粉末冶金法制备铝合金块体材料的研究
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© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net・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
Preparationofaluminumalloyblockmaterialsbypowdermetallurgy
LIUGai-hua1,ZHAWu-sheng1,LANJun1,LIUJin-yun1,ZOUCong-pei2
(1.CollegeofMaterialScienceandEngineering,XihuaUniversity,Chengdu610039,
China;2.NuclearPowerInstituteofChina,Chengdu610041,China)
Abstract:Usingpowder-metallurgymethod,theblockAl-Sialloyhasbeenprepared.Theinfluencesofgreenbilletformingpressure,sinteringpro2
cessandcoldforgingonthedensityofblockmaterialsareinvestigated.Thedensityofgreenbilletsincreaseswiththeforgingpress.Sinteringcan’t
leadtoblockmaterialsdensified,butcoldforgingcangreatlyenhancetheirdensity.Themaximumrelativitydensityreachesto97.5%.
Keywords:powdermetallurgy;aluminumalloys;pressureform;sintering,coldforging
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/cm3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
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net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,MPa140273310362.5398.5428.5
相对密度,%69.779.381.083.484.684.8
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/cm32.0452.0862.0632.052
烧结温度,℃500550565575
烧结后密度,g/cm32.0422.0571.883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℃
A79.394.73565
B83.495.70565
C84.695.10565
D84.697.52565
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
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net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.〔2〕陆雍森.环境评价(第二版)〔M〕.上海,同济大学出版社,1998.〔3〕国家环境保护总局.建设项目环境风险评及技术导则〔Z〕.北京,中国环境科学出版社,2004.〔4〕邱竹贤.铝冶金物理化学〔M〕.上海,上海科学技术出版社,1983.〔5〕国家环境保护局.有色冶金工业废气治理〔Z〕.北京,中国环境科
学出版社,1993.〔6〕王德学.危险化学品安全管理条例释义〔M〕.北京,化学工业出版
社,2002.〔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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