粉末冶金法制备过共晶Al-23Si合金的微观组织与力学性能.pdf

第 1 9 卷第 4期 Vb 1 ． 1 9 NO ．4 粉末冶金材料科学 与工程 M a t e r i a l s S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g o f Po wd e r M e t a l l u r g y 2 0 1 4年 8月 Au g ． 2 0 1 4 粉末冶金法制备过共晶 A I ． 2 3 S i 合金的 微观组织与力学性能 刘金萍 ，郝安林 。 ，熊翔 ，刘如铁 ，赵福安 1 ．中南大学 粉末冶金国家重点实验室，长沙 4 1 0 0 8 3 2 ． 安阳工学院，安阳 4 5 5 0 0 0 摘要用 A1 ． 3 C u 一 1 Mg ． 2 F e 一 2 3 S i合金雾化粉末为原料，采用热压然后热挤压的方法制备 A1 ． 3 C u ． 1 Mg ． 2 F e 一 2 3 S i 过共 晶铝合金 ，利用金相显微镜 、扫描 电镜 、万 能电子拉伸机等研究该合金 的显微组织与 力学性 能。结 果表 明 热压坯体中存在大量孔隙， 相对密度为 9 1 ％， 抗拉强度为7 0 MP a ， 硬度为 3 5 HR B； 经热挤压后相对密度达到 9 9 ％， 颗粒状硅相均匀弥散分布在基体中， 硬度提高到 7 2 HR B； 进一步热处理后颗粒状硅相消失， 合金硬度为 8 4 HR B， 抗拉强度达到 2 1 9 MP a ，断裂方式为脆性断裂。 关键词 粉末冶金 ；A1 ． S i 合金 ；热压 ；热挤压 中图分类号T F 1 2 5 文献标识码A 文章编号1 6 7 3 ． 0 2 2 4 2 0 1 4 4 0 5 9 5 ． 0 6 M i c r o s t r u c t u r e a n d m e c ha n i c a l pr o pe r t i e s o f h y pe r e u t e c t i c AI 一 2 3 S i a l l o y f a br i c a t e d b y po wd e r m e t a l l ur g y L I U J i n ． p i n g ， Ha o An ． 1 i n ， XI ONG Xi a n g ， LI U R u ． t i e ， Z HAO F u ． a n 1 ． S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f P o wd e r Me t a l l u r g y , C e n t r a l S o u t h Un i v e r s i t y , C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 ， C h i n a ； 2 ． An y a n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o gy, An y a n g 4 5 5 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e h y p e r e u t e c t i c h i g h -- s i l i c o n a l u mi n u m a l l o y A1 - 2 3 S i wa s f a b r i c a t e d b y h o t p r e s s i n g and h o t -e x t r u s i o n p r o c e s s u s i n g A1 - 3 C u 一 1 Mg 一 2 F e 一 2 3 S i a l l o y a t o mi z e d p o wd e r a s r a w ma t e r i a 1 ． Op t i c a l mi c r o s c o p y ,s c a n n i n g e l e c t r o n mi c r o s c o p y ,u n i v e r s a l ma t e r i a l t e s t i n g ma c h i n e we r e u s e d t o s t u d y t h e mi c r o s t r u c t u r e a n d me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f A1 2 3 S i a l l o y ． E x p e r i me n t a l r e s u l t s s h o w t h a t ，t h e r e a r e s t i l l ma n y h o l e s e x i s t a ft e r h o t p r e s s p r o c e s s ，a n d t h e t e n s i l e s t r e n g th i s 7 0 M P a ． Th e d e n s i t y a n d h a r d n e s s i n