Cu含量對(duì)粉末冶金AlCuMgSi合金性能的影響

陳玲，汪禮敏, 2, 3, 4，王林山, 2, 3, 4，梁雪冰, 2, 3, 4，張少明

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Cu含量對(duì)粉末冶金AlCuMgSi合金性能的影響

陳玲1，汪禮敏1, 2, 3, 4，王林山1, 2, 3, 4，梁雪冰1, 2, 3, 4，張少明1

(1. 北京有色金屬研究總院，北京 100088；2. 有研粉末新材料(北京)有限公司，北京 101407；3. 北京恒源天橋粉末冶金有限公司，北京101407；4. 北京市金屬粉末工程技術(shù)研究中心，北京101407)

用金屬Al粉、Cu粉、Mg粉和Al-Si粉為原料，采用液相燒結(jié)法制備Cu含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)為0~6.0%的AlCuMgSi合金，研究Cu含量對(duì)AlCuMgSi合金組織與力學(xué)性能的影響，采用國(guó)外的Al-3.8Cu-1.0Mg-0.75Si粉末為原料，用相同的工藝制備Al-3.8Cu-1.0Mg-0.75Si合金作為性能對(duì)比試樣。結(jié)果表明：在鋁合金中添加Cu元素后，組織致密均勻，密度、硬度和抗拉強(qiáng)度等均顯著提高。當(dāng)Cu含量為4.0%時(shí)材料的性能最優(yōu)，密度為2.72 g/cm3，致密度達(dá)到98.9%，硬度HB為64，抗拉強(qiáng)度為207 MPa，伸長(zhǎng)率為2.1%，與采用國(guó)外的Al-3.8Cu-1.0Mg- 0.75Si粉末制備的材料性能相當(dāng)。

粉末冶金；AlCuMgSi；鋁合金；銅含量；液相燒結(jié)

輕質(zhì)材料鋁合金的應(yīng)用與發(fā)展已成為汽車(chē)工業(yè)推行輕量化的主要發(fā)展方向之一[1]，采用粉末冶金法(PM)制備鋁基零部件具有材料利用率高、生產(chǎn)成本低和產(chǎn)品綜合性能好等優(yōu)點(diǎn)[2]，在汽車(chē)工業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。鋁的化學(xué)性質(zhì)較活潑，極易與氧發(fā)生反應(yīng)，因此在制粉、存儲(chǔ)及使用過(guò)程中鋁粉表面生成氧化膜，在后續(xù)致密化過(guò)程中阻礙粉末顆粒之間的直接接觸和合金元素的潤(rùn)濕與擴(kuò)散，不利于燒結(jié)致密 化[3?5]。為了獲得力學(xué)性能和物理性能良好的粉末冶金鋁制品，許多學(xué)者已進(jìn)行了大量研究，其中，液相燒結(jié)因生產(chǎn)成本低而得到更廣泛的關(guān)注[6?8]。液相燒結(jié)鋁合金的常用添加相有Cu，Mg，Sn和Zn等金屬元素，這些金屬元素單獨(dú)或復(fù)合添加。研究表明，微量Sn元素能促進(jìn)Al-Cu-Mg系合金的液相燒結(jié)[6]，而Fe元素起到相反的作用[6?7]。G?KCE等[8]采用AlCuMg預(yù)合金粉進(jìn)行液相燒結(jié)制備的Al-5Cu-0.5Mg合金，其強(qiáng)度比純鋁的強(qiáng)度提高近5倍。Al-Mg-Si-Cu系鋁合金的液相燒結(jié)使用氮?dú)庾霰Ｗo(hù)氣氛時(shí)燒結(jié)效果更好[3, 9]，一方面是因?yàn)殇X與氮反應(yīng)生成碳化鋁，鋁在氮化鋁上的潤(rùn)濕性很好，另一方面，鋁和氮的反應(yīng)破壞了鋁表面的氧化層，起到促進(jìn)擴(kuò)散的作用[12]。胡紹磊等[3]研究發(fā)現(xiàn)不同銅含量的Al-Cu合金因生成中間合金而存在不同的局部熔化溫度區(qū)間，在局部熔化溫度區(qū)間內(nèi)某一優(yōu)化溫度燒結(jié)時(shí)，不僅可使樣品內(nèi)部顆粒實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，而且可使樣品基本保持燒結(jié)前的尺寸和形狀。目前，國(guó)外已經(jīng)將粉末冶金鋁合金零件成熟應(yīng)用在汽車(chē)上，而國(guó)內(nèi)尚處于起步階段。因此為了在達(dá)到性能要求的同時(shí)保證低成本，本研究采用常規(guī)壓制和液相燒結(jié)的方法，制備Cu含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)為0~6.0%的AlCuMgSi合金，通過(guò)研究Cu含量對(duì)粉末冶金合金組織與性能的影響規(guī)律，制備出性能達(dá)到實(shí)際應(yīng)用要求的粉末冶金鋁合金材料，從而滿足汽車(chē)材料輕量化的需要。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

