CN103266235A - 一种在高压强条件下铝硅粉末的固相合金化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了在高压强条件下铝硅粉末的固相合金化方法，应用的铝硅合金范围是铝的含量在10%～80%，其余含量均为硅。选取适当的铝粉和硅粉的粒度配比，将配好的铝粉和硅粉在三维方向上旋转球磨混合，然后放置在真空加热炉中活化处理，再放入碳钢钢套中在高压下低于熔点温度烧结，控制烧结时间，在铝和硅没有熔化的条件下，依靠扩散实现合金化。本发明是一种工艺流程短，成本低，可获得高质量硅铝合金的在高压强条件下铝硅粉末的固相合金化方法，制备的硅铝合金可以在电子器件材料或者功能性镀膜材料中获得广泛应用。

Description

一种在高压强条件下铝硅粉末的固相合金化方法

技术领域

本发明涉及一种针对铝粉和硅粉经过活化处理后，在高压强作用下低于其熔化温度的固相烧结实现合金化的方法，可应用于制备高致密度的铝硅合金。

背景技术

铝硅合金具有密度低、硬度高、导热性能好等优点，在耐磨活塞材料、电子封装材料和真空溅射镀膜材料等大量领域可以获得广泛的应用。在铝硅合金中，硅含量约12%～25%的合金可以用来制备轻质高强耐热的活塞缸体材料，在摩托车、汽车等发动机活塞上获得实际的应用。硅含量在27%～70%的铝硅合金，可以用来制备集成电路用电子封装材料，以取代传统的钨铜等高密度的合金，实现在航空航天等需要轻质材料的领域中应用。硅含量在70%～90%的铝硅合金，可以用来制备真空磁控溅射镀膜用合金靶材，制造在玻璃、金属或塑料等各种不同材料表面的物理气相沉积膜层，改善材料表面热性能、电性能、腐蚀性能和耐磨性能等。以上这些不同种类的铝硅合金可以通过不同的工艺来生产，但是针对不同应用领域的铝硅合金材料，生产的关键技术也有很大的差别，尤其是铝硅合金化过程中的冶金特点造成现有的制备技术存在各自不同的缺陷，很难生产出性能均匀的高品质铝硅合金材料。

目前，针对不同成分配比铝硅合金生产方法的特点，典型地归纳总结如下：

（1）熔炼铸造方式生产铝硅合金。采用该方法，硅铝合金中硅的含量很难提高到25％以上。在硅含量更高的合金制备时，合金的熔炼温度很高，达到1000℃～1600℃。此时铝氧化严重，而且这种方法制备的硅铝合金会生成粗大尺寸的初晶Si相，可以达到几个毫米长，严重影响合金性能，而且该方法生产的铝硅合金，铸造的缩孔、气孔等缺陷严重，成分偏析厉害。专利CN201210323997.5公开了一种采用熔炼铸造方法生产铝硅合金，该方法中硅的含量仅为5%～6%，而且还添加了钛、锌、铋的其他合金元素提高硅的合金化。专利CN200810068828.5公开了一种高硅铝合金的熔炼方法，其中硅的含量为18%～20%，熔炼温度在830℃以上，而且加入了铝稀土合金、铝磷合金、铝钛硼合金制成的变质剂才实现硅铝合金的熔炼。而专利CN200810013125.2也公开了一种硅含量在19%～21%，并且和铜、镁、铁、锌、锰等合金元素一起在900～950℃熔炼合金化的材料，并在专利CN201020559898.3中采用该熔炼铸造工艺制造高硅铝合金汽车发动机缸体。

（2）熔化后浸渗硅铝合金方法。专利CN200410043855.9提出一种硅在整体合金中所占的质量百分比为61.6％～70.8％的低膨胀超高硅铝合金及其制备方法，该方法是先将硅制备成一定密度和强度的多孔骨架，然后将熔化后的铝在压力作用下，逐渐浸渗到硅的空隙中。这种方法要预先制备多孔的硅骨架，工艺流程长，成本高，而且要预制硅骨架的原因，合金的成分无法做大的调整，因此该方法生产的硅铝合金总是被限制在一定的成分范围内（一般硅含量在60%～70%之间）。

（3）喷射沉积硅铝合金成型法。英国Osprey公司采用该方法制备了一系列Si-Al合金，该方法是目前报道过的可以生产不同成分配比铝硅合金种类最多的合金化方法，该方法是将铝硅合金熔化后的熔融液体，通过一个直径为几毫米的小孔流出，然后用氮气或者氩气等惰性气体雾化液流，形成大量的合金小液滴，液滴沉积在预先准备的沉积盘上获得铝硅合金锭坯。这种方法可生产成分范围在70%～27%Si的5种硅铝合金。但是采用该方法，生产出的硅铝合金在产品相对密度上一般在97%以下，甚至有的只有90%左右，很难满足使用要求。而且该生产方法必须使用Osprey公司具有专利权利的专用设备和专用技术，在生产中受到限制。

