Cu含量对粉末冶金AlCuMgSi合金性能的影响

陈玲，汪礼敏, 2, 3, 4，王林山, 2, 3, 4，梁雪冰, 2, 3, 4，张少明



Cu含量对粉末冶金AlCuMgSi合金性能的影响

陈玲1，汪礼敏1, 2, 3, 4，王林山1, 2, 3, 4，梁雪冰1, 2, 3, 4，张少明1

(1. 北京有色金属研究总院，北京 100088；2. 有研粉末新材料(北京)有限公司，北京 101407；3. 北京恒源天桥粉末冶金有限公司，北京101407；4. 北京市金属粉末工程技术研究中心，北京101407)

用金属Al粉、Cu粉、Mg粉和Al-Si粉为原料，采用液相烧结法制备Cu含量(质量分数，下同)为0~6.0%的AlCuMgSi合金，研究Cu含量对AlCuMgSi合金组织与力学性能的影响，采用国外的Al-3.8Cu-1.0Mg-0.75Si粉末为原料，用相同的工艺制备Al-3.8Cu-1.0Mg-0.75Si合金作为性能对比试样。结果表明：在铝合金中添加Cu元素后，组织致密均匀，密度、硬度和抗拉强度等均显著提高。当Cu含量为4.0%时材料的性能最优，密度为2.72 g/cm3，致密度达到98.9%，硬度HB为64，抗拉强度为207 MPa，伸长率为2.1%，与采用国外的Al-3.8Cu-1.0Mg- 0.75Si粉末制备的材料性能相当。

粉末冶金；AlCuMgSi；铝合金；铜含量；液相烧结

轻质材料铝合金的应用与发展已成为汽车工业推行轻量化的主要发展方向之一[1]，采用粉末冶金法(PM)制备铝基零部件具有材料利用率高、生产成本低和产品综合性能好等优点[2]，在汽车工业中具有广阔的应用前景。铝的化学性质较活泼，极易与氧发生反应，因此在制粉、存储及使用过程中铝粉表面生成氧化膜，在后续致密化过程中阻碍粉末颗粒之间的直接接触和合金元素的润湿与扩散，不利于烧结致密 化[3−5]。为了获得力学性能和物理性能良好的粉末冶金铝制品，许多学者已进行了大量研究，其中，液相烧结因生产成本低而得到更广泛的关注[6−8]。液相烧结铝合金的常用添加相有Cu，Mg，Sn和Zn等金属元素，这些金属元素单独或复合添加。研究表明，微量Sn元素能促进Al-Cu-Mg系合金的液相烧结[6]，而Fe元素起到相反的作用[6−7]。GÖKCE等[8]采用AlCuMg预合金粉进行液相烧结制备的Al-5Cu-0.5Mg合金，其强度比纯铝的强度提高近5倍。Al-Mg-Si-Cu系铝合金的液相烧结使用氮气做保护气氛时烧结效果更好[3, 9]，一方面是因为铝与氮反应生成碳化铝，铝在氮化铝上的润湿性很好，另一方面，铝和氮的反应破坏了铝表面的氧化层，起到促进扩散的作用[12]。胡绍磊等[3]研究发现不同铜含量的Al-Cu合金因生成中间合金而存在不同的局部熔化温度区间，在局部熔化温度区间内某一优化温度烧结时，不仅可使样品内部颗粒实现冶金结合，而且可使样品基本保持烧结前的尺寸和形状。目前，国外已经将粉末冶金铝合金零件成熟应用在汽车上，而国内尚处于起步阶段。因此为了在达到性能要求的同时保证低成本，本研究采用常规压制和液相烧结的方法，制备Cu含量(质量分数，下同)为0~6.0%的AlCuMgSi合金，通过研究Cu含量对粉末冶金合金组织与性能的影响规律，制备出性能达到实际应用要求的粉末冶金铝合金材料，从而满足汽车材料轻量化的需要。

1 实验

1.1 原料

用雾化Al粉、Cu粉、Mg粉、Al-Si粉为原料粉末，采用常规压制和液相烧结的方法制备Al-Cu- 1.0Mg-0.75Si合金材料，同时还用从美国进口的Al- 3.8Cu-1.0Mg-0.75Si合金粉末为原料，采用相同的方法制备Al-3.8Cu-1.0Mg-0.75Si合金进行性能对比。原料粉末的化学成分与物理性能列于表1。

表1 原料粉末的化学成分与物理性能

Note: Al-3.8Cu-1.0Mg-0.75Si powder is produced by AMPAL Inc.

