包套熱擠壓Al-25Si-4Cu-Mg合金粉末的微觀組織和力學性能

馬萬太，冷 晟，史志翔，馬 芳，將云澤

（1.南京航空航天大學機電學院，南京210016；2.江蘇豪然噴射成形合金有限公司，鎮(zhèn)江212200）

0 前言

高硅鋁合金是一種優(yōu)異的耐磨材料，因其具有密度低、膨脹系數(shù)低、比強度高、熱導率高、成形性好等優(yōu)特點而廣泛應用于汽車發(fā)動機及空調壓縮機等領域[1-2]。采用常規(guī)鑄造方法制備的高硅鋁合金存在初晶硅顆粒粗大、共晶硅呈針片狀等問題。這些形態(tài)的硅顆粒對基體產(chǎn)生割裂作用，顯著降低材料的強度和加工性能，限制了其在工業(yè)上的應用。為了改善上述問題，解決手段包括快速凝固/粉末冶金、噴射成形和變質處理等[3]。其中近些年開始研發(fā)并應用的噴射成形技術可大幅度提高熔體的凝固速率，是合金材料生產(chǎn)的顛覆性技術。通過噴射成形技術制備的材料具有無宏觀偏析、殘余應力低、組織均勻細小、致密度高等優(yōu)點，并且該技術可以顯著改善材料的加工及力學性能[4]。

但是，在噴射成形制備鋁合金坯料的過程中，不可避免的會產(chǎn)生一定量的粉末材料，約占原材料重量的10%~20%。若該部分粉末材料未能得到有效利用，將會直接導致噴射成形制坯的成本增加，并且造成資源浪費。這些噴射成形過程中產(chǎn)生的鋁合金粉末可以通過粉末冶金等技術手段制備出相應的鋁合金產(chǎn)品。此外，由于鋁合金粉末表面容易形成一層致密的氧化鋁膜，采用傳統(tǒng)粉末冶金工藝生產(chǎn)時，合金元素無法充分擴散，顆粒之間難以形成冶金結合[5]。而粉末包套擠壓技術則綜合了粉末冶金與熱擠壓技術的優(yōu)勢，可顯著提高粉末制品的成形性及合格率[6]。

因此，本文以噴射成形過程中產(chǎn)生的Al-25Si-4Cu-Mg粉末為原材料，通過粉末包套擠壓技術制備出了Al-25Si-4Cu-Mg棒材，并分析了擠壓態(tài)棒材組織的均勻性；另外還比較了擠壓態(tài)、固溶態(tài)、時效后棒材的硬度變化，并分析了時效后棒材拉伸性能的均勻性。

1 試驗方法

1.1 試樣制備

本試驗所用的Al-25Si-4Cu-Mg粉末為江蘇豪然公司制備噴射成形錠坯時產(chǎn)生的粉末副產(chǎn)品，中位徑為30.195 μm，其化學成分見表1。圖1所示為噴射成形制備鑄錠過程中產(chǎn)生的粉末副產(chǎn)品示意圖。噴射完成10~12 h后，從密閉的沉積室中收集未沉積成錠坯的殘余粉末，并進行真空封裝保存。

圖1 噴射成形原理示意圖

表1 Al-25Si-4Cu-Mg粉末的化學成分（質量分數(shù)/%）

選用80目篩網(wǎng)對合金粉末進行篩分處理，以除去粉末中的大顆粒及片狀物質。處理后的粉末經(jīng)初裝、振實后裝入直徑355 mm、長度600 mm的純鋁包套中，振實密度需達到1.4~1.8 g/cm3。隨后將包套坯料放置于井式爐中進行熱除氣，除氣溫度為（400±10）℃，當真空度達到2×10-3Pa左右時，焊合除氣口。用西南鋁的3 500 t油壓機進行熱擠壓實驗。擠壓前將坯料在電阻爐中加熱至400~440℃并保溫12 h；擠壓過程中擠壓筒溫度為400~420℃，設定主推桿速率為0.3 mm/s，擠壓比為13。擠壓棒材采用T6熱處理工藝，固溶制度為510℃×2 h，時效制度為170℃×28 h。

1.2 組織性能檢測

用車床去除擠壓棒材表面的純鋁包套，然后采用阿基米德排水法測量擠壓材的密度，并計算其致密度。采用Hall流速計、MS-2000型激光粒度分析儀檢測粉末的各項物理性能。采用JSM-6360LV型掃描電鏡觀察Al-25Si-4Cu-Mg粉末的形貌。擠壓樣品機械拋光后，用Keller試劑腐蝕樣品表面（H2O∶HNO3∶HCl∶HF=95∶2.5∶1.5∶1），然后用Axiophot2型金相顯微鏡觀察棒材的微觀組織。采用型號為HR-150DT的洛氏硬度計測量材料各狀態(tài)的硬度，每個樣品測試10個點，取其算術平均值。用MTS-E45.305拉伸試驗機測試樣品的室溫力學性能，根據(jù)GB/T 228.1加工拉伸試樣，尺寸如圖1所示。每組試樣6個，取其算術平均值。

圖1 拉伸試樣尺寸

2 結果與分析

2.1 噴射成形產(chǎn)生的粉末的物理性能

圖2 為Al-25Si-4Cu-Mg粉末的掃描電鏡照片。由圖2可知，粉末的顆粒形貌呈規(guī)則的球狀或橢球狀，且表面較光滑。此外，部分大顆粒表面粘結有小尺寸粉末，組成了行星粉。因為在噴射過程中，小尺寸粉末的冷卻速度快，而大顆粒冷卻速度慢，當小顆粒已經(jīng)冷卻成固體時，大顆粒還可能是半固態(tài)或者是液態(tài)，所以在最終的粉末顆粒固化之后，會看到小顆粒粘在大顆粒邊緣。

