铝或铝合金的活化烧结方法与流程

本发明涉及铝或铝合金的粉末冶金技术领域，尤其是能破除铝粉颗粒表面氧化膜的烧结方法技术领域，具体指一种铝或铝合金的活化烧结方法。

背景技术：

粉末冶金是一项节能、省材、性能优异、产品精度高且稳定性好的环保型大批量生产技术，在铁基、铜基材料上得到了广泛应用，但在烧结铝基合金时则存在铝颗粒表面氧化膜这一难题。铝合金是一种低密度、高比强度的轻质材料，铝合金取代铁基、铜基零件后有利于减轻自重、节能减排，铝合金在航空航天、汽车、机械制造、船舶、化学工业等领域已经得到大量应用。例如，铝罐罐身、超音速战斗机的横梁、高压气缸、汽车悬臂构件、发动机的叶片、机壳和缸套等都广泛使用铝合金。这些铝合金零件已具备足够的使用性能，有些甚至超越了相应的铁基零件。然而，实用化的铝基零件大部分采用传统的铸锻制造，少部分则通过热挤压、热等静压等特殊的粉末冶金工艺。对于常规粉末冶金方法来说，铝颗粒存在表面致密的氧化膜始终是难以解决的问题。

铝的活性较高，在空气中极易氧化，形成主要成分是γ-Al₂O₃的致密氧化膜，该氧化膜包覆住纯铝内核，在液相烧结时阻止铝与合金元素直接接触，严重妨碍了传质与合金化，不仅损害烧结件的力学性能，也会对尺寸精度造成影响。目前国内外在消除氧化膜影响方面的一致做法是：在纯度极高的N₂气氛中烧结，保证炉内露点低于-40℃，氧含量低于10ppm，并加入一定量的Mg以破开氧化膜。但是，这些方法对设备的要求较高，而且烧结件表面往往残留烧结较差的表层。

因此，对于目前铝或铝合金的烧结方法，有待于做进一步的改进。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种能有效破除氧化膜、提高烧结性能的铝或铝合金的活化烧结方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种铝或铝合金的活化烧结方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)制备混合盐溶液

以去离子水为溶剂，配置LiCl、KCl、K₂ZrF₆的混合溶液，且该溶液中LiCl的质量分数为1％～20％，KCl的质量分数为0.1％～6％，K₂ZrF₆的质量分数为0.1％～2％；

(2)铝粉或铝合金粉的表面改性

将步骤(1)制备的混合盐溶液与铝粉或铝合金粉混合，且混合盐与铝粉或铝合金粉的质量比为(0.001～0.01):1，使铝粉或铝合金粉在混合盐溶液中充分分散，干燥得到原料粉末；

(3)成形

根据需要将步骤(2)所得原料粉末压制成形，得到铝或铝合金坯体；

(4)烧结

在N₂气氛下对步骤(3)所得坯体进行烧结，烧结环境的氧含量低于10ppm，露点低于-40℃，烧结温度为560～620℃，保温时间为30～60min，保温完毕后随炉冷却，即烧结件继续在N₂保护下缓慢冷却，冷却时间为1～3h。

作为本发明的进一步改进，在步骤(2)中将混合盐溶液与铝粉或铝合金粉混合时，先将混合盐溶液在50～80℃下烘干得到混合盐粉末，再将该混合盐粉末分散于无水乙醇中得到混合盐无水乙醇溶液，最后将该混合盐无水乙醇溶液与铝粉或铝合金粉混合。采用上述步骤，可使混合盐LiCl、KCl、K₂ZrF₆与铝粉或铝合金粉混合更加均匀。

作为优选，所述混合盐粉末与无水乙醇的重量比为1:(30～50)。

优选地，铝粉为纯铝粉，铝合金粉为各系铝合金粉、陶瓷相增强的各系铝合金粉，其中，陶瓷增强相为AlN、Al₂O₃、SiC、Si₃N₄、TiC、TiB₂、B₄C、金刚石中的一种或多种。

在步骤(3)成形之前，向原料粉末中添加润滑剂，该润滑剂的质量为原料粉末质量的0.5％～2％；润滑剂的添加方式为手动混合或混合机混合，其中，混合机混合可以是采用球磨机、V型混合器、锥形混合器、酒桶式混合器、螺旋混合器进行混合。步骤(4)中在烧结前先进行脱蜡处理，脱蜡温度为350～450℃，脱蜡时间为20～50min。

优选地，所述的润滑剂为硬脂酸锌或石蜡。

优选地，步骤(3)中原料粉末的压制成形方式采用模压成形，成形压力为200～400MPa。

优选地，步骤(2)中铝粉或铝合金粉在混合盐溶液中充分分散后，继续搅拌60～90min，然后在50～70℃下对原料粉末进行干燥。

优选地，在所述混合液溶液中，LiCl的质量分数为14％～17％，KCl的质量分数为2％～4％，K₂ZrF₆的质量分数为0.5％～1.5％。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明在铝或铝合金件成形前，预先配置了可与铝粉或铝合金粉表面的氧化膜发生活化反应的混合盐，并将该混合盐与铝粉或铝合金粉进行充分混合，在烧结时，560～620℃下，LiCl、KCl、K₂ZrF₆的均匀混合物熔化，与铝粉或铝合金粉颗粒表面的氧化物反应，使氧化膜发生膨胀、起皱、破裂直至整体松动，并受液相流动影响而剥离，从而有效破除了氧化膜，使铝或铝合金颗粒的基体暴露在外，暴露的无氧化表面可增强物质传递，使粉末颗粒之间实现冶金结合，大大提高铝或铝合金的烧结性，改进烧结件的物理性能和机械性能；

