粉末冶金制造鋁合金汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的工藝范文

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摘要:介紹了鋁合金在汽車零部件中的應(yīng)用，同時(shí)介紹了粉末冶金制造零部件的優(yōu)點(diǎn)及不足。提出了一種低成本制備高性能鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)的工藝技術(shù)。該工藝的特點(diǎn)是直接采用純鋁粉為主要原料，添加其他元素，克服了傳統(tǒng)鋁合金粉末原料價(jià)格昂貴的缺點(diǎn)；同時(shí)改良了脫脂－燒結(jié)－熱處理工藝。最后，通過(guò)力學(xué)性能對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該工藝制造的鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)力學(xué)性能優(yōu)良。

關(guān)鍵詞:粉末冶金；鋁合金；轉(zhuǎn)向節(jié)

鋁合金因具有密度低、比強(qiáng)度高、塑性好、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗蝕性優(yōu)良，因而被廣泛應(yīng)用于航空航天、電子電力、建筑等工業(yè)領(lǐng)域［1］。近年來(lái)，隨著人們環(huán)保意識(shí)的提高，汽車輕量化引起廣泛關(guān)注。汽車的輕量化發(fā)展促進(jìn)了鋁合金零部件的應(yīng)用，主要包括鋁合金輪轂、轉(zhuǎn)向節(jié)、氣缸蓋、防撞梁、發(fā)動(dòng)機(jī)箱體等。汽車用鋁合金零部件的成形主要有低壓、差壓、高壓鑄造，鍛造以及粉末冶金等工藝［2］。如采用低壓鑄造生產(chǎn)鋁合金輪轂，高壓鑄造生產(chǎn)氣缸缸蓋，生產(chǎn)的鑄件都要經(jīng)過(guò)機(jī)加工后才能獲得幾何尺寸符合要求的零部件。但是采用粉末冶金工藝生產(chǎn)的零部件，具有一次成形性好的優(yōu)點(diǎn)，可以做到無(wú)或者少量的機(jī)加工，減少了中間生產(chǎn)環(huán)節(jié)［3］。

1粉末冶金的特點(diǎn)及粉末冶金鋁合金

粉末冶金成形具有表面粗糙度低、尺寸公差小、幾何尺寸精確等特點(diǎn)；粉末冶金成形件無(wú)偏析、砂眼、縮孔等缺陷，力學(xué)性能優(yōu)良，適用于承受較大載荷的工況環(huán)境；另外，粉末冶金工藝能耗小，其缺點(diǎn)主要是粉末制備成本高［4］。1．1粉末冶金制備鋁合金件在實(shí)際生產(chǎn)中，已實(shí)現(xiàn)了粉末冶金（壓制－燒結(jié)）生產(chǎn)鋁合金零部件的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，使用的鋁合金體系主要是Al－Mg－Cu和Al－Mg－Si－Cu。1．2粉末冶金制備鋁合金件存在的問(wèn)題粉末冶金制備鋁合金還存在一些技術(shù)問(wèn)題，主要有以下幾個(gè)方面。首先，鋁合金成分多是通過(guò)已有的變形鋁合金成分調(diào)整得到的，主要在低應(yīng)力條件下使用，其性能和最終成形的能力較差，并不能制備出高性能的鋁合金零件；其次，所用的原料粉末均為合金粉末，其制備成本較高；另外，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，鋁合金零件的熱處理工藝一般是根據(jù)鋁合金的DSC曲線［5］，進(jìn)行單級(jí)固溶處理或雙級(jí)固溶處理。其熱處理方式均是在燒結(jié)完成后再重新升溫至固溶溫度進(jìn)行，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程周期長(zhǎng)，能耗大，導(dǎo)致生產(chǎn)成本進(jìn)一步提高。

2粉末冶金制造高性能鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)

