鋁合金燒結(jié)難點

1、鋁合金由于體積質(zhì)量小、比強度高，因而廣泛應用于現(xiàn)代工業(yè)，特別是航空工業(yè) 和汽車工業(yè)。鋁合金的傳統(tǒng)加工方式主要是鑄造和鍛造，但近年來，粉末冶金法 制備鋁制品的方法開始出現(xiàn)。據(jù)預測汽車中的齒輪、帶輪及連桿零部件，用粉末 冶金法制備的質(zhì)量，在世界范圍內(nèi)將由1998年的1100t增加到2008年的 2300t.近年來，俄羅斯的科學家將Al-Si共晶合金作為基體材料制備燃料棒，應 用于輕水反應堆中。利用鋁合金導熱系數(shù)高的特點，將堆內(nèi)熱量傳出，達到冷 堆”的目的，以提高反應堆壽命和安全性。此項技術(shù)已應用于KLS-40S浮動式 核電廠的輕水反應堆中。粉末冶金法制備鋁合金制品，可改善合金內(nèi)部成分的 均勻性，獲

2、得高強度、高硬度的制品，但韌性和抗沖擊性能低、耐蝕耐磨性差的 缺點限制了粉末冶金鋁制品的廣泛應用。因此，如何提高鋁制品的相對密度，減 小制品的空隙率，獲得力學性能和物理性能良好的制品。引起了世界各國科學家 的廣泛興趣。通過大量的實驗研究，已取得了良好的效果。1.0.固相燒結(jié)致密化的障礙：鋁在空氣中很容易被氧化形成Al203薄膜，覆蓋在金屬的表面，氧化膜的厚度取決 于溫度及合金的儲存氣氛，特別是濕度。室溫下塊狀鋁合金表面氧化膜為10 20埃，而霧化法制備出的粉末，氧化膜厚達50 150埃，且為非晶態(tài)或水合物， 在350C下轉(zhuǎn)變成Y-Al2O3。研究發(fā)現(xiàn)，600C下，方程式(1)發(fā)生逆反應的條 件

3、是燒結(jié)氣氛中，氧氣分壓低于10。大氣壓，或者燒結(jié)氣氛露點低于-140C。 這一條件在物理上很難達到。這充分說明Al2O3薄膜非常穩(wěn)定，難以分解出純金 屬鋁。常規(guī)條件下燒結(jié)時，鋁金屬原子不能擴散穿過這層連續(xù)且致密的氧化膜， 不能實現(xiàn)物質(zhì)的擴散遷移，粉末顆粒之間不能互相融合長大，進而使制品消除孔 隙以達到致密化。2.0.致密化的措施:破壞表面的氧化膜:固相反應燒結(jié)：添加鎂金屬。鎂的活性遠大于鋁，其氧化物形成的自由能比Al2O3要小得多，因 此，鎂添加劑應用于鋁合金的粉末燒結(jié)中，可以將Al2O3還原成純金屬鋁。反應 方程式為：Mg+A1203=MgAl204+Al (2)由此生成尖晶石結(jié)構(gòu)的鎂鋁氧化

4、物。鎂 在鋁基體中擴散，使體積發(fā)生改變，在氧化膜上產(chǎn)生剪切力，最終破壞氧化膜， 利于原子的擴散和燒結(jié)的順利進行，提高鋁合金的密度。研究發(fā)現(xiàn)鋁合金中鎂的 添加量要達到0.15%才能引起燒結(jié)體積的收縮。添加0.15%的鎂，鋁合金粉末 顆粒表面的氧化膜被破壞，顆粒間互相粘結(jié)并致密，進而提高制品的強度和塑性， 添加量大于0.15%時，多余的鎂溶解在鋁中，會引起柯肯達爾現(xiàn)象，還會起到 固溶強化的作用。還原氣氛燒結(jié)：在還原性氣氛下燒結(jié)時，顆粒周圍的還原性氣體與Al2O3反應，置換出金屬鋁。 常用的還原氣體氫氣是非?；顫姷幕瘜W元素。與金屬氧化物能發(fā)生置換反應。同 樣，氫氣也能與氧化物Al2O3發(fā)生反應，即：

