鋁或鋁合金的活化燒結方法與流程
2023-06-06 15:36:09
本發明涉及鋁或鋁合金的粉末冶金技術領域，尤其是能破除鋁粉顆粒表面氧化膜的燒結方法技術領域，具體指一種鋁或鋁合金的活化燒結方法。
背景技術：
粉末冶金是一項節能、省材、性能優異、產品精度高且穩定性好的環保型大批量生產技術，在鐵基、銅基材料上得到了廣泛應用，但在燒結鋁基合金時則存在鋁顆粒表面氧化膜這一難題。鋁合金是一種低密度、高比強度的輕質材料，鋁合金取代鐵基、銅基零件後有利於減輕自重、節能減排，鋁合金在航空航天、汽車、機械製造、船舶、化學工業等領域已經得到大量應用。例如，鋁罐罐身、超音速戰鬥機的橫梁、高壓氣缸、汽車懸臂構件、發動機的葉片、機殼和缸套等都廣泛使用鋁合金。這些鋁合金零件已具備足夠的使用性能，有些甚至超越了相應的鐵基零件。然而，實用化的鋁基零件大部分採用傳統的鑄鍛製造，少部分則通過熱擠壓、熱等靜壓等特殊的粉末冶金工藝。對於常規粉末冶金方法來說，鋁顆粒存在表面緻密的氧化膜始終是難以解決的問題。
鋁的活性較高，在空氣中極易氧化，形成主要成分是γ-Al2O3的緻密氧化膜，該氧化膜包覆住純鋁內核，在液相燒結時阻止鋁與合金元素直接接觸，嚴重妨礙了傳質與合金化，不僅損害燒結件的力學性能，也會對尺寸精度造成影響。目前國內外在消除氧化膜影響方面的一致做法是：在純度極高的N2氣氛中燒結，保證爐內露點低於-40℃，氧含量低於10ppm，並加入一定量的Mg以破開氧化膜。但是，這些方法對設備的要求較高，而且燒結件表面往往殘留燒結較差的表層。
因此，對於目前鋁或鋁合金的燒結方法，有待於做進一步的改進。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是針對現有技術的現狀，提供一種能有效破除氧化膜、提高燒結性能的鋁或鋁合金的活化燒結方法。
本發明解決上述技術問題所採用的技術方案為：一種鋁或鋁合金的活化燒結方法，其特徵在於包括以下步驟：
(1)製備混合鹽溶液
以去離子水為溶劑，配置LiCl、KCl、K2ZrF6的混合溶液，且該溶液中LiCl的質量分數為1％～20％，KCl的質量分數為0.1％～6％，K2ZrF6的質量分數為0.1％～2％；
(2)鋁粉或鋁合金粉的表面改性
將步驟(1)製備的混合鹽溶液與鋁粉或鋁合金粉混合，且混合鹽與鋁粉或鋁合金粉的質量比為(0.001～0.01):1，使鋁粉或鋁合金粉在混合鹽溶液中充分分散，乾燥得到原料粉末；
(3)成形
根據需要將步驟(2)所得原料粉末壓製成形，得到鋁或鋁合金坯體；
(4)燒結
在N2氣氛下對步驟(3)所得坯體進行燒結，燒結環境的氧含量低於10ppm，露點低於-40℃，燒結溫度為560～620℃，保溫時間為30～60min，保溫完畢後隨爐冷卻，即燒結件繼續在N2保護下緩慢冷卻，冷卻時間為1～3h。
作為本發明的進一步改進，在步驟(2)中將混合鹽溶液與鋁粉或鋁合金粉混合時，先將混合鹽溶液在50～80℃下烘乾得到混合鹽粉末，再將該混合鹽粉末分散於無水乙醇中得到混合鹽無水乙醇溶液，最後將該混合鹽無水乙醇溶液與鋁粉或鋁合金粉混合。採用上述步驟，可使混合鹽LiCl、KCl、K2ZrF6與鋁粉或鋁合金粉混合更加均勻。
作為優選，所述混合鹽粉末與無水乙醇的重量比為1:(30～50)。
