CN102051556A - 一种耐磨铝合金材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种耐磨铝合金材料及制备方法，该材料具有良好的性能。该制备方法工艺简单，生产成本低，适于工业化生产。该耐磨铝合金材料以铝合金为基体，在基体中分布着由铜丝和铁丝形成的金属丝团，所用铜丝和铁丝的直径均为1-2mm，金属丝团的直径为10-15cm，材料中铁丝的总体长度相当于铜丝的二倍；两种金属丝占材料的体积百分比为10-35%。

Description

一种耐磨铝合金材料及制备方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，涉及一种耐磨铝合金材料及其制备方法。

背景技术

在金属材料领域中, 耐磨铝合金作为耐磨材料一直受到普遍重视。

CN200810231204.0号申请涉及一种耐磨高强铝合金材料及其制造工艺。其技术方案：该材料的化学成分以重量来计算，其构成为7.6～8.3％硅、2.5～3.5％铜、1.2～1.4％铁、0.3～0.5％镁、0.1～0.05％稀土余量为铝。所述的汽缸体的化学成分以重量来计算，其杂质的含量不大于：0.3％锌、0.2％铅、0.2％铬、0.1％锡、0.1％镍、0.1％钛。还通过配料、精炼、变质、浇注、淬火而成，采用本发明后，由于材料的内部化学成分及制造工艺的变化、改进，使其内部组织致密，韧性好，其铸造成型性，加工性优良，耐磨性好，成本低的优点。采用本发明后，由于该汽缸体的内部化学成分及制造工艺的变化、改进，使其内部组织致密，韧性好，其铸造成型性，加工性优良，耐磨性好，成本低；其抗拉强度σ_b可达到300---330MPa，延伸率δ升至1～2％，布氏硬度达120-140HBS

CN200610165341.X号申请公开一种高强耐磨铝合金及其制备方法，该高强耐磨铝合金是在Al－Zn－Mg－Cu合金熔体中，置入Ti－C－Al预制块，通过原位反应在该Al－Zn－Mg－Cu合金熔体中生成TiC颗粒，再进行雾化喷射成形而成，其中，Ti－C－Al预制块的TiC置入量为Al－Zn－Mg－Cu合金的3.15～10.5％重量％。其制备方法是：(1)按Ti粉，石墨粉和铝粉压制成Ti－C－Al预制块备用；(2)将Al－Zn－Mg－Cu合金熔融；(3)、将Ti－C－Al预制块置于Al－Zn－Mg－Cu合金熔体中，进行原位反应；(4)进行雾化喷射成形，得到高强耐磨铝合金。本发明的铝合金是利用原位反应喷射成形工艺制备高强铝合金，实现了材料耐磨性能的改善。该合金具有高的强度，及良好的韧性和耐磨性能。在载荷为8.9N时，加入5重量％TiC颗粒后合金的磨损率为8.1×10^-6g/m，而不加TiC颗粒的合金磨损率为9.6×10^-6g/m。由此可见，5％TiC原位颗粒喷射成形7075铝合金的磨损率降低了1.5×10^-6g/m。

以上的普通铝合金的耐磨性和强度的综合性能不高。

发明内容

本发明的目的就是针对上述技术缺陷，提供一种耐磨铝合金材料，该材料具有良好的性能。

本发明的另一目的是提供一种耐磨铝合金材料的制备方法，该制备方法工艺简单，生产成本低，适于工业化生产。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种耐磨铝合金材料，该材料以铝合金为基体，在基体中分布着由铜丝和铁丝形成的金属丝团，所用铜丝和铁丝的直径均为1-2mm，金属丝团的直径为10-15cm，材料中铁丝的总体长度相当于铜丝的二倍；两种金属丝占材料的体积百分比为10-35%；

铝合金基体的化学成分的重量百分含量：Mg为1-3％，Sr为0.2％～0.5％，Si为5％～7％，Pb为2％～3％，Sn为1％～2％，Ce为0.5％～1％，Ho为0.01％～0.03％，其余为Al；

铜丝为纯铜；铁丝的化学成分的重量百分含量为：C为0.05-0.09，Si为0.2%～0.3%,Mn为0.25-0.35%,P<0.02%,S<0.025%,其余为Fe。

