一种高硅铜镁系粉末冶金铝合金的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高硅铜镁系粉末冶金铝合金材料的制备方法，属于铝合金及粉末冶金技术技术领域。
【背景技术】
[0002]随着全球能源日渐稀缺、环境污染日趋严重，汽车轻量化越来越多的引起人们的关注。近年来，汽车工业已经开始大量使用轻质的合金材料(如铝合金、钛合金等)替换传统的钢铁材料。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，铝合金的使用可使汽车自重下降可高达20%以上，节约燃料12% _16%，节能减排效果明显，因此铝合金的应用对汽车轻量化具有非常重要的作用。发展高硅铝合金是提高汽车发动机活塞的高温力学性能和耐磨性的主要方法之一。但是传统铸造高硅铝合金由于冷却速率较低，易导致初晶硅长大及宏观偏析，形成粗糙的微观结构，致使铸件材料脆化与切削性显著恶化，使用寿命短，无法实用化。相比之下，粉末冶金技术制备高硅铝合金则具有独特的优势，如制备温度低，减轻了基体和增强颗粒之间的界面反应，从而减少界面上硬质化合物的生成；增强颗粒的体积分数较高且增强颗粒分布均匀，不易出现偏析和偏聚。但是由于铝的活性较高，在快速凝固制粉的过程中，铝粉表面不可避免地形成一层致密的氧化铝膜，阻碍了烧结过程中合金元素的相互扩散作用，不利于粉末冶金铝合金的合金化和致密化，导致材料性能的降低，即使通过热压烧结(约560°C以上)也难以获得全致密的铝合金材料。因此，高性能的粉末冶金铝合金往往更依赖于特殊的成形方法，如喷射成形、冷等静压、热压、高速压制成形等，以及成形固结后大的冷/热加工处理，如锻、乳、挤等，以进一步破坏铝合金颗粒表面的氧化膜，实现金属颗粒间的冶金结合，增加材料的致密度，改善材料的强度和塑性。但是以上工艺制备的高硅铜镁系铝合金的延伸率很低(远低于1%)，脆性大。
【发明内容】
[0003]本发明针对高硅铜镁系铝合金力学性能较低、耐温性差和脆性大等问题，提供了一种生产工艺简单、成本低、室温力学性能高、耐热性和延性好的高硅铜镁系粉末冶金铝合金制备方法。
[0004]本发明一种高性能高硅铜镁系粉末冶金铝合金的制备方法；包括以下步骤:
[0005]将高硅铜镁系铝合金粉末经冷压成型后，在保护气氛下于480?515°C进行低温烧结，得到低温烧结坯，低温烧结坯经热挤压和/或热乳制、固溶处理、时效处理，得到成品；所述热挤压和/或热乳制、固溶处理、时效处理的最高温度均小于等于510°C。
[0006]本发明一种高性能高硅铜镁系粉末冶金铝合金的制备方法；所述高硅铜镁系铝合金粉末的粒度为20-500微米、优选为50-400微米、进一步优选为100-200微米。
[0007]本发明一种高性能高硅铜镁系粉末冶金铝合金的制备方法；所述高硅铜镁系铝合金粉末，以质量百分比剂包括下述组分:
[0008]Si 12-28%、优选为 12-23%、进一步优选为 14-20% ;
[0009]Cu 0.8-5.0 %、优选为 0.8-4.5 %、进一步优选为 0.8-4.0 % ；
[0010]Mg 0.1-2.0%、优选为 0.1-1.8%、进一步优选为 0.1-1.5% ；
[0011 ] 余量为Al和不可避免杂质。
[0012]本发明一种高性能高硅铜镁系粉末冶金铝合金的制备方法；所述高硅铜镁系铝合金粉末，还可以含有稀土元素；所述稀土元素占高硅铜镁系铝合金粉末总质量的
0.01-1.
