TWI760277B - 鋁合金粉體組成物及其熱處理製備方法 - Google Patents
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Abstract
本發明關於一種鋁合金粉體組成物及其熱處理製備方法，熱處理製備方法包含：步驟一，將低氧鋁合金粉末以一壓力壓胚成型，以獲得低氧鋁合金粉塊，且低氧鋁合金粉塊的粉末密度達到至少99%；步驟二，將低氧鋁合金粉塊以一連續燒結步驟處理，以獲得一中間產物；以及步驟三，將中間產物進行一熱處理步驟，以獲得一鋁合金粉體組成物；其中步驟二的連續燒結步驟包含步驟 (a)，於600~620℃處理1~3小時；步驟 (b)，於620~650℃處理1~3小時；步驟 (c)，於600~620℃處理1~3小時；以及步驟 (d)，於550~600℃處理1~3小時。
Description
本發明關於一種鋁合金粉體組成物及其熱處理製備方法，可用鋁合金粉末冶金製程。
不論是球型或者不規則型鋁合金粉末，其表面都會有氧化鋁皮膜；鋁合金粉末質地軟，容易壓胚成型，但所壓出來的鋁合金胚料黏結性差而容易崩壞。若進一步將鋁合金粉末壓胚所得到的胚料進行燒結，所得到的產物強度低與脆性高，而無法進行後續的利用。導致此結果的可能性包含，鋁合金胚料含氧量高，燒結條件無法裂解氧化鋁皮膜；又鋁合金粉末的粉體黏結性低，造成粉體之間的液相反應區不足夠，而無法於燒結時達成「固體-液體燒結效果」；此外，鋁合金中有低熔點共晶相特性，會造成燒結偏析、誘發凝固脆性；因此，目前幾乎沒有使用鋁合金粉末冶金的相關技術。
今，發明人有鑑於現有鋁合金粉末冶金的相關技術於實際使用時仍有可改進之處，於是乃一本孜孜不倦之精神，並藉由其豐富專業知識及多年之實務經驗所輔佐，而加以改善，並據此研創出本發明。
本發明關於一種鋁合金粉體組成物及其熱處理製備方法，製備方法包含：步驟一，將一低氧鋁合金粉末以一壓力進行壓胚成型，以獲得一低氧鋁合金胚料，且該低氧鋁合金胚料的粉末密度達到至少99%；步驟二，將該低氧鋁合金胚料以一連續燒結步驟處理，以獲得一中間產物；以及，步驟三，將該中間產物進行一熱處理步驟，以獲得一高延展性鋁合金粉末組合物；其中步驟二的連續燒結步驟包含：步驟 (a)，於600~620℃處理1~3小時；步驟 (b)，於620~650℃處理1~3小時；步驟 (c)，於600~620℃處理1~3小時；以及步驟 (d)，於550~600℃處理1~3小時。
於本發明之一實施例中，低氧鋁合金粉末的型態為球型或不規則形其中至少之一。
於本發明之一實施例中，低氧鋁合金粉末包含鋁鎳銅合金粉末、鋁鎂合金粉末、鋁矽鎂合金粉末、鋁銅合金粉末或是鋁鋅鎂合金粉末。
於本發明之一實施例中，步驟一中壓胚成型使用的壓力為180~250 Kg/cm
2。
於本發明之一實施例中，步驟二的連續燒結步驟的步驟 (a)與步驟(b)的燒結時使用的氣體包含95%氮氣與5%氫氣，以及步驟 (c)與步驟 (d)的燒結時使用的氣體包含100%氮氣。
於本發明之一實施例中，步驟二之連續燒結步驟的步驟 (a)為於600℃處理1小時，步驟 (b)為於625℃處理1小時，步驟 (c)為於600℃處理1小時；以及步驟 (d)為於575℃處理1小時。
於本發明之一實施例中，步驟三的熱處理步驟，包含依序進行的大氣超高溫固溶步驟、大氣低溫成核步驟與中溫時效步驟；大氣超高溫固溶步驟係於500~600℃作用1-3小時，大氣低溫成核步驟係於90~150℃作用1-3小時，以及中溫時效步驟係於120~200℃作用1-3小時。
以本發明製備的鋁合金粉體組成物，其常溫拉伸強度介於300~600 MPa，高溫拉伸強度介於120~280 MPa，延展性介於5~20%，且硬度介於HRB80~95；此外，其旋轉壽命次數大於80000次、衝擊能介於5~9.5 J、抗電磁波能力介於-10~-30 dB、以及耐磨耗介於4~6.6 g/g 10