以上工艺，在生产铝硅合金时，总存在一些合金成分上、工艺方法上或者生产装备上的缺陷和限制，尤其在规模化生产时会有较大的难度。而随着太阳能电池、集成电路硅芯片、大功率电子元器件等新兴技术领域对铝硅合金应用需求的显著增加，需要开发出新的制造铝硅合金的生产技术，满足更多新型材料的应用要求。

本发明针对铝硅合金的制备，选取了粉末冶金生产技术，即不采用金属铝或者硅熔化后再铸造的生产方式，而是采用铝粉和硅粉的混合料作为原材料，在固相下实现铝和硅的冶金结合即合金化，来制备铝硅合金。与常规的铝粉和硅粉粉末冶金生产方式不同的是，本发明首先对铝粉和硅粉进行活化预处理，提高其混合料的合金化驱动力。尤其是在随后的粉末烧结过程中，为提高铝粉和硅粉合金化后的致密度，将铝粉和硅粉密封装在钢制模套中，在足够高的压强下，采用不超过铝硅合金熔点的温度进行烧结，使铝粉、硅粉连同外面的钢制模套一起变形被压实，确保了铝硅合金实现冶金结合而且致密度达到99.5%以上，接近理论密度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种工艺流程短，成本低，可获得高质量硅铝合金的在高压强条件下铝硅粉末的固相合金化方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供的在高压强条件下铝硅粉末的固相合金化方法，铝的质量分数含量在10%～80%，其余含量均为硅，步骤如下：

(1)、将配好的铝粉和硅粉在三维方向上旋转球磨，旋转转速为60次/分钟～100次/分钟，球磨混料时间为30分钟～60分钟；将球磨混合后的铝粉和硅粉放置在真空加热炉中，进行真空热处理，热处理的温度为200℃±10℃，真空度大于6.67×10^-2Pa，真空热处理时间为4h～6h；

(2)、真空处理后的铝粉和硅粉放入碳钢的钢套中，将钢套中的气体脱气后焊接密封，将钢套放入加热加压的炉子中进行烧结，烧结温度在500℃～620℃范围内，外加压力在120MPa～260MPa，从升温开始到降温结束整个过程达到20h～24h，在达到最高温度时，保持温度和压力时间达到4h～6h，获得接近理论密度值的高致密性合金锭坯；

(3)、将固相烧结完成的铝硅合金连碳钢外套一起放置在普通电炉中加热退火，加热温度为260～300℃，退火时间为12h～24h，然后随炉冷却，去除碳钢外套后即获得铝硅合金坯料，再按需要进行后续加工成成品即可。

铝粉的粒度小于硅粉的粒度。

铝粉粒径范围为7μm～30μm，硅粉粒径范围为50μm～100μm。

采用上述技术方案的在高压强条件下铝硅粉末的固相合金化方法，可以获得相对密度在99.5%以上接近理论密度值的烧结铝硅合金材料，本发明的优点在于：

1、针对铝硅合金的原材料铝粉和硅粉，选择了合适的粒度配比并进行了球磨和真空热处理来提高混合粉料的活性，提高了铝粉和硅粉的混合粉料在低于熔化温度下的相互扩散能力；

2、通过大幅度提高低温固相烧结时作用在粉末上的压强，实现了在低于熔化温度的条件下铝硅合金的合金化，有效地减少了铝粉和硅粉在高温下的氧化等不利影响，可以获得纯度和致密度都很高的铝硅合金，比其他工艺方法制备的铝硅合金性能更优良。

综上所述，本发明通过提高铝硅混合粉末的活性，使铝硅合金粉末实现在高压强条件下低温固相合金化，是一种工艺流程短，成本低，可获得高质量硅铝合金的在高压强条件下铝硅粉末的固相合金化方法，制备的硅铝合金可以在电子器件材料或者功能性镀膜材料中获得广泛应用。

