一种采用粉末冶金法制备Al-Zn-Mg-Cu系铝合金零部件的方法技术

本发明专利技术涉及一种采用粉末冶金法制备Al

【技术实现步骤摘要】
一种采用粉末冶金法制备Al
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Zn
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Mg
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Cu系铝合金零部件的方法


[0001]本专利技术涉及一种采用粉末冶金法制备Al
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Zn
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Mg
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Cu系铝合金零部件的方法，属于粉末冶金法制备金属零部件的


技术介绍

[0002]近年来，随着汽车、3C产品、5G通讯、可穿戴设备和工业机器人等领域逐渐向小型化和轻量化发展，对轻质高强的小型复杂形状结构件的需求越来越高，采用高强铝合金替代传统铁基材料是实现轻量化的重要途径。采用机械加工，铸造和3D打印等手段制备小型复杂形状铝合金零部件存在成本高和不利于大规模生产等难题。粉末冶金工艺在制备小型复杂形状零部件方面具有独特的优势。
[0003]关于粉末冶金铝合金的研究，目前研究主要集中在Al
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Si
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Cu
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Mg体系系合金(类似于2系铝合金)上。Schaffer等人基于液相烧结原理，利用Mg元素破除铝粉表面的氧化膜形成MgAl2O4等化合物，添加其它合金元素如Cu、Si和Zn等元素与铝形成共晶液相，填充空隙并实现致密化烧结，相对密度可达99％。其中，Si元素还可以分布在Al与Al2Cu液相之间，增强Al2Cu液相的持续性，使得Al2Cu液相更好的填充孔隙；而微量合金元素Sn、Zn等由于表面张力小，可以改善体系的润湿性，从而能促进液相烧结[Schaffer G B,Yao J Y,Bonner S J,Crossin E,Pas S J,Hill AJ.The effect of tin and nitrogen on liquid phase sintering of Al
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Cu
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Mg
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Si alloys[J].Acta Materialia,2008,56(11):2615
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2624.]。此外，他还研究了氮气、氩气、氮气
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氩气混合气以及真空等不同烧结气氛对铝合金烧结致密化的影响，发现在氮气条件下可以获得最高的致密度[Sercombe T B,Schaffer G B.On the role of magnesium and nitrogen in the infiltration of aluminium by aluminium for rapid prototyping applications[J].Acta Materialia,2004,52(10):3019
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3025.]。
[0004]上述研究探明了粉末冶铝合金中铝颗粒氧化膜的破除机制、主要合金元素的作用、微量元素的作用以及烧结气氛作用。但传统的Al
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Si
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Cu
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Mg系铝合金力学性能不高，性能难以满足高强度的要求，因此需借鉴传统高强7系铝合金的成分，制备Al
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Zn
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Mg
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Cu系粉末冶金铝合金。而采用粉末冶金法制备高强Al
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Zn
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Mg
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Cu系铝合金的研究并不多，LaDelpha等人使用Al 431D预合金粉为原料，实现了粉末冶金Al
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Zn
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Mg
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Cu系合金致密化烧结，相对密度可达98％，经过T6时效处理后，其硬度可达89HRB，室温极限抗拉强度可达448Mpa，但是该研究采用的是合金粉末，原材料粉末的成本较高[LaDelpha A D P,Neubing H,Bishop D P.Metallurgical assessment of an emerging Al
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Zn
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Mg
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Cu P/M alloy[J].Materials Science and Engineering:A,2009,520(1
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2):105
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113.]。中国专利技术专利《一种粉末冶金的铝合金链轮或齿轮及制备方法》，其专利申请号为202011444381.4，公开了一种用于链轮或齿轮的粉末冶金铝合金的制备方法，其铝合金材料按质量百分比的组成为：Cu：0.1％～7％，Mg：0.1％～5％，Si：0.1％～40％，Zn：0％～10％，Sn：0％～1％，增强相：0％～10％，余
量为Al。该专利技术的特点在于以下两个方面：首先，该专利技术公开的铝合金成分范围过宽，Cu、Mg、Si、Zn等元素都远超过其在铝中的固溶度，因此烧结后的合金材料内部必然含有大量且尺寸粗大的Al2Cu、MgZn2和单质硅等脆性相，这些相无法通过固溶处理消除，很难控制这些粗大的第二相的尺寸和分布，因此影响了材料的力学性能，但可以增加材料的耐磨性能；其次，该专利技术的成分中含有0％～10％的SiC、Al2O3、石墨等增强相，这些增强相的存在可提高材料的耐磨性能，但由于增强相种类繁多，无法解决增强相界面结合的问题，因此力学性能必然不高。
[0005]综上所述，目前粉末冶金铝合金的力学性能普遍不高，采用粉末冶金法制备Al
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Zn
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Mg
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Cu系高强铝合金还存在以下主要困难：
