過共晶鋁矽合金粉末冶金材料及其製備方法
2023-04-23 10:00:26
專利名稱：過共晶鋁矽合金粉末冶金材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及快速凝固技術和粉末冶金技術，具體是指一種高性能過共晶鋁矽合金粉末冶金材料及其製備方法。
現有的過共晶鋁矽合金材料，其主要製備方法是鑄造法，由於該法獲得的初晶和共晶矽相尺寸較大，導致材料綜合力學性能較差，這一缺點隨著合金中矽含量的升高而變得更為明顯。採用快速凝固技術製備過共晶鋁矽合金材料，由於研究時間比較短，工藝尚不成熟。目前快速凝固過共晶鋁矽合金材料由於製備工藝複雜，材料的製備成本高。從國內外本領域的研究來看，過共晶鋁矽合金的矽含量基本在25wt％以下。當採用快速凝固技術和粉末冶金技術相結合製備過共晶鋁矽合金材料時，國內外普遍採用了真空除氣工藝，該法在一定程度上有利於降低粉末及材料的含氧量，但缺點在於工藝複雜，需要特殊設備。
本發明目的在於針對現有技術存在的缺點，提供一種過共晶鋁矽合金粉末冶金材料，進一步提高合金中的矽含量，以提高材料的耐磨性並降低材料的熱膨脹係數。
本發明的目的還在於提供一種過共晶鋁矽合金粉末冶金材料的製備方法，採用快速凝固法，通過合理的成分設計與先進的製備工藝相結合，提高材料的綜合力學性能；同時通過優化成形工藝路線，在保證材料高性能的條件下，簡化製備工藝，降低材料成本。
本發明的過共晶鋁矽合金粉末冶金材料質量百分比含量如下Si28～32％Cu0.5～4％Mg0～2％Fe0～4％Ni0～2％Mn0～2％其餘為鋁和不可避免的微量雜質本發明的過共晶鋁矽合金粉末冶金材料的製備方法包括如下步驟——氣體霧化法製備合金粉末將合金原料在感應電爐中熔煉，熔煉溫度820～870℃，合金熔體經精練、除氣後注入霧化裝置，霧化介質為氮氣、氬氣或空氣，霧化氣體壓力為2～10MPa，霧化溫度780～850℃；——壓制生坯在液壓機上以100～400MPa的壓力成形粉末生坯；——包套封裝將粉末生坯用純鋁管、板材封裝；——預熱除氣在熱處理爐中空氣氣氛下加熱封裝好的粉末生坯，加熱溫度250～500℃，保溫時間0.5～4小時；——熱擠壓將經預熱除氣的生坯從熱處理爐中取出，迅速放入熱擠壓模具內，擠壓成形緻密材料。採用正擠壓方式，擠壓模具溫度250～500℃。擠壓潤滑劑汽缸油+石墨粉，體積比2∶1。——材料熱處理對擠壓材料進行熱處理，具體工藝參數為470～520℃固溶處理0.5～4小時，在50～100℃的熱水中淬火，人工時效處理150～220℃保溫2～24小時。
過共晶鋁矽合金粉末冶金材料的性能如下相對密度達95％以上，常溫抗拉強度在380MPa以上，200℃和300℃的抗拉強度分別在280MPa和150MPa以上，常溫硬度HB≥110，線膨脹係數α125-200℃≤17×10-6K-1。
本發明與現有技術相比，具有如下優點1、本發明所採用的合金成分中矽含量較目前工業生產中常用的過共晶鋁矽合金的矽含量為高，故材料的耐磨性得以提高，而熱膨脹係數則有所下降。
2、在粉末成形工藝中取消了真空除氣工藝，將預熱和除氣工序合而為一，且在空氣氣氛中完成生坯加熱過程，不需要特殊設備，材料成形工藝路線得以簡化，可以降低材料製備成本。
3、本發明製備的材料的綜合性能遠遠高於採用鑄造方法製備的成分相似的過共晶鋁矽合金，如德國KS282合金。本發明製得的材料抗拉強度比KS282高80％以上，耐磨性能高20％以上，故是一種理想的活塞用材料。
通過如下實施例對本發明作進一步說明
Cu2.0％Mg0.5％Fe1.0％Ni1.0％Mn0.5％其餘為鋁和不可避免的微量雜質。
合金原料採用1#純鋁和結晶矽，Cu、Fe以中間合金的方式加入，Mg、Ni、Mn以單質形式加入。在感應電爐中熔煉合金，熔煉溫度830℃。合金熔體經精練、除氣後注入霧化裝置，霧化介質為空氣，霧化氣體壓力為8MPa，霧化溫度820℃，粉末過GB6003規定的80目篩，去除大顆粒尺寸的粉末。步驟二壓制生坯將粉末在液壓機上以200MPa的壓力成形為生坯。步驟三包套封裝。
將粉末生坯用純鋁管、板材封裝。步驟四預熱除氣。
在熱處理爐中空氣氣氛下加熱封裝好的粉末生坯，溫度500℃，保溫時間1小時。步驟五熱擠壓。
將經預熱除氣的生坯從熱處理爐中取出，迅速放入熱擠壓模具內，擠壓比17∶1。擠壓模具溫度400℃。擠壓潤滑劑汽缸油+石墨粉，體積比2∶1。步驟六材料熱處理。
