粉末冶金铝合金烧结致密化过程研究

粉末冶金铝合金烧结致密化过程研究
摘要：粉末冶金铝合金的烧结致密化过程分析有利于了解合金件致密性的影
响条件，便于从烧结过程中致密化的影响因素中寻找突破口，提升合金件的致密性。

本文就此方向展开研究，对烧结过程的不同阶段进行显微形貌图扫描，观察
致密化过程，并提出从生胚压制后孔洞缩小角度、促进原子分散角度烧结致密化
进程，为铝合金开发利用提供参考依据。

关键词：粉末冶金；铝合金；压制与烧结；致密化
随着我国内环境与能源形势的演变，工业生产中对轻量化、高强度的合金需
求越来越大，粉末冶金铝合金逐渐引起关注，这种合金具有低密度、高比强、耐磨、耐腐蚀等优势，在工业制造中具有广泛的应用前景。

研究粉末冶金铝合金烧
结致密化过程，目的是在于了解影响烧结致密化的因素，从中发现优化途径，为
开发研制更优异的铝合金产品打下基础。

1.粉末冶金的工艺流程
粉末冶金是一种以金属粉末为原料，经过压制成形及烧结而制造的金属材料、复合材料等制品的工艺技术，粉末冶金技术给各行业带来了更多的机遇与发展，
了解粉末冶金的工艺流程，才能真正认识粉末冶金产品及特性[1]。

在粉末冶金中，主要包括几个步骤：（1）制粉：粉末的生产过程即为制粉，包含两个部分，分
别是粉末的制取与粉末的混合。

粉末的制取主要是利用还原法、电解法、雾化法等，从固态、液态、气态金属中直接细化获得，或经过还原、电解、热解等转变
而来，形成金属粉末原料。

（2）压制：压制成形是粉末冶金的重要步骤，将粉
末原料在高压下进行压制，从而形成所需要的形状。

（3）烧结：这一步骤是粉
末冶金的核心，必须通过烧结工艺，使压胚达成原子意义上的结合，从而提升产
品的物理性能和力学性能。

（4）后处理：完成压制与烧结后，正常来说制品已
经可以直接使用，但对于一些尺寸精度要求较高且耐磨性、硬度较高的制品，还
需要进行精压、挤压、滚压、淬火、熔渗、浸油等后处理。

2.粉末冶金铝合金烧结致密化过程分析
粉末冶金铝合金烧结致密化研究是重要的研究方向，了解烧结致密化过程，才能更好地掌握影响致密化的因素，针对性提出优化铝合金烧结致密化的措施，本节以铝粉（Al）为主要原料，添加镁（Mg）、铜（Cu）、硅（Si）等元素，从烧结致密化过程进行分析，对烧结的不同阶段情况进行解读。

烧结前，将粉末在混料机中混合，采用液压机进行压制，形成生胚，压制过程中压力控制在200-300MPa，保压时间为5min，生胚尺寸为φ30mm×3mm。

压制过程中粉末未添加润滑剂，但模具表面为了便于脱模，涂抹了硬脂酸等，脱模后采用管式电阻炉中进行烧结，按照烧结温度设为三个阶段，初始阶段为460℃以下，快速致密化阶段为460-560℃，近全致密化阶段为560-600℃，具体致密化过程如下。

2.1烧结初始阶段
通过使用TEO1450扫描电镜观察生胚形貌图，在完成压制后的生胚形貌图中会形成各种金属元素粉末的均匀分布情况，生坯较为致密，相对密度可达到89%左右，通过压制作用铝粉及其他金属粉末已经变形，晶界平直，并且有呈现六边形趋势。

制件在经过460℃保温30min处理后，炉温冷却后观察微观形貌图，如图1所示。

图1烧结初始阶段的50μm显微形貌图
可以发现Al粉形状逐渐向球形发展，相对密度有所下降，在83%左右。

这主要是温度升高后生胚产生了一定的热膨胀，使得压制变形的颗粒出现应力松弛，膨胀后导致形貌上产生变化。

而在合金胚体内还形成了大量的孔洞，且有Mg扩
散到了Al颗粒表面，并与氧化膜发生反应，使Al-Mg粉末氧化膜破除，形成孔洞。

而Cu也在烧结过程中扩散，形成大量点状或针状析出物。

综上认为，烧结的初始阶段，合金胚体首先形成了Al-Mg合金液相，氧化膜破除，产生了Al-Mg-O等化合物，而Cu与Al扩散形成Al2Cu，这一阶段中合金胚体的密度从生胚的89%下降到了83%。

