謝嬌雅，劉如鐵，陳潔，熊翔，欒懷壯

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鎂含量對(duì)粉末冶金Al-3.9Cu-Mg合金組織與力學(xué)性能的影響

謝嬌雅，劉如鐵，陳潔，熊翔，欒懷壯

(中南大學(xué) 粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410083)

以高純鋁粉、銅粉、鎂粉為原料，通過粉末冶金法制備鎂含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)分別為0.5%，0.8%，1%，1.2%和1.6%的Al-3.9Cu-Mg合金材料，對(duì)合金的顯微組織與力學(xué)性能進(jìn)行觀察與測試，研究鎂含量對(duì)顯微組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：在鎂含量低于2%時(shí)，合金的優(yōu)化燒結(jié)溫度為620 ℃。在鋁合金中加入鎂元素后，合金組織更加均勻。合金的致密度、硬度以及抗拉強(qiáng)度均隨鎂含量增加先升高后下降。當(dāng)鎂含量為1%時(shí)材料性能最佳，致密度為98.1%，硬度(HBW)為93.1，抗拉強(qiáng)度達(dá)到242 MPa。

粉末冶金；鋁合金；鎂含量；燒結(jié)溫度；抗拉強(qiáng)度

鋁合金因密度小、比強(qiáng)度高，耐腐蝕性能優(yōu)異而廣泛應(yīng)用于建筑、交通運(yùn)輸、機(jī)械制造和航空航天等行業(yè)及人們的日常生活中[1]。制備鋁合金的常用方法主要有熔鑄法和粉末冶金法。相對(duì)于熔鑄法，采用粉末冶金法不僅能提高固溶度，擴(kuò)大合金成分設(shè)計(jì)范圍，獲得一些用熔鑄工藝不能制取的鋁合金，而且產(chǎn)品精度高，耗能少，具有廣闊的發(fā)展與應(yīng)用前景[2?4]。鋁的活性高，在制粉過程中，不可避免地在粉末表面形成一層致密的不可還原的氧化鋁膜，在成形和燒結(jié)過程中阻礙合金元素的相互擴(kuò)散，導(dǎo)致材料最終性能較 差[5?7]。為消除氧化鋁的不利影響，目前，國內(nèi)主要采用快速凝固、熱擠壓、噴射成形等新工藝來制備高性能鋁合金，但生產(chǎn)成本顯著增加，極大地限制了粉末冶金鋁合金的應(yīng)用[8?11]。SCHAFFE[12]團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，添加合金元素鎂有助于破壞氧化鋁薄膜，促進(jìn)燒結(jié)。但關(guān)于鎂對(duì)鋁基粉末冶金材料力學(xué)性能的影響鮮有報(bào)道。因此，本文作者采用傳統(tǒng)粉末冶金工藝制備不同Mg含量的鋁合金，研究鎂含量對(duì)粉末冶金鋁合金組織與力學(xué)性能的影響。以期通過添加適量的鎂以及采用合理的燒結(jié)工藝來提高普通粉末冶金鋁合金的力學(xué)性能，使其性能達(dá)到應(yīng)用水平，從而大幅度降低成本，滿足日益增長的材料輕量化與高性價(jià)比的需要，促進(jìn)粉末冶金鋁合金的應(yīng)用與發(fā)展。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料粉末

表1所列為原料粉末的性能。鋁粉、銅粉由長沙天久金屬材料有限公司生產(chǎn)，鎂粉產(chǎn)自河北佳潤有限公司。

表1 原料粉末的特征

1.2 鋁合金制備

按照Cu含量為3.9%，Mg含量分別為0.5%，0.8%，1.0%，1.2%和1.6%，余量為Al的質(zhì)量比配料，采用V型混料機(jī)混合2.5 h，然后在300 MPa壓力下冷壓成尺寸為30 mm×3 mm×3 mm的拉伸樣，測得壓坯的相對(duì)密度為95%左右。將壓坯放入箱式電阻爐中燒結(jié)，保護(hù)氣體為流動(dòng)的高純N2，燒結(jié)溫度為590~620 ℃，保溫2 h，隨爐冷卻，得到Mg含量分別為0.5%，0.8%，1%，1.2%和1.6%的5組鋁合金樣品。

1.3 性能檢測

用DL-1500型差示掃描量熱儀對(duì)壓坯進(jìn)行DSC熱分析，確定燒結(jié)溫度范圍，氮?dú)獗Ｗo(hù)，加熱速率為10 ℃/min。采用阿基米德排水法測定鋁合金材料的密度。利用HBD-300Z型布氏硬度計(jì)測定合金的硬度(HBW)，每個(gè)樣品測3個(gè)點(diǎn)，取平均值。在INSTRON 3369型萬能電子力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸性能測試，相同實(shí)驗(yàn)條件的樣品取3個(gè)進(jìn)行測試，取平均值。用MeF3A型金相顯微鏡和JSM-5600LV型掃描電鏡觀察合金的微觀組織與拉伸斷口形貌。用SIMENS D500 型X射線衍射儀對(duì)合金進(jìn)行物相分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 燒結(jié)溫度

