·1076· 工程科学学报，第40卷，第9期 thus,it can be speculated that the mechanism of oxide film disruption is related to the alloy composition.Furthermore,because of the good wettability between Al-Cu liquid and Al,the surface of Al particles is quickly wetted by the liquid under the capillary driving force:therefore,no AlN is found in the grain boundary region in this research. KEY WORDS powder metallurgy;solid diffusion:liquid-phase sintering:oxide film:aluminum nitride 随着电子、汽车等行业的发展，人们对轻质高强 料（中位粒径do=76um),添加Al-50Mg(do=79 粉末治金铝合金零部件的需求越来越高·-习.20世 μm)、A-12Si(dso=19μm)中间合金粉、Cu(do=24 纪90年代，美国通用公司采用铝合金粉末(201AB) um)单质粉，配制Al-Mg一Si-Cu系铝合金，并添加 制备出汽车引擎凸轮轴轴承盖，并实现量产与大规 少量元素Sn辅助烧结.其中，各合金元素的质量分 模应用B.但是，关于粉末治金铝合金产品的应用 数(%)分别为：Mg,1.0~2.0:Si,0.5~1.5:Cu, 目前仍存在两方面的问题.首先，目前粉末治金铝 3.5~5.0;Sn,0.2~1.0.将粉末在混料机混合4h,并 合金产品的原料均采用预合金化粉末，其成分多是 利用HAD-400KN液压机压制成生坯（中30mm× 通过已有的变形铝合金成分调整得到的，生产成本 3mm,压力：200~300MPa,保压5min).本实验在 较高.其次，现有粉末治金铝合金产品性能有待进 粉末中并未添加润滑剂，而是在模具表面涂抹硬脂 一步提升，如Alcoa公司生产的601AB粉末制品抗 拉强度仅为100~248MPa0 酸等以辅助脱模.将压制所得的生坯在管式电阻炉 中进行烧结，以5℃·min-1的速率从室温升至460、 利用纯A!粉为主要原料制备铝合金零部件可 显著降低生产成本，但A!粉表面存在的致密氧化膜 560和600℃，保温30~600min随后炉冷或进行水 会阻碍固相烧结过程中的原子扩散，因此一般采用 淬.烧结过程在高纯N2气氛下进行，气流量为1~2 液相辅助手段进行烧结5-.目前多利用Cu和Si L.min-1 等形成低熔点的AlCu和Al-Si共晶液相来填充孔 生坯密度由质量和几何尺寸计算所得，其中质 洞，实现铝合金的致密化.然而液相与A!粉表面氧 量和尺寸公差分别为±0.001g、0.001mm,烧结体 化膜润湿性差，严重阻碍了液相烧结过程.Lumley 密度p,利用Archimedes排水法得到.本实验采用 等可研究表明，Mg具有很高的活性，可作为还原剂 TEO1450扫描电镜(SEM)观察烧结各阶段的组织 与A!粉表面的氧化膜反应生成尖晶石结构的 形貌和物相，利用JE0L-1230型透射电镜(TEM)观 MgA山0，化合物，从而破除氧化膜，提高液相的润湿 察热处理后的品界和存在的物相. 性s-切.Yan等发现了A-Si-O氧化物的存在， 2实验结果与分析 推测元素Si也对氧化膜的破除有着一定作用.微 量合金元素S加、Pb等的添加也对体系润湿性的提 2.1烧结致密化过程 高具有促进作用，如添加微量的S加元素可以减小液 2.1.1烧结初始阶段（室温~460℃) 相与基体之间的表面张力，从而提高体系的润湿 图1为A1、AlH2Si、Cu及Al50Mg原料粉的形 性3.此外，烧结气氛对铝合金的相对密度有很 貌.主要原料A1粉为近球形粉末，平均粒度为76 大影响.在N2气氛下可获得较高的相对密度，这主 m,由图可以看出Al粉表面存在一些小颗粒碎屑. 要是由于A!与N2气反应形成AN,消耗了孔洞内残 图2为压制后生坯的形貌图.由图2(a)可以看出， 余的N2,有利于液相填隙过程进行s刀 各合金元素粉末分布均匀，生坯较为致密，相对密度 目前，关于粉末治金铝合金的研究主要集中在 约为89%.在压制压力作用下铝粉己发生变形，晶 合金元素种类、含量和气氛等因素对烧结致密化的 界平直且呈六边形趋势.此外，A1颗粒所形成的三 影响，而对烧结过程中各阶段的微观组织演变和致 角晶界处存在着如图2(b)所示的碎屑聚集区域 密化过程的研究相对较少.本文以纯A!粉为主要 图3(a)为试样在460℃保温30min炉冷后的 原料，添加Mg、Si、Cu等合金元素，重点研究不同烧 微观形貌图.由图可以看出，与生坯相比，A1粉形状 结阶段的原子扩散、物相形成以及微观组织演变等 有呈球形的趋势，且相对密度下降，约为83%.这主 过程 要是因为随温度的升高，压坯发生热膨胀，压制变形 的A颗粒会产生应力松弛.与此同时，由于压制造 1 实验材料及方法 成粉末颗粒发生弹塑性变形，压坯内部聚集很大的 本实验采用粉末模压烧结，以纯A!