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摘要:介紹了鋁合金在汽車零部件中的應用，同時介紹了粉末冶金制造零部件的優點及不足。提出了一種低成本制備高性能鋁合金轉向節的工藝技術。該工藝的特點是直接采用純鋁粉為主要原料，添加其他元素，克服了傳統鋁合金粉末原料價格昂貴的缺點；同時改良了脫脂－燒結－熱處理工藝。最后，通過力學性能對比試驗發現該工藝制造的鋁合金轉向節力學性能優良。

關鍵詞:粉末冶金；鋁合金；轉向節

鋁合金因具有密度低、比強度高、塑性好、導電性、導熱性和抗蝕性優良，因而被廣泛應用于航空航天、電子電力、建筑等工業領域［1］。近年來，隨著人們環保意識的提高，汽車輕量化引起廣泛關注。汽車的輕量化發展促進了鋁合金零部件的應用，主要包括鋁合金輪轂、轉向節、氣缸蓋、防撞梁、發動機箱體等。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鋁合金輪轂，高壓鑄造生產氣缸缸蓋，生產的鑄件都要經過機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的零部件，具有一次成形性好的優點，可以做到無或者少量的機加工，減少了中間生產環節［3］。

1粉末冶金的特點及粉末冶金鋁合金

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；粉末冶金成形件無偏析、砂眼、縮孔等缺陷，力學性能優良，適用于承受較大載荷的工況環境；另外，粉末冶金工藝能耗小，其缺點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際生產中，已實現了粉末冶金（壓制－燒結）生產鋁合金零部件的大規模工業化生產，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題粉末冶金制備鋁合金還存在一些技術問題，主要有以下幾個方面。首先，鋁合金成分多是通過已有的變形鋁合金成分調整得到的，主要在低應力條件下使用，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，實際生產過程中，鋁合金零件的熱處理工藝一般是根據鋁合金的DSC曲線［5］，進行單級固溶處理或雙級固溶處理。其熱處理方式均是在燒結完成后再重新升溫至固溶溫度進行，整個生產過程周期長，能耗大，導致生產成本進一步提高。

2粉末冶金制造高性能鋁合金轉向節

針對粉末冶金制備鋁合金零件技術存在的問題，研發出一種低成本制備高性能鋁合金轉向節的工藝。該工藝適用于粉末冶金法制備的鋁合金成分體系，并改變傳統生產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元素等作為燒結助劑，通過混粉、壓制、燒結、熱處理和表面處理等工藝，制備出致密度高、性能優良的鋁合金零件。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→固溶處理→時效處理→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等合金粉按一定質量進行配比，將其與粘結劑在混料機上混合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；最后將所得毛坯進行脫脂、燒結、固溶、時效以及后期噴砂表面處理，得到最終的鋁合金零件。Al、Cu、Sn以單質粉末的形式加入，其微觀形貌見圖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格低廉，大幅降低了原材料成本，適用于大規模的生產應用。其中純鋁粉的中位粒徑為60～100μm，見圖1a，主要考慮此范圍內燒結后得到的零件致密度最高。當Al粉顆粒直徑太小時，造成體系中Al的比表面積增大［6］，一方面會使得體系的氧含量增加，不利于燒結致密化；另一方面，由于顆粒邊界增多，實現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Al粉顆粒過大時，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，促進燒結過程合金的致密化。所用合金中Mg、Si、Cu和Sn的質量分數分別為2．0％、1．0％、4．0％、0．5％，余量為Al。所使用的粘結劑為酰胺蠟C蠟、硬脂酸、石蠟有機物，粘結劑的質量分數為合金粉的1．0％；合金壓制采用液壓式壓力機，壓制壓力為400±5MPa，采用冷壓工藝，環境溫度為室溫。