圖1所示為Al-Cu-Mg混合粉末壓坯的DSC曲線。在450 ℃和548 ℃有較小的吸熱峰，表明這2個(gè)溫度節(jié)點(diǎn)開始發(fā)生相變。由Al-Mg和Al-Cu二元相圖可知，這2個(gè)溫度節(jié)點(diǎn)分別為Al-Mg和Al-Cu的共晶反應(yīng)點(diǎn)。當(dāng)溫度升高到590 ℃時(shí)，出現(xiàn)較大的吸熱峰，是因?yàn)轭w粒間有鋁液相生成，鄰近顆粒之間發(fā)生熔化和凝結(jié)，且熔化區(qū)域顯著加大。結(jié)合前期實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)溫度高于620 ℃時(shí)，燒結(jié)樣品變形嚴(yán)重，因此確定燒結(jié)溫度為590~620 ℃。

圖2所示為在590~620 ℃溫度下燒結(jié)的Al-3.9Cu- Mg合金抗拉強(qiáng)度。從圖2可知，不同鎂含量的合金抗拉強(qiáng)度都隨燒結(jié)溫度升高而增加，在620 ℃下燒結(jié)的合金強(qiáng)度最高，其中鎂含量為1%的合金抗拉強(qiáng)度達(dá)到242 MPa。圖3所示為不同溫度下燒結(jié)的Al- 3.9Cu-1Mg合金顯微組織。從圖3看出，燒結(jié)溫度較低時(shí)，合金組織中存在一定數(shù)量的大孔隙，且孔隙分布不均勻；隨燒結(jié)溫度升高，孔隙的數(shù)量和尺寸都明顯減??；當(dāng)燒結(jié)溫度為620 ℃時(shí)，存在少量細(xì)小孔隙，均以封閉形式存在，未見明顯的大孔隙。這是由于隨燒結(jié)溫度升高，原子的自擴(kuò)散系數(shù)和互擴(kuò)散系數(shù)增加，合金內(nèi)生成的液相增加，在毛細(xì)管力的作用下液相流入顆粒間隙，充分填充孔隙，因而孔隙的尺寸與數(shù)目減??；同時(shí)固相顆粒間的重排阻力隨液相增加而減小，最終導(dǎo)致燒結(jié)體密度達(dá)到最大值。因此，最佳燒結(jié)溫度為620 ℃。

圖1 Al-3.9Cu-1Mg粉末壓坯的DSC曲線

圖2 燒結(jié)溫度對(duì)Al-3.9Cu-Mg合金抗拉強(qiáng)度的影響

圖3 不同溫度下燒結(jié)的Al-3.9Cu-1Mg合金顯微組織

(a) 590 ℃; (b) 600 ℃; (c)610 ℃; (d)620 ℃

2.2 顯微組織

表2所列為最佳燒結(jié)溫度下制備的不同鎂含量的Al-3.9Cu-Mg合金密度與硬度(布氏硬度HBW)。由表可知，隨鎂含量增加，材料的密度與硬度都先增加后降低。當(dāng)(Mg)含量為1%時(shí)，合金密度較高，為2.71 g/cm3，相對(duì)密度達(dá)到98.1%，合金硬度也最高，為93.1。當(dāng)(Mg)超過1%時(shí)，合金密度與硬度隨Mg含量增加而降低。

表2 Al-3.9Cu-Mg合金的密度與硬度

圖4所示為Al-3.9Cu-Mg合金的顯微組織和EDS微區(qū)成分分析。由圖4可見，所有合金都由2種相組成：灰色鋁基體相和白色相。結(jié)合EDS能譜分析和XRD分析(圖5所示)可知，白色相為Al2Cu相。從圖4看出，隨鎂含量增加，Al2Cu相增多，分布更均勻。這是由于鎂的氧化物的形成自由能比Al2O3的形成自由能小，因此鎂可以將Al2O3還原成金屬鋁，生成尖晶石結(jié)構(gòu)的鎂鋁氧化物，從而破壞鋁顆粒表面致密的氧化鋁層，促進(jìn)鋁和銅的相互擴(kuò)散，導(dǎo)致富銅相Al2Cu的數(shù)量增多且分布更均勻，從而促進(jìn)燒結(jié)[12?14]。在(Mg)為1%時(shí)，開始出現(xiàn)閉孔，且隨鎂含量進(jìn)一步增加，閉孔數(shù)目增加。這是由于當(dāng)鎂含量過多時(shí)，基體中過剩鎂單質(zhì)，而鎂的潤濕性差，在燒結(jié)過程中，液相不能流向顆粒間或晶界，從而形成閉孔。因此，在(Mg)大于1%時(shí)，隨鎂含量增加，閉孔數(shù)目增加，合金的致密度降低。