-5。
藉此，本發明提供一種能夠有效將鋁合金粉體進行加工冶金的方法，所製得的產物也具有良好特性，可供後續的應用。
為令本發明之技術手段其所能達成之效果，能夠有更完整且清楚的揭露，茲詳細說明如下，請一併參閱揭露之圖式。
本發明關於一種鋁合金粉體組成物及其製備方法，製備方法包含：步驟一，將一低氧鋁合金粉末以190~250 Kg/cm
2進行壓胚成型，以獲得一低氧鋁合金胚料，且該低氧鋁合金胚料的粉末密度達到至少99%，其中低氧鋁合金粉末的型態為球型或不規則形其中至少之一，且低氧鋁合金粉末包含鋁鎳銅合金粉末、鋁鎂合金粉末、鋁矽鎂合金粉末、鋁銅合金粉末或是鋁鋅鎂合金粉末；
步驟二，將該低氧鋁合金胚料以一連續燒結步驟處理，以獲得一中間產物，連續燒結步驟包含：步驟 (a)，於600~620℃處理1~3小時；步驟 (b)，於620~650℃處理1~3小時；步驟 (c)，於600~620℃處理1~3小時；以及步驟 (d)，於550~600℃處理1~3小時，且步驟 (a)與步驟 (b)的燒結時使用的氣體包含95%氮氣與5%氫氣，以及步驟 (c)與步驟 (d)的燒結時使用的氣體包含100%氮氣；較佳的，連續燒結步驟的步驟 (a)為於600℃處理1小時，步驟 (b)為於625℃處理1小時，步驟 (c)為於600℃處理1小時；以及步驟 (d)為於575℃處理1小時；以及，
步驟三，將該中間產物進行一熱處理步驟，以獲得一高延展性鋁合金粉末；熱處理步驟包含依序進行的大氣超高溫固溶步驟、大氣低溫成核步驟與中溫時效步驟；大氣超高溫固溶步驟係於500~600℃作用1-3小時，大氣低溫成核步驟係於90~150℃作用1-3小時，以及中溫時效步驟係於120~200℃作用1-3小時。
以本發明製備的鋁合金粉體組成物，其常溫拉伸強度介於300~600 MPa，高溫拉伸強度介於120~280 MPa，延展性介於5~20%，且硬度介於HRB 80~95；此外，其旋轉壽命次數大於80000次、衝擊能介於5~9.5 J、抗電磁波能力介於-10~-30 dB、以及耐磨耗介於4~6.6 g/g 10
-5。
另，藉由下述具體實施例，進一步證明本發明可實際應用之範圍，但不意欲以任何形式限制本發明之範圍
實施例一
實施例一為不同鋁合金粉末的性質測試，所測試的鋁合金粉末包含鋁鎳銅(Al-Ni-Cu)合金、鋁鎂(Al-Mg)合金、鋁矽鎂(Al-Si-Mg)合金、鋁銅(Al-Cu)合金以及鋁鋅鎂(Al-Zn-Mg)合金。
本實施例中的鋁鎳銅合金包含4.0-8.0 wt.%的鎳、2.0-4.0 wt.%的銅、以及剩餘重量百分比的鋁；鋁鎂合金包含4.0-8.0 wt.%的鎳、以及剩餘重量百分比的鋁；鋁矽鎂合金包含10.0-12.0 wt.%的矽、1.0-2.0 wt.%的鎂、以及剩餘百分比的鋁；鋁銅合金包含4.0-8.0 wt%的銅以及剩餘百分比的鋁；鋁鋅鎂合金包含5.0-8.0 wt%的鋅、2.0-4.0 wt%的鎂、以及剩餘百分比的鋁。
本實施例使用的鋁鎳銅合金，鎳含量介於4.0-8.0 wt.%時，會產生大量的第二相Al
3Ni；若鎳含量高於8.0 wt.%時，鋁元素的結構會由原本面心立方晶格 (Face Center Cubic)轉變為體心立方晶格(Body-Centered Cubic)，而於燒結後造成凝固偏析，進而弱化機械性質；另，本實施例鋁鎳銅合金的銅含量至少為2.0 wt.%，所生成的Al
2Cu結構才會穩定，若銅含量高於4.0 wt.%時，Al
2Cu會影響Al
3Ni的分佈型態，也會使所製備鋁鎳銅合金被誤認成2000系的鋁銅合金。
鋁鎂合金中，若是增加鎂的添加量，會使固溶強化效果更佳，且會降低鋁鎂合金的熔點，但在凝固時就會則容易生成粗大Al