用霧化Al粉、Cu粉、Mg粉、Al-Si粉為原料粉末，采用常規(guī)壓制和液相燒結(jié)的方法制備Al-Cu- 1.0Mg-0.75Si合金材料，同時(shí)還用從美國(guó)進(jìn)口的Al- 3.8Cu-1.0Mg-0.75Si合金粉末為原料，采用相同的方法制備Al-3.8Cu-1.0Mg-0.75Si合金進(jìn)行性能對(duì)比。原料粉末的化學(xué)成分與物理性能列于表1。

表1 原料粉末的化學(xué)成分與物理性能

Note: Al-3.8Cu-1.0Mg-0.75Si powder is produced by AMPAL Inc.

1.2 AlCuMgSi合金制備

首先按照Al-Cu-1.0Mg-0.75Si合金的名義成分稱量原料粉末，為合金中Cu元素的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)，分別為0，1.0，2.0，3.0，4.0，5.0和6.0。加入1.5%的潤(rùn)滑劑，混合均勻，得到7組混合粉末。將混合粉末在350 MPa壓力下壓制成尺寸為55 mm×10 mm×10 mm的試樣條，置于管式爐中通入氮?dú)?純度為99.99%以上)進(jìn)行燒結(jié)。燒結(jié)工藝為：以5 ℃/min的升溫速率升到400 ℃的預(yù)燒結(jié)溫度，保溫90 min，再升溫至590 ℃，保溫60 min，然后在氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛下隨爐冷卻至室溫，得到銅含量分別為0，1.0%，2.0%，3.0%，4.0%，5.0%和6.0%的7組AlCuMgSi合金樣品，分別標(biāo)記為1#，2#，3#，4#，5#，6#，7#合金。以美國(guó)進(jìn)口的Al-3.8Cu-1.0Mg-0.75Si合金粉末為原料，采用相同的工藝制備Al-3.8Cu-1.0Mg-0.75Si合金，標(biāo)記為8#合金。

1.3 性能檢測(cè)

采用排水法測(cè)量生坯密度以及燒結(jié)后的Al-Cu- 1.0Mg-0.75Si合金密度。用HB?3000B型布氏硬度計(jì)測(cè)定合金的硬度，載荷為1.5 kN，保壓時(shí)間為12 s。每組合金測(cè)5個(gè)樣品，每個(gè)樣品取5個(gè)點(diǎn)，取平均值。測(cè)量壓坯燒結(jié)后的尺寸變化率。按照GBT228—2002拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)制備標(biāo)準(zhǔn)試樣條，用WDW?100D型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定材料的抗拉強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率。將燒結(jié)后的樣品截取小樣，拋光后在JSM-6510掃描電鏡下觀察其顯微組織與形貌。通過(guò)X’Pert Pro MPD型多晶X射線衍射儀分析合金的物相組成。用YS-38維氏硬度計(jì)測(cè)定各相的顯微硬度。

2 結(jié)果與分析

2.1 密度與顯微組織

表2所列為Al-Cu-1.0Mg-0.75Si合金的密度與燒結(jié)尺寸變化率。銅是鋁合金中最常添加的金屬元素。從表2可知，不添加Cu時(shí)，合金的致密度最低，只有94.4%，添加Cu元素后致密度大大提高，隨Cu含量從0逐漸增加到6%，相對(duì)致密度先增大后略有降低。含Cu量為4.0%的合金密度為2.72 g/cm3，相對(duì)密度高達(dá)98.9%，接近全致密，與用國(guó)外Al-3.8Cu- 1.0Mg-0.75Si合金粉末為原料制備的8#合金相當(dāng)。燒結(jié)收縮率與燒結(jié)密度的變化規(guī)律一致，隨Cu含量增加呈先增大后略有降低的趨勢(shì)，Cu含量為4.0%的合金燒結(jié)收縮率最大，但比8#合金的收縮率小。

