粉末冶金铝合金的研究现状和发展趋势
综 述特种铸造及有色合金2008年年会专刊
粉末冶金铝合金的研究现状和发展趋势
张春芝 边秀房
(山东大学材料液态结构及其遗传性教育部重点实验室)
摘 要 粉末冶金铝合金由于具有低密度、高比强等优点,近年来引起了人们的普遍关注。较详细地介绍了粉末冶金铝合金的发展历史、工艺、特点及国内外研究和应用现状,预测了其未来发展趋势。关键词 粉末冶金;铝合金;趋势
中图分类号 TG14612+1 文献标志码 A 文章编号 2008(s)-0055-04
Reviewofcurrentsituationanddevelopmenttrendsof
Aluminumpowdermetallurgyalloys
ZhangChunzhi BianXiufang
(KeyLaboratoryofLiquidStructureandHeredityofMaterials,MinistryofEducation,
ShandongUniversity)
Abstract:TheAluminumpowdermetallurgyalloyshaveraisedprevalentconcernsrecentlybecauseofthemeritstheypossess.Developmenthistory,preparationprocess,characters,currentstudyandappl-i
cationsituationsareintroduced.Thefuturetrendsarepredicted.Itshowsthedirectionforthedevelop-mentandapplicationofAluminumpowdermetallurgyalloys.Keywords:powdermetallurgy(PM),Alalloys,trends 近几年来,随着人们环保意识的提高,汽车轻量化越来越多地引起人们的关注,汽车工业大量使用轻质合金材料,如铝合金、镁合金等。由于粉末冶金能够避免成分偏析,少切削甚至无切削生产具有各种特定性能的零件,在汽车工业上的应用明显增加,尤其是铁基和铜基粉末冶金零件。北美、日本和中国大陆平均每辆轻型车中使用的粉末冶金零件质量的进展状况见图1。不难看出,中国大陆与北美及日本在粉末冶金零件的应用方面还有很大的差距。2007年全球汽车产量为7307.2万辆,中国产量达888.2万辆,占全球总量的12.16%。汽车产业的发展,必将带动粉末冶金零件的开发和应用。
粉末冶金铝合金具有低密度、高比强、高耐磨性和耐腐蚀性的特点,表现出广阔的应用前景。然而由于各种因素的影响,其开发利用远远落后于Fe、Cu系合金。这些制约因素主要包括:¹Al活性高,在快速凝固制粉的过程中,不可避免地形成一层致密的氧化膜,在压制和烧结过程中,这层氧化膜使合金元素的相互扩散受到阻碍,不利于其冶金粘结[3];º粉末价格高、缺少专有生产技术[4]。在这种情况下,研究粉末冶金铝合金的现状并指出其发展趋势,
对于汽车工业用高效节能粉末冶金
图1 各地平均每辆轻型车(包括轿车)中使用的粉末冶金零件质量的进展
[2]
[1]
铝合金件的发展具有重要意义。
1 粉末冶金铝合金的发展历史
20世纪40年代,瑞士人IrmannR等用球磨机在控制氧含量的介质中研磨制成烧结铝粉(SAP),将铝粉与其他金属粉末的混合粉热压成棒状试样。力学性能
[5]
收稿日期:2008-03-28
第一作者简介:张春芝,女,1978年出生,硕士研究生,山东大学材料液态结构及其遗传性教育部重点实验室,济南(250061),电话:0531-88392748,E-mail:[email protected]
通迅作者:边秀房,教授,山东大学材料液态结构及其遗传性教育部重点实验室,济南(250061),电话:0531-88392748,E-mail:[email protected]
55
特种铸造及有色合金 2008年年会专刊
结果表明,这些合金有较高的高温强度,并且在高温下能保持原先的强度。
1952年美国铝业公司(Alcoa)开发了第一代烧结铝粉末冶金材料,它是一种A-lAl2O3弥散强化型合金,具有优异的高温强度和热稳定性。