附图说明

图1是经过活化后的铝硅合金粉末料；

图2是通过低温高压方法生产出的铝硅合金坯料；

图3是经过机械加工后的铝硅合金产品图片。

图4是铝硅合金显微组织结构及铝相、硅相的电子显微镜分析。

图5是显微组织中硅相的成分分析衍射峰。

图6是显微组织中铝相的成分分析衍射峰。

具体实施方式

本发明提供的在高压强条件下铝硅粉末的固相合金化方法，应用的铝硅合金范围是铝的含量在10%～80%（质量分数，本发明中未特殊说明处均为质量百分数）。其余含量均为硅，无其他任何添加剂。因此，只要确保原料中铝粉和硅粉的纯度，则可以确保合金中铝和硅的纯度，减少杂质。生产合金时，根据使用目标产品对铝含量的要求，采用电子天平称量适当质量的铝粉和硅粉。为确保两种不同性质的粉末混合均匀性，一般会选取适当的铝粉和硅粉的粒度配比，一般是铝粉的粒度小于硅粉的粒度，如铝粉粒径范围为7μm～30μm，硅粉粒径范围为50μm～100μm。本发明提供的详细的生产步骤如下：

（1）按成品中铝和硅的配比进行铝粉和硅粉的混料处理。将配好的铝粉和硅粉装在常规塑料容器中并初步混合，将铝粉和硅粉的混合料放入球磨混料机中进行充分混合，球磨筒中充入氩气进行保护，确保在混料过程中铝粉和硅粉不发生氧化。球磨时，球磨筒在三维方向上旋转，旋转转速为60次～100次/分钟，球磨混料时间为30分钟～60分钟；

（2）将球磨混合后的铝粉和硅粉的混合料进行活化处理。铝粉和硅粉的混合粉料从球磨筒中取出后，在尽量短的时间内（一般在30分钟以内）用不锈钢容器装好，放置在真空加热炉中，进行真空热处理，热处理的温度为200℃±10℃，真空度大于6.67×10^-2Pa，真空热处理时间为4h～6h。然后将真空处理后和混合料作为原料备用。活化后的铝硅合金粉末见图1。

（3）真空处理后的铝粉和硅粉混合料放入碳钢预先做成的钢套中，根据最终产品的形状需求，可将碳钢套做成圆柱状或者长方体形状，混合料的粉末放入后敦实，将钢套中的气体在真空条件下脱气，确保钢套中气体抽出后，然后再将钢套焊接密封。

（4）将钢套放入可加压加热的炉子中进行烧结。烧结过程中，为确保铝粉和硅粉不产生熔化反应产生成分不均或出现孔隙等缺陷，根据合金配料成分的不同，制定低于配料合金熔点的烧结温度。但合金在低温下烧结的合金化程度会受影响，因此，本发明采用大幅度提高烧结时外加压强和延长低温烧结时间的方式成功解决烧结温度低带来的负面影响。烧结温度根据合金中铝和硅的配比不同，控制在500℃～620℃范围内，而外加压力则加到120～260MPa，从升温开始到降温结束整个过程达到20h～24h，在达到最高温度条件时，保持温度和压力时间达到4h～6h，这样的低温高压条件下的固相烧结处理技术可以保证铝和硅在完全没有熔化的条件下，依靠扩散实现合金化，并获得接近理论密度值的高致密性合金锭坯。

（5）经过高压长时间烧结的铝硅合金，具有较大的残余应力，去除外加的高压强后，必须及时进行去应力退火处理。将固相烧结完成的铝硅合金连碳钢外套一起放置在普通电炉中加热退火，加热温度为260～300℃，退火时间为12h～24h，然后随炉冷却，去除碳钢外套后即获得铝硅合金坯料，再按需要进行后续加工成成品即可。

采用上述技术方案和生产步骤，可以获得相对密度在99.5%以上接近理论密度值的烧结铝硅合金材料，典型的经过固相烧结后去掉外面钢模套的铝硅合金坯料可见图2。将该铝硅合金坯料经过机械加工后获得的铝硅合金产品见图3。铝硅合金的内部显微组织结构及其相分析见图4。图5是显微组织中硅相的成分分析衍射峰。图6是显微组织中铝相的成分分析衍射峰。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

实施例1：

将平均粒径为7μm的铝粉和平均粒径为50μm的硅粉，按10%铝粉和90%硅粉的比例称量后混合，作为原材料备用。将混合料放入球磨混料机球磨筒，充入氩气后密封球磨筒。球磨筒三维旋转，旋转转速为60次/分钟，球磨混料时间为60分钟。将球磨混合后的铝粉和硅粉的混合料用不锈钢容器装好，放置在真空加热炉中，进行真空热处理，热处理的温度为210℃，确保真空度大于6.67×10^-2Pa，真空热处理时间为6h。真空处理后的铝粉和硅粉混合料放入碳钢预先做成的直径为300mm圆柱状碳钢钢套中，敦实粉末，将钢套中的气体在真空条件下除气，气体抽出后，将钢套焊接密封。将钢套放入可加热加压的炉子中进行烧结，烧结最高温度控制在620℃，外加压力则加到260MPa，从升温开始到降温结束整个过程为24h，当温度到达预设的615℃时，保持温度和压力的时间6h，然后冷却。冷却后的合金连同碳钢外套一起放置在普通电炉中加热退火，加热温度为300℃，退火时间为24h，然后随炉冷却，去除碳钢外套后即获得铝硅合金坯料。