優選地，鋁粉為純鋁粉，鋁合金粉為各系鋁合金粉、陶瓷相增強的各系鋁合金粉，其中，陶瓷增強相為AlN、Al2O3、SiC、Si3N4、TiC、TiB2、B4C、金剛石中的一種或多種。
在步驟(3)成形之前，向原料粉末中添加潤滑劑，該潤滑劑的質量為原料粉末質量的0.5％～2％；潤滑劑的添加方式為手動混合或混合機混合，其中，混合機混合可以是採用球磨機、V型混合器、錐形混合器、酒桶式混合器、螺旋混合器進行混合。步驟(4)中在燒結前先進行脫蠟處理，脫蠟溫度為350～450℃，脫蠟時間為20～50min。
優選地，所述的潤滑劑為硬脂酸鋅或石蠟。
優選地，步驟(3)中原料粉末的壓製成形方式採用模壓成形，成形壓力為200～400MPa。
優選地，步驟(2)中鋁粉或鋁合金粉在混合鹽溶液中充分分散後，繼續攪拌60～90min，然後在50～70℃下對原料粉末進行乾燥。
優選地，在所述混合液溶液中，LiCl的質量分數為14％～17％，KCl的質量分數為2％～4％，K2ZrF6的質量分數為0.5％～1.5％。
與現有技術相比，本發明的優點在於：
本發明在鋁或鋁合金件成形前，預先配置了可與鋁粉或鋁合金粉表面的氧化膜發生活化反應的混合鹽，並將該混合鹽與鋁粉或鋁合金粉進行充分混合，在燒結時，560～620℃下，LiCl、KCl、K2ZrF6的均勻混合物熔化，與鋁粉或鋁合金粉顆粒表面的氧化物反應，使氧化膜發生膨脹、起皺、破裂直至整體鬆動，並受液相流動影響而剝離，從而有效破除了氧化膜，使鋁或鋁合金顆粒的基體暴露在外，暴露的無氧化表面可增強物質傳遞，使粉末顆粒之間實現冶金結合，大大提高鋁或鋁合金的燒結性，改進燒結件的物理性能和機械性能；
本發明的燒結方法工藝簡單，所需均為一般的粉末冶金設備，適用於純鋁和多種鋁合金(包括含有陶瓷增強相的)零件的粉末冶金製造，具有普適性，利於推廣和大規模生產。
附圖說明
圖1為本發明實施例2中2014鋁合金燒結件的斷面形貌圖；
圖2為本發明實施例6中表面改性的Al2O3-2024微觀形貌圖。
具體實施方式
以下結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述。
實施例1：
本實施例以純鋁件為例，對鋁或鋁合金的活化燒結方法進行說明，具體包括以下步驟：
(1)製備混合鹽粉末
以去離子水為溶劑，在加熱和磁力攪拌作用下，配置LiCl、KCl、K2ZrF6質量分數分別為20％、4％、1.5％的混合鹽溶液，攪拌均勻後在60℃下充分烘乾，得到混合鹽粉末；
(2)鋁粉的表面改性
將一定質量的上述混合鹽粉末分散於無水乙醇中，且混合鹽粉末與無水乙醇的重量比為1:40，在磁力攪拌下使加入的混合鹽粉末充分溶解，然後加入一定質量的鋁粉，使混合鹽質量與鋁粉質量比為0.01，繼續攪拌90min，接著在50℃下充分乾燥，得到表面改性的原料粉末；
(3)成形
根據需要將表面改性的原料粉末進行模壓成形，壓制壓力為300MPa，保壓時間為15s；
(4)燒結
採用管式爐燒結，燒結氣氛為高純N2，燒結溫度為600℃，燒結時間為60min，保溫結束後隨爐冷卻。
實施例2：
本實施例以2014鋁合金件為例，對鋁或鋁合金的活化燒結方法進行說明，具體包括以下步驟：
(1)製備混合鹽溶液
以去離子水為溶劑，在加熱和磁力攪拌作用下，配置LiCl、KCl、K2ZrF6質量分數分別為12％，2％，1％的混合溶液，三種粉末充分溶解後，再持續加熱和攪拌5min後停止；