採用T6工藝對擠壓材料進行熱處理，具體工藝參數為500℃固溶處理1小時，在70℃的熱水中淬火，人工時效處理160℃保溫6小時。即得高性能快速凝固粉末冶金過共晶鋁矽合金材料，材料的抗拉強度為440MPa，延伸率1.0％，200℃和300℃的抗拉強度分別為310MPa和150MPa，常溫硬度HB120，線膨脹係數α125-200℃＝17.0×10-6K-1。
Mn0.5％其餘為鋁和不可避免的微量雜質。
合金原料採用1#純鋁和結晶矽，Cu、Fe以中間合金的方式加入，Mg、Ni、Mn以單質形式加入。在感應電爐中熔煉合金，熔煉溫度850℃。合金熔體經精練、除氣後注入霧化裝置，霧化介質為氮氣，霧化氣體壓力為6MPa，霧化溫度830℃，粉末過GB6003規定的80目篩，去除大顆粒尺寸的粉末。步驟二壓制生坯將粉末在液壓機上以400MPa的壓力成形為生坯。步驟三包套封裝。
將粉末生坯用純鋁管、板材封裝。步驟四預熱除氣。
在熱處理爐中空氣氣氛下加熱封裝好的粉末生坯，溫度400℃，保溫時間1h。步驟五熱擠壓。
將經預熱除氣的生坯從熱處理爐中取出，迅速放入熱擠壓模具內，擠壓比10∶1。擠壓模具溫度400℃。擠壓潤滑劑汽缸油+石墨粉，體積比2∶1。步驟六材料熱處理。
採用T6工藝對擠壓材料進行熱處理，具體工藝參數為500℃固溶處理1小時，在70℃的熱水中淬火，人工時效處理160℃保溫12小時。即得高性能快速凝固粉末冶金過共晶鋁矽合金材料，材料的抗拉強度為410MPa，延伸率1.0％，200℃和300℃的抗拉強度分別為305MPa和140MPa，常溫硬度HB120，線膨脹係數α125-200℃＝16.7×10-6K-1。
合金原料採用1#純鋁和結晶矽，Cu、Fe以中間合金的方式加入，Mg、Ni、Mn以單質形式加入。在感應電爐中熔煉合金，熔煉溫度870℃。合金熔體經精練、除氣後注入霧化裝置，霧化介質為氬氣，霧化氣體壓力為10MPa，霧化溫度850℃，粉末過GB6003規定的80目篩，去除大顆粒尺寸的粉末。步驟二壓制生坯將粉末在液壓機上以200MPa的壓力成形為生坯。步驟三包套封裝。
將粉末生坯用純鋁管、板材封裝。步驟四預熱除氣。
在熱處理爐中空氣氣氛下加熱封裝好的粉末生坯，溫度350℃，保溫時間2h。步驟五熱擠壓。
將經預熱除氣的生坯從熱處理爐中取出，迅速放入熱擠壓模具內，擠壓比6∶1。擠壓模具溫度300℃。擠壓潤滑劑汽缸油+石墨粉，體積比2∶1。步驟六材料熱處理。
採用T6工藝對擠壓材料進行熱處理，具體工藝參數為500℃固溶處理1小時，在70℃的熱水中淬火，人工時效處理160℃保溫24小時。即得高性能快速凝固粉末冶金過共晶鋁矽合金材料，材料的抗拉強度為380MPa，延伸率0.5％，200℃和300℃的抗拉強度分別為280MPa和150MPa，常溫硬度HB115，線膨脹係數α125-200℃＝16.5×10-6K-1。
權利要求
1.一種過共晶鋁矽合金粉末冶金材料，其特徵在於質量百分比含量如下Si28～32％Cu0.5～4％Mg0～2％Fe0～4％Ni0～2％Mn0～2％其餘為鋁和不可避免的微量雜質
2.一種過共晶鋁矽合金粉末冶金材料的製備方法，其特徵在於包括如下步驟——氣體霧化法製備合金粉末將合金原料在感應電爐中熔煉，熔煉溫度820～870℃，合金熔體經精練、除氣後注入霧化裝置，霧化介質為氮氣、氬氣或空氣，霧化氣體壓力為2～10MPa，霧化溫度780～850℃；——壓制生坯在液壓機上以100～400MPa的壓力成形粉末生坯；——包套封裝將粉末生坯用純鋁管、板材封裝；——預熱除氣在熱處理爐中空氣氣氛下加熱封裝好的粉末生坯，加熱溫度250～500℃，保溫時間0.5～4小時；——熱擠壓將經預熱除氣的生坯從熱處理爐中取出，迅速放入熱擠壓模具內，擠壓成形緻密材料。採用正擠壓方式，擠壓模具溫度250～500℃。擠壓潤滑劑汽缸油+石墨粉，體積比2∶1。——材料熱處理對擠壓材料進行熱處理，具體工藝參數為470～520℃固溶處理0.5～4小時，在50～100℃的熱水中淬火，人工時效處理150～220℃保溫2～24小時。
全文摘要
本發明提供一種過共晶鋁矽合金粉末冶金材料及其製備方法,特點是採用快速凝固法,以進一步提高合金中的矽含量,以提高材料的耐磨性並降低材料的熱膨脹係數。
文檔編號B22F3/12GK1334354SQ01127720
公開日2002年2月6日 申請日期2001年8月9日 優先權日2001年8月9日
發明者李元元, 張大童, 龍雁, 周照耀, 張文 申請人:華南理工大學