2．2粉末冶金鋁合金燒結工藝分析燒結過程中添加適量Mg來破除Al粉末表面的氧化膜，提高了基體的潤濕性，有利于燒結過程中顆粒之間的原子擴散；同時，添加適量的Si和Cu與Al形成共晶液相來實現液相填充，并且Al－Si和Al－Cu共晶液相可以提高基體的潤濕性，使得Al－Cu液相在燒結過程中保持更長時間；添加反應助劑Sn，由于其表面張力小，可以有效改善基體的潤濕性，并且在氮氣環境下可以控制AlN的形成速率。此外，鋁合金中脆性相Mg2Si在晶界處的存在會降低鋁合金的強度，通過控制Mg和Si的添加比例，使得兩者比例大于1．73，進而控制Mg2Si的形成量［7］。通過分析鋁合金在氮氣、氬氣、氮氣－氬氣混合氣以及真空等不同燒結環境對燒結致密化的影響，發現在氮氣條件下燒結可以獲得最高的致密度。這是因為氮氣在整個燒結過程中，不僅僅作為保護氣體，還可以與Al反應生成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］。在現有生產所用鋁合金的基礎上，優化合金成分范圍。理論上用于去除氧化膜所需的Mg含量約為0．1％，由于潤滑劑的存在，Mg將與潤滑劑反應生成硬脂酸鎂，且Mg在Al基體中存在一定的固溶度，同時與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，但過多的Si會使得脆性相增多，過多的Cu會使得合金的耐蝕性降低，不利于后期的表面陽極氧化處理。為實現燒結的致密化，Si添加量為0．2％～1．5％，Cu添加量為3．0％～5．0％；Sn作為改善體系潤濕性的元素，其在基體Al中的固溶度很小，過量的Sn會存在于晶界處，對力學性能產生不良影響，但小于0．1％時，對體系的潤濕性改善不大，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－固溶處理階段采用一步法進行，熱處理工藝圖見圖2，采用T6固溶處理（淬火）加完全人工時效工藝［9］；過程主要分為3個階段，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℃；整個燒結－固溶過程的氣氛為氮氣。最后，時效階段是將固溶后的轉向節在150～250℃時效2～24h。

3粉末冶金鋁合金轉向節的力學性能

圖3為鑄造和粉末冶金鋁合金轉向節的拉伸應力－應變曲線，其拉伸斷口形貌見圖4。表1為粉末冶金鋁合金與鑄造工藝制造的轉向節力學性能對比。可以看出，粉末冶金鋁合金轉向節的屈服強度比鑄造工藝的提高了30．7％，抗拉強度提高了17．6％，伸長率提高了66．0％。同時，從圖4可以看出，粉末冶金的試樣斷口有明顯的收縮端，可以認為粉末冶金制造的零件塑性要優于鑄造的零件。通過力學性能對比可發現，粉末冶金制備的鋁合金轉向節力學性能遠優于鑄造轉向節。

4結論

采用粉末冶金工藝彌補了鋁合金粉末價格昂貴的缺點，優化了脫脂－燒結－固溶處理工藝；通過力學性能試驗，發現采用粉末冶金工藝制造的鋁合金轉向節的力學性能優于鑄造的。

參考文獻

［1］朱英偉，呂金旗，孫漢寶．車用鋁合金零部件材料性能檢測方法及結果評價［J］．汽車工業研究，2018（2）：58－61．

［2］呂金旗，孫漢寶，栗智鵬．差壓鑄造鋁合金轉向節熱處理工藝研究［J］．汽車工業研究，2018（7）：45－48．

［3］朱平，張力寧．粉末冶金鋁合金［J］．粉末冶金技術，1994（2）：50－55．

［4］隋忠祥，張軍，文子，等．粉末冶金法制備高強鋁合金的組織與性能［J］．吉林大學學報（工學版），2004（7）：16－18．

［5］石霖．合金熱力學［M］．北京：機械工業出版社，1992．

［9］劉詩安，袁東，嚴琦琦，等．新型Al－Mg－Si－Cu鋁合金熱處理工藝研究［J］．鋁加工，2005（6）：4－7．

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