铝基粉末冶金材料及其制备方法
阅读说明：本技术 铝基粉末冶金材料及其制备方法 (Aluminum-based powder metallurgy material and preparation method thereof ) 是由 霍树海 曹柳絮 刘春轩 蒋兆汝 梁啟文 王志勇 刘璇 吴云 王畅 钟探秋 蒋小汉 于 2021-09-16 设计创作，主要内容包括：本申请涉及铝基粉末冶金材料及其制备方法,该铝基粉末冶金材料由1.5％～5％的主要合金元素、≤1％的微量元素和余量的铝组成,其中主要合金元素选自铜、铈、锡中的至少一种,微量元素选自钕、镁中的至少一种。上述铝基粉末冶金材料各元素协调一致,使得该材料不需要热处理也具备适宜的强度,且在常温下具有塑性和韧性高、致密性好、塑性加工性能好等优点。(The application relates to an aluminum-based powder metallurgy material and a preparation method thereof, wherein the aluminum-based powder metallurgy material comprises 1.5-5% of main alloy elements, less than or equal to 1% of trace elements and the balance of aluminum, wherein the main alloy elements are selected from at least one of copper, cerium and tin, and the trace elements are selected from at least one of neodymium and magnesium. The aluminum-based powder metallurgy material has the advantages of high plasticity and toughness, good compactness, good plastic processing performance and the like at normal temperature.)
技术领域
本发明涉及粉末冶金材料技术领域，特别是涉及铝基粉末冶金材料及其制备方法。
背景技术
铝基粉末冶金材料具有轻质、耐腐蚀、比强度高等优点，加之粉末冶金工艺所特有的低成本、质量稳定和连续化精密成型等技术优势，越来越多的应用于汽车、航空航天等领域。但是，采用粉末冶金法制备铝基材料，烧结过程中由于存在一定数量的孔洞，造成其坯体的内部也会与烧结气氛接触并发生一定程度的反应，产生脆性的氮化物等物质，且由于铝粉表面具有一层致密的氧化膜，阻碍了元素之间的互相扩散，影响冶金结合，从而影响了材料的强度。为了提高材料强度，通常还会对烧结后的坯体进行热处理。但强度提高的同时，材料的塑性和冲击韧性又会明显降低，从而限制了铝基粉末冶金材料在一些需要经过比较大的塑性加工工艺而制成的产品上的应用，也限制了其在具有一定冲击应力环境下的使用。
发明内容
基于此，有必要提供一种不需要热处理也具备适宜的强度(≥200MPa)，且在常温下也具有塑性和韧性高，致密性好，塑性加工性能好等优点的新型铝基粉末冶金材料，具体方案如下：
一种铝基粉末冶金材料，以质量百分含量计，由1.5％～5％的主要合金元素、≤1％的微量元素和余量的铝组成，所述主要合金元素选自铜(Cu)、铈(Ce)、锡(Sn)中的至少一种，所述微量元素选自钕(Nd)、镁(Mg)中的至少一种。
在其中一个实施例中，所述铝基粉末冶金材料，以质量百分含量计，由0.25％～1.5％的铜、0.25％～1.5％的铈、0.25％～3％的锡、0.25％～1％的所述微量元素及余量的铝组成。
在其中一个实施例中，所述铝基粉末冶金材料，以质量百分含量计，由0.5％的铜、1.2％～1.5％的铈、1.5％～2％的锡、0.4％～0.5％的所述微量元素及余量的铝组成。
