粉末冶金法制备铝合金块体材料的研究

・轻金属材料・
粉末冶金法制备铝合金块体材料的研究
①
刘改华1,查五生1,兰军1,刘锦云1,邹从沛2
(1.西华大学材料科学与工程学院,四川成都610039;2.中国核动力设计研究院,四川成都610041)
摘要:用粉末冶金法制备了Al -Si 合金块体材料,研究了粉坯压制力、烧结过程及冷锻工艺对块体材料相对密度的影响规律。

研究表明:压制力的提高引起粉坯密度的提高,烧结过程难以使烧结坯致密化,而冷锻能够大幅度提高块体材料的密度,其相对密度达到97.5%。

关键词:粉末冶金;铝合金;压制成型;烧结;冷锻
中图分类号:TG146.2+1　文献标识码:B 文章编号:10021752(2007)03563
Preparation of aluminum alloy block materials by powder metallurgy
L IU Gai -hua 1,ZHA Wu -sheng 1,LAN J un 1,L IU Jin -yun 1,ZOU Cong -pei 2
(1.College of M aterial Science and Engi neeri ng ,Xihua U niversity ,Chengdu 610039,
Chi na ;2.N uclear Power Instit ute of Chi na ,Chengdu 610041,Chi na )
Abstract :Using powder -metallurgy method ,the block Al -Si alloy has been prepared.The influences of green billet forming pressure ,sintering pro 2cess and cold forging on the density of block materials are investigated.The density of green billets increases with the forging press.Sintering can ’t lead to block materials densified ,but cold forging can greatly enhance their density.The maximum relativity density reaches to 97.5%.K ey w ords :powder metallurgy ;aluminum alloys ;pressure form ;sintering ,cold forging
1　前言
比重小、比强度高的铝合金,广泛应用于航空工业和汽车工业〔1,2〕。

特别是,耐热强度突出的烧结高硅铝合金制品,被认为可以用作内燃机的活塞材料、热交换器材料以及原子能固体燃料。

铝合金的传统加工方式主要是铸造和锻造,但近年来,粉末冶金法制备铝制品的工艺开始出现,以获得尺寸精度
高的零件〔2,3,4〕。

粉末冶金法可制备内部成分均匀、
强度大、硬度高的铝合金制品,但韧性和抗冲击性能低、耐蚀耐磨性差的缺点,限制了粉末冶金铝制品的
更广泛应用〔4,5〕。

因此,如何提高铝制品的相对密
度、减小制品的空隙率、获得力学性能和物理性能良好的制品,是一个引起世界各国科学家广泛兴趣的课题。

本文应用粉末冶金的方法制备了Al -Si 合金块体材料,探讨了制备工艺对块体材料相对密度的影响。

2　实验研究方法
将粒度约100μm 、理论密度为2.65g/cm 3的Al
-Si 合金粉末,在压缩强度实验机上压制成Ф12mm 的圆柱体粉坯,单位压制压力为265～423MPa 。

然后在真空烧结炉内、氩气保护下,400℃～600℃烧结4h ,再对烧结后的块体材料在压力机上进行室温下的模锻。

用排水法测量密度,用电镜观察冷锻前后的块体材料显微结构。

3　实验结果及分析
3.1　粉坯密度与压制压力的关系
粉坯的密度与压制压力的关系见表1和图1。

实验结果表明,Al -Si 合金块体材料粉坯密度与压制力的关系符合粉末冶金的一般规律,压制压力越高,粉坯的密度越高。

在压力较低时,随压制压力的增加粉坯密度增加较快;当压制压力较高时,随着压
・
65・ 轻　金　属 2007年第3期①四川省教育厅自然基金项目(2004A110)刘改华:1974年生,女,在读硕士研究生
查五生:1963年生,男,教授,博士,主要从事高性能结构材料研究。

收稿日期:2006-04-10
力的增加,密度增加的速度渐趋缓慢;单位压力达到
400MP 后,粉坯的相对密度基本没变化。

粉末样品内部结构疏松,在外力作用下,很容易发生明显的结构变化,因此,在较低的压制压力下,相对密度就会发生很大的提高。

压制初期的变形主要是高度压缩,横向流动非常小,致密化速度很快〔6〕。

随着压制压力继续增大,样品的内部结构已很紧密,被继续压缩的空间变小,密度的增加速度渐趋缓慢。

单位压力约270MPa 时,粉坯的相对密度可达
到80%,粉坯具有了一定的强度,可以方便地进行后续加工。

表1　不同压制压力下的粉坯密度
单位压力,MPa 140273310362.5398.5428.5相对密度,%
69.7
79.3
81.0
83.4
84.6
84.8
图1　粉坯密度与压制压力的关系
3.2　烧结坯密度与烧结温度的关系
不同烧结温度下的烧结坯密度由表2所示,将相对密度为80%左右的生坯真空烧结。