圖1所示為Al-Cu-1.0Mg-0.75Si合金的掃描電鏡二次電子圖像?？梢?jiàn)1#合金中存在大量孔隙，白色相數(shù)量少且不均勻，隨Cu含量增加，白色相逐漸增多。8#合金與5#合金的組織相似，組織致密均勻，白色相較多。圖2所示為1#，5#和8#合金的EDS面掃描分析。由圖2可知，合金組織中的白色相為合金元素Cu，Mg，Si和Sn的富集區(qū)，元素偏析明顯。不同部位各元素含量不同，說(shuō)明在燒結(jié)過(guò)程中隨著液相的遷移各元素發(fā)生了擴(kuò)散，尤其是對(duì)鋁合金液相燒結(jié)過(guò)程起至關(guān)重要作用的Cu元素也發(fā)生了擴(kuò)散。

由Al-Cu二元相圖可知，在548.2 ℃溫度下銅在鋁中的溶解度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))僅為5.65%，但銅的熔點(diǎn)為 1083.4 ℃，比鋁的熔點(diǎn)高很多。燒結(jié)過(guò)程中，銅與鋁形成低熔點(diǎn)的Al2Cu過(guò)渡相來(lái)實(shí)現(xiàn)液相燒結(jié)[10?12]，從而提高材料的致密度。其過(guò)程如下：燒結(jié)過(guò)程中Al原子和Cu原子通過(guò)各自的顆粒邊界相互擴(kuò)散到對(duì)方晶粒中，形成一定的濃度梯度，顆粒邊界處濃度最高，而晶界擴(kuò)散相對(duì)于體擴(kuò)散屬于短程擴(kuò)散，所以晶界處最先達(dá)到共晶所需成分條件而形成共晶Al2Cu液相，直至所有銅熔解，Al2Cu液體被吸入鋁顆粒中，最終實(shí)現(xiàn)液相燒結(jié)[13]。隨后的冷卻析出過(guò)程中，在548 ℃溫度下從共晶液相中析出金屬間化合物Al2Cu。從圖1可看出5#和8#合金組織均勻且致密，對(duì)其進(jìn)行定點(diǎn)能譜成分分析和XRD分析，結(jié)果如圖3和4所示，由此可以判斷燒結(jié)后形成的白色組織主要為Al2Cu相，其中Al含量和Cu含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為45.9%和54.1%。隨合金中的Cu含量增多，白色相增多。并且Cu與Si產(chǎn)生協(xié)同作用，使Al2Cu液相與鋁基體之間的潤(rùn)濕性進(jìn)一步提高，從而促進(jìn)燒結(jié)致密化[15]。但當(dāng)Cu含量過(guò)高時(shí)，生成的Al2Cu相進(jìn)一步增多，彼此之間開(kāi)始相互接觸，嚴(yán)重割裂基體，導(dǎo)致合金性能惡化。

表2 Al-xCu-1.0Mg-0.75Si合金的密度和燒結(jié)尺寸變化率

Note: 8#alloy was made of Al-3.8Cu-1.0Mg-0.75Si alloy powders imported from the United States.

圖1 AlCuMgSi合金的掃描電鏡二次電子圖

圖2 AlCuMgSi合金的EDS面掃描分析

圖3 5#合金不同部位的定點(diǎn)EDS分析

2.2 力學(xué)性能

圖5所示為銅含量對(duì)合金硬度的影響。實(shí)驗(yàn)測(cè)得用美國(guó)進(jìn)口粉末制備的合金硬度HB為68。由圖可見(jiàn)合金的硬度HB隨Cu含量增加而增大，這是因?yàn)殡SCu含量增加，生成的Al2Cu中間相增多，而Al2Cu是一種硬脆相，從圖6可見(jiàn)Al2Cu相聚集區(qū)的平均硬度HV為86.5，高于基體硬度(HV為64.5)，所以合金的硬度增大。當(dāng)Cu含量為4.0%時(shí)，材料硬度HB為64，與用美國(guó)粉末制備的合金硬度相近，能夠滿足使用 要求。