c r e a s e s i g n i fi c a n t l y a f t e r h o t - e x t r u s i o n p r o c e s s a n d the g r a n u l a r s i l i c o n a p p e a r s a n d d i s t r i b u t e s i n the m a t r i x un i f o r ml y ． Th e g r an u l a r s i l i c o n p h a s e d i s a p p e a r s ， the t e n s i l e s tre n g t h r e a c h e s 21 9 M P a a fte r h e a t t r e a t me n t ． Th e f r a c t u r e me c h a n i s m i S b r i t t l e f r a c t u r e ． Ke y wo r d s p o wd e r me t a l l u r gy ； A1 - S i a l l o y ； h o t p r e s s i n g ； h o t e x t rus i o n 过共 晶 A1 ． S i 合金具有质轻 、耐磨 、热膨胀系数 低及强度高等特性，在要求高强度、高模量和良好耐 磨 损 性 能 的 发 动 机 缸 体 和 活 塞 等 领 域 得 到 广 泛 应 用 采用传统熔铸技术制备过共晶A1 ． S i 合金时，由 于较低的冷却速率导致初晶硅长大及宏观偏析，易形 成粗糙 的微观结构 ，因而合金 的力学性 能较差 ，使用 寿命短 。 目前 国内外重 点研究通过改进制备工艺 、设 计合理 的合金成 分及添加改性剂来控制 S i颗粒 的长 大 ，从而 提高过共晶 A l S i 合金 的性 能L 2 ] 。粉末 冶金 技术制备过共 晶 A1 一 S i 合金具有独特 的优点[ 6 - ，如制 备温度低 ，减轻 了基体和增强颗粒之 间的界面 反应 ， 从而减少界面上硬质化合物的生成；增强颗粒的体积 分数较 高且增 强颗粒分布均匀 ， 不易出现偏析和偏聚 。 同时， 粉末冶金材料的组织更细， 合金元素能过饱和， 固溶度更大 ，可避免成分 的偏析 ，保证合金具有均匀 的微观 组织。 由于铝的活性很高 ，在雾化制粉和热压预成形过 程中会不可避免地形成一层氧化膜，使得致密化过程 基金项目国家基础研究发展规划资助项 目 2 0 1 1 C B 6 0 5 8 0 5 收稿 日期2 0 1 3 ． 1 1 - 0 5 ；修订 日期2 0 1 4 一 O 1 一 O 2 通讯作者熊翔，教授 ，博士。电话0 7 3 1 - 8 8 3 6 0 7 9 E ma i l x i o n g 2 2 8 s i n a ． c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 9 6 粉末冶金材料科学与工程 2 0 1 4年 8月 中合金元素的相互扩散受到阻碍 ，热挤压技术可使氧 化膜破裂 ，合金元 素间形成冶金粘 结L 6 J ，因此 目前 国 内外利用粉末冶金方法制备过共 晶铝硅合金时主要是 采用喷雾沉积和 粉末直接挤压技术【 卜 】 。本 文作者采 用粉末热压然后热挤压的方法制备 A 1 ． 3 C u - I Mg ． 2 F e ． 2 3 S i 合金 ，研 究热压、热挤压及热处理对合金 的物理 力学性能与微观组织的影响，并对其机理进行分析， 为采用粉末冶金法制备过共晶铝硅合金提供参考 。 1 实验 1 ． 1 原材料 实验 以中南大学粉末冶金研 究院制备 的 A 1 3 C u ． 1 Mg ． 2 F e 一 2 3 S i 雾化粉末为原料 ，粉末 的化学成 分列 于 表 1 ，形貌与区问粒度分布如图 1 所示。可见该原料 表 1 A1 - 3 C u 一 1 Mg - 2 F e 一 2 3 S i 雾化粉末的化学成分 Ta b l e 1 T r u e c h e mi c a l c o mp o s i t i o n o f A1 - 3 Cu -- 1 M g 2 F e -2 3 S i a l l o y p o wd e r s ￡ 2 芒 量 图 1 A1 - 3 C u 一 1 Mg 一 2 F e ． 2 3 S i 合金粉末的形貌与粒度分布 F i g ． 1 Mo r p h o l o g y a a n d p a r t i c l e s i z e d i s t r i b u t i o n b o f A1 -- 3 Cu - 1 M g -- 2 F e -2 3 S i a l l o y p o wd e r s 粉末的分散性较好，呈规则球形，表面较光滑。颗粒 尺寸分布范 围较大 ，主要集 中在 3 0 - 8 0 岬 之 间。 1 ． 2 Al - S i 合金的制备 图 2所示为 A 1 ． 3 C u ． 1 Mg 一 2 F e 一 2 3 S i 原料粉末 的差 示扫描量热 D S C 分析曲线。