馬萬太，蔣云澤，冷 晟

（1.南京航空航天大學(xué)，南京 210016；2.江蘇豪然噴射成形合金有限公司，鎮(zhèn)江 212200）

0 前言

Al-25Si-4Cu-Mg合金是一種過共晶合金，具有密度小、熱膨脹系數(shù)低、體積穩(wěn)定性及耐磨耐蝕性好、彈性模量高等特點(diǎn)，并具有一定的高溫強(qiáng)度。作為高溫、高負(fù)荷、高速滑動摩擦部件耐磨材料，該合金廣泛應(yīng)用于汽車發(fā)動機(jī)、壓縮機(jī)的活塞、轉(zhuǎn)子、氣缸襯套、進(jìn)氣門及氣門座等[1-2]。由于Al-25Si-4Cu-Mg合金的Si含量高達(dá)25%，采用常規(guī)熔鑄制備工藝時存在初晶硅顆粒粗大、共晶硅呈針片狀等問題。噴射成形作為一種快速凝固技術(shù)，已成為高硅含量鋁合金材料的主流制備方法之一，如德國PEAK公司采用噴射成形工藝生產(chǎn)的Al-25Si-4Cu-Mg合金氣缸套已大量應(yīng)用在奔馳、奧迪、寶馬等高端汽車發(fā)動機(jī)中[3]。

在噴射成形過程中，一部分霧化液滴未能沉積并凝固形成過噴粉末，過噴粉末是噴射成形生產(chǎn)過程唯一的副產(chǎn)品，約占投料重量的20%。過噴粉末的存在帶來了兩個方面的問題：（1）直接導(dǎo)致噴射成形工藝成本增加及資源浪費(fèi)；（2）鋁硅粉末屬于二類易燃爆物，對噴射成形生產(chǎn)造成安全隱患。近年來，對噴射成形過噴粉末及其資源化利用技術(shù)的研究逐步得到關(guān)注?？蹈4]、樊文軍[5]、杜春風(fēng)[6]分別對鎳基高溫合金、GCr15鋼、Zn60Al32Cu2Si6合金噴射成形過噴粉末的微觀組織形貌、物相組成、粒度分布等特性進(jìn)行了研究；皮自強(qiáng)[7]在對825K高速鋼過噴粉末特性分析基礎(chǔ)上，研究了過噴粉末的燒結(jié)工藝及材料性能。在粉塵燃爆特性研究方面，現(xiàn)有的研究主要針對鋁粉、鋁合金粉、鋁鎂合金粉[8-10]，而高硅鋁合金粉塵燃爆特性方面的研究則較少。

本文通過對Al-25Si-4Cu-Mg合金噴射成形過噴粉末的物化特性及其粉塵燃爆特性的研究，深入了解和掌握過噴粉末粒徑分布、形貌特征、物相組成，以及粉塵的最小點(diǎn)火能、最低著火溫度與爆炸特性參數(shù)，為過噴粉末的資源化利用和噴射成形設(shè)備防爆設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 Al-25Si-4Cu-Mg合金噴射成形制備工藝

采用江蘇豪然噴射成形合金有限公司的雙噴嘴噴射成形工藝制備Al-25Si-4Cu-Mg錠坯，制備原理如圖1所示。按照名義成分配比各合金元素，其中，Si為Al-50Si中間合金。主要噴射工藝參數(shù)為：漏包熔體噴射溫度860～890℃，熔體流率13.0 kg/min，霧化壓力1.1 MPa，噴射高度650 mm，噴嘴掃描頻率9 Hz，收集器旋轉(zhuǎn)速度83 r/min。噴射成形制備得到的Al-25Si-4Cu-Mg錠坯直徑為380 mm，如圖2所示。

圖1 噴射成形原理

圖2 Al-25Si-4Cu-Mg噴射成形錠坯

在噴射成形過程中，部分Al-25Si-4Cu-Mg霧化液滴未能沉積在錠坯表面，凝固形成了過噴粉末。其中，95%的過噴粉末通過旋風(fēng)分離式除塵器沉淀在集粉箱中，極少部分的超細(xì)粉末隨氮?dú)膺M(jìn)入布袋除塵器進(jìn)行二級除塵。

噴射結(jié)束待過噴粉末冷卻后（期間采用氮?dú)膺M(jìn)行冷卻），從除塵器集粉箱中收集粉末，采用真空封裝和非真空封裝兩種方式保存。

2 Al-25Si-4Cu-Mg過噴粉末的物理特性

分別對9組Al-25Si-4Cu-Mg過噴粉末和噴射成形錠坯的9組不同部位（頭部、中部、尾部的中心、邊緣和1/2半徑處）樣品進(jìn)行成分檢測。表1為Al-25Si-4Cu-Mg過噴粉末實(shí)測成分與名義成分及噴射成形錠坯實(shí)測成分對比表。可以看到過噴粉末和噴射成形錠坯的各主要元素含量與理論成分差別很小，各元素的成分波動也較小，體現(xiàn)了快速凝固噴射成形工藝在控制成分偏析上的優(yōu)勢。

