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粉末冶金制造铝合金汽车转向节的工艺

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摘要:介绍了铝合金在汽车零部件中的应用,同时介绍了粉末冶金制造零部件的优点及不足。提出了一种低成本制备高性能铝合金转向节的工艺技术。该工艺的特点是直接采用纯铝粉为主要原料,添加其他元素,克服了传统铝合金粉末原料价格昂贵的缺点;同时改良了脱脂-烧结-热处理工艺。最后,通过力学性能对比试验发现该工艺制造的铝合金转向节力学性能优良。

关键词:粉末冶金;铝合金;转向节

铝合金因具有密度低、比强度高、塑性好、导电性、导热性和抗蚀性优良,因而被广泛应用于航空航天、电子电力、建筑等工业领域[1]。近年来,随着人们环保意识的提高,汽车轻量化引起广泛关注。汽车的轻量化发展促进了铝合金零部件的应用,主要包括铝合金轮毂、转向节、气缸盖、防撞梁、发动机箱体等。汽车用铝合金零部件的成形主要有低压、差压、高压铸造,锻造以及粉末冶金等工艺[2]。如采用低压铸造生产铝合金轮毂,高压铸造生产气缸缸盖,生产的铸件都要经过机加工后才能获得几何尺寸符合要求的零部件。但是采用粉末冶金工艺生产的零部件,具有一次成形性好的优点,可以做到无或者少量的机加工,减少了中间生产环节[3]。

1粉末冶金的特点及粉末冶金铝合金

粉末冶金成形具有表面粗糙度低、尺寸公差小、几何尺寸精确等特点;粉末冶金成形件无偏析、砂眼、缩孔等缺陷,力学性能优良,适用于承受较大载荷的工况环境;另外,粉末冶金工艺能耗小,其缺点主要是粉末制备成本高[4]。1.1粉末冶金制备铝合金件在实际生产中,已实现了粉末冶金(压制-烧结)生产铝合金零部件的大规模工业化生产,使用的铝合金体系主要是Al-Mg-Cu和Al-Mg-Si-Cu。1.2粉末冶金制备铝合金件存在的问题粉末冶金制备铝合金还存在一些技术问题,主要有以下几个方面。首先,铝合金成分多是通过已有的变形铝合金成分调整得到的,主要在低应力条件下使用,其性能和最终成形的能力较差,并不能制备出高性能的铝合金零件;其次,所用的原料粉末均为合金粉末,其制备成本较高;另外,实际生产过程中,铝合金零件的热处理工艺一般是根据铝合金的DSC曲线[5],进行单级固溶处理或双级固溶处理。其热处理方式均是在烧结完成后再重新升温至固溶温度进行,整个生产过程周期长,能耗大,导致生产成本进一步提高。

2粉末冶金制造高性能铝合金转向节

针对粉末冶金制备铝合金零件技术存在的问题,研发出一种低成本制备高性能铝合金转向节的工艺。该工艺适用于粉末冶金法制备的铝合金成分体系,并改变传统生产以铝合金粉末为原料的方式,直接采用纯铝粉为主要原料,Cu、Mg和Si等合金元素以单质粉或二元合金粉的形式引入,添加适量微量Sn元素等作为烧结助剂,通过混粉、压制、烧结、热处理和表面处理等工艺,制备出致密度高、性能优良的铝合金零件。采用粉末冶金法制备铝合金零件的具体工艺方法为:原料配比→成形→脱脂→烧结→固溶处理→时效处理→表面处理→铝合金制件。

2.1粉末冶金铝合金原料配比工艺分析首先将纯铝粉,以及Mg、Si、Cu等合金粉按一定质量进行配比,将其与粘结剂在混料机上混合30~60min;然后将混合均匀的粉末置于模具中,以一定的压力压制得到铸件毛坯;最后将所得毛坯进行脱脂、烧结、固溶、时效以及后期喷砂表面处理,得到最终的铝合金零件。Al、Cu、Sn以单质粉末的形式加入,其微观形貌见图1,Si和Mg元素以Al-Si、Al-Mg合金粉末的形式加入,采用的纯铝粉及其他二元合金粉价格低廉,大幅降低了原材料成本,适用于大规模的生产应用。其中纯铝粉的中位粒径为60~100μm,见图1a,主要考虑此范围内烧结后得到的零件致密度最高。当Al粉颗粒直径太小时,造成体系中Al的比表面积增大[6],一方面会使得体系的氧含量增加,不利于烧结致密化;另一方面,由于颗粒边界增多,实现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,这将影响铝合金的性能。当Al粉颗粒过大时,颗粒之间所形成的孔隙越大,液相难以充分填充孔隙,影响铝合金的致密度。Si和Cu等合金元素粉末的中位粒径均小于50μm,这有利于在混粉压制后,合金元素在坯体里均匀分布,促进烧结过程合金的致密化。所用合金中Mg、Si、Cu和Sn的质量分数分别为2.0%、1.0%、4.0%、0.5%,余量为Al。所使用的粘结剂为酰胺蜡C蜡、硬脂酸、石蜡有机物,粘结剂的质量分数为合金粉的1.0%;合金压制采用液压式压力机,压制压力为400±5MPa,采用冷压工艺,环境温度为室温。

