa，保压时间为10?60s ;冷等静压压力为80?200MPa，保压时间为I?60min ;注射成形压力为50?200MPa，保压时间为0.3?lOmin。 2)烧结:采用真空炉或快速升温电炉烧结，烧结在真空、高纯N2SAr气氛中进行，烧结温度为500 °C?670 °C，保温时间为2?8h，然后随炉冷却。
【专利摘要】本发明提供了一种提高铝合金粉末冶金零件烧结致密度的方法，属于金属材料领域。首先采用无水乙醇作为溶剂配置浓度一定的氧化硼(B2O3)溶液，向溶液中加入一定质量的铝合金粉，搅拌均匀，经过干燥后得到表面改性的铝合金粉。采用成形、烧结工艺制备烧结致密度明显提高的铝合金粉末冶金零件。烧结过程中利用氧化硼与铝合金粉表面氧化物的反应来促进烧结，提高致密度。制备的铝合金粉末冶金零件当生坯致密度为70％时，烧结后致密度在95％以上，比未经改性的铝合金粉制备的粉末冶金零件烧结致密度提高25％以上。本发明的方法工艺简单，原料丰富易得，适合制备高性能的铝合金粉末冶金零件。
【IPC分类】B22F3/16, B22F1/00, B22F3/22
【公开号】CN104999074
【申请号】CN201510472901
【发明人】罗骥, 罗萍萍, 郭志猛, 曹慧钦, 陈存广, 杨薇薇
【申请人】北京科技大学
【公开日】2015年10月28日
【申请日】2015年8月4日