CN102758109A - 一种高强度耐磨耐热铝合金材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度耐磨耐热铝合金材料及其制备方法，按重量百分比计由以下化学元素制备而得：铜4.0～6.5％、钛0.06～0.4％、锰0.08～0.6％、锑0.03～0.4％、镍0.4～0.6％、钴1.2～1.8％、锆0.2～0.3％、稀土0.2～1.8％，余量为铝。其在制备过程中采取特殊的热处理工艺。本发明具有能够同时提升铝合金的机械强度、耐磨性以及耐高温变形性能的特点，能够用于需要承受一定高温，对机械性能要求较高的铸造构件，为铝合金材料的应用开拓出一片新的天地。

Description

一种高强度耐磨耐热铝合金材料及其制备方法

 

技术领域

本发明涉及一种铝合金材料及其制备方法，特别是一种高强度耐磨耐热铝合金材料及其制备方法。

背景技术

铝合金由于其本身密度低，耐腐蚀等优点在汽车、航空航天等诸多领域被应用。但是在一些需要在高温下不变形，使用精度高的领域，如航空发动机的回转装置等现有的铝合金就无法满足其性能要求。随着我国航空业的快速发展，急切需要高性能铝合金作为关键设备的支持。现有高性能铝合金均存在一些严重的缺陷，如高强度或高硬度但是其可铸性差；能够耐高温但是其磨损严重，无法持续应用；或者其合金成本很高，无法真正推广应用。能够同时满足高的机械性能、耐高温变形及较好的耐磨性能要求的铝合金材料却没有公开报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种高强度耐磨耐热铝合金材料及其制备方法。它具有能够同时提升铝合金的机械强度、耐磨性以及耐高温变形性能的特点，能够用于需要承受一定高温，对机械性能要求较高的铸造构件。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高强度耐磨耐热铝合金材料，按重量百分比计由以下化学元素制备而得：铜：4.0～6.5％、钛：0.06～0.4％、锰：0.08～0.6％、锑：0.03～0.4％、镍：0.4～0.6％、钴：1.2～1.8％、锆：0.2～0.3％、稀土：0.2～1.8％，余量为铝。

上述高强度耐磨耐热铝合金材料中，所述稀土为：钪元素或铒元素。

前述的高强度耐磨耐热铝合金材料的制备方法，包含以下步骤：

（1）、按所述组分配比根据需要配制的铝合金材料总量，计算出所需每种单质金属、中间合金或金属添加剂的质量，进行物料准备；

（2）、将铝锭进行熔炼，熔炼温度控制在700～800℃进行，熔炼的同时按顺序先加入含铜、钛、锰、镍、钴、锆的中间合金或金属或添加剂，将温度升高到900～950℃，待全部金属熔化后再加入锑块状金属，最后加入稀土中间合金；

（3）、精炼熔液，同时添加细化剂，并搅拌促进合金的融合；

（4）、精炼后打渣、静置，调节熔液温度至650～750℃保温，准备出炉浇铸；

（5）、将熔液浇铸至经过预热处理的模具中，并等待其凝固；

（6）、浇铸好的铸件在450～600℃温度进行固熔处理，时间控制在5～10小时；

（7）、固溶处理后采用70～100℃的水进行冷却或盐浴，冷却时间为30～60秒内，在100～200℃温度时进行人工时效处理12～40小时。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用铝铜系列合金，通过添加优选元素，进行熔炼，铸造后进行相应的热处理，能够同时有效提升铝合金材料的耐高温变形性能、耐磨性能及机械性能，包括硬度、强度极限以及断后延伸率，使得铝合金的耐高温变形及耐磨性能得到加强的同时保证其高强度，对于一些高温作业的工况设备提供了材料支撑。

锑（Sb）：本发明中添加的锑（Sb）能够同稀土（RE）形成合金。锑（Sb）取代铝（Al）优先与稀土（RE）形成以RE₂Sb相为主的高熔点弥散颗粒质点，而枝条状Al₁₁RE₃相数量和尺寸减小。Al₁₁RE₃相对基体的割裂作用的减弱，稀土（RE）、锑（Sb）质点的弥散强化作用以及锑（Sb）、稀土（RE）等元素的固溶强化作用，使合金的常温和高温力学性能尤其是塑性韧性显著提高，并且有效改善了高温抗蠕变能力。与此同时，锑（Sb）通过与铝（Al）的合金化消耗铝基体，生成熔点相对较高的中间合金，而少量稀土（RE）添加剂则与锑（Sb）结合生成中间化合物，减缓铝基体的消耗与腐蚀，因此添加锑（Sb）还能提升合金的抗腐蚀能力。但是，过量的锑（Sb）反而会降低合金的力学性能和耐热性能。同时，锑金属的价格较为低廉，适合规模化生产，显著降低了产品成本。