針對(duì)粉末冶金制備鋁合金零件技術(shù)存在的問(wèn)題，研發(fā)出一種低成本制備高性能鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)的工藝。該工藝適用于粉末冶金法制備的鋁合金成分體系，并改變傳統(tǒng)生產(chǎn)以鋁合金粉末為原料的方式，直接采用純鋁粉為主要原料，Cu、Mg和Si等合金元素以單質(zhì)粉或二元合金粉的形式引入，添加適量微量Sn元素等作為燒結(jié)助劑，通過(guò)混粉、壓制、燒結(jié)、熱處理和表面處理等工藝，制備出致密度高、性能優(yōu)良的鋁合金零件。采用粉末冶金法制備鋁合金零件的具體工藝方法為：原料配比→成形→脫脂→燒結(jié)→固溶處理→時(shí)效處理→表面處理→鋁合金制件。

2．1粉末冶金鋁合金原料配比工藝分析首先將純鋁粉，以及Mg、Si、Cu等合金粉按一定質(zhì)量進(jìn)行配比，將其與粘結(jié)劑在混料機(jī)上混合30～60min；然后將混合均勻的粉末置于模具中，以一定的壓力壓制得到鑄件毛坯；最后將所得毛坯進(jìn)行脫脂、燒結(jié)、固溶、時(shí)效以及后期噴砂表面處理，得到最終的鋁合金零件。Al、Cu、Sn以單質(zhì)粉末的形式加入，其微觀形貌見(jiàn)圖1，Si和Mg元素以Al－Si、Al－Mg合金粉末的形式加入，采用的純鋁粉及其他二元合金粉價(jià)格低廉，大幅降低了原材料成本，適用于大規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用。其中純鋁粉的中位粒徑為60～100μm，見(jiàn)圖1a，主要考慮此范圍內(nèi)燒結(jié)后得到的零件致密度最高。當(dāng)Al粉顆粒直徑太小時(shí)，造成體系中Al的比表面積增大［6］，一方面會(huì)使得體系的氧含量增加，不利于燒結(jié)致密化；另一方面，由于顆粒邊界增多，實(shí)現(xiàn)致密化需要提供更多的液相量，因此需要加入更多的合金元素，這將影響鋁合金的性能。當(dāng)Al粉顆粒過(guò)大時(shí)，顆粒之間所形成的孔隙越大，液相難以充分填充孔隙，影響鋁合金的致密度。Si和Cu等合金元素粉末的中位粒徑均小于50μm，這有利于在混粉壓制后，合金元素在坯體里均勻分布，促進(jìn)燒結(jié)過(guò)程合金的致密化。所用合金中Mg、Si、Cu和Sn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2．0％、1．0％、4．0％、0．5％，余量為Al。所使用的粘結(jié)劑為酰胺蠟C蠟、硬脂酸、石蠟有機(jī)物，粘結(jié)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為合金粉的1．0％；合金壓制采用液壓式壓力機(jī)，壓制壓力為400±5MPa，采用冷壓工藝，環(huán)境溫度為室溫。