基体中还分布有化合物AlN、CrAl3、Si3N4和Cr3Si颗粒。

一种耐磨铝合金材料的制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：

铜丝和镀铬铁丝及渗氮铁丝的准备：分别取直径为1-2mm、成分为纯铜的铜丝以及取直径为1-2mm、成分重量百分含量：C为0.05-0.09，Si为0.2%～0.3%, Mn为0.25-0.35%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe的铁丝；铁丝的总体长度相当于铜丝的二倍；控制铁丝与铜丝共占材料的体积百分比为10-35%；按常规方法分别在一半铁丝表面镀铬；另一半铁丝表面渗氮；分别形成镀铬铁丝和渗氮铁丝；镀铬层的厚度为100-200微米；渗氮层的厚度为100-200微米；铜丝与得到的镀铬铁丝及渗氮铁丝三者总体长度相当；

按清洁球生产的常规方法将上述铜丝、镀铬铁丝及渗氮铁丝各取一根丝形成球状的混合三丝金属丝团，金属丝团直径为10-15cm，将若干金属丝团放入铸型下型型腔中，金属丝团的松紧程度由铁丝和铜丝占材料的体积百分比决定，保证金属丝团正好放满铸型；布置完毕后，将铸型的上型盖于下型上，合箱完毕后等待合金液浇注；

铝合金材料基体的准备：按重量百分含量Mg为1-3％，Sr为0.2％～0.5％，Si为5％～7％，Pb为2％～3％，Sn为1％～2％，Ce为0.5％～1％，Ho为0.01％～0.03％，其余为Al进行配料；铝合金原料在感应电炉中熔化，熔化温度为720-750℃；

将上述铝合金液浇入装有金属丝团的干砂铸型；合金液将铜丝和镀铬铁丝及渗氮铁丝包围，然后冷却凝固，得到以铝合金为基的其中分布有金属丝团的耐磨材料。

    本发明相比现有技术的有益效果如下：

1、本发明材料中的铜丝和铁丝自身具有相当的强度和较高的耐磨。铜丝上的部分Cu及铁丝上的Fe、N和Cr进入液态铝合金基体中，与铝合金中的元素反应形成AlN 、Cu3Al、CrAl3、Fe3Al、Si3N4、Cr3Si等特殊化合物，弥散增强铝合金,使材料的强度和耐磨性能显著提高；未熔的镀铬铁丝及铁丝与铝合金冶金结合，对铝合金起到增强增韧的作用。

2、本发明材料中的Ce和Ho与Mg可以形成化合物Ce3Al11和Al3Ho，对铝合金的组织具有显著细化的作用，也有助于材料耐磨的提高。本发明材料中P、S为杂质，控制在允许的范围。

3、合金材料用铁代替了部分铝，材料成本低，制备工艺简便，生产成本低，生产的合金材料性能好，而且非常便于工业化生产。

本发明的合金性能见表1。

附图说明

图1为本发明实施例一制得的耐磨铝合金材料的金相组织。

图1可以看到在铝合金与金属丝结合良好。

具体实施方式

以下各实施例仅用作对本发明的解释说明，其中的重量百分比均可换成重量g、kg或其它重量单位。以下铜丝与铁丝均为市购，镀层自制。

实施例一：

铜丝和镀铬铁丝及渗氮铁丝的准备：

分别取直径为1mm、成分为纯铜的铜丝；

取直径为1mm、成分重量百分含量：C为0.05%，Si为0.2%, Mn为0.25%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe的铁丝，铜丝与铁丝两种金属丝共占材料的体积百分比为10%。

按常规方法分别在一半铁丝表面镀铬；另一半铁丝表面渗氮；分别形成镀铬铁丝和渗氮铁丝；镀铬层的厚度为100微米；渗氮层的厚度为100微米；铁丝总体长度相当于铜丝的二倍；铜丝与得到的镀铬铁丝及渗氮铁丝三者总体长度相当；