粉为主要原 弹性内应力，在此阶段弹性应力松弛产生膨胀阁工程科学学报，第 40 卷，第 9 期 thus，it can be speculated that the mechanism of oxide film disruption is related to the alloy composition． Furthermore，because of the good wettability between Al--Cu liquid and Al，the surface of Al particles is quickly wetted by the liquid under the capillary driving force; therefore，no AlN is found in the grain boundary region in this research． KEY WOＲDS powder metallurgy; solid diffusion; liquid-phase sintering; oxide film; aluminum nitride 随着电子、汽车等行业的发展，人们对轻质高强 粉末冶金铝合金零部件的需求越来越高［1--2］． 20 世 纪 90 年代，美国通用公司采用铝合金粉末( 201AB) 制备出汽车引擎凸轮轴轴承盖，并实现量产与大规 模应用［3--4］． 但是，关于粉末冶金铝合金产品的应用 目前仍存在两方面的问题． 首先，目前粉末冶金铝 合金产品的原料均采用预合金化粉末，其成分多是 通过已有的变形铝合金成分调整得到的，生产成本 较高． 其次，现有粉末冶金铝合金产品性能有待进 一步提升，如 Alcoa 公司生产的 601AB 粉末制品抗 拉强度仅为 100 ～ 248 MPa［1］． 利用纯 Al 粉为主要原料制备铝合金零部件可 显著降低生产成本，但 Al 粉表面存在的致密氧化膜 会阻碍固相烧结过程中的原子扩散，因此一般采用 液相辅助手段进行烧结［5--6］． 目前多利用 Cu 和 Si 等形成低熔点的 Al--Cu 和 Al--Si 共晶液相来填充孔 洞，实现铝合金的致密化． 然而液相与 Al 粉表面氧 化膜润湿性差，严重阻碍了液相烧结过程． Lumley 等［7］研究表明，Mg 具有很高的活性，可作为还原剂 与 Al 粉表面的氧化膜反应生成尖晶石结构的 MgAl2O4化合物，从而破除氧化膜，提高液相的润湿 性［8--12］． Yan 等［11］发现了 Al--Si--O 氧化物的存在， 推测元素 Si 也对氧化膜的破除有着一定作用． 微 量合金元素 Sn、Pb 等的添加也对体系润湿性的提 高具有促进作用，如添加微量的 Sn 元素可以减小液 相与基体之间的表面张力，从而提高体系的润湿 性［13--14］． 此外，烧结气氛对铝合金的相对密度有很 大影响． 在 N2气氛下可获得较高的相对密度，这主 要是由于 Al 与 N2气反应形成 AlN，消耗了孔洞内残 余的 N2，有利于液相填隙过程进行［15--17］． 目前，关于粉末冶金铝合金的研究主要集中在 合金元素种类、含量和气氛等因素对烧结致密化的 影响，而对烧结过程中各阶段的微观组织演变和致 密化过程的研究相对较少． 本文以纯 Al 粉为主要 原料，添加 Mg、Si、Cu 等合金元素，重点研究不同烧 结阶段的原子扩散、物相形成以及微观组织演变等 过程． 1 实验材料及方法 本实验采用粉末模压烧结，以纯 Al 粉为主要原 料( 中位粒径 d50 = 76 μm) ，添加 Al--50Mg( d50 = 79 μm) 、Al--12Si( d50 = 19 μm) 中间合金粉、Cu( d50 = 24 μm) 单质粉，配制 Al--Mg--Si--Cu 系铝合金，并添加 少量元素 Sn 辅助烧结． 其中，各合金元素的质量分 数( % ) 分别为: Mg，1. 0 ～ 2. 0; Si，0. 5 ～ 1. 5; Cu， 3. 5 ～ 5. 0; Sn，0. 2 ～ 1. 0． 将粉末在混料机混合 4 h，并 利用 HAD--400KN 液压机压制成生坯( 30 mm × 3 mm，压力: 200 ～ 300 MPa，保压 5 min) ． 本实验在 粉末中并未添加润滑剂，而是在模具表面涂抹硬脂 酸等以辅助脱模． 将压制所得的生坯在管式电阻炉 中进行烧结，以 5 ℃·min － 1的速率从室温升至 460、 560 和 600 ℃，保温 30 ～ 600 min 随后炉冷或进行水 淬． 烧结过程在高纯 N2气氛下进行，气流量为 1 ～ 2 L·min － 1 ． 生坯密度由质量和几何尺寸计算所得，其中质 量和尺寸公差分别为 ± 0. 001 g、0. 001 mm，烧结体 密度 ρs 利用 Archimedes 排水法得到． 本实验采用 TEO1450 扫描电镜( SEM) 观察烧结各阶段的组织 形貌和物相，利用 JEOL--1230 型透射电镜( TEM) 观 察热处理后的晶界和存在的物相． 2 实验结果与分析 2. 1 烧结致密化过程 2. 1. 1 烧结初始阶段( 室温 ～ 460 ℃ ) 图 1 为 Al、Al--12Si、Cu 及 Al--50Mg 原料粉的形 貌． 主要原料 Al 粉为近球形粉末，平均粒度为 76 μm，由图可以看出 Al 粉表面存在一些小颗粒碎屑． 图 2 为压制后生坯的形貌图． 由图 2( a) 可以看出， 各合金元素粉末分布均匀，生坯较为致密，相对密度 约为 89% ． 在压制压力作用下铝粉已发生变形，晶 界平直且呈六边形趋势． 此外，Al 颗粒所形成的三 角晶界处存在着如图 2( b) 所示的碎屑聚集区域． 图 3( a) 为试样在 460 ℃ 保温 30 min 炉冷后的 微观形貌图． 由图可以看出，与生坯相比，Al 粉形状 有呈球形的趋势，且相对密度下降，约为 83% ． 这主 要是因为随温度的升高，压坯发生热膨胀，压制变形 的 Al 颗粒会产生应力松弛． 与此同时，由于压制造 成粉末颗粒发生弹塑性变形，压坯内部聚集很大的 弹性内应力，在此阶段弹性应力松弛产生膨胀［18］． · 6701 ·