5、Al2O3+3H2=2Al + 3H2O (3)燒結(jié) 過程中，Al2O3薄膜通過不斷反應而逐漸減薄，發(fā)生破壞，從而使顆粒間的鋁原 子擴散得以進行，塊狀材料致密化。液相燒結(jié)：鋁合金的粉末壓坯僅通過固相燒結(jié)難以獲得很高的密度，如果在燒結(jié)溫度下，低 熔組元熔化或形成低熔共晶物，由液相引起的物質(zhì)遷移比固相快，最終液相將填 滿燒結(jié)體內(nèi)的空隙，由此可以獲得密度高、性能好的燒結(jié)品。液相燒結(jié)鋁合金制 品的添加相必須具備以下條件：（1）低于鋁合金熔點；（2）與鋁不互溶；產(chǎn)生的 液相須對鋁合金顆粒表面有良好的潤濕性。常用的添加相有Cu、Sn、Zn、Mg 等金屬，或者這些金屬元素復合添加。添加Cu金屬：銅是鋁合金中

6、添加的最基本、最常見的金屬元素。在548ZC時銅在鋁中的溶解 度僅為5.65%,但銅的熔點幾乎是鋁的二倍。燒結(jié)過程中銅是通過與鋁形成低 熔點的Al2Cu的過渡相來實現(xiàn)液相燒結(jié)。其過程如下：加熱時Al、Cu間相互擴 散形成Al2Cu金屬間化合物；548C時在Al2Cu界面出現(xiàn)它們共晶物的液相； 銅從液相中析出，形成不溶的金屬間化合物；同時近鄰的銅顆粒不斷熔于液體中 進行補充；當所有的銅熔解后。金屬間化合物消失，液體吸入鋁顆粒中。銅在鋁 中的擴散系數(shù)幾乎是鋁在銅中的5000倍，在加快均勻化速度的同時，也會因為 柯肯達爾效應而發(fā)生膨脹。因此，Al-Cu系合金燒結(jié)工藝參數(shù)非常關鍵，特別是 銅粒子尺寸及

7、加熱速度。添加Sn金屬：錫是最具備條件的添加元素，其熔點為232C ,低于Al ,在Al中溶解度最大僅 為0.15%,且其液體能夠與Al發(fā)生充分潤濕。添加Sn金屬，燒結(jié)時熔化的Sn 液體充填顆粒，使制品致密。但由于Sn本身的強度較低，Al-Sn合金的力學性 能不高。如果在Al合金中復合添加Mg和Sn , Mg將會在燒結(jié)時激活整個體 系，使制品致密化作用更加明顯。研究表明，Al-Sn-Mg體系中，Sn含量為8% 時，燒結(jié)密度可達到理論值的99%。攙入潤滑劑：粉末冶金坯料的金屬粉末中加人潤滑劑，有助于坯料壓制，減輕顆粒間流動阻力 以及模具同粉料間的摩擦力。據(jù)報道，在鋁合金的燒結(jié)過程中，加人潤滑劑能

8、夠 改善合金的燒結(jié)性能，提高燒結(jié)坯的機械性能。攙人的潤滑劑必須具有分解溫度 低、無分解殘留物的特點，常用高分子材料，如PE、EBS等。但添加潤滑劑后， 僅提高了生坯密度和強度，對燒結(jié)坯的致密化未產(chǎn)生顯著效果。因此，加人潤滑 劑改善鋁合金燒結(jié)性能的機理還不是很清楚，有待于進一步深人研究。粉末鍛造：粉末鍛造是將粉末冶金和精密模鍛結(jié)合在一起，充分發(fā)揮二者優(yōu)點的新工藝，出 現(xiàn)的歷史并不長，應用于鋁合金載荷件的加工大約十幾年。通常的工藝步驟包括 粉末預成形壓坯、燒結(jié)、鍛造（冷鍛或熱鍛）和鍛后預處理。粉末顆粒在鍛造壓力 作用下發(fā)生塑性變形，使孔隙縮小以至消失，從而使材料致密，提高鍛件的密度。 作者用粉末鍛造的方法制備了 Al-Si共晶合金粉末制品。研究中發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)溫度 的控制是制備工藝過程的關鍵。燒結(jié)時粉坯或燒結(jié)溫度過低，顆粒間未發(fā)生燒結(jié) 黏結(jié)，鍛造時塑性非常差，不能承受較大的變形，制件的密度較低；燒結(jié)溫度過 高，壓坯會局部熔化而析出金屬鋁，破壞制件的外形并導致其成分不均勻。通過 優(yōu)化工藝后，制備出的自由鐓粗鍛件相對密度達93%96%,模具鍛造件相對 密度達96% 98%。通過顆粒的塑性成形使材料致密化，工藝除鍛造外，擠壓 也是常用的方法之一。3.0.結(jié)語：鋁合金粉末冶金制品的密度直接決定其性能，而顆粒表面致密化穩(wěn)定的氧化膜導 致鋁合金粉末不能通過常規(guī)的固相燒