铝合金烧结难点

1、铝合金由于体积质量小、比强度高，因而广泛应用于现代工业，特别是航空工业 和汽车工业。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 制备铝制品的方法开始出现。据预测汽车中的齿轮、带轮及连杆零部件，用粉末 冶金法制备的质量，在世界范围内将由1998年的1100t增加到2008年的 2300t.近年来，俄罗斯的科学家将Al-Si共晶合金作为基体材料制备燃料棒，应 用于轻水反应堆中。利用铝合金导热系数高的特点，将堆内热量传出，达到冷 堆”的目的，以提高反应堆寿命和安全性。此项技术已应用于KLS-40S浮动式 核电厂的轻水反应堆中。粉末冶金法制备铝合金制品，可改善合金内部成分的 均匀性，获

2、得高强度、高硬度的制品，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广泛应用。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。引起了世界各国科学家 的广泛兴趣。通过大量的实验研究，已取得了良好的效果。1.0.固相烧结致密化的障碍：铝在空气中很容易被氧化形成Al203薄膜，覆盖在金属的表面，氧化膜的厚度取决 于温度及合金的储存气氛，特别是湿度。室温下块状铝合金表面氧化膜为10 20埃，而雾化法制备出的粉末，氧化膜厚达50 150埃，且为非晶态或水合物， 在350C下转变成Y-Al2O3。研究发现，600C下，方程式(1)发生逆反应的条 件

3、是烧结气氛中，氧气分压低于10。大气压，或者烧结气氛露点低于-140C。 这一条件在物理上很难达到。这充分说明Al2O3薄膜非常稳定，难以分解出纯金 属铝。常规条件下烧结时，铝金属原子不能扩散穿过这层连续且致密的氧化膜， 不能实现物质的扩散迁移，粉末颗粒之间不能互相融合长大，进而使制品消除孔 隙以达到致密化。2.0.致密化的措施:破坏表面的氧化膜:固相反应烧结：添加镁金属。镁的活性远大于铝，其氧化物形成的自由能比Al2O3要小得多，因 此，镁添加剂应用于铝合金的粉末烧结中，可以将Al2O3还原成纯金属铝。反应 方程式为：Mg+A1203=MgAl204+Al (2)由此生成尖晶石结构的镁铝氧化

4、物。镁 在铝基体中扩散，使体积发生改变，在氧化膜上产生剪切力，最终破坏氧化膜， 利于原子的扩散和烧结的顺利进行，提高铝合金的密度。研究发现铝合金中镁的 添加量要达到0.15%才能引起烧结体积的收缩。添加0.15%的镁，铝合金粉末 颗粒表面的氧化膜被破坏，颗粒间互相粘结并致密，进而提高制品的强度和塑性， 添加量大于0.15%时，多余的镁溶解在铝中，会引起柯肯达尔现象，还会起到 固溶强化的作用。还原气氛烧结：在还原性气氛下烧结时，颗粒周围的还原性气体与Al2O3反应，置换出金属铝。 常用的还原气体氢气是非常活泼的化学元素。与金属氧化物能发生置换反应。同 样，氢气也能与氧化物Al2O3发生反应，即：

5、Al2O3+3H2=2Al + 3H2O (3)烧结 过程中，Al2O3薄膜通过不断反应而逐渐减薄，发生破坏，从而使颗粒间的铝原 子扩散得以进行，块状材料致密化。液相烧结：铝合金的粉末压坯仅通过固相烧结难以获得很高的密度，如果在烧结温度下，低 熔组元熔化或形成低熔共晶物，由液相引起的物质迁移比固相快，最终液相将填 满烧结体内的空隙，由此可以获得密度高、性能好的烧结品。液相烧结铝合金制 品的添加相必须具备以下条件：（1）低于铝合金熔点；（2）与铝不互溶；产生的 液相须对铝合金颗粒表面有良好的润湿性。常用的添加相有Cu、Sn、Zn、Mg 等金属，或者这些金属元素复合添加。添加Cu金属：铜是铝合金中

6、添加的最基本、最常见的金属元素。在548ZC时铜在铝中的溶解 度仅为5.65%,但铜的熔点几乎是铝的二倍。烧结过程中铜是通过与铝形成低 熔点的Al2Cu的过渡相来实现液相烧结。其过程如下：加热时Al、Cu间相互扩 散形成Al2Cu金属间化合物；548C时在Al2Cu界面出现它们共晶物的液相； 铜从液相中析出，形成不溶的金属间化合物；同时近邻的铜颗粒不断熔于液体中 进行补充；当所有的铜熔解后。金属间化合物消失，液体吸入铝颗粒中。铜在铝 中的扩散系数几乎是铝在铜中的5000倍，在加快均匀化速度的同时，也会因为 柯肯达尔效应而发生膨胀。因此，Al-Cu系合金烧结工艺参数非常关键，特别是 铜粒子尺寸及

7、加热速度。添加Sn金属：锡是最具备条件的添加元素，其熔点为232C ,低于Al ,在Al中溶解度最大仅 为0.15%,且其液体能够与Al发生充分润湿。添加Sn金属，烧结时熔化的Sn 液体充填颗粒，使制品致密。但由于Sn本身的强度较低，Al-Sn合金的力学性 能不高。如果在Al合金中复合添加Mg和Sn , Mg将会在烧结时激活整个体 系，使制品致密化作用更加明显。研究表明，Al-Sn-Mg体系中，Sn含量为8% 时，烧结密度可达到理论值的99%。搀入润滑剂：粉末冶金坯料的金属粉末中加人润滑剂，有助于坯料压制，减轻颗粒间流动阻力 以及模具同粉料间的摩擦力。据报道，在铝合金的烧结过程中，加人润滑剂能

8、够 改善合金的烧结性能，提高烧结坯的机械性能。搀人的润滑剂必须具有分解温度 低、无分解残留物的特点，常用高分子材料，如PE、EBS等。但添加润滑剂后， 仅提高了生坯密度和强度，对烧结坯的致密化未产生显著效果。因此，加人润滑 剂改善铝合金烧结性能的机理还不是很清楚，有待于进一步深人研究。粉末锻造：粉末锻造是将粉末冶金和精密模锻结合在一起，充分发挥二者优点的新工艺，出 现的历史并不长，应用于铝合金载荷件的加工大约十几年。通常的工艺步骤包括 粉末预成形压坯、烧结、锻造（冷锻或热锻）和锻后预处理。粉末颗粒在锻造压力 作用下发生塑性变形，使孔隙缩小以至消失，从而使材料致密，提高锻件的密度。 作者用粉末锻造的方法制备了 Al-Si共晶合金粉末制品。研究中发现，烧结温度 的控制是制备工艺过程的关键。烧结时粉坯或烧结温度过低，颗粒间未发生烧结 黏结，锻造时塑性非常差，不能承受较大的变形，制件的密度较低；烧结温度过 高，压坯会局部熔化而析出金属铝，破坏制件的外形并导致其成分不均匀。通过 优化工艺后，制备出的自由镦粗锻件相对密度达93%96%,模具锻造件相对 密度达96% 98%。通过颗粒的塑性成形使材料致密化，工艺除锻造外，挤压 也是常用的方法之一。3.0.结语：铝合金粉末冶金制品的密度直接决定其性能，而颗粒表面致密化稳定的氧化膜导 致铝合金粉末不能通过常规的固相烧