表1 Al-25Si-4Cu-Mg粉末的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

采用MT-1001K粉體物性測定儀對過噴粉末的松裝密度、振實(shí)密度和流動性進(jìn)行測試。Al-25Si-4Cu-Mg過噴粉末的松裝密度和振實(shí)密度較高，分別為1.25 g/cm3和1.79 g/cm3，分別達(dá)到材料理論密度 的45.45%和69.12%。粉 末 的 休 止 角 為40.16°，表明過噴粉末具有較好的流動性能。

采用惰性氣體熔融紅外吸收法對粉末氧含量進(jìn)行測定。非真空封裝粉末氧含量為0.019%，真空封裝粉末的氧含量小于0.01%，表明真空封裝對粉末氧含量的控制作用較明顯，滿足粉末加工規(guī)定的氧含量要求。

2.1 Al-25Si-4Cu-Mg過噴粉末的粒度分布

選用80目篩網(wǎng)對Al-25Si-4Cu-Mg過噴粉末進(jìn)行篩分處理，以除去粉末中的大顆粒及片狀物質(zhì)。采用MS-2000型激光粒度分析儀對粉末進(jìn)行粒徑分析，粒徑分布如圖3所示。Al-25Si-4Cu-Mg過噴粉末粒徑呈正偏態(tài)分布，粉末粒徑的D10、D50（中值粒徑）和D90分別對應(yīng)為9.76 μm、30.20 μm和88.48 μm，粒徑眾數(shù)為24.35 μm，平均粒徑為43.12 μm。

圖3 Al-25Si-4Cu-Mg過噴粉末粒徑分布

由圖3可以看出，過噴粉末中小尺寸顆粒占比較大。其原因是，在噴射成形霧化過程中，小尺寸粉末顆粒慣性小，容易從霧化錐脫逸而形成過噴粉末；另一方面，由于小尺寸粉末顆粒的凝固速度更快，到達(dá)沉積面時已經(jīng)完全凝固，粘附力較小，容易從沉積面飛濺出去。

過噴粉末粒徑在99%置信水平下的理論分布范圍為4.52～101.20 μm。相比于單一尺寸粉末而言，較寬的粉末粒徑分布范圍的粉末振實(shí)性更好。在粉末振實(shí)過程中，小尺寸粉末易于填補(bǔ)大尺寸顆粒之間的縫隙，增大顆粒的接觸面積，有利于提高粉末振實(shí)密度。

2.2 Al-25Si-4Cu-Mg過噴粉末的形貌特征

采用JSM-6360LV型掃描電鏡觀察Al-25Si-4Cu-Mg過噴粉末的形貌特征，結(jié)果如圖4所示。

圖4 Al-25Si-4Cu-Mg過噴粉末的形貌特征

從圖中可以看出，Al-25Si-4Cu-Mg過噴粉末大部分顆粒呈球形或類球形，極少部分呈不規(guī)則狀，且粉末顆粒的形貌跟粒徑大小相關(guān)。粉末顆粒球形度和表面光滑度隨其粒度變小明顯提高，當(dāng)粒徑減小至20 μm時，球形顆粒表面非常光滑。粉末顆粒的形狀與霧化熔滴的凝固時間和球化時間的相對長短有關(guān)，如果凝固時間少于球化時間，則熔滴未經(jīng)充分球化就已經(jīng)凝固完全，產(chǎn)生的粉末顆粒形狀呈不規(guī)則狀；反之，若合金熔滴在凝固前的球化程度高，凝固之后則形成類球形顆粒，表面趨于光滑。熔滴的球化時間與熔滴直徑、黏度近似成正比，而與表面張力近似成反比。大尺寸熔滴的表面張力小，球化時間相對較長，且在快速凝固過程中體積收縮更加明顯，表面容易凹凸不平；小尺寸熔滴具有更大的表面張力，球形形成時間短，球形度更高，表面光滑度提高。

從圖4中還可以看出，部分大顆粒表面粘結(jié)有小尺寸顆粒，形成衛(wèi)星粉。液滴飛行過程中，大小熔滴之間發(fā)生頻繁的碰撞，小尺寸顆粒凝固較早，一些固相率較高甚至己經(jīng)完全凝固的小液滴若與大液滴發(fā)生碰撞，撞擊到尚未完全凝固的大尺寸合金熔滴上發(fā)生冷焊，粘附在大尺寸顆粒表面形成衛(wèi)星粉。

3 Al-25Si-4Cu-Mg過噴粉末的物相組成

采用XRD-6000X型X射線衍射儀對Al-25Si-4Cu-Mg過噴粉末進(jìn)行物相測試和分析，掃描范圍為15～90°，掃描速度為2（°）/min，并用Jade6對XRD圖譜進(jìn)行分析，結(jié)果見圖5?？梢钥闯?，合金粉末的主要物相為α-Al、β-Si、θ相（CuAl2）和Q相（CuMgSiAl）。其中，α-Al、β-Si的衍射峰較強(qiáng)，是合金中的主要物相，θ相、Q相衍射峰較弱，含量較少。