实施例2：

将平均粒径为7μm的铝粉和平均粒径为100μm的硅粉，按80%铝粉和20%硅粉的比例称量后混合，作为原材料备用。将混合料放入球磨混料机球磨筒，充入氩气后密封球磨筒。球磨筒三维旋转，旋转转速为100次/分钟，球磨混料时间为30分钟。将球磨混合后的铝粉和硅粉的混合料用不锈钢容器装好，放置在真空加热炉中，进行真空热处理，热处理的温度为190℃，确保真空度大于6.67×10^-2Pa，真空热处理时间为4h。真空处理后的铝粉和硅粉混合料放入碳钢预先做成的直径为100mm圆柱状碳钢钢套中，敦实粉末，将钢套中的气体在真空条件下除气，气体抽出后，将钢套焊接密封。将钢套放入可加热加压的炉子中进行烧结，烧结最高温度控制在500℃，外加压力则加到120MPa，从升温开始到降温结束整个过程为20h，当温度到达预设的500℃时，保持温度和压力的时间4h，然后冷却。冷却后的合金连同碳钢外套一起放置在普通电炉中加热退火，加热温度为260℃，退火时间为12h，然后随炉冷却，去除碳钢外套后即获得铝硅合金坯料。

实施例3：

将平均粒径为30μm的铝粉和平均粒径为100μm的硅粉，按50%铝粉和50%硅粉的比例称量后混合，作为原材料备用。将混合料放入球磨混料机球磨筒，充入氩气后密封球磨筒。球磨筒三维旋转，旋转转速为80次/分钟，球磨混料时间为50分钟。将球磨混合后的铝粉和硅粉的混合料用不锈钢容器装好，放置在真空加热炉中，进行真空热处理，热处理的温度为200℃，确保真空度大于6.67×10^-2Pa，真空热处理时间为5h。真空处理后的铝粉和硅粉混合料放入碳钢预先做成500×200×200mm长方体形状碳钢钢套中，敦实粉末，将钢套中的气体在真空条件下除气，气体抽出后，将钢套焊接密封。将钢套放入可加热加压的炉子中进行烧结，烧结最高温度控制在560，外加压力则加到180MPa，从升温开始到降温结束整个过程为22h，当温度到达预设的560℃时，保持温度和压力的时间5h，然后冷却。冷却后的合金连同碳钢外套一起放置在普通电炉中加热退火，加热温度为280℃，退火时间为20h，然后随炉冷却，去除碳钢外套后即获得铝硅合金坯料。

Claims (3)

1.一种在高压强条件下铝硅粉末的固相合金化方法，铝的质量分数含量在10%～80%，其余含量均为硅，其特征是：步骤如下：

(1)、将配好的铝粉和硅粉在三维方向上旋转球磨，旋转转速为60次/分钟～100次/分钟，球磨混料时间为30分钟～60分钟；将球磨混合后的铝粉和硅粉放置在真空加热炉中，进行真空热处理，热处理的温度为200℃±10℃，真空度大于6.67×10^-2Pa，真空热处理时间为4h～6h；

(2)、真空处理后的铝粉和硅粉放入碳钢的钢套中，将钢套中的气体脱气后焊接密封，将钢套放入加热加压的炉子中进行烧结，烧结温度在500℃～620℃范围内，外加压力在120MPa～260MPa，从升温开始到降温结束整个过程达到20h～24h，在达到最高温度时，保持温度和压力时间达到4h～6h，获得接近理论密度值的高致密性合金锭坯；

(3)、将固相烧结完成的铝硅合金连碳钢外套一起放置在普通电炉中加热退火，加热温度为260～300℃，退火时间为12h～24h，然后随炉冷却，去除碳钢外套后即获得铝硅合金坯料，再按需要进行后续加工成成品即可。

2.根据权利要求1所述的在高压强条件下铝硅粉末的固相合金化方法，其特征是：铝粉的粒度小于硅粉的粒度。

3.根据权利要求2所述的在高压强条件下铝硅粉末的固相合金化方法，其特征是：铝粉粒径范围为7μm～30μm，硅粉粒径范围为50μm～100μm。

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