圖4 不同鎂含量的Al-3.9Cu-Mg合金SEM顯微組織與能譜分析

(a)(Mg)=0.5%; (b)(Mg)=0.8%; (c)(Mg)=1.0%; (d)(Mg)=1.2%; (e)(Mg)=1.6%; (f)(Mg)=1.0%;(g) EDS spectrum of A in Fig.4(f)

圖5 Al-3.9Cu-1Mg合金的XRD譜

2.3 抗拉強(qiáng)度

不同鎂含量合金的抗拉強(qiáng)度如圖6所示。前期實(shí)驗(yàn)表明，未添加鎂的Al-3.9Cu合金，其抗拉強(qiáng)度僅為175 MPa。從圖6可知添加鎂元素后，合金的抗拉強(qiáng)度明顯提高，其中添加1%鎂時(shí)強(qiáng)化效果最好。當(dāng)鎂含量超過1%時(shí)，抗拉強(qiáng)度下降。

圖7所示為不同鎂含量的鋁合金拉伸斷口形貌，可見鎂含量為0.5%，0.8%和1.0%的合金斷口形貌類似，金屬顆粒之間結(jié)合緊密，部分顆粒呈現(xiàn)穿晶斷裂，斷口中均有較多的韌窩狀組織，說明合金為韌性斷裂。其中Al-3.9Cu-1Mg合金斷口的韌窩較細(xì)，顆粒之間冶金結(jié)合更好，合金的抗拉強(qiáng)度最高。這是由于鎂元素的加入有助于破壞鋁顆粒表面致密的氧化鋁薄膜，促進(jìn)燒結(jié)，有效提高材料的致密度，從而提高材料的力學(xué)性能。而Al-3.9Cu-1.2Mg和Al-3.9Cu-1.6Mg合金的拉伸斷口出現(xiàn)較大的溝壑，合金沿顆粒及孔隙斷裂，粉末顆粒間結(jié)合強(qiáng)度差，這是由于燒結(jié)過程中，鎂含量過多，其潤濕性較差導(dǎo)致液相不能充分填滿孔隙，致使孔隙度增加，從而引起應(yīng)力集中，合金強(qiáng)度下降。這一結(jié)果與顯微組織分析結(jié)果相對(duì)應(yīng)，添加1%鎂時(shí)強(qiáng)化效果最好。

圖6 鎂含量對(duì)Al-3.9Cu-Mg合金抗拉強(qiáng)度的影響

圖7 Al-3.9Cu-xMg合金的拉伸斷口形貌

(a)=0.5; (b)=0.8; (c)=1; (d)=1.2; (e)=1.6

3 結(jié)論

1) 在Al-3.9Cu合金中添加0.5%~1.6%的鎂，在最佳燒結(jié)溫度620 ℃下燒結(jié)時(shí)，合金的顯微組織主要由鋁相與Al2Cu相組成。隨鎂含量增加，基體中的孔隙數(shù)量與尺寸先降低后增加，合金組織分布趨于均勻。在(Mg)為1%時(shí)，合金的致密度為98.1%。

2) 粉末冶金 Al-3.9Cu-Mg合金的硬度和抗拉強(qiáng)度隨鎂含量增加先升高后降低，當(dāng)(Mg)為1%時(shí)，合金的硬度(HBW)和抗拉強(qiáng)度均達(dá)到最大值，分別為93.1和242 MPa。

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Effects of the magnesium content on the microstructure and mechanical properties of Al-Cu-Mg sintered alloy

XIE Jiaoya, LIU Rutie, CHEN Jie, XIONG Xiang, LUAN Huaizhuang

(State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China)

Al-3.9Cu-Mg alloy with Mg content (mass fraction) of 0.5%, 0.8%, 1%, 1.2% and 1.6% were prepared by powder metallurgy using high-purity aluminum powder, copper powder and Mg powder as raw materials. The microstructural analysis and mechanical property tests were carried out to study the effects of Mg content on the microstructure and mechanical properties. The results show that the optimum sintering temperature is 620 ℃ when the Mg content is less than 2%. The microstructure of the alloy tends to be uniform with increasing the content of Mg. The density, hardness, and tensile strength of the alloy first increase and then decrease with increasing Mg content. The optimal properties of Al-3.9Cu-1Mg alloy with a density of 98.1%, a hardness (HBW) of 93.1, and a tensile strength of 242 MPa is obtained when the Mg content is 1%.

powder metallurgy; Al alloy; Mg content; sinter temperature; tensile strength

TB31

A

1673-0224(2018)06-547-06

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFB0700302)

2018?03?14；

2018?05?31

熊翔，教授，博士。電話：13308414388；E-mail: xiongx@csu.edu.cn

(編輯 湯金芝)