稀土：从实验金相组织分析，稀土（RE）元素主要延晶界分布，这是由于稀土（RE）元素半径大于铝（Al）的半径引起的。若稀土（RE）元素进入晶格内，势必引起较大的晶格畸变，使系统能量增加，破坏其稳定性。在高温条件下，合金的晶粒强度高于晶界的晶粒强度，要提高合金强度就得减小晶界的弱化。沿晶界分布的含稀土化合物熔点高，具有较强的热稳定性，这种颗粒状化合物可以很好地钉扎位错，阻碍高温下晶界的滑移。

机械性能：从表1看出，本发明的抗拉强度高达450～480Mpa，其强度基本可以同钢材相媲美；延伸率最高达到22％，显示出良好的抗冲击性能；表面硬度达到125HB，能够满足大部分机械结构件的要求，本发明具有优良的机械性能。

表1

合金代号	铸造方法	抗拉强度（MPa）	断后延伸率（%）	硬度（HB）
					Zl201A	砂型铸造	365-370	17-19	100
Zl205	砂型铸造	440-470	8-15	120
					高韧205A	金属型铸造	385-400	19-23	-
本发明	金属型铸造	450-480	12-22	125

耐高温变形性能：从表2看出，本发明的高温抗拉强度比现有的铝合金都好，其中低温（100℃）的强度与性能较好的2A12（420Mpa）接近，但是其高温强度均明显好于2A12，能够使得本发明的材料长期在高温环境下工作，保证其不发生明显变形。

表2

耐磨性能：为了测试耐磨性能，采用钢材与铝合金材料进行对偶磨损，测定其磨损率。从表3可以看出虽然本发明初始阶段（5万次）的磨损率低于Zl205A合金，但是其后期磨损稳定后的磨损率上升速度很慢，进过30万次的磨损率也仅仅为0.084，其耐磨性能较现有技术有很大的提升。

表3

一般的铸造铝合金包括AlSi系、AlCu系、AlMg系、AlZn系，其中强度最高的铝铜系合金，其强度绝对部分在400Mpa以内，高于400Mpa的合金仅有铝铜系列的少数牌号。虽然这些铝合金机械强度很高，但这类材料的配方中均含有部分稀有贵金属成分，成本较高；且在工件铸造过程中铸造性能差，在实际浇铸中容易因凝固形成强大的收缩应力导致热裂纹、缩孔及疏松等浇铸缺陷，产品废品率极高，因此没有得到普遍使用。

高温耐磨铝合金的研究是高性能铝合金研究的一个重要方向。目前高温合金主要是镍基、铁基及钴基的材料，高温铝合金研究仍处于发展阶段。由于对设备工作条件越发苛求，因此对于铝合金的高温抗变形、耐磨特性有了新的要求。现有的高性能铝合金主要集中于某一项或两项的性能提升。也仅仅聚焦于抗高温性能，且该种材料在实际浇铸中仍然无法避免热裂纹的出现，铸造工艺无法满足规模化生产。现有耐高温合金为了提高铸造性能，均为铝硅系列合金，其用途也主要集中于一些固定的结构件，其耐磨能力值得商榷，且均为固定构件没有很高的强度要求。若工况有高速运动则会产生很大的摩擦磨损以及瞬时高温，这会对铝合金材料造成很大的破坏。

现有高性能铝合金都仅针对某一项或两项的性能，如高强度或高硬度但是其可铸性差；能够耐高温但是其磨损严重，无法持续应用；或者其合金成本很高，无法真正推广应用。

2、可铸性强、生产成本低，利用本发明铸造的工件产品质量高，能明显降低废品率，并适合工业化批量生产。为了减少热裂纹，本发明在制备过程中事先对钢模进行预热处理。将熔液浇铸至预热好的模具中，并等待其凝固；并经过特殊的固溶处理和人工时效处理等工艺步骤，增强合金性能，减少铸件内应力。

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

具体实施方式

实施例1。该高强度耐磨耐热铝合金材料按重量百分比计为以下化学组分：铜（Cu）：4.0～6.5％、钛（Ti）：0.06～0.4％、锰（Mn）：0.08～0.6％、锑（Sb）：0.03～0.4％、镍（Ni）：0.4～0.6％、钴（Co）：1.2～1.8％、锆（Zr）：0.2～0.3％、稀土元素（RE）：0.2～1.8％，余量为铝（Al）。本实施例按上述配比根据需要配制的铝合金总量1300kg，计算出所需元素的重量：铜（Cu）：52 kg、钛（Ti）：1.3kg、锰（Mn）：1.04 kg、锑（Sb）：0.39 kg、镍（Ni）：5.2 kg、钴（Co）：15.6 kg、锆（Zr）：2.6 kg、稀土元素（RE）：6.5 kg进行物料准备；先将双零铝锭放入石墨坩埚进行熔炼，熔炼温度控制在800℃进行，熔炼的同时按顺序先加入紫铜、75锰剂、75钛剂、ALNi10中间合、ALCo10、ALV10中间合金至坩埚，将坩埚温度升高到950℃，待全部金属熔化后再加入纯锑块状金属，最后加入稀土中间合金；在坩埚内精炼熔液，同时添加细化剂，并搅拌促进合金的融合；精炼后打渣、静置，调节熔液温度至700℃保温，准备出炉浇铸；将熔液浇铸至经过预热处理的模具中，并等待其凝固；浇铸好的铸件在550℃温度进行固熔处理，时间控制在10小时，促进合金元素的析出，增强合金性能；固溶处理后采用100℃的水进行冷却，冷却时间为30秒内，促进强化相析出；在100℃温度进行人工时效处理24小时，减少铸件内应力。

