[发明专利]铝粉末金属合金化方法

说明书

相关申请的交叉参考

本申请要求2010年10月4日提交的题为“铝粉末金属合金化方法”的美国临时专利申请第61/389,512号的优先权。该申请全部内容通过引用结合入本文。

关于联邦资助研究或开发的声明

无。

技术背景

本发明涉及粉末冶金法。具体地，本发明涉及用于粉末冶金法的粉末金属配方。

粉末冶金法是传统金属成形技术例如浇铸法的一种替代技术。使用粉末冶金法，可以制造具有复杂几何形貌的部件，该部件具有与最终部件中所需尺寸非常接近的尺寸。该尺寸精度可以节省大量用于机械加工或者再加工的费用，特别是对于那些大批量生产的部件更是如此。

由粉末冶金法制得的部件通常以如下方式形成。首先，在压力条件下将包含一种或多种粉末金属和润滑剂材料的配方在工具和模具组中压实，以形成PM压制品。然后加热此PM压制品以去除润滑剂材料，并通过基于扩散的质量传输将粉末金属的单独颗粒烧结到一起。通常通过将粉末金属材料加热至略低于或高于其固相线温度的温度来进行烧结。当保持在低于固相线时，在缺少液相的情况下发生烧结。这通常被称作固态烧结。当保持在高于固相线时，形成了受控部分的液相。这种方式的烧结称作液相烧结。无论采用何种烧结温度，烧结部分的形状与原始压制品非常相似。

在烧结过程中，部件尺寸通常会发生收缩。当发生扩散时，相邻颗粒会相互颈缩以形成永久的相互结合，并开始填充颗粒之间的任意空穴。相比于压制品，该致密化使得孔隙尺寸靠近和/或下降，并降低了烧结部件的总体尺寸。但是，即使是烧结时间较长，仍会在烧结部件中留下一些空穴。不幸的是，对于未达到完全致密的烧结部件，此类烧结部件的机械强度通常略小于锻造部件的机械强度。

此外，在许多烧结部件中，收缩可以是任意原因的，具有各种不同方向的收缩。此类各向异性收缩会改变刚烧结的最终部件的尺寸精度，在一些情况下，可能要求在烧结之后对部件进行再加工。

因此，存在改进粉末金属的需求。具体来说，对于这样的粉末金属存在持续的需求，该粉末金属在烧结后具有与其锻造对应物接近的机械强度并且不会发生各向异性收缩。

发明内容

本发明揭示了一种改进的铝粉末金属以及粉末金属的相关制造方法，该方法减少了由粉末金属制造的部件的烧结过程中的变形。通过在整个粉末金属中以较均匀的方式用锆掺杂铝粉末金属，至少部分减少了铝粉末金属的变形量。此外，本发明揭示了所述粉末金属组合物的配方，其包含一定量的锡，所述一定量的锡改进了杨氏模量，使其令人惊讶并且出乎意料地接近通过浇铸等方法制造的完全致密材料的杨氏模量。

本发明揭示了一种用于生产粉末金属部件的粉末金属的制造方法。该方法包括形成铝-锆熔体，其中所述铝-锆熔体中的锆含量小于熔体的2.0重量%。使所述铝-锆熔体粉末化以形成锆掺杂的铝粉末金属。

在该方法的一个形式中，粉末化步骤可包括使铝-锆熔体空气雾化。在该方法的其他形式中，使铝-锆熔体粉末化以形成锆掺杂的铝粉末金属可包括用除了空气之外的气体（例如氮气、氩气或者氦气）进行雾化、粉碎、研磨、化学反应和/或电解沉积。

可以由锆掺杂的铝粉末金属形成粉末金属部件。粉末金属部件中的锆含量可基本等于用于形成所述粉末金属部件的锆掺杂的铝粉末金属中锆含量，这表示没有通过元素粉末或作为部分母合金加入锆，或者通过元素粉末或作为部分母合金加入了极少量的锆。锆掺杂的铝粉末金属可在用于形成粉末金属部件的烧结过程中抑制粉末金属部件的变形。所述粉末金属部件可包含小于2.0重量%的锆。

锆掺杂的铝粉末金属可与其他粉末金属混合以提供至少一种其他合金化元素。通过混合锆掺杂的铝粉末金属和另一种粉末金属，形成了混合的粉末金属，所述混合的粉末金属之后可用于形成粉末金属部件。

在一个形式中，其他粉末金属可包含锡作为合金化元素。所述锡可作为元素粉末加入到锆掺杂的铝粉末金属中或者预合金化作为母合金的一部分。锡可以占混合粉末金属的约0.2重量%。显示由锡占约0.2重量%的混合粉末金属制得的粉末金属部件的的杨氏模量高于70GPa，并且接近80Gpa。该杨氏模量值类似于通过传统金属成形方法例如浇铸制得的完全致密部件的杨氏模量。

本发明还揭示了通过上述方法制得的粉末金属。所述粉末金属是锆掺杂的铝粉末金属，其中锆均匀分布在整个锆掺杂的铝粉末金属中，并且，所述锆掺杂的铝粉末金属含有小于2.0重量%的锆。

在一些形式的粉末金属中，粉末金属可含有作为元素粉末或者预合金化的约0.2重量%的锡。