在其中一个实施例中，所述铝基粉末冶金材料的密度为2.60g/cm3～2.65g/cm3。
上述铝基粉末冶金材料，采用Cu、Ce、Sn中的至少一种作为主要合金元素，Nd、Mg中的至少一种作为微量元素，在烧结过程中能形成一定体积分数的液相，并使粉体颗粒在烧结过程中加速形成完善的冶金结合，最大限度减少烧结过程中存在的孔洞，从而大幅度减少烧结过程中脆性氮化物的产生，使得该材料不需要进行后续热处理，就能获得较好的致密度和强度，同时，主要合金元素和微量元素的成分设计，也使该铝基粉末冶金材料在常温下具有塑性和韧性高，致密性好，塑性加工性能好等优点。与传统粉末冶金材料相比，本申请的铝基粉末冶金材料的冲击韧性和延伸率分别提高100％以上。
本申请还提供上述铝基粉末冶金材料的制备方法，具体方案如下：
一种铝基粉末冶金材料的制备方法，包括以下步骤S110～S120：
S110、提供上述铝元素、主要合金元素和微量元素的原料粉体。
在其中一个实施例中，铝元素的原料粉体为铝粉，铝粉的中位粒径为20μm～50μm。若铝粉的中位粒径小于20μm，则粉末流动性差，影响压制过程中的成形，若铝粉的中位粒径大于50μm，则易造成成分偏聚及组织粗大。
在其中一个实施例中，主要合金元素和微量元素的原料粉体为单质粉体或合金粉体，单质粉体或合金粉体的粒度为-75μm，若大于75μm，则合金元素和微量元素在混合过程中分散性不佳，且在烧结后易发生合金元素和微量元素的偏聚。
S120、将上述铝元素、主要合计元素和微量元素的原料粉体按比例混合均匀后，依次进行冷压、烧结，得到铝基粉末冶金材料。
在其中一个实施例中，冷压的条件为：压力150MPa～300MPa，加压速率为1mm/s～5mm/s，保压时间为3s～10s。
在其中一个实施例中，烧结为分步连续烧结。
具体的，烧结的条件为：在保护性气体氛围中，以8℃/min～15℃/min的加热速率，先升温至350℃～450℃，保温15～30分钟，再升温至600℃～650℃，保温45～180分钟，最后降温至200℃以下。
其中，保护性气体氛围为氮气。
上述烧结过程中，升温至350℃～450℃，保温15～30分钟，主要用于脱蜡。
上述铝基粉末冶金材料的制备方法简单，成本低，成品率高，满足工业化连续生产要求。制备得到的铝基粉末冶金材料不需要热处理也具备适宜的强度(≥200MPa)，且在常温下也具有塑性和韧性高，致密性好，塑性加工性能好等优点，应用范围更加广泛。
附图说明
图1为实施例1制备的铝基粉末冶金材料试样的冲击韧度测试图；
图2为对比例2制备的铝基粉末冶金材料试样的冲击韧度测试图；
图3为实施例2制备的铝基粉末冶金材料试样不同部位的显微组织图；
图4为实施例3制备的铝基粉末冶金材料试样的室温拉伸试验图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，并给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
以下为具体实施例。
实施例1
将57g中位粒径约为20μm的铝粉、0.3g粒度约为-75μm的铜粉、0.9g粒度约为-75μm的铈粉、1.2g粒度约为-75μm的锡粉、0.3g粒度约为-75μm的镁粉，在混料机中混合均匀后，填充至模具中，在室温下，以5mm/s的加压速率升至200MPa，保压3s，脱模，得到长约65mm,宽约15mm，高约8mm的非标无缺口冲击试样坯体；
将上述坯体放入烧结炉中，在氮气保护下，以15℃/min的加热速率，先升温至450℃，保温15分钟，再升温至600℃，保温120min，最后降温至200℃以下，得到铝基粉末冶金材料。
实施例1制备的铝基粉末冶金材料的主要成分为：Al0.5Cu1.5Ce2Sn。
对比例1
对比例1与实施例1基本相同，不同的是，对比例1中是将59.1g铝粉、0.3g铜粉和0.3g镁粉，在混料机中混合均匀。
对比例2
对比例2与实施例1基本相同，不同的是，对比例2中是将43g铝粉、2.2g铜粉、0.6g硅粉、0.3g镁粉，在混料机中混合均匀。