1.2 AlCuMgSi合金制备

首先按照Al-Cu-1.0Mg-0.75Si合金的名义成分称量原料粉末，为合金中Cu元素的含量(质量分数，%)，分别为0，1.0，2.0，3.0，4.0，5.0和6.0。加入1.5%的润滑剂，混合均匀，得到7组混合粉末。将混合粉末在350 MPa压力下压制成尺寸为55 mm×10 mm×10 mm的试样条，置于管式炉中通入氮气(纯度为99.99%以上)进行烧结。烧结工艺为：以5 ℃/min的升温速率升到400 ℃的预烧结温度，保温90 min，再升温至590 ℃，保温60 min，然后在氮气保护气氛下随炉冷却至室温，得到铜含量分别为0，1.0%，2.0%，3.0%，4.0%，5.0%和6.0%的7组AlCuMgSi合金样品，分别标记为1#，2#，3#，4#，5#，6#，7#合金。以美国进口的Al-3.8Cu-1.0Mg-0.75Si合金粉末为原料，采用相同的工艺制备Al-3.8Cu-1.0Mg-0.75Si合金，标记为8#合金。

1.3 性能检测

采用排水法测量生坯密度以及烧结后的Al-Cu- 1.0Mg-0.75Si合金密度。用HB−3000B型布氏硬度计测定合金的硬度，载荷为1.5 kN，保压时间为12 s。每组合金测5个样品，每个样品取5个点，取平均值。测量压坯烧结后的尺寸变化率。按照GBT228—2002拉伸试验标准制备标准试样条，用WDW−100D型微机控制电子万能试验机测定材料的抗拉强度与伸长率。将烧结后的样品截取小样，抛光后在JSM-6510扫描电镜下观察其显微组织与形貌。通过X’Pert Pro MPD型多晶X射线衍射仪分析合金的物相组成。用YS-38维氏硬度计测定各相的显微硬度。

2 结果与分析

2.1 密度与显微组织

表2所列为Al-Cu-1.0Mg-0.75Si合金的密度与烧结尺寸变化率。铜是铝合金中最常添加的金属元素。从表2可知，不添加Cu时，合金的致密度最低，只有94.4%，添加Cu元素后致密度大大提高，随Cu含量从0逐渐增加到6%，相对致密度先增大后略有降低。含Cu量为4.0%的合金密度为2.72 g/cm3，相对密度高达98.9%，接近全致密，与用国外Al-3.8Cu- 1.0Mg-0.75Si合金粉末为原料制备的8#合金相当。烧结收缩率与烧结密度的变化规律一致，随Cu含量增加呈先增大后略有降低的趋势，Cu含量为4.0%的合金烧结收缩率最大，但比8#合金的收缩率小。

图1所示为Al-Cu-1.0Mg-0.75Si合金的扫描电镜二次电子图像。可见1#合金中存在大量孔隙，白色相数量少且不均匀，随Cu含量增加，白色相逐渐增多。8#合金与5#合金的组织相似，组织致密均匀，白色相较多。图2所示为1#，5#和8#合金的EDS面扫描分析。由图2可知，合金组织中的白色相为合金元素Cu，Mg，Si和Sn的富集区，元素偏析明显。不同部位各元素含量不同，说明在烧结过程中随着液相的迁移各元素发生了扩散，尤其是对铝合金液相烧结过程起至关重要作用的Cu元素也发生了扩散。

由Al-Cu二元相图可知，在548.2 ℃温度下铜在铝中的溶解度(质量分数)仅为5.65%，但铜的熔点为 1083.4 ℃，比铝的熔点高很多。烧结过程中，铜与铝形成低熔点的Al2Cu过渡相来实现液相烧结[10−12]，从而提高材料的致密度。其过程如下：烧结过程中Al原子和Cu原子通过各自的颗粒边界相互扩散到对方晶粒中，形成一定的浓度梯度，颗粒边界处浓度最高，而晶界扩散相对于体扩散属于短程扩散，所以晶界处最先达到共晶所需成分条件而形成共晶Al2Cu液相，直至所有铜熔解，Al2Cu液体被吸入铝颗粒中，最终实现液相烧结[13]。随后的冷却析出过程中，在548 ℃温度下从共晶液相中析出金属间化合物Al2Cu。从图1可看出5#和8#合金组织均匀且致密，对其进行定点能谱成分分析和XRD分析，结果如图3和4所示，由此可以判断烧结后形成的白色组织主要为Al2Cu相，其中Al含量和Cu含量(质量分数)分别为45.9%和54.1%。随合金中的Cu含量增多，白色相增多。并且Cu与Si产生协同作用，使Al2Cu液相与铝基体之间的润湿性进一步提高，从而促进烧结致密化[15]。但当Cu含量过高时，生成的Al2Cu相进一步增多，彼此之间开始相互接触，严重割裂基体，导致合金性能恶化。

表2 Al-xCu-1.0Mg-0.75Si合金的密度和烧结尺寸变化率

Note: 8#alloy was made of Al-3.8Cu-1.0Mg-0.75Si alloy powders imported from the United States.