(2)2014鋁合金粉表面改性
在上述混合鹽溶液中加入一定質量2014鋁合金粉，上述混合鹽與其質量比為0.001，在磁力攪拌下使加入的粉末充分分散，繼續攪拌60min，接著在60℃下充分乾燥，得到表面改性2014鋁合金粉；
(3)成形
利用V型混合器，在上述表面改性2014鋁合金粉末中混入0.5wt％的硬脂酸鋅，混合均勻後，將粉末進行模壓成形，壓制壓力為400MPa，保壓時間為20s；
(4)燒結
採用網帶式連續爐燒結，燒結氣氛為高純N2，脫蠟溫度為350℃，脫蠟時間為30min；燒結溫度為560℃，燒結時間為40min，保溫結束後隨爐冷卻，控制冷卻速度使在2h內降至室溫。如圖1所示，2014鋁合金燒結件斷面韌窩明顯，表明燒結件實現了良好的冶金結合，消除了表面氧化膜對燒結的有害影響。
實施例3：
本實施例以6061鋁合金件為例，對鋁或鋁合金的活化燒結方法進行說明，具體包括以下步驟：
(1)製備混合鹽溶液
以去離子水為溶劑，在加熱和磁力攪拌作用下，配置LiCl、KCl、K2ZrF6質量分數分別為18％，5％，0.1％的混合溶液，三種粉末充分溶解後，再持續加熱和攪拌8min後停止；
(2)6061鋁合金粉表面改性
在上述混合鹽溶液中加入一定質量6061鋁合金粉，上述混合鹽與其質量比為0.008，在磁力攪拌下使加入的粉末充分分散，繼續攪拌60min，接著在50℃下充分乾燥，得到表面改性6061鋁合金粉；
(3)成形
利用球磨機，在上述表面改性6061鋁合金粉末中混入1.5wt％的硬脂酸鋅，混合均勻後，將粉末進行模壓成形，壓制壓力為200MPa，保壓時間為10s；
(4)燒結
採用推桿式連續爐燒結，燒結氣氛為高純N2，脫蠟溫度為450℃，脫蠟時間為20min；燒結溫度為590℃，燒結時間為60min，保溫結束後隨爐冷卻，控制冷卻速度使在3h內降至室溫。
實施例4：
本實施例以7075鋁合金件為例，對鋁或鋁合金的活化燒結方法進行說明，具體包括以下步驟：
(1)製備混合鹽粉末
以去離子水為溶劑，在加熱和磁力攪拌作用下，配置LiCl、KCl、K2ZrF6質量分數分別為14％，1.5％，2％的混合溶液，三種粉末充分溶解後，再持續加熱和攪拌，並在80℃下充分烘乾，得到混合鹽粉末；
(2)7075鋁合金粉表面改性
將一定質量的上述混合鹽粉末分散於無水乙醇中，且混合鹽粉末與無水乙醇的重量比為1:30，在磁力攪拌下使加入的混合鹽粉末充分溶解，然後加入一定質量的7075鋁合金粉，使混合鹽與7075鋁合金粉質量比為0.01，在磁力攪拌下使加入的粉末充分分散，繼續攪拌90min，接著在50℃下充分乾燥，得到表面改性7075鋁合金粉；
(3)成形
利用球磨機，在上述表面改性7075鋁合金粉末中混入2wt％的石蠟，混合均勻後，將粉末進行模壓成形，壓制壓力為450MPa，保壓時間為30s；
(4)燒結
採用推桿式連續爐燒結，燒結氣氛為高純N2，脫蠟溫度為350℃，脫蠟時間為50min；燒結溫度為620℃，燒結時間為30min，保溫結束後隨爐冷卻，控制冷卻速度使在3h內降至室溫。
實施例5：
本實施例以高矽鋁合金Al-14Si件為例，對鋁或鋁合金的活化燒結方法進行說明，具體包括以下步驟：
(1)製備混合鹽溶液
在加熱和磁力攪拌下，以去離子水為溶劑，配製LiCl、KCl、K2ZrF6質量分數分別為1％，0.1％，0.5％的混合溶液，持續磁力攪拌5min；