3Mg
2金屬間化合物，進而影響材料延展性；因此，本實施例使用的鋁鎂合金，將鎂的比例控制於4.0-8.0 wt.%。
鋁矽鎂合金中，矽可提高鋁矽合金的硬度以及降低合金的熔點，當矽的含量達到12.0 wt.%時，為鋁矽共晶組成，若矽含量超過12.0 wt.%時，鋁矽合金的熔點會大幅提高，更會生成粗大矽顆粒，因此將矽含量控於10.0-12.0 wt.%；又，在鋁矽合金中添加鎂，會生成: Mg
2Si強化相，但是若鎂含量超過2 wt.%，鎂會過剩，會軟化鋁矽合金，所以鎂含量控制在1-2 wt.%
本實施例使用的鋁銅合金中，銅添加會降低鋁銅合金的熔點，但銅添加量超過8 wt.%，Al
2Cu相會大幅增加而導致脆性效應，也會降低鋁銅合金的高溫強度與耐腐蝕能力。因此，銅添加量控制在4-8wt.%
本實施例使用的鋁鋅鎂合金中，鋅的添加會降低鋁鋅合金熔點，再添加鎂後，會能形成MgZn
2的強化相；當鋅的含量超過8.0 wt.%，會導致鋁鋅合金的延性極低，同時當鎂的添加量超過4.0 wt.%，因為鋅含量與鎂含量的比值低，則無法彰顯出鋁鋅鎂合金的強度，因此本實施例使用的鋁鋅鎂合金，鋅的含量控制在5.0-8.0 wt.%，且鎂的含量控制在2.0-4.0 wt.%。
上述各種鋁合金粉末的測試結果請見表一，其中。
表一
| 強度 | 延性 | 硬度 | 耐腐蝕 | 抗電磁波 | 耐高溫 | |
| 鋁鎳銅合金 | 優秀 | 優秀 | 優秀 | 優秀 | 優秀 | 優秀 |
| 鋁鎂合金 | --- | 優秀 | --- | 優秀 | --- | 優秀 |
| 鋁矽鎂合金 | --- | 優秀 | 優秀 | --- | --- | --- |
| 鋁銅合金 | 優秀 | 優秀 | 優秀 | --- | 優秀 | 優秀 |
| 鋁鋅鎂合金 | 優秀 | --- | 優秀 | --- | 優秀 | --- |
實施例二
將上述的各種鋁合金粉末，分別以190-200 kg/ cm
2的壓力進行壓胚成型，使粉末密度達到99%以上，以獲得各種鋁合金胚料，接著測試各種金胚料的特性，結果請參見表二，因為五種鋁合金粉末的化學組成差異大，所以所得到的鋁合金胚料硬度也都不同。
表二
| 粉末流動性 | 成型壓力 (kg/ cm 2) | 胚料密度 | 胚料蕭氏硬度(ASTM D2240) | |
| 鋁鎳銅合金 | 優秀 | ＞190 | ＞99% | 80 |
| 鋁鎂合金 | 優秀 | ＞190 | ＞99% | 71 |
| 鋁矽鎂合金 | 優秀 | ＞190 | ＞99% | 82 |
| 鋁銅合金 | 優秀 | ＞190 | ＞99% | 76 |
| 鋁鋅鎂合金 | 優秀 | ＞190 | ＞99% | 82 |
實施例三
將上述的各種鋁合金胚料先放置於一氧化鋁盒板蓋內，進行一連續燒結步驟，連續燒結步驟包含：步驟 (a)，於600~620℃處理1~3小時；步驟 (b)，於620~650℃處理1~3小時；步驟 (c)，於600~620℃處理1~3小時；以及步驟 (d)，於550~600℃處理1~3小時，以獲得各種燒結鋁合金試片。
本實施例中，連續燒結步驟的條件為：步驟 (a)，於600℃、燒結氣氛為95%氮氣+5 %氫氣的條件中，處理1小時；步驟 (b)，於625℃、燒結氣氛為95%氮氣+5 %氫氣的條件中，處理1小時；步驟 (c)，於600℃、燒結氣氛為100%氮氣的條件中，處理1小時；以及步驟 (d)，於575℃、燒結氣氛為100%氮氣的條件中，處理1小時。接著再測試各種燒結鋁合金試片的性質，結果請見表三。
表三
| 拉伸強度 | 延伸率 | 密度 | HRB硬度 | |
| 鋁鎳銅合金 | 135 MPa | 2.7% | 100% | 70 |
| 鋁鎂合金 | 118 MPa | 3.8% | 100% | 62 |