1966年和1972年,Storchheims将液相烧结技术应用于粉末冶金,直接烧结而成粉末冶金铝合金零件。合金主要有3类:2014、6061和7075,其强度范围为110~345MPa,具有密度低,切削性能好的优点,可与铜基和铁基粉末冶金零件相媲美[6]。
20世纪70年代,通过快速凝固技术和机械合金化技术来制取合金粉末,促成了高性能粉末冶金铝合金的问世。自这个时期以来,一些先进国家主要致力于研究新的热处理状态和开发快速凝固/粉末冶金工艺,发展粉末冶金铝合金[7]。
到20世纪80年代末,粉末冶金铝合金得到快速发展。美国、前苏联和日本等国家研制成功10多种牌号的粉末冶金结构铝合金和粉末冶金耐磨铝合金,并已投入小批量生产,开始在航空航天工业和汽车工业应用。例如:日本采用快速凝固A-lSi合金粉末制造汽车发动机阀门弹簧座和连杆,质量分别减轻了60%和30%,使发动机速度大为提高。
1995年,日本住友轻金属公司开始生产粉末冶金A-lSi合金棒,为Mazda公司制造轿车发动机关键零件;1997年,德国PEAK公司生产同类粉末冶金棒坯,加工BenzV8和V12发动机汽缸衬套[6]
。
到防护作用,相对于需要防护涂层的零件节省了生产成本;»有较强的吸能性,在撞车时比钢制零件多吸收50%以上的冲击能,从而减少对人员的伤害,同时提高安全性和乘坐舒适性[9]。
3 当前国内外粉末冶金铝合金的研究及
应用状况
3.1 当前国内外研究和应用的粉末冶金铝合金类型
主要可以分成两大类:普通粉末冶金铝合金和高性能粉末冶金铝合金。
普通粉末冶金具有与铸造铝合金相应的成分,采用常规压制、烧结工艺制得。G.B.Schaffer等人对这方面的研究较多[10~14,16]。常用的合金成分主要有3种:
(1)A-lCu-Mg系,对应于合金2014,如美国铝业公司的201AB和德国的Ecka-Alumix123。G.B.Schaf-fer等研究了微量元素[10,11]、气氛[12]对A-lCu-Mg系烧结的影响,发现微量Sn等元素能促进液相烧结,而Fe相反;氮气相对于真空和其他保护气氛更有助于烧结性
能的提高。
(2)A-lMg-S-iCu系,对应于合金6061,如美国铝业公司的601AB和德国的Ecka-Alumix321。
(3)A-lZn-Mg系,对应于合金7075,如Alcan的MD76
[15]
。G.B.Schaffer等
[16]
研究了微量元素对A-l
Zn-Mg-Cu合金系烧结的影响。
与普通粉末冶金铝合金相比,高性能粉末冶金铝合金的合金成分设计和制备工艺更加复杂。更多采用预合金化的铝粉,增大了合金元素在铝基体中的溶解度并使显微组织大大细化。独特的组织进一步提高了合金的室温强度、耐磨损性能以及弹性模量。高性能粉末冶金铝合金主要有以下5种:¹耐磨、低膨胀系数粉末冶金铝合金主要是A-lSi系,与传统的铸造铝硅合金相比具有更高的耐磨性[18,19],张大童等研究了快速凝固高硅铝合金的热挤压过程[20,21],杨伏良等通过热挤压技术制备了高硅铝合金材料,其抗拉强度高达239MPa,比铸轧态试样提高77%
[22]
[17]
2 粉末冶金铝合金的制备工艺及制品
特点
传统粉末冶金铝合金的制备工艺是通过制粉、压制和烧结工艺制取铝合金件。其基本的制造工艺流程见图2。粉末冶金件普遍具有以下几个优点:¹能够避免成分的偏析,保证合金具有均匀的组织和稳定的性能;º能利用金属和金属、金属和非金属(包括一些高熔点的材料)的组合效果,生产各种特殊性能的材料
[8]
。粉
末冶金铝合金件除具有上述优点之外,还具有如下特性:¹密度低(Al的密度为2.70g/cm3),约为Fe(71874g/cm)和Cu(8.96g/cm)的1/3;º不需要做防锈处理,因为Al表面极易形成一层氧化膜,进而起
3
3
;º高强度、耐腐蚀粉
末冶金铝合金的研究主要集中在A-lZn-Mg-Cu的基础上添加Fe、Ni、Co、Zr等元素,美国、日本、英国等先
