一種提高鋁合金粉末冶金零件燒結(jié)致密度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及粉末冶金技術(shù)領(lǐng)域，屬于金屬材料的范疇，特別提供了一種提高鋁合金粉末冶金零件燒結(jié)致密度的方法，即采用氧化硼(B2O3)-乙醇溶液對(duì)鋁合金粉末進(jìn)行表面改性，然后經(jīng)過干燥、成形、燒結(jié)制備高致密度鋁合金粉末冶金零件。
技術(shù)背景
[0002]粉末冶金具有節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保、適于大批量生產(chǎn)等諸多優(yōu)點(diǎn)，鐵基、銅基、不銹鋼等材料的粉末冶金零件在機(jī)械、五金、家電、電子產(chǎn)品等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用。
[0003]鋁合金是應(yīng)用最廣泛的輕質(zhì)高強(qiáng)材料，利用粉末冶金法制備的Al-Si合金具有較高的強(qiáng)度、低的熱膨脹系數(shù)及良好的耐磨性，可用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和空調(diào)壓縮機(jī)的零配件、活塞等部位；日本利用快速凝固-粉末冶金技術(shù)制備了鋁合金汽車發(fā)動(dòng)機(jī)閥門彈簧座和連桿，相應(yīng)構(gòu)件的重量分別減輕60%和30%，大幅度提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；馬自達(dá)汽車公司在循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上采用Al-S1-Fe-Cu-Mg快速凝固粉末冶金合金制造零件，發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)油率高達(dá)20% ;日本住友電氣公司用高速凝固粉末冶金Al-S1-X系高硅的鋁合金取代燒結(jié)鋼，大批量制造汽車空調(diào)系統(tǒng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子和葉片，使轉(zhuǎn)子減輕60%，整個(gè)壓縮機(jī)減重40%，壓縮機(jī)工作效率大為提高；日本雅馬哈汽車公司生產(chǎn)的高速凝固粉末冶金鋁-硅合金也已用于制造汽車與摩托車活塞，取得了比鑄鐵活塞輕20%、使用期延長30%的成就，而且噪聲顯著下降，污染減輕。但上述鋁合金零件均采用熱擠壓、熱等靜壓等特殊致密化手段才能達(dá)到較高的致密度和性能，用常規(guī)粉末冶金方法生產(chǎn)鋁合金零件的技術(shù)，特別是鋁合金零件的燒結(jié)致密化技術(shù)目前還未得到全面突破。
[0004]鋁合金粉末難于燒結(jié)致密化的原因?yàn)?其表面存在致密的氧化鋁膜，Al原子不能穿過這層連續(xù)且致密的氧化膜，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的擴(kuò)散轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致粉末顆粒之間不能互相融合長大消除孔隙，從而影響致密化。因此，國內(nèi)外對(duì)鋁合金粉末冶金零件的研究集中在如何破壞氧化鋁膜促進(jìn)燒結(jié)致密化的工藝技術(shù)方面。據(jù)國外文獻(xiàn)報(bào)道，加入錫、鉛等低熔點(diǎn)金屬，或在高純氮?dú)鈿夥罩袩Y(jié)，均為比較有效的方法。本發(fā)明針對(duì)鋁合金粉燒結(jié)致密化難題，提供了一種通過鋁合金粉表面改性促進(jìn)燒結(jié)致密化的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種提高鋁合金粉末冶金零件燒結(jié)致密度的方法。該方法的原理為:高溫下氧化硼能夠與幾乎所有的金屬氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成硼玻璃。當(dāng)Al合金粉中加入氧化硼時(shí)，氧化硼與Al合金粉顆粒表面的Al2O3反應(yīng)，破壞氧化膜，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的擴(kuò)散轉(zhuǎn)移，使粉末顆粒之間實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，大幅度提高粉末冶金鋁合金的燒結(jié)致密度、物理性能及機(jī)械性能。
[0006]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:采用無水乙醇作為溶劑配置氧化硼溶液，按設(shè)定的氧化硼含量，將氧化硼溶液與一定質(zhì)量的鋁合金粉混合并充分?jǐn)嚢?，攪拌均勻后進(jìn)行干燥使溶劑(乙醇)揮發(fā)，干燥后獲得表面改性的鋁合金粉，采用成形(模壓、冷等靜壓、注射成型)、燒結(jié)(真空或N2、Ar保護(hù)氣氛)工藝制備高致密度鋁合金粉末冶金零件，燒結(jié)過程中利用氧化硼與Al顆粒表面氧化膜的反應(yīng)促進(jìn)燒結(jié)，提高燒結(jié)致密度。