2.2快速致密化阶段
经过进一步高温烧结，在560℃保温60min后采用显微观察，仍然可见残余孔洞，但大部分基本已经填充致密，相对密度可达94%。

主要是Al-Cu持续相互扩散，在高温下逐渐发生反应，形成的Al2Cu化合物逐渐增多，甚至在550℃时发生了共晶反应，产生了Al-Cu宫颈液相，在毛细管吸力作用下使合金件颗粒边界的空隙被填充，逐渐缩小了孔洞，甚至有大部分在显微形貌图中逐渐消失。

对残余孔洞进行显微形貌图扫描，在10μm级纤维形貌图中观察残余孔洞，如图2所示。

图2 快速致密化阶段10μm级残余孔洞的显微形貌图
从图中可以看出，在残余孔洞中可见Al-Cu共晶液相，流动的共晶液相在逐渐填充，在毛细管力控制下颗粒重排。

但这一过程中溶解-再析出会引起晶界平直化和晶粒长大，只有液相弯月面半径超过孔洞半径，才能通过共晶液相逐渐填充残余孔洞。

可见，孔洞半径也是影响致密化进度的重要因素。

而这一阶段持续的时间相对较短，孔洞仍有较多残余。

2.3近全致密化阶段
经进一步升温烧结后，在600℃保温120min水淬、560℃保温600min水淬，
分别进行显微形貌图扫描，得到两组显微形貌图，如图3所示。

1）560℃保温600min水淬 2）600℃保温120min
水淬
图3 近全致密化阶段50μm级显微形貌图
在50μm级形貌图上对比观察可以发现，在近全致密化阶段随着温度的升高，大尺寸孔洞基本填充完毕，致密度也达到了98%以上。

这一阶段中Al-Cu共晶液
相已经覆盖并润湿氧化膜，并且随着温度升高，润湿性也在明显升高，液相填充
作用加强，孔隙填充更好。

但还能看到填充后的残余孔洞及复熔球，残余孔洞已
经很小，复熔球则是Al基体中低熔点Al-Cu共晶液相快速冷却产生的。

600℃与560℃保温水淬下复熔球有所差异，主要是因Cu在Al基体中的固溶度与温度变
化有关，600℃保温水淬快速冷却时固溶度更大，因此产生的复熔球更多[2]。

3.粉末冶金铝合金烧结致密化的优化措施
从铝合金烧结致密化过程变化分析，可以看出影响合金件烧结过程致密化的
重要因素就是孔洞的填充速度，而孔洞填充速度又主要受压制后孔洞大小、Al颗
粒原子扩散速度有关，因此，认为可以通过采取一定措施优化致密化过程。

第一，生胚制成时孔洞越小，则烧结过程中致密化速度越快。

因此，在压制过程中为了
尽可能降低孔洞，可加入润滑剂，减轻颗粒间的流动阻力，降低原料与模具间的
摩擦力[3]，有利于促进压制效果，减小生胚孔洞。

而烧结过程中加入润滑剂，也
有助于提高烧结的机械性能，促进烧结合金件致密化。

第二、可以考虑使用还原
性更强的气氛，比如使用氢气替换氮气，氢气的还原性更强，能够与Al的氧化
物快速发生置换反应，不断减薄颗粒表面氧化膜，析出金属Al，提升Al原子扩散速度，使合金件致密化更加快速。

总结：了解粉末冶金铝合金件的烧结致密化过程，有利于认识影响合金件致密性的条件，比如生胚压制后的孔洞大小及颗粒烧结过程中的原子扩散速度等。

结合这些条件，认为可以通过加入润滑剂优化生胚压制效果和烧结过程的机械性能，再配合还原性气氛减薄氧化膜、提升原子扩散速度，实现孔洞填充速度的提升，从而优化合金件致密性。

参考文献：
[1] 薛松. 粉末冶金材料的热处理工艺[J]. 中国金属通报,2021(12):11-12.
[2]邱婷婷,吴茂,杜智渊,等. 粉末冶金铝合金烧结致密化过程[J]. 工程科学学报,2018,40(9):1075-1082.
[3]邓正华,李万全,钱利霞,等. 铝青铜基粉末冶金摩擦材料组织及性能研究[J]. 热加工工艺,2015,44(12):53-55.。