按清洁球生产的常规方法将上述铜丝、镀铬铁丝及渗氮铁丝各取一根丝形成球状的混合三丝金属丝团，金属丝团直径为15cm，将若干金属丝团放入铸型下型型腔中，金属丝团的松紧程度由铁丝和铜丝占材料的体积百分比决定，保证金属丝团正好放满铸型；控制铁丝占材料的体积百分比为10%；布置完毕后，将铸型的上型盖于下型上，合箱完毕后等待合金液浇注；

铝合金材料基体的准备：按重量百分含量Mg为1％，Sr为0.2％，Si为5％，Pb为2％，Sn为1％，Ce为0.5％，Ho为0.01％，其余为Al，其余为Al进行配料；铝合金原料在感应电炉中熔化，熔化温度为735-740℃；

将上述铝合金液浇入装有金属丝团的干砂铸型；合金液将铜丝和镀铬铁丝及渗氮铁丝包围，然后冷却凝固，得到以铝合金为基的其中分布有金属丝团的耐磨材料。

实施例二：

铝合金材料基体成分按重量百分含量：Mg为3％，Sr为0.5％，Si为7％，Pb为3％，Sn为2％，Ce为1％，Ho为0.03％，其余为Al进行配料。

铜丝为纯铜。铁丝成分的重量百分含量：C为0.09%，Si为0.3%, Mn为0.35%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe。两种金属丝直径均为2mm，铁丝总体长度相当于铜丝的二倍；两种金属丝占材料的体积百分比为35%。

按常规方法分别在一半铁丝表面镀铬；另一半铁丝表面渗氮；分别形成镀铬铁丝和渗氮铁丝；镀铬层的厚度为200微米；渗氮层的厚度为200微米。铜丝与得到的镀铬铁丝及渗氮铁丝三者总体长度相当；按清洁球生产的常规方法制作得到的三种金属丝混合的三丝金属丝团，金属丝团直径为10cm。

制备过程同实施例一。

实施例三：

铝合金材料基体成分按重量百分含量：Mg为2％，Sr为0.3％，Si为6％，Pb为2.5％，Sn为1.5％，Ce为0.8％，Ho为0.02％，其余为Al进行配料。

铜丝为纯铜。铁丝成分的重量百分含量：C为0.07%，Si为0.25%, Mn为0.3%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe。两种金属丝直径均为1.5mm；铁丝总体长度相当于铜丝的二倍；两种金属丝占材料的体积百分比为19%。

按常规方法分别在一半铁丝表面镀铬；另一半铁丝表面渗氮；分别形成镀铬铁丝和渗氮铁丝；镀铬层的厚度为150微米；渗氮层的厚度为150微米。铜丝与得到的镀铬铁丝及渗氮铁丝三者总体长度相当；按清洁球生产的常规方法制作得到的三种金属丝混合的三丝金属丝团，金属丝团直径为15cm。

制备过程同实施例一。

对比实施例四：原料配比不在本发明范围内的实例

铝合金材料基体成分按重量百分含量：Mg为0.5％，Sr为0.1％，Si为4％，Pb为1％，Sn为0.5％，Ce为0.3％，Ho为0.005％，其余为Al进行配料。

铜丝为纯铜。铁丝成分的重量百分含量：C为0.04%，Si为0.1%, Mn为0.2%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe。两种金属丝直径为0.4mm；铁丝总体长度相当于铜丝的二倍；两种金属丝共占材料的体积百分比为8%。

铁丝表面不镀铬，也不渗氮。按清洁球生产的常规方法制作得到的三股金属丝（其中二股为铁丝，一股为铜丝）混合的三丝金属丝团，金属丝团直径为15cm。

制备过程同实施例一。

对比实施例五：原料配比不在本发明范围内的实例

铝合金材料基体成分按重量百分含量：Mg为4％，Sr为0.6％，Si为8％，Pb为4％，Sn为3％，Ce为2％，Ho为0.04％，其余为Al进行配料。

铜丝为纯铜。铁丝成分的重量百分含量：C为0.1%，Si为0.4%, Mn为0.4%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe。两种金属丝直径为3mm；铁丝总体长度相当于铜丝的二倍；两种金属丝占材料的体积百分比为40%。