进国家利用喷射成形技术开发出锌含量在8%以上,抗拉强度为760~810MPa,伸长率为8%~13%的新一代超高强度铝合金[7];»低密度、高强度粉末冶金铝合金主要是A-lLi、A-lBe系合金,美国1991年报道,A-lLi合金取代普通铝合金,用在飞机上,质量可减轻10%~20%,若波音747零件全部用A-lLi代替,机身可减轻45t。崔成松等[23~25]对此类合金进行了深入的研究。
[16]
图2 传统的粉末冶金工艺流程图
(4)高温粉末冶金铝合金主要是在A-lFe合金中,
粉末冶金铝合金的研究现状和发展趋势 张春芝等
添加Ce、Mo、V、Si等元素,例如,美国已经商品化的A-lFe-Ce合金(含7%~9%的Fe,4%~6%的Ce)在225e持续曝露1000h,其室温强度仍保持不变。在310e下100h也有同样的结果
[26]
4 发展趋势
汽车轻量化为高比强度的铝基粉末冶金件的应用
提供了工业化前景。特别是在发动机传送系统方面,零部件的轻量能显著改善汽车的性能,并降低能耗。
针对一些需要减轻质量的场合,提高适用的铝基粉末冶金件的性能并有效地降低其成本,是研究发展的方向。
温压技术结合有效的润滑、烧结助剂将会更有效地以低成本生产高质量的铝基粉末冶金件。
参 考 文 献
[1] 韩凤麟.粉末冶金零件与汽车工业[J].新材料产业,2007(11):31-38.
[2] http://www.capin.com.cn/gnzx_newshow.asp?id=10254.[3] 杨伏良,甘卫平,陈招科.粉末粒度对高硅铝合金材料组织及性能
的影响[J].材料科学与工艺,2006,14(3):268-271.
[4] 印红羽,张华诚.粉末冶金模具设计手册[M].北京:机械工业出版
社,2002.
[5] IRMANNR.SAP-Anewmaterialofthepowdermetallurgyofalu-minum[J].Tech.Rundschau(Bern),1949(36):19-26.
[6] 李祖德,李松林,赵慕岳.20世纪中、后期的粉末冶金新技术和新材
料(1))))新工艺开发的回顾[J].粉末冶金材料科学与工程,2006,11(5):315-322.
[7] 刘文海.铝合金新材料的发展动向[J].机械工业杂志,2007,291:
160-162.
[8] 黄培云.粉末冶金原理[M].北京:冶金工业出版社,1997.
[9] 赵玉谦,方世杰.粉末冶金高强铝合金在汽车工业中的应用[J].汽
车工艺与材料,2004(9):1-5.
[10] LUMLEYRN,SCHAFFERGB.Theeffectoftraceelementon
thesinteringofA-lCualloys[J].ActaMater.,1999,47(2):689-697.
[11] MCPHEEWAG,SCHAFFERGB,DRENNANJ.Theeffect
ofirononliquidfilmmigrationandsinteringofanA-lCu-Mgalloy[J].ActaMaterialia2003,51:3701-3712.
[12] SCHAFFERGB,HALLBJ,BONERSJ,etal.Theeffectof
theatmosphereandtheroleofporefillingonthesinteringofalu-minum[J].Actamaterialia2006,54:131-138.
[13] LUMLEYRN,SCHAFFERGB.Theeffectofsolubilityand
particlesizeonliquidphasesintering[J].ScriptaMater.,1996,35(5):589-595.
[14] LUMLEYRN,SCHAFFERGB.Theparticlesizeeffectinmul-ticomponentaluminumalloys[C].AdvancesinPowderMetallurgyandParticulateMaterials,Proceedings1996WorldCongressonPowderMetallurgyandParticulateMaterials,MPIF,Princeton,NJ.,1996,11.