[0007]一種提高鋁合金粉末冶金零件燒結(jié)致密度的方法，包括以下工藝步驟:
[0008]1、配制氧化硼溶液:采用無水乙醇作為溶劑，在電動(dòng)攪拌機(jī)作用下配制氧化硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%?20%的溶液，用于鋁合金粉末的表面處理。
[0009]2、鋁合金粉表面的改性
[0010]根據(jù)上述溶液中氧化硼的質(zhì)量向溶液中加入一定質(zhì)量的鋁合金粉，氧化硼與鋁合金粉的質(zhì)量比為0.001?0.053，利用電動(dòng)攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，攪拌時(shí)間為30?60min，然后對(duì)樣品進(jìn)行干燥，干燥溫度為30?70°C，確保乙醇揮發(fā)完全且不與氧化硼反應(yīng)，干燥結(jié)束后獲得表面改性的鋁合金粉末，使得其中氧化硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%?5%。
[0011]3、致密化
[0012]采用模壓、冷等靜壓(CIP)或注射成型(MM)等成形工藝，模壓壓制壓力為200?700MPa，保壓時(shí)間為10?60s ;冷等靜壓壓力為80?200MPa，保壓時(shí)間為I?60min ;注射成型壓力為50?200MPa，保壓時(shí)間為0.3?lOmin。
[0013]采用真空爐或快速升溫電爐燒結(jié)，燒結(jié)在真空、高純隊(duì)或Ar氣氛中進(jìn)行，燒結(jié)溫度為500?670°C，保溫時(shí)間為2?8h，保溫結(jié)束后隨爐冷卻。
[0014]采用以上技術(shù)方案，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0015]1、在較低的燒結(jié)溫度下即可獲得燒結(jié)致密度較高的鋁合金粉末冶金零件，且零件強(qiáng)度大大提尚;
[0016]2、原料豐富易得，成本低廉，操作簡單。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明制備高致密度鋁合金粉末冶金零件的工藝流程圖具體實(shí)施方案
[0018]實(shí)施例1:
[0019]1、配置氧化硼溶液
[0020]以無水乙醇作為溶劑，在電動(dòng)攪拌機(jī)作用下配置氧化硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的溶液；
[0021]2、鋁合金粉表面的改性
[0022]向上述溶液中加入鋁合金粉，氧化硼與鋁合金粉的質(zhì)量比為0.001，利用電動(dòng)攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，攪拌時(shí)間為30min，然后進(jìn)行干燥，干燥溫度為40°C，獲得表面改性的鋁合金粉，其中氧化硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1% ;
[0023]3、致密化
[0024]將上述表面改性后的粉末采用成形燒結(jié)工藝，獲得高致密度的鋁合金粉末冶金零件。
[0025]I)成形:采用模壓成形，模壓壓制壓力為300MPa，保壓時(shí)間為20s ;
[0026]2)燒結(jié):采用真空燒結(jié)，燒結(jié)溫度為600°C，保溫時(shí)間為2h，保溫結(jié)束后隨爐冷卻。
[0027]實(shí)施例2:
[0028]1、配置氧化硼溶液
[0029]以無水乙醇作為溶劑，在電動(dòng)攪拌機(jī)作用下配置氧化硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的溶液；
[0030]2、鋁合金粉表面改性
[0031]向上述溶液中加入鋁合金粉，氧化硼與鋁合金粉的質(zhì)量比為0.031，采用電動(dòng)攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，攪拌時(shí)間為40min，使鋁合金粉與溶液混合均勻。然后進(jìn)行干燥，干燥溫度為50°C，獲得表面改性的鋁合金粉，其中氧化硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3% ;
[0032]3、致密化
[0033]將上述表面改性后的粉末采用成形燒結(jié)工藝，獲得高致密度的鋁合金粉末冶金零件。
[0034]I)成形:采用冷等靜壓成形，成形壓力為lOOMPa，保壓時(shí)間為2min ;
[0035]2)燒結(jié):采用快速升溫電爐燒結(jié)，燒結(jié)在高純N2氣氛中進(jìn)行，燒結(jié)溫度為620°C，保溫時(shí)間為3h，保溫結(jié)束后隨爐冷卻。
[0036]實(shí)施例3:
[0037]1、配置氧化硼溶液