DS C曲线上 5 6 1℃处有 1个大的吸热峰，表明在这个温度附近粉末颗粒间有 液相 生成 ，邻近颗粒之 间发 生溶解和凝 结。随后再没 有出现吸热峰，说明液相的产生是持续的【 】 。因此将 热 压 温 度 定 为 5 6 5 ℃ 。首先 将 原 料粉 末 在 压 力 为 1 0 MP a 、温度为 5 6 5℃条件下真空热压 1 h ，热压坯 体直径为 5 5 mn l 。 热压坯体在 4 8 0℃保温 3 0 m i n后进 行热挤压 ，挤压 比为 1 1 ，挤出棒材的直径为 1 6 1 T I 1 T I 。 最后 对挤 压棒 材进 行 固溶与 时效 处理 ， 固溶温度 为 5 0 0℃，保温 8 h ，时效温度为 2 0 0℃，保温 8 h 。 争 毫 兽 菌 7 y ℃ 图 2 AI - 3 C u - l Mg 一 2 F e ． 2 3 S i 合 金粉 末的 DS C 曲线 F i g ． 2 DS C c u r v e o f A1 - 3 Cu 一 1 Mg 一 2 F e - 2 3 S i a l l o y p o wd e r s 1 ． 3 性能检测 用 No v a N a n o S E M 2 3 0型扫描 电镜观察 A 1 3 C u 一 1 Mg 2 F e 一 2 3 S i 粉 末及合金 的整体微观 形貌 ，以及合 金 的拉伸断 口形貌 。用 Me F 3 A 型金相 显微镜 观察合 金 粉末与挤压棒材的显微组织，以分析组织内部颗粒尺 寸 。将热压及热处理后的合金棒材按照 G B ／ T 4 3 3 8 ． 1 9 9 5制成拉伸试样， 用 电子万能拉伸试验机测定其抗 拉 强度 。分别采用 阿基米德排水法及数显硬度 仪测 量 合金 的密度与硬度 。 2 结果与分析 2 ． 1 热压 图 3 所 示为 A1 - 3 C u 一 1 Mg ． 2 F e ． 2 3 S i 原料粉末 的断 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 0 0 粉末冶金材料科学与工程 2 0 1 4年 8月 [ 1 O 】 【 l 2 】 [ 1 3 】 [ 1 4 】 J o u r n a l o f M a t e r i a l s P r o c e s s i n g T e c h n ol o g y ,2 0 0 2 ，1 3 0 6 9 1 6 9 5 ． CHI ANG C H． CHI Y A TS AO． Mi c r o s t r u c t u r e s a n d M e c h a n i c a l p r o pe r t i e s o f s p r a y f o r me d a n d s q ue e z e c a s t AI 一 2 5 Si 0． 8 9 Ni - O ． 8 4 Mg a l l o y s i n s o l u t i o n i z e d a n d a g e d c o n d i t i o n s [ J ] ． Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g A， 2 0 0 6 ， 41 7 9 0 9 8 ． 隋忠祥，张 军，文 子．粉末 冶金法制 备高硅铝 合金 的组 织 与性 能[ J ] ．汽车工艺与材料， 2 0 0 4 0 7 1 6 - 1 8 ． SUI Zh o n g x i a n g ，ZHANG J u n ，WEN Zi ．Mi c r o s t r u c t u r e s a n d me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f h i g h - s i l i c o n a l u mi n u m a l l o y f a b ric a t e d b y p o wd e r me t a l l u r g y[ J ] ． Au t o mo b i l e T e c h n o l o g y Ma t e ri a l ， 2 0 0 4 0 7 1 6 1 8 ． 杨 伏 良，甘卫平，陈招科．高硅铝 合金几种 常见制 备方法及 其 细化机 理[ J 】 ．材料导报， 2 0 0 5 ， 1 9 5 4 2 - 4 9 ． YANG Fu l i a n g，GAN We i - p i n g ， CHEN Zh a o k e ． A f e w p r e p a rat i o n me t h o d s a n d t h e ir d i l i c a t i o n me c h ani s m f o r h i gh s i l i c o n a l u mi n u m a l l o y【 J 】 ． Ma t e ri a l s R e v i e w, 2 0 0 5 ， 1 9 5 4 2 4 9． HEAR D D W， D0NALDS ON I W BI SHOP D P ． M e t a l l u r g i c a l a s s e s s me n t o f a h y p e r e u t e c t i c a l u m i mu m- s i l i c o n P ／ M a l l o y[ J ] ． J o u r n a l o f Ma t e ri a l s P r o c e s s i n g T e c hno l o gy, 2 0 0 9 ； 2 09 5 9 0 2 - 5 91 1 ． 