①
缺乏满足烧结特性的Al
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Zn
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Mg
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Cu系铝合金成分，烧结致密化困难。现有的粉末冶金Al
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Zn
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Mg
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Cu系合金都是基于变形铝合金的标准成分，没有适合用于压制
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烧结工艺的Al
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Zn
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Mg
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Cu系铝合金成分；铝合金粉末表面存在致密的氧化膜，这会阻碍烧结过程中粉末间原子的扩散和致密化过程，因此不能完全依照传统7系铝合金成分进行制备，需设计可烧结致密化的Al
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Zn
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Mg
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Cu系合金成分。
②
与传统的铸锻铝合金通过熔炼工艺制备不同，粉末冶金铝合金依靠烧结过程中形成的瞬时液相，因此需要严格控铝合金中的合金元素的含量；
③
有关粉末冶金Al
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Zn
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Mg
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Cu系合金的工艺参数的研究较少，如颗粒级配、压制压力和烧结工艺对材料致密化的影响规律等。本专利技术提供一种粉末冶金法制备Al
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Zn
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Mg
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Cu系高强铝合金的方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供一种低成本制备Al
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Zn
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Mg
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Cu系铝合金的技术。本专利技术开发了适用于粉末冶金法制备的Al
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Zn
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种采用粉末冶金法制备Al
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Zn
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Mg
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Cu系铝合金零部件的方法，其特征在于具体工艺路线为：原料配置
→
压制成形
→
烧结
→
固溶处理
→
时效处理
→
铝合金制品；首先将纯Al粉、以及Mg、Zn、Cu、Sn四种合金元素粉或二元合金粉按一定质量进行配比，将其与润滑剂在混料机上以90r/min混合100
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240min；然后将混合均匀的粉末置于特定的模具中，以一定的压制压力压制得到所需形状的生坯；最后将所得生坯进行烧结、固溶和时效得到最终铝合金零件。2.根据权利要求1所述采用粉末冶金法制备Al
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Zn
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Mg
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Cu系铝合金零部件的方法，其特征在于：所用合金元素Zn、Mg、Cu和Sn的质量百分数分别为4.5
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7、2.0
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5.0、0.5
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2.0、0.1
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1.0，余量为Al。3.根据权利要求1所述采用粉末冶金法制备Al
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Zn
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Mg
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Cu系铝合金零部件的方法，其特征在于：所用原料粉，Al、Cu、Sn以单质粉的形式加入，Zn和Mg元素以Al
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50Zn、Al
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50Mg二元合金粉的形式加入；其中纯铝粉、Cu粉、Sn粉、Al
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50Zn粉和Al
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50Mg粉的粒径分别为60
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100μm、10
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40μm、5
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20μm、20
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100μm和60
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100μm。4.根据权利要求1所述采用粉末冶金法制备Al
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Zn
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Mg
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Cu系铝合金零部件的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴茂，徐钊，李云莉，曲选辉，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：