对比例2制备的传统铝基粉末冶金材料的主要成分为Al4.5Cu0.6Mg1.2Si。
将实施例1、对比例1和对比例2制备的铝基粉末冶金材料试样分别在室温下进行冲击能和冲击韧度测试试验，结果如表1和图1所示。
表1
实施例2
将49g中位粒径约为50μm的铝粉、0.3g粒度约为-75μm的铜粉、0.6g粒度约为-75μm的铈粉、0.8g粒度约为-75μm的锡粉、0.2g粒度约为-75μm的钕粉，在混料机中混合均匀后，填充至模具中，在室温下，以1mm/s的加压速率升至150MPa，保压10s，脱模，得到直径12mm，高约12mm的坯体；
将上述坯体放入烧结炉中，在氮气保护下，以8℃/min的加热速率，先升温至350℃，保温30分钟，再升温至650℃，保温45min，最后降温至200℃以下，得到铝基粉末冶金材料。
实施例2制备的铝基粉末冶金材料的主要成分为：Al0.5Cu1.2Ce1.5Sn，密度为2.61g/cm3。
将实施例2制备的铝基粉末冶金材料试样在室温下进行打磨抛光后，取不同部位观察其显微组织，如图3所示，灰色的区域为铝基粉末冶金材料的基体，较暗区域为孔洞。由图3可以看出，本申请的铝基粉末冶金材料的孔洞较少，材料致密性好。
实施例3
将49g中位粒径约为35μm的铝粉、0.3g粒度约为-75μm的铜粉、0.6g粒度约为-75μm的铈粉、0.8g粒度约为-75μm的锡粉、0.2g粒度约为-75μm的镁粉，在混料机中混合均匀后，填充至模具中，在室温下，以3mm/s的加压速率升至300MPa，保压5s，脱模，得到长约90mm的坯体，测量长度约25mm，宽约5mm，厚约3.5mm；
将上述坯体放入烧结炉中，在氮气保护下，以15℃/min的加热速率，先升温至400℃，保温20分钟，再升温至620℃，保温160min，最后降温至200℃以下，得到铝基粉末冶金材料。
实施例3制备的铝基粉末冶金材料的主要成分为：Al0.5Cu1.2Ce1.5Sn，密度为2.59g/cm3。
将实施例3制备的铝基粉末冶金材料试样在室温下进行拉伸试验，结果如图4所示，说明本申请的铝基粉末冶金材料在室温下经过了较大塑性变形后仍没有断裂。
实施例4
将48.5g中位粒径约为30μm的铝粉、0.25g粒度约为-75μm的铜粉、0.6g粒度约为-75μm的铈粉、0.1g粒度约为-75μm的钕粉，0.1g粒度约为-75μm的镁粉，在混料机中混合均匀后，填充至模具中，在室温下，以4mm/s的加压速率升至200MPa，保压6s，脱模，得到坯体；
将上述坯体放入烧结炉中，在氮气保护下，以10℃/min的加热速率，先升温至350℃～450℃，保温20分钟，再升温至600℃～650℃，保温100min，最后降温至200℃以下，得到铝基粉末冶金材料，其主要成分为：Al0.5Cu1.2Ce。
实施例5
将48g中位粒径约为50μm的铝粉、0.6g粒度约为-75μm的铈粉、0.75g粒度约为-75μm的锡粉、0.2g粒度约为-75μm的钕粉，在混料机中混合均匀后，填充至模具中，在室温下，以5mm/s的加压速率升至150MPa，保压5s，脱模，得到坯体；
将上述坯体放入烧结炉中，在氮气保护下，以12℃/min的加热速率，先升温至350℃～450℃，保温20分钟，再升温至600℃～650℃，保温180min，最后降温至200℃以下，得到铝基粉末冶金材料，其主要成分为：Al1.2Ce1.5Sn。
实施例6
将49g中位粒径约为50μm的铝粉、0.75g粒度约为-75μm的锡粉、0.2g粒度约为-75μm的钕粉，在混料机中混合均匀后，填充至模具中，在室温下，以5mm/s的加压速率升至200MPa，保压10s，脱模，得到坯体；
将上述坯体放入烧结炉中，在氮气保护下，以10℃/min的加热速率，先升温至350℃～450℃，保温30分钟，再升温至600℃～650℃，保温120min，最后降温至200℃以下，得到铝基粉末冶金材料，其主要成分为：Al1.5Sn。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。