[0013]本发明一种高性能高硅铜镁系粉末冶金铝合金的制备方法；所述高硅铜镁系铝合金粉末，还可以含有Fe、Mn、Ni等很多微量元素。
[0014]本发明一种高性能高硅铜镁系粉末冶金铝合金的制备方法；为了达到更好的效果，所述高硅铜镁系铝合金粉末是采用快速凝固的方法制备的雾化高硅铜镁系铝合金粉末；快速凝固时，其冷却速度为13?10 6K/so
[0015]本发明一种高性能高硅铜镁系粉末冶金铝合金的制备方法；所述冷压成型时，控制温度为10-40 °C、压力为100-300MPa。
[0016]本发明一种高性能高硅铜镁系粉末冶金铝合金的制备方法；低温烧结的时间为4?10h、优选为4-8h、进一步优选为5-7h。
[0017]本发明一种高性能高硅铜镁系粉末冶金铝合金的制备方法；低温烧结时，所述保护气氛选自氮气气氛、氩气气氛、真空气氛中的一种。采用真空气氛时，控制炉内压力小于等于0.1Pa0
[0018]本发明一种高性能高硅铜镁系粉末冶金铝合金的制备方法；低温烧结坯进行热挤压时，控制温度为390?440°C，热挤压速度为0.3?1.0m/min，挤压比为8_12:1。
[0019]本发明一种高性能高硅铜镁系粉末冶金铝合金的制备方法；低温烧结坯进行热乳制时，控制温度为390?440°C，控制道次变形量为10-90%、优选为15-30%，进一步优选为15-25%。
[0020]本发明一种高性能高硅铜镁系粉末冶金铝合金的制备方法；所述固溶处理的条件为:温度480?510°C，保温时间I?12h、优选为l_10h、进一步优选为l_7h，保温完成后出炉水淬或油淬至淬件的温度为10?80°C。
[0021]本发明一种高性能高硅铜镁系粉末冶金铝合金的制备方法；固溶处理后立即进行时效处理，时效处理时，控制时效温度为160?200°C、时效时间为4?12h、优选为4_10h、进一步优选为5-8h。
[0022]本发明一种高性能高硅铜镁系粉末冶金铝合金的制备方法；所制得的铝合金的抗拉强度为250?480MPa，布氏硬度为110?180，伸长率大于等于5%。
[0023]本发明一种高性能高硅铜镁系粉末冶金铝合金的制备方法；所制得的铝合金的拉伸强度和耐热性与现有汽车发动机活塞用ZL109合金水平相当，但其伸长率达到5%以上(最高可达6-8% )，远远超过ZL109合金。
[0024]原理和优势
[0025]经发明人大量实验和研究分析后发现，高硅铜镁系铝合金在528°C左右会发生相变反应“Al+Al2Cu+Si —液体”形成液相，而且在Al-Cu的共晶点温度548°C时，会有Θ (Al2Cu)析出，由于这些相与粉末表面的氧化铝膜的润湿性差，因此烧结温度高于520°C时，会有大量低熔点液相从合金压坯中溢出，虽然采用热压工艺加压保温能控制该现象的产生，但长时间高温保温会导致初晶硅显著长大，降低合金性能，且高温热压的成本高、对模具的损伤大。基于上述发现，发明人经多次尝试后，发明人发现当降低烧结温度至480?515°C，可避免了高硅铜镁系铝合金中低熔点液相的溢出。同时再辅以合适的热加工、热处理工艺，使得材料的性能得到显著提升，尤其在伸长率的提升上，产生了意想不到的效果。
[0026]本发明采用普通冷压-烧结的粉末冶金工艺制备高硅铜镁系铝合金锭坯，结合常规铝合金的热挤压-固溶时效方法，破坏了铝合金粉末颗粒表面的氧化膜，实现了合金的致密化，有效地提高了合金的密度，降低了元素的偏析，细化了初晶硅。该制备方法简单，成本低，与传统合金相比，具有更好的拉伸强度、延展性、耐热性能。本发明制备的高硅铜镁系粉末冶金铝合金锭坯的抗拉强度为?250MPa，布氏硬度为110?130，其拉伸强度和耐热性与现有汽车发动机活塞用ZL109合金水平相当，伸长率达到5%以上，远远超过ZL109合金。本发明制备的高硅铜镁系粉末冶金铝合金锭坯经热挤压-固溶时效处理后的高硅铜镁系粉末冶金铝合金型材的抗拉强度为250?480MPa，布氏硬度为130?180，伸长率不低于
【附图说明】
[0027]附图1为实施例1制备的高硅铜镁系粉末冶金铝合金型材组织形貌；
[0028]附图2为实施例1制备的高硅铜镁系粉末冶金铝合金型材形貌；
[0029]附图3为对比例I制备的高硅铜镁系粉末冶金铝合金烧结件的形貌；
[0030]附图4为实施例2制备的高硅铜镁系粉末冶金铝合金型材组织形貌；
[0031]附图5为对比例2制备的高硅铜镁系粉末冶金铝合金烧结件的形貌；
[0032]附图6为实施例3制备的高硅铜镁系粉末冶金铝合金型材组织形貌；
[0033]附图7为对比例3制备的高硅铜镁系粉末冶金铝合金烧结件的形貌。
[0034]从图1、图4和图6中可以看出，高硅铜镁系粉末冶金铝合金基体上Si相数量较多，颗粒尺寸在3?5 μπι左右，说明并没有由于Si含量较高而出现粗大块状初晶硅和长针状共晶硅组织，高温挤压和后续高温固溶过程中，Si相颗粒没有发生粗化，且分布较均匀。
[0035]从图2可以看出本发明所制备型材的表面光滑，无毛刺。
[0036]从图3可以看出，比例I制备的高硅铜镁系粉末冶金铝合金烧结件存的表面有大块的熔滴渗出，粘在合金基体的四周及底部。同时还可