本发明的烧结方法工艺简单，所需均为一般的粉末冶金设备，适用于纯铝和多种铝合金(包括含有陶瓷增强相的)零件的粉末冶金制造，具有普适性，利于推广和大规模生产。

附图说明

图1为本发明实施例2中2014铝合金烧结件的断面形貌图；

图2为本发明实施例6中表面改性的Al₂O₃-2024微观形貌图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

本实施例以纯铝件为例，对铝或铝合金的活化烧结方法进行说明，具体包括以下步骤：

(1)制备混合盐粉末

以去离子水为溶剂，在加热和磁力搅拌作用下，配置LiCl、KCl、K₂ZrF₆质量分数分别为20％、4％、1.5％的混合盐溶液，搅拌均匀后在60℃下充分烘干，得到混合盐粉末；

(2)铝粉的表面改性

将一定质量的上述混合盐粉末分散于无水乙醇中，且混合盐粉末与无水乙醇的重量比为1:40，在磁力搅拌下使加入的混合盐粉末充分溶解，然后加入一定质量的铝粉，使混合盐质量与铝粉质量比为0.01，继续搅拌90min，接着在50℃下充分干燥，得到表面改性的原料粉末；

(3)成形

根据需要将表面改性的原料粉末进行模压成形，压制压力为300MPa，保压时间为15s；

(4)烧结

采用管式炉烧结，烧结气氛为高纯N₂，烧结温度为600℃，烧结时间为60min，保温结束后随炉冷却。

实施例2：

本实施例以2014铝合金件为例，对铝或铝合金的活化烧结方法进行说明，具体包括以下步骤：

(1)制备混合盐溶液

以去离子水为溶剂，在加热和磁力搅拌作用下，配置LiCl、KCl、K₂ZrF₆质量分数分别为12％，2％，1％的混合溶液，三种粉末充分溶解后，再持续加热和搅拌5min后停止；

(2)2014铝合金粉表面改性

在上述混合盐溶液中加入一定质量2014铝合金粉，上述混合盐与其质量比为0.001，在磁力搅拌下使加入的粉末充分分散，继续搅拌60min，接着在60℃下充分干燥，得到表面改性2014铝合金粉；

(3)成形

利用V型混合器，在上述表面改性2014铝合金粉末中混入0.5wt％的硬脂酸锌，混合均匀后，将粉末进行模压成形，压制压力为400MPa，保压时间为20s；

(4)烧结

采用网带式连续炉烧结，烧结气氛为高纯N₂，脱蜡温度为350℃，脱蜡时间为30min；烧结温度为560℃，烧结时间为40min，保温结束后随炉冷却，控制冷却速度使在2h内降至室温。如图1所示，2014铝合金烧结件断面韧窝明显，表明烧结件实现了良好的冶金结合，消除了表面氧化膜对烧结的有害影响。

实施例3：

本实施例以6061铝合金件为例，对铝或铝合金的活化烧结方法进行说明，具体包括以下步骤：

(1)制备混合盐溶液

以去离子水为溶剂，在加热和磁力搅拌作用下，配置LiCl、KCl、K₂ZrF₆质量分数分别为18％，5％，0.1％的混合溶液，三种粉末充分溶解后，再持续加热和搅拌8min后停止；

(2)6061铝合金粉表面改性

在上述混合盐溶液中加入一定质量6061铝合金粉，上述混合盐与其质量比为0.008，在磁力搅拌下使加入的粉末充分分散，继续搅拌60min，接着在50℃下充分干燥，得到表面改性6061铝合金粉；

(3)成形

利用球磨机，在上述表面改性6061铝合金粉末中混入1.5wt％的硬脂酸锌，混合均匀后，将粉末进行模压成形，压制压力为200MPa，保压时间为10s；

(4)烧结

采用推杆式连续炉烧结，烧结气氛为高纯N₂，脱蜡温度为450℃，脱蜡时间为20min；烧结温度为590℃，烧结时间为60min，保温结束后随炉冷却，控制冷却速度使在3h内降至室温。

实施例4：

本实施例以7075铝合金件为例，对铝或铝合金的活化烧结方法进行说明，具体包括以下步骤：

(1)制备混合盐粉末

以去离子水为溶剂，在加热和磁力搅拌作用下，配置LiCl、KCl、K₂ZrF₆质量分数分别为14％，1.5％，2％的混合溶液，三种粉末充分溶解后，再持续加热和搅拌，并在80℃下充分烘干，得到混合盐粉末；