图1 AlCuMgSi合金的扫描电镜二次电子图

图2 AlCuMgSi合金的EDS面扫描分析

图3 5#合金不同部位的定点EDS分析

2.2 力学性能

图5所示为铜含量对合金硬度的影响。实验测得用美国进口粉末制备的合金硬度HB为68。由图可见合金的硬度HB随Cu含量增加而增大，这是因为随Cu含量增加，生成的Al2Cu中间相增多，而Al2Cu是一种硬脆相，从图6可见Al2Cu相聚集区的平均硬度HV为86.5，高于基体硬度(HV为64.5)，所以合金的硬度增大。当Cu含量为4.0%时，材料硬度HB为64，与用美国粉末制备的合金硬度相近，能够满足使用 要求。

图4 AlCuMgSi合金的XRD谱

图5 铜含量对AlCuMgSi合金硬度的影响

图6 5#合金的基体与白色组织Al2Cu的显微硬度

图7所示为Cu含量对合金抗拉强度和伸长率的影响。由图可见，当Cu含量为4.0%时，材料的抗拉强度最大，为207 MPa，与8#合金的抗拉强度206 MPa相当。随Cu元素含量继续增加，因生成过多的Al2Cu相而导致合金的抗拉强度和伸长率随之降低。并且因为Al是一种塑性良好的材料，合金中Al含量减少会导致合金的伸长率下降。当Cu含量为4.0%时，伸长率为2.0%。

图8所示为合金的拉伸断口形貌，所有合金的断口都存在韧窝。1#合金孔隙数量多，内部结构松散，粉末颗粒间的结合较弱，导致在较低的受力情况下即发生断裂，力学性能低。5#和8#合金致密，粉末颗粒结合好，韧窝细小，拉伸性能良好。

图7 Cu含量对AlCuMgSi合金抗拉强度和伸长率的影响

图8 AlCuMgSi合金的拉伸断口形貌

3 结论

1) 采用液相烧结法制备Cu含量(质量分数，下同)为0~6.0%的AlCuMgSi合金，随Cu含量增加，材料 致密度先增大后减小，当Cu含量为4.0%时合金组织均匀，致密度最高，达98.9%。

2) 随Cu含量增加，合金硬度逐渐增大，抗拉强度先增大后减小，Cu含量为4.0%时，拉伸性能最好，抗拉强度达207 MPa，伸长率为2.1%，硬度HB 为64，与用美国的Al-3.8Cu-1.0Mg-0.75Si粉末制备的合金性能相当。

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(编辑 汤金芝)

Effect of copper content on the properties of powder metallurgyAl-Cu-Mg-Si alloy

CHEN Ling1, WANG Limin1, 2, 3, 4, WANG Linshan1, 2, 3, 4, LIANG Xuebing1, 2, 3, 4, ZHANG Shaoming1

(1. General Research Institute for Nonferrous Metals, Beijing 100088, China; 2. GRIPM Advanced materials Co. Ltd., Beijing 101407, China;3. Beijing Hengyuan Tianqiao Powder Metallurgy Co. Ltd., Beijing 101407, China; 4. Research Institute Center for Metal Powder Eengineering Technology, Beijing 101407, China)

Using Al, Cu, Mg and Al-Si powders as raw materials, AlCuMgSi alloys with Cu mass fraction of 0%~6.0% were fabricated by liquid phase sintering. The effect of Cu content on microstructure and mechanical properties of the AlCuMgSi alloy were studied. The comparison sample was prepared at the same time with the same preparation technology using the foreign Al-3.8Cu-1.0Mg-0.75-Si powder as raw material. The results indicated that aluminum alloy containing Cu had more homogeneous organization, higher densification, hardness and tensile strength compared with AlMgSi alloy. The optimal properties of AlCuMgSi alloy with density of 98.9%, average HB of 64, tensile strength of 207 MPa and elongation of 2.1% were obtained when Cu content was 4.0%, which reached the international advanced level.

powder metallurgy; AlCuMgSi; aluminum alloy; Cu content; liquid phase sintering

TF124

A

1673−0224(2016)06−917−07

工信部“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项课题(2012ZX04009011)；国家高技术研究发展计划资助项目(2013AA031101)

2016−12−22；

2016−06−05

张少明，教授级高工。电话：010-82241884；E-mail: shmzhang@grinm.com