[15] 朱平,张力宁.粉末冶金铝合金[J].粉末冶金技术,1994,12(1):
50-56.
[16] SCHAFFERGB,HUOSH,DRENNANJ,etal.Theeffectof
traceelementonthesinteringofanA-lZn-Mg-Cualloy[J].Actamater.,2001,49:2671-2678.
[17] WARRENH,HUNTJR.NewautomotivedirectionsforA-l
basedPM[J].MetalPowderReport,2000,55(5):28-36.
。用粉末冶金高温
铝合金RSPA-l8Fe-4Ce制造某些军用飞机辅助动力装置中的零件,如F-18飞机的离心式压气机叶轮,质量减少15%,并能在某些部位代替钛合金零件
[6]
。
(5)粉末冶金铝基复合材料最主要的性能是较高的弹性模量、耐磨性和疲劳性能,常用的复合材料基体有A-lCu系、A-lMg-Si系、A-lZn系、A-lLi系、A-lFe合金系,常用的增强体为SiC、Al2O3、B4C等[17]。Lock-heed采用25%SiCp/铝合金复合材料制作成飞机框架,质量比7075-T6铝合金轻17%3.2 主要的制粉方法及铝粉特性
早期金属铝粉的生产方式是采用捣冲法机械破碎铝屑,并筛选出合乎要求的铝粉。该法生产效率低,质量不易控制,粉尘很多,非常容易起火和爆炸。1894年,德国Hametag用球磨机在惰性气体保护下生产鳞片状铝粉,这种方法目前仍然沿用,被称之为/干法生产0。中国铝粉工业自20世纪50年代起步,至今已有50年的历史,主要有雾化制粉和球磨制粉两种。雾化包括空气雾化法(冷却速率为10~10K/s)和水雾化法(冷却速率为10~10K/s),产品既有球形也有非规则形状。
Al的活性很高,在快速凝固制粉时不可避免地会形成一层氧化膜,导致致密化过程中合金元素的相互扩散受到阻碍,难以形成冶金粘结。因此生产中需要采用一些特殊的致密化工艺来克服这些困难,如热挤压法、高速压制等。
3.3 粉末冶金铝合金的主要制备工艺
目前铝基粉末冶金件主要的生产工艺有常温压制[
10~14,16]
2
4
2
3
、温压、热挤压、粉末锻造和喷射成形等。常
温压制研究较多,但是由于诸如冷焊和铝的氧化膜导致的不致密等各种技术因素的阻碍,目前进展并不理想,应用范围也非常有限。近年来,人们开始转向在铁基粉末冶金件上应用的近于完善的温压技术来制备粉末冶金铝合金件。A.Simchi等人研究发现,温压是提高铝合金湿密度的有效办法,并且能够提高烧结尺寸的稳定性
[27]
。李明怡等
[28]
也对铝的温压行为进行了研究。温
压工艺不仅提高了粉末冶金件的烧结性能,在成本方面也有一定的优势。据研究表明,假定一次压制/一次烧结的普通粉末冶金工艺的成本为1,则粉末锻造的成本为2.0,复压/复烧的成本为1.5,渗铜工艺的成本为1.4,而Ancordense温压工艺的成本仅为1.2
[29]
。
57
综 述特种铸造及有色合金2008年年会专刊
镁基大块金属玻璃的研究进展
彭 浩1,2 李双寿1 黄天佑2
(1.清华大学基础工业训练中心;2.清华大学机械工程系)
摘 要 Mg基大块金属玻璃因其低成本和高比强度而有望成为轻质高强度结构材料,引起人们研究的极大兴趣。综述了Mg基大块金属玻璃的研究情况,重点介绍了新成分设计和力学性能改善等方面的研究情况。关键词 Mg基;大块金属玻璃;力学性能;成分设计
中图分类号 TG1391+8 文献标志码 A 文章编号 2008(s)-0058-06
ProgressinResearchonMg-BasedBulkMetallicGlasses
PENGHao1,2,LIShuangshou1,HUANGTianyou2
(1.FundamentalIndustryTrainingCenter,2.MechanicalEngineeringDepartment,
TsinghuaUniversity,Beijing100084,P.R.China)