2.2粉末冶金铝合金烧结工艺分析烧结过程中添加适量Mg来破除Al粉末表面的氧化膜,提高了基体的润湿性,有利于烧结过程中颗粒之间的原子扩散;同时,添加适量的Si和Cu与Al形成共晶液相来实现液相填充,并且Al-Si和Al-Cu共晶液相可以提高基体的润湿性,使得Al-Cu液相在烧结过程中保持更长时间;添加反应助剂Sn,由于其表面张力小,可以有效改善基体的润湿性,并且在氮气环境下可以控制AlN的形成速率。此外,铝合金中脆性相Mg2Si在晶界处的存在会降低铝合金的强度,通过控制Mg和Si的添加比例,使得两者比例大于1.73,进而控制Mg2Si的形成量[7]。通过分析铝合金在氮气、氩气、氮气-氩气混合气以及真空等不同烧结环境对烧结致密化的影响,发现在氮气条件下烧结可以获得最高的致密度。这是因为氮气在整个烧结过程中,不仅仅作为保护气体,还可以与Al反应生成AlN,AlN的形成可以减小孔隙中的压力,从而使得液相在压力差的作用下更容易填充孔隙[8]。在现有生产所用铝合金的基础上,优化合金成分范围。理论上用于去除氧化膜所需的Mg含量约为0.1%,由于润滑剂的存在,Mg将与润滑剂反应生成硬脂酸镁,且Mg在Al基体中存在一定的固溶度,同时与Si生成化合物,因此需要更多的Mg,所以本体系中Mg的添加量为0.5%~2.6%;Si和Cu为铝合金中主要的液相形成元素,但过多的Si会使得脆性相增多,过多的Cu会使得合金的耐蚀性降低,不利于后期的表面阳极氧化处理。为实现烧结的致密化,Si添加量为0.2%~1.5%,Cu添加量为3.0%~5.0%;Sn作为改善体系润湿性的元素,其在基体Al中的固溶度很小,过量的Sn会存在于晶界处,对力学性能产生不良影响,但小于0.1%时,对体系的润湿性改善不大,因此Sn含量为0.1%~1%。

2.3粉末冶金铝合金热处理工艺分析脱脂-烧结-固溶处理阶段采用一步法进行,热处理工艺图见图2,采用T6固溶处理(淬火)加完全人工时效工艺[9];过程主要分为3个阶段,第1阶段为脱脂阶段,将坯体以1~5℃/min的速率升至脱脂温度300℃,保温30~60min;第2阶段为烧结致密化阶段,依次升温至450~470℃、550~570℃、590~610℃,分别保温20~40min、20~50min、50~240min;第3阶段为固溶处理阶段,以1~5℃/min速率降至500~530℃,保温120~240min,然后淬火处理,淬火温度为30℃;整个烧结-固溶过程的气氛为氮气。最后,时效阶段是将固溶后的转向节在150~250℃时效2~24h。

3粉末冶金铝合金转向节的力学性能

图3为铸造和粉末冶金铝合金转向节的拉伸应力-应变曲线,其拉伸断口形貌见图4。表1为粉末冶金铝合金与铸造工艺制造的转向节力学性能对比。可以看出,粉末冶金铝合金转向节的屈服强度比铸造工艺的提高了30.7%,抗拉强度提高了17.6%,伸长率提高了66.0%。同时,从图4可以看出,粉末冶金的试样断口有明显的收缩端,可以认为粉末冶金制造的零件塑性要优于铸造的零件。通过力学性能对比可发现,粉末冶金制备的铝合金转向节力学性能远优于铸造转向节。

4结论

采用粉末冶金工艺弥补了铝合金粉末价格昂贵的缺点,优化了脱脂-烧结-固溶处理工艺;通过力学性能试验,发现采用粉末冶金工艺制造的铝合金转向节的力学性能优于铸造的。

参考文献

[1]朱英伟,吕金旗,孙汉宝.车用铝合金零部件材料性能检测方法及结果评价[J].汽车工业研究,2018(2):58-61.

[2]吕金旗,孙汉宝,栗智鹏.差压铸造铝合金转向节热处理工艺研究[J].汽车工业研究,2018(7):45-48.

[3]朱平,张力宁.粉末冶金铝合金[J].粉末冶金技术,1994(2):50-55.

[4]隋忠祥,张军,文子,等.粉末冶金法制备高强铝合金的组织与性能[J].吉林大学学报(工学版),2004(7):16-18.

[5]石霖.合金热力学[M].北京:机械工业出版社,1992.

[9]刘诗安,袁东,严琦琦,等.新型Al-Mg-Si-Cu铝合金热处理工艺研究[J].铝加工,2005(6):4-7.

作者:孙汉宝 吕金旗 王柱兴 栗智鹏 单位:中信戴卡股份有限公司

汽车观察杂志责任编辑:张雨    阅读:人次
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