(2)7075铝合金粉表面改性

将一定质量的上述混合盐粉末分散于无水乙醇中，且混合盐粉末与无水乙醇的重量比为1:30，在磁力搅拌下使加入的混合盐粉末充分溶解，然后加入一定质量的7075铝合金粉，使混合盐与7075铝合金粉质量比为0.01，在磁力搅拌下使加入的粉末充分分散，继续搅拌90min，接着在50℃下充分干燥，得到表面改性7075铝合金粉；

(3)成形

利用球磨机，在上述表面改性7075铝合金粉末中混入2wt％的石蜡，混合均匀后，将粉末进行模压成形，压制压力为450MPa，保压时间为30s；

(4)烧结

采用推杆式连续炉烧结，烧结气氛为高纯N₂，脱蜡温度为350℃，脱蜡时间为50min；烧结温度为620℃，烧结时间为30min，保温结束后随炉冷却，控制冷却速度使在3h内降至室温。

实施例5：

本实施例以高硅铝合金Al-14Si件为例，对铝或铝合金的活化烧结方法进行说明，具体包括以下步骤：

(1)制备混合盐溶液

在加热和磁力搅拌下，以去离子水为溶剂，配制LiCl、KCl、K₂ZrF₆质量分数分别为1％，0.1％，0.5％的混合溶液，持续磁力搅拌5min；

(2)Al-14Si铝合金粉表面改性

在上述混合盐溶液中加入一定质量Al-14Si铝合金粉，上述混合盐与其质量比为0.007，在磁力搅拌下使加入的粉末充分分散，继续搅拌60min，接着在70℃下充分干燥，得到表面改性Al-14Si铝合金粉；

(3)成形

利用球磨机，在上述表面改性Al-14Si铝合金粉末中混入1.5wt％的硬脂酸锌，混合均匀后，将粉末进行模压成形，压制压力为250MPa，保压时间为10s；

(4)烧结

采用管式炉进行烧结，烧结气氛为高纯N₂，脱蜡温度为400℃，脱蜡时间为35min；烧结温度为610℃，烧结时间为50min，保温结束后随炉冷却，控制冷却速度使在1h内降至室温。

实施例6：

本实施例以陶瓷颗粒增强的Al₂O₃-2024铝基复合材料件为例，对铝或铝合金的活化烧结方法进行说明，具体包括以下步骤：

(1)制备混合盐溶液

以去离子水为溶剂，在加热和磁力搅拌作用下，配置LiCl、KCl、K₂ZrF₆质量分数分别为17％，6％，1.6％的混合溶液，三种粉末充分溶解后，再持续加热和搅拌10min后停止；

(2)Al₂O₃-2024铝合金粉表面改性

在上述混合盐溶液中加入一定质量Al₂O₃-2024铝合金粉，上述混合盐与其质量比为0.01，在磁力搅拌下使加入的粉末充分分散，继续搅拌70min，接着在70℃下充分干燥，得到表面改性Al₂O₃-2024铝合金粉；如图2所示，可以看出，表面改性的Al₂O₃-2024铝合金粉颗粒表面均匀地包覆着混合盐薄层，混合盐可在烧结的高温环境中与氧化铝充分反应，达到破除铝颗粒表面氧化膜的目的。

(3)成形

利用球磨机，在上述表面改性Al₂O₃-2024铝合金粉末中混入1wt％的硬脂酸锌，混合均匀后，将粉末进行模压成形，压制压力为300MPa，保压时间为20s；

(4)烧结

采用网带式连续炉烧结，烧结气氛为高纯N₂，脱蜡温度为440℃，脱蜡时间为25min；烧结温度为585℃，烧结时间为40min，保温结束后随炉冷却，控制冷却速度使在2h内降至室温。

实施例7：

本实施例以陶瓷颗粒增强的SiC-2024铝基复合材料件为例，对铝或铝合金的活化烧结方法进行说明，具体包括以下步骤：

(1)制备混合盐粉末

以去离子水为溶剂，在加热和磁力搅拌作用下，配置LiCl、KCl、K₂ZrF₆质量分数分别为19％，4％，1.8％的混合溶液，三种粉末充分溶解后，再持续加热和搅拌，并在50℃下充分烘干，得到混合盐粉末；

(2)SiC-2024铝合金粉表面改性

将一定质量的上述混合盐粉末分散于无水乙醇中，且混合盐粉末与无水乙醇的重量比为1:50，在磁力搅拌下使加入的混合盐粉末充分溶解，然后加入一定质量的SiC-2024铝合金粉，使上述混合盐与SiC-2024铝合金粉质量比为0.01，在磁力搅拌下使加入的粉末充分分散，继续搅拌90min，接着在70℃下充分干燥，得到表面改性SiC-2024铝合金粉；

(3)成形

利用球磨机，在上述表面改性SiC-2024铝合金粉末中混入1.5wt％的石蜡，混合均匀后，将粉末进行模压成形，压制压力为250MPa，保压时间为10s；

(4)烧结

采用网带式连续炉烧结，烧结气氛为高纯N₂，脱蜡温度为380℃，脱蜡时间为40min；烧结温度为595℃，烧结时间为45min，保温结束后随炉冷却，控制冷却速度使在3h内降至室温。