Abstract:Mg-basedbulkmetallicglassesareofhighinterestduetotheirhighstrengthtoweightratioandrelativelylowprice.ThedevelopmentofMg-basedbulkmetallicglassesissummarized,withanem-phasisonthecompositiondesignandthemechanicalpropertiesimprovement.Keywords:Mg-basedbulkmetallicglasses,compositiondesign,mechanicalproperties 自1960年Duwez等人制备出玻璃态Au75Si25以来,金属玻璃以其优异的力学性能、加工性能、耐腐蚀性和磁学等性能,引起人们极大的研究兴趣。1974年,毫米级的Pd-Cu-Si大块金属玻璃制备成功后,金属玻璃的制备尺寸不断提高,且研究内容也不断扩大和深化。与其它合金系的大块金属玻璃相比,Mg基大块金属玻璃因其低价格、高强度、低密度和丰富的储存量而有望成为轻质高强度结构材料,具有巨大的应用潜力。
[2]
[1]
Mg-Cu基的研究最多。
1.1 Mg-Cu基大块金属玻璃的成分开发
1991年,Inoue等人用金属模铸法制备出直径为4mm的Mg65Cu25Y10金属玻璃棒[3],临界冷却速度约为50K/s[4],而利用高压压铸的方法则可把临界直径提高到7mm。此后,探索新成分Mg-Cu基大块金属玻璃
成为Mg基大块金属玻璃研究的热点之一,尤其是2000年以后,大量的Mg-Cu基大块金属玻璃新成分被相继开发出来,而对新成分的研究主要采用了元素替代和体系元素优化这两种方法。
(1)元素替代法
[5]
1 Mg基大块金属玻璃的成分开发
如果单从成分来划分,Mg基大块金属玻璃可大致分为Mg-Cu基、Mg-Ni和Mg-Zn基3大类,其中有关
收稿日期:2008-05-19
第一作者简介:彭浩,男,1979年出生,博士研究生,清华大学基础工业训练中心,北京(100084),电话:[1**********],E-mail:[email protected]
[18] HAYASHIT.RotarycarairconditionermadewithPMA-lSi
wroughtalloys[J].MetalPowderReport,1991(5):23-29.
[19] LEECK.EffectsofPbandCuadditionsonmicrostructureand
wearcorrosionresistancebehaviorofPMA-lSialloys[J].PowderMetallurgy,2006,49(4):334-343.
[20] 张大童,李元元,罗宗强,等.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,2001,11(1):6-9.
[21] 张大童,李元元,罗宗强.快速凝固过共晶铝硅合金材料的研究进
展[J].轻合金加工技术,2001,29(2):1-6.
[22] 杨伏良,甘卫平,陈招科,等.快速凝固/粉末冶金制备高硅铝合金
材料的组织与力学性能[J].中国有色金属学报,2004,14(10):1717-1722.
[23] 崔成松,米国发.喷射沉积A-l2.15L-i1.28Mg-1.26Cu-0.10Zr合
金的拉伸断裂行为[J].中国有色金属学报,1997,7(1):138-142.
[24] 崔成松,范洪波.喷射沉积A-l3.8L-i0.8Mg-0.4Cu-0.13Zr合金的
显微组织与拉伸性能[J].中国有色金属学报,1996,6(4):127-131.
[25] 潘青林,张新明.快速凝固粉末冶金技术制备A-lL-iMg-Zr合金的
研究[J].轻合金加工技术,1993,21(11):36-39.
[26] http://me.queensu.ca/courses/mech412/Notes/Lecture10.ppt.[27] SIMCHIA,VELTLG.Investigationofwarmcompactionand
sinteringbehaviorofaluminumalloys[J].PowderMetallurgy,2003,46(2):159-164.
[28] 李明怡,宋世驹,康志君.不同类型金属粉末的温压行为[J].粉末
冶金技术,2000,18(4):261-264.
[29] 张双益,李元元.温压技术及其致密化机制的研究进展[J].材料科
学与工程,1999,17(4):96-99.
(编辑:张春明)