[发明专利]一种利用粉末注射成形技术制备Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的方法

说明书

一种利用粉末注射成形技术制备Al‑Zn‑Mg‑Cu系铝合金的方法，属于粉末注射成形技术领域。本发明工艺流程为：以纯铝粉为主要原料，其它合金元素以单质粉或二元合金粉的形式加入。将原料粉末按一定的比例混匀后，加入特定配比的蜡基粘结剂，并置于辊式混炼机上进行混炼，再经注射成形制备成铝合金生坯，经过溶剂脱脂，然后在高纯N₂气氛下热脱脂和烧结后制得铝合金制品。通过合金元素成分的设计、粘结剂体系的优化和烧结制度的优化等手段，实现高强注射成形铝合金的制备。本发明提供了一种低成本大批量制备小型复杂形状Al‑Zn‑Mg‑Cu系高强铝合金零部件的制备技术，所制备的铝合金致密度可达98.2％，抗拉强度可达455MPa。

技术领域

本发明提供一种利用粉末注射成形技术制备Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的方法，属于粉末冶金领域。

背景技术

近年来，随着汽车、3C产品、5G通讯、可穿戴设备和工业机器人等领域逐渐向小型化和轻量化发展，对轻质高强的小型复杂形状结构件的需求越来越高，采用高强铝合金替代传统铁基材料是实现轻量化的重要途径。采用机械加工，铸造和3D打印等手段制备小型复杂形状铝合金零部件存在成本高和不利于大规模生产等难题。采用压制-烧结工艺制备铝合金零部件也往往受限于模具的形状。金属注射成形技术在制备小型复杂形状零部件方面具有独特的优势，无需后续加工，适合大批量生产，是一种节约能源、资源、低成本的零部件加工技术。然而，将粉末注射成形技术应用于铝合金零部件的制备上，需要面临以下问题：①与压制工艺相比，注射成形铝合金粉末未经过塑性变形，表面的氧化膜更加完整；②与传统的压制-烧结粉末冶金工艺相比，注射成形胚体中含有30-40vol.％的粘结剂，在粘结剂脱除后，留有大量孔隙，使得颗粒间通过扩散烧结更加困难；③铝粉以及其他原料粉末在喂料制备过程以及脱脂过程中，会和空气以及粘结剂中氧和水发生反应，增加粉末表面的氧化膜厚度，进一步增加了铝合金粉末烧结致密化的难度。

目前，仅有极少数文献和专利报道了铝合金注射成形技术。Acar等人使用气雾化纯铝粉，中粒径D₅₀为7.35μm，在650℃的高纯N₂环境烧结60min下获得最高密度96.2％，最高的抗拉强度126Mpa，最高的硬度46HB[Acar L,Gulsoy H O.Sintering parameters andmechanical properties of injection moulded aluminium powder[J].PowderMetallurgy.2011,54(3):427-431.]。Liu等人采用AA6061(Al-0.95Mg-0.65Si-0.27Cu)合金粉为原料，通过添加Sn元素以促进烧结，研究发现合金致密度随着Sn的增加而提高，最终在2wt.％Sn时获得了致密度为97％的烧结坯，时效后抗拉强度为300MPa[Liu Z Y,Sercombe T B,Schaffer G B.Metal injection moulding of aluminium alloy6061with tin[J].Powder Metallurgy.2008,51(1):78-83.]。Ni等人采用Al-Si预合金粉为原料，在550℃的高纯N₂环境下烧结3h，其致密度、抗拉强度和硬度分别可达95.5％、154MPa和58HBW[Ni J,Yu M,Han K.Debinding and Sintering of an Injection-MouldedHypereutectic Al–Si Alloy[J].Materials,2018,11(5):807.]。杜智渊等人使用Al、Cu、Sn单质粉和Al-50Mg、Al-12Si中间合金粉为原料制备Al-4Cu-2Mg-0.8Si-0.5Sn，在氮气烧结气氛下致密度达到98％以上，时效处理后抗拉强度达到400MPa[杜智渊，吴茂，邱婷婷，曲选辉.Al-Cu-Mg-Si系铝合金的注射成形[J].中国有色金属学报，2019，29(11)：2471-2480.]。同时，中国发明专利《一种利用粉末注射成形技术制备高性能铝合金的方法》，申请号：201711182052.5，公开了一种基于Al-Cu-Mg-Si系的铝合金注射成形技术，其中，铝合金成分的质量百分含量为：Cu 3-6％，Mg 1-3％，Si 0.2-2.0％，Sn 0.1-2.0％，Al为余量的合金体系，制备的铝合金零部件抗拉强度达到300Mpa。