圖4 AlCuMgSi合金的XRD譜

圖5 銅含量對(duì)AlCuMgSi合金硬度的影響

圖6 5#合金的基體與白色組織Al2Cu的顯微硬度

圖7所示為Cu含量對(duì)合金抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的影響。由圖可見(jiàn)，當(dāng)Cu含量為4.0%時(shí)，材料的抗拉強(qiáng)度最大，為207 MPa，與8#合金的抗拉強(qiáng)度206 MPa相當(dāng)。隨Cu元素含量繼續(xù)增加，因生成過(guò)多的Al2Cu相而導(dǎo)致合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率隨之降低。并且因?yàn)锳l是一種塑性良好的材料，合金中Al含量減少會(huì)導(dǎo)致合金的伸長(zhǎng)率下降。當(dāng)Cu含量為4.0%時(shí)，伸長(zhǎng)率為2.0%。

圖8所示為合金的拉伸斷口形貌，所有合金的斷口都存在韌窩。1#合金孔隙數(shù)量多，內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散，粉末顆粒間的結(jié)合較弱，導(dǎo)致在較低的受力情況下即發(fā)生斷裂，力學(xué)性能低。5#和8#合金致密，粉末顆粒結(jié)合好，韌窩細(xì)小，拉伸性能良好。

圖7 Cu含量對(duì)AlCuMgSi合金抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的影響

圖8 AlCuMgSi合金的拉伸斷口形貌

3 結(jié)論

1) 采用液相燒結(jié)法制備Cu含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)為0~6.0%的AlCuMgSi合金，隨Cu含量增加，材料 致密度先增大后減小，當(dāng)Cu含量為4.0%時(shí)合金組織均勻，致密度最高，達(dá)98.9%。

2) 隨Cu含量增加，合金硬度逐漸增大，抗拉強(qiáng)度先增大后減小，Cu含量為4.0%時(shí)，拉伸性能最好，抗拉強(qiáng)度達(dá)207 MPa，伸長(zhǎng)率為2.1%，硬度HB 為64，與用美國(guó)的Al-3.8Cu-1.0Mg-0.75Si粉末制備的合金性能相當(dāng)。

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(編輯 湯金芝)

Effect of copper content on the properties of powder metallurgyAl-Cu-Mg-Si alloy

CHEN Ling1, WANG Limin1, 2, 3, 4, WANG Linshan1, 2, 3, 4, LIANG Xuebing1, 2, 3, 4, ZHANG Shaoming1

(1. General Research Institute for Nonferrous Metals, Beijing 100088, China; 2. GRIPM Advanced materials Co. Ltd., Beijing 101407, China;3. Beijing Hengyuan Tianqiao Powder Metallurgy Co. Ltd., Beijing 101407, China; 4. Research Institute Center for Metal Powder Eengineering Technology, Beijing 101407, China)

Using Al, Cu, Mg and Al-Si powders as raw materials, AlCuMgSi alloys with Cu mass fraction of 0%~6.0% were fabricated by liquid phase sintering. The effect of Cu content on microstructure and mechanical properties of the AlCuMgSi alloy were studied. The comparison sample was prepared at the same time with the same preparation technology using the foreign Al-3.8Cu-1.0Mg-0.75-Si powder as raw material. The results indicated that aluminum alloy containing Cu had more homogeneous organization, higher densification, hardness and tensile strength compared with AlMgSi alloy. The optimal properties of AlCuMgSi alloy with density of 98.9%, average HB of 64, tensile strength of 207 MPa and elongation of 2.1% were obtained when Cu content was 4.0%, which reached the international advanced level.

powder metallurgy; AlCuMgSi; aluminum alloy; Cu content; liquid phase sintering

TF124

A

1673?0224(2016)06?917?07

工信部“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(xiàng)課題(2012ZX04009011)；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013AA031101)

2016?12?22；

2016?06?05

張少明，教授級(jí)高工。電話：010-82241884；E-mail: shmzhang@grinm.com