姚书芳，毛卫 民，赵爱 民，等．过共 晶铝硅合金细化变 质剂的 研究【 J 】 ．特种铸造及有色合金， 2 0 0 5 5 卜3 YAO S h u - f a n g ，MAO We i rai n，Z HAO Ai mi n，e t a 1 ．Th e a n a l y s i s o f r e fi n e me n t a n d mo d i fi c a t o r s o f h y p e r e u t e c t i c a l l o y[ J ] 2 0 0 5 5 l 一 3 [ 1 5 】 [ 1 6 】 [ 1 7 】 [ 1 8 】 wA NG F e n g ，MA Y a - j u n ， Z H ANG Z h e n g y e ，e t a 1 ．A c o mp a r i s o n o f the s l i d i n g we a r b e h a v i o r o f a h y pe r e u t e c t i c AI S i a l l o y p r e p a r e d by s p r a y d e p o s i t i o n a n d c o n v e n t i o n a l c a s t i n g me tho d s[ J 】 ． E l s e v i e r We a r , 2 0 0 4 ， 2 5 6 3 4 2 3 4 5 ． 黄海军，冯浩，张济 山．铸造 AI 一 2 5 S i ． x F e y Mn合金凝固组 织的研 究[ J ] ．特种铸造及有色合金， 2 0 1 0 ， 3 0 8 7 6 6 7 6 8 ． HUA NG Ha i -j u n ， F E NG H a o ， Z H ANG J i s h a n ． T h e s o l i d i fic a t ion s t r u c t ur e a n a lys i s of c a s t i n g A1 2 5S i - x Fe - yMn a l l o y s[ J ] ． S p e c i a l C a s t i n g No n f e r r o u s Al l o y s ， 2 0 1 0 ， 3 O 8 7 66 -7 6 8 ． 张大童，李元元 ，罗宗 强．快速 凝固 高硅铝合金 粉末 的热挤 压过程[ J ] ．中国有色金属学报， 2 0 0 1 ， 1 1 1 6 - 9 ． ZHAN G Da - t o ng ， LI Y ua n - y u a n ， LUO Zo ng q i a n g ． Ho t e x t r u s i o n p r oc e s s o f r a p i d l y s o d i fie d h y p e r e ut e c t i c a l u mi n u m- s i l i c o n a l l o y p o wd e r[ J 】 ． T h e C h i n e s e J o u r n a l o f No n f e r r o u s Me t a l s ， 2 0 0 1 l 1 1 6 9 ． 范景莲．粉末增塑近净成形技术及致密化挤 出理论【 M】 ．北京 冶金工业出版社， 2 0 1 1 2 9 3 2 9 7 ． F AN J i n g l i a n．Ne ar Ne t S h a p e Te c hn o l o g y a n d De n s i fi c a t i o n E x t r u s i o n Th e o r y o f P o wd e r 口 ． Be i j i n g Me t a l l u r g i c a l I n d u s t r y P r e s s ， 2 01 1 29 3 2 9 7 [ 1 9 】 丁惠麟，辛智华．实用铝、 铜及其合金金相热处理和 失效分析 [ M】 ．北 京机械 工业出版社， 2 0 0 7 4 5 6 6 ． DI NG Hui l i m XIN Zh i h u a ，M e tal l ur g i c a l He a t T r e a t me n t a n d Ag i n g A n a l y s i s o f Al u mi n u m a n d C o p p e r A l l o y s【 M】 ． Be i j i n g M a c h i n e I n d us t r y Pr e s s ， 2 0 0 7 45 6 6 ． 编辑汤金芝 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m