| 鋁矽鎂合金 | 106 MPa | 5.0% | 100% | 80 |
| 鋁銅合金 | 127 MPa | 2.2% | 100% | 76 |
| 鋁鋅鎂合金 | 146 MPa | 2.1% | 100% | 80 |
實施例四
此實施例中，是進一步將上述獲得的燒結鋁合金試片，進一步以一熱處理步驟作用，熱處理步驟包含依序進行的大氣超高溫固溶步驟、大氣低溫成核步驟與中溫時效步驟；大氣超高溫固溶步驟係於500~600℃作用1-3小時，冷卻後再進行大氣低溫成核步驟與中溫時效步驟，大氣低溫成核步驟係於90~150℃作用1-3小時，以及該中溫時效步驟係於120~200℃作用1-3小時；低溫成核步驟與中溫時效步驟後再將產物冷卻，以獲得一鋁合金粉體組成物。
本實施例中，燒結鋁合金試片，是在紅外線爐中進行大氣超高溫固溶步驟，以避免長時間的升溫造成燒結鋁合金試片表面氧化；又大氣低溫成核步驟與中溫時效步驟也是使用紅外線爐進行，以使兩階段的溫度變化可以迅速切換；表四為五種燒結鋁合金試片的熱處理步驟的條件。
表四
| 超高溫固溶 | 冷卻 | 低溫成核 | 中溫時效 | 冷卻 | 強化機制 | 強化相 | |
| 鋁鎳銅合金 | 580℃，2小時 | 淬水 | 1350C-1小時 | 175℃，1小時 | 空氣冷卻 | 析出強化 | Al 3(Ni,Cu) |
| 鋁鎂合金 | 530℃，2小時 | 淬水 | 120℃，0.5小時 | 185℃，0.5小時 | 空氣冷卻 | 固溶強化 | Mg |
| 鋁矽鎂合金 | 530℃，2小時 | 淬水 | 145℃，1小時 | 175℃，1小時 | 空氣冷卻 | 析出強化 | Mg 2Si |
| 鋁銅合金 | 560℃，2小時 | 淬水 | 135℃，1小時 | 190℃，1小時 | 空氣冷卻 | 析出強化 | Al 2Cu |
| 鋁鋅鎂合金 | 500℃，2小時 | 淬水 | 95℃，1小時 | 120℃，1小時 | 空氣冷卻 | 析出強化 | MgZn 2 |
表五為熱處理後獲得的鋁合金粉體組成物的常溫拉伸強度、延展性、常溫硬度、高溫拉伸強度以及鹽霧試驗的測試結果。常溫拉伸強度是指鋁合金粉體組成物於室溫的拉伸強度，高溫拉伸強度是指鋁合金粉體組成物於300℃的拉伸強度，硬度為HRB硬度，而鹽霧試驗是將鋁合金粉體組成物於35℃、5 wt.%氯化鈉水溶液處理72小時，並觀察鋁合金粉體組成物的鏽蝕狀況
表五
| 常溫強度 | 延展性 | 常溫硬度 | 高溫強度 | 鹽霧試驗 | |
| 鋁鎳銅合金 | 550 MPa | 10% | 86 | 250 MPa | 通過 |
| 鋁鎂合金 | 320 MPa | 18% | 75 | 132 MPa | 通過 |
| 鋁矽鎂合金 | 360 MPa | 16% | 78 | 166 MPa | 未通過 |
| 鋁銅合金 | 480 MPa | 12% | 90 | 235 MPa | 未通過 |
| 鋁鋅鎂合金 | 560 MPa | 8% | 95 | 140 MPa | 未通過 |
表六為熱處理後獲得的鋁合金粉體組成物的疲勞強度、衝擊能、抗電磁波以及耐磨耗的測試結果。
疲勞試驗又稱為旋轉壽命次數，其測試條件為荷重2Kg，而用於測試的鋁合金粉體組成物試片尺寸為直徑6 mm、長度130 mm。
衝擊試驗(Charpy Impact test)是測試鋁合金粉體組成物的吸收能，其單位為焦耳(J)。
抗電磁波的測試條件為使用頻率3 GHz的電磁波，測試受測物的電磁干擾(EMI)，其單位為dB，受測物EMI的數值越大，表示其抗電磁波能力愈佳。
耐磨耗測試是以粒徑300 μm氧化鋁砂顆粒、以30度角、壓力3 Kg/mm
2進行沖蝕鋁合金組成物，以測試其磨耗情形，測試結果的單位為g/g x10