圖2 Al-25Si-4Cu-Mg粉末的SEM照片

表3 為粉末的各項物理性能。從表中可知，噴射鋁硅銅鎂粉末的休止角為40.16°，振實密度為1.79 g/cm3，可達材料理論密度的70%。粉末氧含量較低，僅為0.0199%，滿足粉末冶金規(guī)定的氧含量要求。此外，粉末的粒徑大小及分布情況會對產(chǎn)品最終性能產(chǎn)生重要影響，統(tǒng)計Al-25Si-4Cu-Mg粉末的粒徑如圖3所示。由圖3可知，噴射成形過程中產(chǎn)生的粉末粒徑分布范圍較寬，相比于單一尺寸粉末而言的壓制性更為優(yōu)良。這是因為在粉末的振實及壓制過程中小尺寸粉末填補大尺寸顆粒之間的縫隙，增大顆粒的接觸面積，從而提高了坯料密度。

表3 Al-25Si-4Cu-Mg粉末的物理性能

圖3 粉末粒徑分布

2.2 擠壓態(tài)棒材的表面形貌及微觀組織

圖4 所示為包套擠壓后Al-25Si-4Cu-Mg棒材的表面形貌。由圖可見，棒材表面整體較為光滑，無明顯缺陷。此外，計算出熱擠壓棒材密度為2.635 g/cm3，接近其理論密度值，致密度為99.43%。圖5所示為擠壓棒材頭部和尾部試樣的邊部和心部的微觀組織。粉末經(jīng)擠壓變形后，因粉末顆粒界面相互搭接而存在的大量孔隙得以消除，并且擠壓變形使顆粒表面的氧化膜破碎，促進了顆粒之間的結合[7]。因此，該工藝制備的Al-25Si-4Cu-Mg棒材中無原始粉末、孔隙及裂紋等問題，基本達到全致密狀態(tài)。此外，圖5表明Al-25Si-4Cu-Mg棒材不同部位硅相的形貌為棱角鈍化塊狀，細小均勻，顆粒尺寸小于10 μm。其原因有二：一方面，由于噴射成形過程中熔體的冷卻速率較高，可達103~105K/s，其在凝固過程中初生硅晶核數(shù)量多，生長時間短，致使硅相顆粒相對常規(guī)鑄造更為細小[8]；另一方面，熱擠壓變形使粗大的硅相破碎成大量的小塊狀硅相[9]。

圖4 包套擠壓后Al-25Si-4Cu-Mg棒材的表面形貌

圖5 擠壓棒材不同部位的微觀組織

2.3 不同狀態(tài)下擠壓材的硬度

粉末包套擠壓Al-25Si-4Cu-Mg材料在不同加工狀態(tài)下的硬度如圖6所示。由圖可知，在相同加工狀態(tài)下（擠壓態(tài)、固溶態(tài)、時效態(tài)），棒材邊部至心部的硬度結果相差較小；不同加工狀態(tài)之間，經(jīng)固溶時效后棒材的硬度大于固溶后棒材的硬度，并顯著大于擠壓態(tài)棒材的硬度。固溶熱處理使棒材的硬度由59.3 HRB顯著增加至88.6 HRB，固溶后的時效處理使棒材的硬度由88.6 HRB進一步增加至92.5 HRB。固溶熱處理后合金硬度的增加是由于殘余相回溶至基體中并形成了過飽和固溶體，導致晶格畸變程度增加，從而提升了材料的硬度[10]。時效過程使過飽和固溶體分解，形成了大量細小的析出相。這些析出相阻礙位錯的運動，起到了析出強化的作用，從而進一步提高合金的硬度。

圖6 不同狀態(tài)下Al-25Si-4Cu-Mg棒材不同位置的硬度

2.4 固溶時效后棒材的抗拉強度

圖7 所示為固溶時效后棒材頭部與尾部不同位置試樣的抗拉強度。由圖可知，棒材不同位置的力學性能較為均勻，整體力學性能在445 MPa以上。正常方式生產(chǎn)的Al-25Si-4Cu-Mg棒材經(jīng)T6熱處理后的抗拉強度為450 MPa，這與使用包套熱擠壓生產(chǎn)棒材的抗拉強度相差不大。這表明以噴射成形過程中產(chǎn)生的Al-25Si-4Cu-Mg粉末為原材料、通過粉末包套擠壓技術制備的Al-25Si-4Cu-Mg棒材達到了正常使用要求。所得材料的優(yōu)異力學性能結果得益于包套擠壓技術制備的高硅鋁合金棒材內細小的硅相以及粉末之間良好的結合。

圖7 固溶時效后棒材不同位置的抗拉強度

3 結論

（1）利用噴射成形所產(chǎn)生的粉末，通過包套熱擠壓技術制備的Al-25Si-4Cu-Mg棒材內的硅相顆粒細小均勻，顆粒尺寸小于10 μm。

（2）包套熱擠壓制備的Al-25Si-4Cu-Mg棒材經(jīng)T6熱處理后，硬度達到92.5 HRB，抗拉強度達到445 MPa。

（3）包套熱擠壓技術可以制備出組織均勻、性能優(yōu)異的高硅鋁合金棒材產(chǎn)品，實現(xiàn)了噴射成形過噴粉末的增值利用，減少了生產(chǎn)成本，提高了材料的利用率。