按常规方法分别在一半铁丝表面镀铬；另一半铁丝表面渗氮；分别形成镀铬铁丝和渗氮铁丝；镀铬层的厚度为250微米；渗氮层的厚度为250微米。铜丝与得到的镀铬铁丝及渗氮铁丝三者总体长度相当；按清洁球生产的常规方法制作得到的三种金属丝混合的三丝金属丝团，金属丝团直径为10cm。

制备过程同实施例一。

表1

铝合金材料的Mg、Sr、Si、Pb、Sn、Ce、Ho增高利于合金的力学性能提高；但有些元素如Al、Sr、Si、Pb、Fe过多则化合物过多，削弱合金的耐磨。有些元素如Ce 、Ho过多，造成元素浪费。

铁丝的成分为C、Si、 Mn增高利于合金的力学性能提高；过多削弱合金的耐磨。

金属丝体积百分比的增加，利于材料耐磨的提高。但是过多，铝合金基体包不住铜丝和镀铬铁丝及渗氮铁丝，基体出现裂纹，则降低了材料的耐磨。因此影响合金的抗蚀能力。

金属丝直径太细，表面积太大，不利于镀层元素溶入铝水中。金属丝直径太粗，在铝合金基体中分布的密度减小，不利于材料整体耐磨的提高。

Claims (3)

1.一种耐磨铝合金材料，该材料以铝合金为基体，在基体中分布着由铜丝和铁丝形成的金属丝团，所用铜丝和铁丝的直径均为1-2mm，金属丝团的直径为10-15cm，材料中铁丝的总体长度相当于铜丝的二倍；两种金属丝占材料的体积百分比为10-35%；

铝合金基体的化学成分的重量百分含量：Mg为1-3％，Sr为0.2％～0.5％，Si为5％～7％，Pb为2％～3％，Sn为1％～2％，Ce为0.5％～1％，Ho为0.01％～0.03％，其余为Al；

铜丝为纯铜；铁丝的化学成分的重量百分含量为：C为0.05-0.09，Si为0.2%～0.3%,Mn为0.25-0.35%,P<0.02%,S<0.025%,其余为Fe。

2.根据权利要求1所述的耐磨铝合金材料，其特征在于：所述基体中还分布有化合物AlN、CrAl3、Si3N4和Cr3Si颗粒。

3.一种耐磨铝合金材料的制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：

铜丝和镀铬铁丝及渗氮铁丝的准备：分别取直径为1-2mm、成分为纯铜的铜丝以及取直径为1-2mm、成分重量百分含量：C为0.05-0.09，Si为0.2%～0.3%, Mn为0.25-0.35%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe的铁丝；铁丝的总体长度相当于铜丝的二倍；控制铁丝与铜丝共占材料的体积百分比为10-35%；

按常规方法分别在一半铁丝表面镀铬；另一半铁丝表面渗氮；分别形成镀铬铁丝和渗氮铁丝；镀铬层的厚度为100-200微米；渗氮层的厚度为100-200微米；铜丝与得到的镀铬铁丝及渗氮铁丝三者总体长度相当；

按清洁球生产的常规方法将上述铜丝、镀铬铁丝及渗氮铁丝各取一根丝形成球状的混合三丝金属丝团，金属丝团直径为10-15cm，将若干金属丝团放入铸型下型型腔中，金属丝团的松紧程度由铁丝和铜丝占材料的体积百分比决定，保证金属丝团正好放满铸型；布置完毕后，将铸型的上型盖于下型上，合箱完毕后等待合金液浇注；

铝合金材料基体的准备：按重量百分含量Mg为1-3％，Sr为0.2％～0.5％，Si为5％～7％，Pb为2％～3％，Sn为1％～2％，Ce为0.5％～1％，Ho为0.01％～0.03％，其余为Al进行配料；铝合金原料在感应电炉中熔化，熔化温度为720-750℃；

将上述铝合金液浇入装有金属丝团的干砂铸型；合金液将铜丝和镀铬铁丝及渗氮铁丝包围，然后冷却凝固，得到以铝合金为基的其中分布有金属丝团的耐磨材料。

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