-5，測試的數值越大、表示受測物的耐磨耗愈差。
表六
| 疲勞強度 | 吸收能 | 抗電磁波 | 耐磨耗 | |
| 鋁鎳銅合金 | ＞80000 | 7.61 J | -28 dB | 4.8 |
| 鋁鎂合金 | ＞75000 | 6.02 J | -20 dB | 6.2 |
| 鋁矽鎂合金 | ＞60000 | 5.94 J | -16 dB | 5.6 |
| 鋁銅合金 | ＞70000 | 8.30 J | -24 dB | 4.4 |
| 鋁鋅鎂合金 | ＞75000 | 9.22 J | -20 dB | 4.2 |
綜上，本發明之鋁合金粉體組成物及其製備方法，提供了一種鋁合金粉末的冶金方法，且所製得的產物也具有良好的耐磨耗、耐鹽霧腐蝕性質，再經過鹽誤測試後72小時後表面仍沒有鏽斑。
綜上所述，本發明鋁合金粉體組成物及其熱處理製備方法，的確能藉由上述所揭露之實施例，達到所預期之使用功效，且本發明亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求。爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。
惟，上述所揭之說明，僅為本發明之較佳實施例，非為限定本發明之保護範圍；其；大凡熟悉該項技藝之人士，其所依本發明之特徵範疇，所作之其它等效變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之設計範疇。
無
無
無
Claims (7)
- 一種鋁合金粉體組成物的製備方法，包含：步驟一：將一低氧鋁合金粉末以一壓力進行壓胚成型，以獲得一低氧鋁合金粉塊，且該低氧鋁合金粉塊的粉末密度達到至少99%；步驟二：將該低氧鋁合金粉塊以一連續燒結步驟處理，以獲得一中間產物，其中該連續燒結步驟包含步驟(a)，於600~620℃處理1~3小時；步驟(b)，於620~650℃處理1~3小時；步驟(c)，於600~620℃處理1~3小時；以及步驟(d)，於550~600℃處理1~3小時，其中該步驟(a)與該步驟(b)的燒結氣體包含95%氮氣與5%氫氣，以及該步驟(c)與該步驟(d)的燒結氣體包含100%氮氣；以及步驟三：將該中間產物依序進行一大氣超高溫固溶步驟、一大氣低溫成核步驟與一中溫時效步驟，以獲得一鋁合金粉體組成物，其中該大氣超高溫固溶步驟係於500~600℃作用1-3小時，該大氣低溫成核步驟係於90~150℃作用1-3小時，以及該中溫時效步驟係於120~200℃作用1-3小時。
- 如請求項1所述之製備方法，其中該低氧鋁合金粉末的型態為球型或不規則形其中至少之一。
- 如請求項1所述之製備方法，其中該低氧鋁合金粉末包含鋁鎳銅合金粉末、鋁鎂合金粉末、鋁矽鎂合金粉末、鋁銅合金粉末或是鋁鋅鎂合金粉末。
- 如請求項1所述之製備方法，其中步驟一中壓胚成型使用的該壓力為190~200Kg/cm2。
- 如請求項1所述之製備方法，其中步驟二之該連續燒結步驟之該步驟(a)為於600℃處理1小時，該步驟(b)為於625℃處理1小時，該步驟(c)為於600℃處理1小時；以及該步驟(d)為於575℃處理1小時。
- 一種鋁合金粉體組成物，係以請求項1至5所述任一項之製備方法所製得，其中該鋁合金粉體組成物的常溫拉伸強度介於300~600MPa，高溫拉伸強度介於120~280MPa，延展性介於5~20%，且硬度介於HRB80~95。
- 如請求項6所述之鋁合金粉體組成物，其旋轉壽命次數大於80000次、衝擊能介於5~9.5J、抗電磁波能力介於-10~-30dB、以及耐磨耗介於4~6.6g/g 10-5。
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