圖5 Al-25Si-4Cu-Mg過噴粉末的XRD圖譜

4 Al-25Si-4Cu-Mg過噴粉末的燃爆特性

通過實(shí)驗(yàn)分析Al-25Si-4Cu-Mg過噴粉末的粉塵燃爆特性，重點(diǎn)獲取和掌握Al-25Si-4Cu-Mg粉塵的最小點(diǎn)火能、最低著火溫度與爆炸特性等參數(shù)，為噴射成形設(shè)備或粉末加工處理裝備的安全防爆設(shè)計提供理論依據(jù)。

（1）最小點(diǎn)火能。它是衡量粉塵敏感性和危險性的一個重要指標(biāo)。采用HY16428C型粉塵云最小點(diǎn)火能測試儀測試粉塵云的最小點(diǎn)火能量。使用150 kPa噴塵壓力，對7種粉塵云濃度進(jìn)行最小點(diǎn)火能測試，測試結(jié)果如圖6所示。在粉塵云的質(zhì)量濃度低于1 800 g/m3、最小點(diǎn)火能量達(dá)到0.1 mJ時，粉塵云很容易被引燃。因此，在Al-25Si-4Cu-Mg粉塵的生產(chǎn)過程中，應(yīng)極力避免空間內(nèi)粉塵云濃度處于危險濃度范圍內(nèi)，且要防止粉塵云與雷電、靜電、生產(chǎn)中摩擦或碰撞所產(chǎn)生的火花等能量源接觸，避免因達(dá)到粉塵云的最小點(diǎn)火能0.1 mJ而引發(fā)粉塵爆炸事故。

圖6 不同粉塵濃度下的粉塵云最小點(diǎn)火能

（2）最低著火溫度。通過改變粉塵質(zhì)量與噴塵壓力，采用HY16429型粉塵云最低著火溫度測試儀測試粉塵云在不同狀態(tài)下的最低著火溫度。實(shí)驗(yàn)表明，噴粉壓力在50 kPa條件下，當(dāng)裝載量為3 g和4 g時，粉塵云發(fā)生劇烈著火，其最低著火溫度為960℃。表明Al-25Si-4Cu-Mg粉塵云最小著火溫度相對較高。

（3）粉塵云爆炸下限濃度。該指標(biāo)指在給定能量點(diǎn)火源作用下粉塵云能自持燃燒的最低濃度[11]。采用20 L球形爆炸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對粉塵云的爆炸下限濃度進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)測定得到Al-25Si-4Cu-Mg粉塵云爆炸下限濃度介于150 g/m3和200 g/m3之間，因此，在涉及到高硅鋁合金粉塵云的場所中，應(yīng)避免粉塵云的濃度超過150 g/m3。

（4）最大爆炸壓力。采用20 L球形爆炸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對超過爆炸下限以上5種濃度的Al-25Si-4Cu-Mg粉塵云分別進(jìn)行最大爆炸壓力測試。粉塵云最大爆炸壓力隨粉塵云濃度的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)粉塵云濃度為2 500 g/m3時，其最大爆炸壓力為0.525 MPa，該參數(shù)是Al-25Si-4Cu-Mg噴射成形設(shè)備抗爆結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要依據(jù)。

5 結(jié)論

通過對Al-25Si-4Cu-Mg噴射成形過噴粉末進(jìn)行測試分析和實(shí)驗(yàn)研究，揭示了過噴粉末的粒度分布、形貌、物相及粉塵燃爆特性，主要結(jié)論如下：

（1）過噴粉末的松裝密度和振實(shí)密度較高，分別達(dá)到材料理論密度的45.45%和69.12%，粉末休止角為40.16°，具有較好的流動性能。真空封裝下粉末的氧含量小于0.010%。

（2）過噴粉末的粒徑呈正偏態(tài)分布，99%置信水平下的理論分布范圍為4.52～101.20 μm，其中，小尺寸顆粒占比較大，中值粒徑和平均粒徑分別為30.20 μm、43.12 μm。

（3）過噴粉末大部分顆粒呈球形或類球形，球形度和表面光滑度隨其粒度變小而提高。部分大顆粒表面粘結(jié)有小尺寸顆粒，具有衛(wèi)星粉特征。

（4）過噴粉末的主要物相為α-Al、β-Si、θ相（CuAl2）、Q相（CuMgSiAl）。

（5）過噴粉末的粉塵云濃度達(dá)到1800 g/m3時，其最小點(diǎn)火能值最低為0.1 mJ；當(dāng)噴粉壓力為50 kPa時，最低著火溫度為960℃；粉塵云爆炸下限濃度介于150 g/m3和200 g/m3之間；粉塵云濃度為2 500 g/m3時，爆炸壓力達(dá)到最大峰值0.525 MPa。