2．2粉末冶金鋁合金燒結(jié)工藝分析燒結(jié)過(guò)程中添加適量Mg來(lái)破除Al粉末表面的氧化膜，提高了基體的潤(rùn)濕性，有利于燒結(jié)過(guò)程中顆粒之間的原子擴(kuò)散；同時(shí)，添加適量的Si和Cu與Al形成共晶液相來(lái)實(shí)現(xiàn)液相填充，并且Al－Si和Al－Cu共晶液相可以提高基體的潤(rùn)濕性，使得Al－Cu液相在燒結(jié)過(guò)程中保持更長(zhǎng)時(shí)間；添加反應(yīng)助劑Sn，由于其表面張力小，可以有效改善基體的潤(rùn)濕性，并且在氮?dú)猸h(huán)境下可以控制AlN的形成速率。此外，鋁合金中脆性相Mg2Si在晶界處的存在會(huì)降低鋁合金的強(qiáng)度，通過(guò)控制Mg和Si的添加比例，使得兩者比例大于1．73，進(jìn)而控制Mg2Si的形成量［7］。通過(guò)分析鋁合金在氮?dú)狻鍤狻⒌獨(dú)猓瓪鍤饣旌蠚庖约罢婵盏炔煌瑹Y(jié)環(huán)境對(duì)燒結(jié)致密化的影響，發(fā)現(xiàn)在氮?dú)鈼l件下燒結(jié)可以獲得最高的致密度。這是因?yàn)榈獨(dú)庠谡麄€(gè)燒結(jié)過(guò)程中，不僅僅作為保護(hù)氣體，還可以與Al反應(yīng)生成AlN，AlN的形成可以減小孔隙中的壓力，從而使得液相在壓力差的作用下更容易填充孔隙［8］。在現(xiàn)有生產(chǎn)所用鋁合金的基礎(chǔ)上，優(yōu)化合金成分范圍。理論上用于去除氧化膜所需的Mg含量約為0．1％，由于潤(rùn)滑劑的存在，Mg將與潤(rùn)滑劑反應(yīng)生成硬脂酸鎂，且Mg在Al基體中存在一定的固溶度，同時(shí)與Si生成化合物，因此需要更多的Mg，所以本體系中Mg的添加量為0．5％～2．6％；Si和Cu為鋁合金中主要的液相形成元素，但過(guò)多的Si會(huì)使得脆性相增多，過(guò)多的Cu會(huì)使得合金的耐蝕性降低，不利于后期的表面陽(yáng)極氧化處理。為實(shí)現(xiàn)燒結(jié)的致密化，Si添加量為0．2％～1．5％，Cu添加量為3．0％～5．0％；Sn作為改善體系潤(rùn)濕性的元素，其在基體Al中的固溶度很小，過(guò)量的Sn會(huì)存在于晶界處，對(duì)力學(xué)性能產(chǎn)生不良影響，但小于0．1％時(shí)，對(duì)體系的潤(rùn)濕性改善不大，因此Sn含量為0．1％～1％。

2．3粉末冶金鋁合金熱處理工藝分析脫脂－燒結(jié)－固溶處理階段采用一步法進(jìn)行，熱處理工藝圖見(jiàn)圖2，采用T6固溶處理（淬火）加完全人工時(shí)效工藝［9］；過(guò)程主要分為3個(gè)階段，第1階段為脫脂階段，將坯體以1～5℃／min的速率升至脫脂溫度300℃，保溫30～60min；第2階段為燒結(jié)致密化階段，依次升溫至450～470℃、550～570℃、590～610℃，分別保溫20～40min、20～50min、50～240min；第3階段為固溶處理階段，以1～5℃／min速率降至500～530℃，保溫120～240min，然后淬火處理，淬火溫度為30℃；整個(gè)燒結(jié)－固溶過(guò)程的氣氛為氮?dú)狻Ｗ詈螅瑫r(shí)效階段是將固溶后的轉(zhuǎn)向節(jié)在150～250℃時(shí)效2～24h。

3粉末冶金鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)的力學(xué)性能

圖3為鑄造和粉末冶金鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)的拉伸應(yīng)力－應(yīng)變曲線，其拉伸斷口形貌見(jiàn)圖4。表1為粉末冶金鋁合金與鑄造工藝制造的轉(zhuǎn)向節(jié)力學(xué)性能對(duì)比。可以看出，粉末冶金鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)的屈服強(qiáng)度比鑄造工藝的提高了30．7％，抗拉強(qiáng)度提高了17．6％，伸長(zhǎng)率提高了66．0％。同時(shí)，從圖4可以看出，粉末冶金的試樣斷口有明顯的收縮端，可以認(rèn)為粉末冶金制造的零件塑性要優(yōu)于鑄造的零件。通過(guò)力學(xué)性能對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，粉末冶金制備的鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)力學(xué)性能遠(yuǎn)優(yōu)于鑄造轉(zhuǎn)向節(jié)。

4結(jié)論

采用粉末冶金工藝彌補(bǔ)了鋁合金粉末價(jià)格昂貴的缺點(diǎn)，優(yōu)化了脫脂－燒結(jié)－固溶處理工藝；通過(guò)力學(xué)性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)采用粉末冶金工藝制造的鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)的力學(xué)性能優(yōu)于鑄造的。

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作者：孫漢寶 呂金旗 王柱興 栗智鵬 單位：中信戴卡股份有限公司