可以看出,
在500、550和565℃等合金固相线温度(573℃)以下烧结,样品的密度不但没有提高,反而有所下降;在575℃烧结时,粉坯发生少量熔化。

表2　不同烧结温度下的烧结坯密度
试样编号1234烧结前密度,g/cm 3
2.045 2.086 2.063 2.052烧结温度,℃500550565575
烧结后密度,g/cm 3
2.042
2.057
1.883
烧融
Al -Si 共晶合金粉末的表面,常常覆盖有一层
致密的氧化铝薄膜。

固相烧结时,这层薄膜阻碍了
物质的扩散迁移。

理论研究表明,烧结带有氧化膜的Al -Si 共晶合金粉末,必须在物理上达到600℃下露点低于-140℃,或600℃下氧气压力在10-50
大气压之下〔3〕。

但常规烧结时,这些条件很难实现。

因此,本研究中,即使是在接近固、液共存区的555℃下烧结,都未能促使物质迁移、提高粉坯的密度。

从表中还可发现,烧结之后样品的密度有所下降。

这是因为烧结时压制的残余内应力消除,颗粒接触面相对减少,使体积有所膨胀,密度下降〔6〕。

3.3　冷锻对块体材料密度的影响
表3列出了烧结坯冷锻前后密度的变化。

可以看出,烧结坯经过冷锻,其相对密度可显著提高。

粉
坯在565℃烧结一定时间后,锻造之前的相对密度仅为80%左右,在压力机上自由镦粗,样品的相对密度明显提高,达到了94.5%～97.5%。

表3　冷锻前后样品密度比较
样品编号
烧结坯的相对密度,%
冷锻后的相对密度,%
烧结温度
℃A 79.394.73565B 83.495.70565C 84.695.10565D
84.6
97.52
565
粉末锻造可显著提高铝合金块体材料的密度,
这一致密过程主要由粉末颗粒的塑性变形引起。

烧
结坯冷锻前后的显微组织结构如图2(
a )、(
b )。

可以看出,未锻造的材料内部颗粒之间未形成致密的
冶金结合,存在较多的空隙和有较大的空洞,材料密实度不高;锻造过程中,施加的压制力超过Al -Si 共晶合金的屈服强度,颗粒发生塑性变形,球形的共晶Si 颗粒延伸成条形,块体材料内部颗粒之间的空隙消失,空洞减小,密实度大大提高〔7〕。

(a )锻造前
(下转第61页)
・75・2007年第3期
刘改华,查五生,兰军,刘锦云,邹从沛:
粉末冶金法制备铝合金块体材料的研究
虑消防水收集系统。

5　存在问题
在电解铝厂环境风险评价方面主要有以下一些难于确定的问题:
1)导则中的物质风险识别范围包括对生产过程产生污染物的危险性进行识别,如何合理界定污染物非正常排放与大量泄漏造成风险之间的关系;
2)如何合理选取计算生产场所危险性物质数量的条件并准确计算危险物质数量;
3)对于项目涉及到的根据导则判定依据不属危险性物质,但却列入《危险化学品名录》中的一类物质,如何评价其环境风险;
4)如何合理定量分析风险影响程度和范围等。

6　结语
建设项目环境风险评价是环境影响评价领域一
项较为崭新的专题,目前在此方面可以借鉴的资料较少,当前我国在此方面主要是依据《建设项目环境
风险评价技术导则》。

由于导则仅是适用于各行业建设项目环境风险评价的普遍性技术规范,对于不同行业的建设项目在应用时不可避免会存在一定的局限性。

在编制环境风险评价时如何以导则为依据基础,准确合理地编制相关内容值得深入探讨与研究。

参考文献:
〔1〕胡二帮.环境风险评价实用技术和方法〔M 〕.北京,中国环境科学
出版社,2000.
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〔7〕王俊张仪生.化学污染物与生态效应〔M 〕.北京,中国环境科学
出版社,1993.
〔8〕陈丽霓.轻金属冶炼与环境保护〔M 〕.沈阳,东北工学院出版社,
1991.
(责任编辑　范鸿雁)
(上接第57页
)
(b )锻造后
图2　铝合金块体材料锻造前后金相照片
4　结语
1)单位压制力的大小决定着粉坯的密度大小,
压制力越高,粉坯的密度越高。

随压制力的增加粉
坯密度增加较快;压制力较高时,随着压力的增加,密度增加的速度渐趋缓慢。

Al -Si 共晶合金粉坯的相对密度为80%时,单位压制力约为270MPa ,粉坯具有进行后续烧结和冷煅的条件。

2)常规的烧结工艺(包括真空烧结)不能提高Al -Si 共晶合金体粉坯的密度,低于Al —Si 共晶合
金固相线温度烧结,样品的密度不但没有提高,反而
有所下降;高于固相线温度烧结,样品会发生熔化。

3)块体材料锻造过程中发生塑性变形,内部颗粒之间的空隙消失,空洞减小,具有较高的密度,样品的相对密度达到了97.5%。

参考文献:
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(责任编辑　郝文儒)
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16・2007年第3期 熊兴联:浅谈电解铝厂环境风险评价 。