(2)Al-14Si鋁合金粉表面改性
在上述混合鹽溶液中加入一定質量Al-14Si鋁合金粉，上述混合鹽與其質量比為0.007，在磁力攪拌下使加入的粉末充分分散，繼續攪拌60min，接著在70℃下充分乾燥，得到表面改性Al-14Si鋁合金粉；
(3)成形
利用球磨機，在上述表面改性Al-14Si鋁合金粉末中混入1.5wt％的硬脂酸鋅，混合均勻後，將粉末進行模壓成形，壓制壓力為250MPa，保壓時間為10s；
(4)燒結
採用管式爐進行燒結，燒結氣氛為高純N2，脫蠟溫度為400℃，脫蠟時間為35min；燒結溫度為610℃，燒結時間為50min，保溫結束後隨爐冷卻，控制冷卻速度使在1h內降至室溫。
實施例6：
本實施例以陶瓷顆粒增強的Al2O3-2024鋁基複合材料件為例，對鋁或鋁合金的活化燒結方法進行說明，具體包括以下步驟：
(1)製備混合鹽溶液
以去離子水為溶劑，在加熱和磁力攪拌作用下，配置LiCl、KCl、K2ZrF6質量分數分別為17％，6％，1.6％的混合溶液，三種粉末充分溶解後，再持續加熱和攪拌10min後停止；
(2)Al2O3-2024鋁合金粉表面改性
在上述混合鹽溶液中加入一定質量Al2O3-2024鋁合金粉，上述混合鹽與其質量比為0.01，在磁力攪拌下使加入的粉末充分分散，繼續攪拌70min，接著在70℃下充分乾燥，得到表面改性Al2O3-2024鋁合金粉；如圖2所示，可以看出，表面改性的Al2O3-2024鋁合金粉顆粒表面均勻地包覆著混合鹽薄層，混合鹽可在燒結的高溫環境中與氧化鋁充分反應，達到破除鋁顆粒表面氧化膜的目的。
(3)成形
利用球磨機，在上述表面改性Al2O3-2024鋁合金粉末中混入1wt％的硬脂酸鋅，混合均勻後，將粉末進行模壓成形，壓制壓力為300MPa，保壓時間為20s；
(4)燒結
採用網帶式連續爐燒結，燒結氣氛為高純N2，脫蠟溫度為440℃，脫蠟時間為25min；燒結溫度為585℃，燒結時間為40min，保溫結束後隨爐冷卻，控制冷卻速度使在2h內降至室溫。
實施例7：
本實施例以陶瓷顆粒增強的SiC-2024鋁基複合材料件為例，對鋁或鋁合金的活化燒結方法進行說明，具體包括以下步驟：
(1)製備混合鹽粉末
以去離子水為溶劑，在加熱和磁力攪拌作用下，配置LiCl、KCl、K2ZrF6質量分數分別為19％，4％，1.8％的混合溶液，三種粉末充分溶解後，再持續加熱和攪拌，並在50℃下充分烘乾，得到混合鹽粉末；
(2)SiC-2024鋁合金粉表面改性
將一定質量的上述混合鹽粉末分散於無水乙醇中，且混合鹽粉末與無水乙醇的重量比為1:50，在磁力攪拌下使加入的混合鹽粉末充分溶解，然後加入一定質量的SiC-2024鋁合金粉，使上述混合鹽與SiC-2024鋁合金粉質量比為0.01，在磁力攪拌下使加入的粉末充分分散，繼續攪拌90min，接著在70℃下充分乾燥，得到表面改性SiC-2024鋁合金粉；
(3)成形
利用球磨機，在上述表面改性SiC-2024鋁合金粉末中混入1.5wt％的石蠟，混合均勻後，將粉末進行模壓成形，壓制壓力為250MPa，保壓時間為10s；
(4)燒結
採用網帶式連續爐燒結，燒結氣氛為高純N2，脫蠟溫度為380℃，脫蠟時間為40min；燒結溫度為595℃，燒結時間為45min，保溫結束後隨爐冷卻，控制冷卻速度使在3h內降至室溫。