[0038]以無水乙醇作為溶劑，在電動(dòng)攪拌機(jī)作用下配置氧化硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的溶液；
[0039]2、鋁合金粉表面的改性
[0040]向上述溶液中加入鋁合金粉，氧化硼與鋁合金粉的質(zhì)量比為0.053，利用電動(dòng)攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，攪拌時(shí)間為50min，使鋁合金粉與溶液混合均勻。然后進(jìn)行干燥，干燥溫度為70°C，獲得表面改性的鋁合金粉，其中氧化硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5% ;
[0041]3、致密化
[0042]將上述表面改性后的粉末采用成形燒結(jié)工藝，獲得高致密度的鋁合金粉末冶金零件。
[0043]I)成形:采用注射成形，成形壓力為lOOMPa，保壓時(shí)間為3min ;
[0044]2)燒結(jié):采用快速升溫電爐燒結(jié)，燒結(jié)在高純Ar氣氛中進(jìn)行，燒結(jié)溫度為650°C，保溫時(shí)間為5h，保溫結(jié)束后隨爐冷卻。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種提高鋁合金粉末冶金零件燒結(jié)致密度的方法，其特征在于:包括以下工藝步驟: 1)配置氧化硼溶液:以無水乙醇作為溶劑配置氧化硼溶液，在電動(dòng)攪拌機(jī)作用下，促進(jìn)氧化硼溶解； 2)鋁合金粉表面改性:將一定質(zhì)量的鋁合金粉置于上述溶液中繼續(xù)攪拌，攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速控制在100rad/min?350rad/min，然后對(duì)樣品進(jìn)行干燥，干燥溫度為30?70°C，干燥后得到表面改性的鋁合金粉； 3)致密化:將表面改性的鋁合金粉采用成形燒結(jié)工藝，獲得燒結(jié)致密度顯著提高的鋁合金粉末冶金零件。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高鋁合金粉末冶金零件燒結(jié)致密度的方法，其特征在于:所述配置氧化硼溶液的工藝為: 采用無水乙醇作為溶劑，配置氧化硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%?20%的氧化硼溶液。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高鋁合金粉末冶金零件燒結(jié)致密度的方法，其特征在于:所述鋁合金粉表面改性工藝為: 將一定質(zhì)量的鋁合金粉置于上述溶液中繼續(xù)攪拌，氧化硼與鋁合金粉的質(zhì)量比為0.001?0.053，然后將樣品進(jìn)行干燥，干燥溫度為30?70°C，得到表面改性的鋁合金粉，使得其中氧化硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%?5%。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高鋁合金粉末冶金零件燒結(jié)致密度的方法，其特征在于:所述成形燒結(jié)工藝為: 1)成形:采用模壓、冷等靜壓(CIP)或注射成形(MIM)，模壓壓制壓力為200MPa?700MPa，保壓時(shí)間為10?60s ;冷等靜壓壓力為80?200MPa，保壓時(shí)間為I?60min ;注射成形壓力為50?200MPa，保壓時(shí)間為0.3?lOmin。 2)燒結(jié):采用真空爐或快速升溫電爐燒結(jié)，燒結(jié)在真空、高純N2SAr氣氛中進(jìn)行，燒結(jié)溫度為500 °C?670 °C，保溫時(shí)間為2?8h，然后隨爐冷卻。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種提高鋁合金粉末冶金零件燒結(jié)致密度的方法，屬于金屬材料領(lǐng)域。首先采用無水乙醇作為溶劑配置濃度一定的氧化硼(B2O3)溶液，向溶液中加入一定質(zhì)量的鋁合金粉，攪拌均勻，經(jīng)過干燥后得到表面改性的鋁合金粉。采用成形、燒結(jié)工藝制備燒結(jié)致密度明顯提高的鋁合金粉末冶金零件。燒結(jié)過程中利用氧化硼與鋁合金粉表面氧化物的反應(yīng)來促進(jìn)燒結(jié)，提高致密度。制備的鋁合金粉末冶金零件當(dāng)生坯致密度為70％時(shí)，燒結(jié)后致密度在95％以上，比未經(jīng)改性的鋁合金粉制備的粉末冶金零件燒結(jié)致密度提高25％以上。本發(fā)明的方法工藝簡單，原料豐富易得，適合制備高性能的鋁合金粉末冶金零件。
【IPC分類】B22F3/16, B22F1/00, B22F3/22
【公開號(hào)】CN104999074
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510472901
【發(fā)明人】羅驥, 羅萍萍, 郭志猛, 曹慧欽, 陳存廣, 楊薇薇
【申請(qǐng)人】北京科技大學(xué)
【公開日】2015年10月28日
【申請(qǐng)日】2015年8月4日