在制备过程中先按上述配比范围选定一组可行的元素比例进行物料准备，对于有些为中间合金的元素需要计算其在组分中的含量，并确定其余物质含量，与其对于相应物质含量应该相应减少，计算后需要根据总重重新计算各元素在组分中的百分比，确保材料配方的准确性。

铝锭熔炼同时将其余的元素添加至坩埚。添加顺序为先加入Mn，Ti，Ni，Zr等中间合金或制剂，后加入Sb等块状金属，最后加入稀土中间合金。

为了减少热裂纹，须事先对钢模进行预热处理。将熔液浇铸至预热好的模具中，并等待其凝固。

时效处理：指合金工件经固溶处理，冷塑性变形或铸造，锻造后，在较高的温度放置或室温保持其性能，形状，尺寸随时间而变化的热处理工艺。若采用将工件加热到较高温度，并较短时间进行时效处理的时效处理工艺，称为人工时效处理。

实施例2。根据需要配制的铝合金总量1300kg，计算出所需元素的重量：铜（Cu）：84.5 kg、钛（Ti）：5.2kg、锰（Mn）：7.8 kg、锑（Sb）：5.2kg、镍（Ni）：7.8kg、钴（Co）：12.4kg、锆（Zr）：3.9kg、稀土元素（RE）：15.6 kg进行物料准备；先将双零铝锭放入石墨坩埚进行熔炼，熔炼温度控制在800℃进行，熔炼的同时按顺序先加入紫铜、75锰剂、75钛剂、ALNi10中间合、ALCo10、ALV10中间合金至坩埚，将坩埚温度升高到950℃，待全部金属熔化后再加入纯锑块状金属，最后加入稀土中间合金；在坩埚内精炼熔液，同时添加细化剂，并搅拌促进合金的融合；精炼后打渣、静置，调节熔液温度至750℃保温，准备出炉浇铸；将熔液浇铸至经过预热处理的模具中，并等待其凝固；浇铸好的铸件在600℃温度进行固熔处理，时间控制在10小时，促进合金元素的析出，增强合金性能；固溶处理后采用80℃的水进行冷却，冷却时间为60秒内，促进强化相析出；在200℃温度进行人工时效处理40小时，减少铸件内应力。

本发明的实施方式不限于上述实施例，在不脱离本发明宗旨的前提下做出的各种变化均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高强度耐磨耐热铝合金材料，其特征在于：按重量百分比计由以下化学元素制备而得：铜 4.0～6.5％、钛 0.06～0.4％、锰0.08～0.6％、锑0.03～0.4％、镍 0.4～0.6％、钴 1.2～1.8％、锆 0.2～0.3％、稀土 0.2～1.8％，余量为铝。

2.根据权利要求1所述的高强度耐磨耐热铝合金材料，其特征在于：所述稀土为：钪元素或铒元素。

3.一种如权利要求1或2所述的高强度耐磨耐热铝合金材料的制备方法，其特征在于：包含以下步骤：

（1）、按所述组分配比根据需要配制的铝合金材料总量，计算出所需每种单质金属、中间合金或金属添加剂的质量，进行物料准备；

（2）、将铝锭进行熔炼，熔炼温度控制在700～800℃，熔炼的同时按顺序先加入含铜、钛、锰、镍、钴、锆的中间合金或金属或添加剂，将温度升高到900～950℃，待全部金属熔化后再加入锑块状金属，最后加入稀土中间合金；

（3）、精炼熔液，同时添加细化剂，并搅拌促进合金的融合；

（4）、精炼后打渣、静置，调节熔液温度至650～750℃保温，准备出炉浇铸；

（5）、将熔液浇铸至经过预热处理的模具中，并等待其凝固；

（6）、浇铸好的铸件在450～600℃温度进行固熔处理，时间控制在5～10小时；

（7）、固溶处理后采用70～100℃的水进行冷却或盐浴，冷却时间为30～60秒，在100～200℃温度进行人工时效处理12～40小时。