CN103436756A - 一种高耐磨不抱轴铝基合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝基合金，按重量百分含量计，包括以下成分：锌38%~40%，硅0.5%~5%，铜3.0%~5%，锰0.5%~1%，铬0.3%~0.5%，铼1.2%~1.8%，硼1%~1.5%，镁0.038%~0.048%，钛0.015%~0.02%，余量为铝。本发明还公开了其制备方法。本发明的铝基合金具有高耐磨不抱轴、低膨胀率、自润滑、抗咬合功能、工作温度高的优点，实现了合金低膨胀率，适用于制造各种机械设备精密摩擦副零部件。
Description
技术领域
本发明涉及一种轻合金及其制备方法，特别涉及一种高耐磨不抱轴铝基合金及其制备方法。
背景技术
铜、油、气是一个国家的战略资源，国家安全的保障。我国铜资源储量相对稀少且品质低，而年消耗量却仅次于美国，每年需花大量外汇进口铜材，同时铜锡合金熔铸时间长、耗能多、售价高，特别是化学成份中富含铅、磷、砷、铍、镉等剧毒有害元素，熔铸过程对周边环境造成严重污染。但是，我国铝资源相对富有，年年都有一定数量的铝锭出口资源换汇，根据中国国情急需研发一种以铝代铜的耐磨材料来合理利用本国资源提高附加值，节能环保，代替传统产业升级换代，实现可持续科学发展。
第二次世界大战前，德国由于缺铜，研发了含铝10wt%～13wt%的锌基合金来代替青铜制备轴瓦。二战至今，世界各国都在竟相研发传统铜锡合金的升级换代产品。六十年代初，美国、加拿大研发了ZA8、ZA11、ZA27锌基合金。其中含铝27wt%的锌基合金强度高、塑性好，特别适应于砂型重力铸造;随后研发了含铝12wt%、含铝27%--35wt%的锌基合金，但都限于制备一般低端配合精度轴瓦、螺母等零部件;究其致命缺点是工作温度低，限于最高为120℃；热膨胀系数高达28×10-6，易抱轴，限于制备在中低转速、中重载、中低温工况下工作的零部件，不能用作制备精密零部件，严重制约上述合金使用范围而成为难题。
铝基合金由于大量加入铝元素，使合金具有密度小、承载能力大、抗疲劳强度高、导热性好、具有较好的耐磨耐蚀性。近十几年来，铝铅、铝铜、铝镍、20高锡、高硅铝基合金等已相继问世。但是，在运转过程中仍易产生与轴“咬死”、“抱轴”事故，对满足制造精密度高、高耐磨耐蚀、恶劣工况下的零部件仍然存在以上难题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种高耐磨不抱轴铝基合金及其制备方法，本发明中的合金制备成精密轴套，装在精密镗床上运行试验显示:具有高强度、低摩擦糸数，高耐磨、低膨胀率，自润滑、抗咬合功能、工作温度高、密度小的优点。实现了用于军民用领域恶劣工况下，各行业、各种机械设备精密摩擦副零部件不抱轴，使用寿命长，性价比高，代替传统产业升级换代的目的。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种铝基合金，按重量百分含量计，包括以下成分：锌38%～40%，硅0.5%～5%，铜3.0%～5%，锰0.5%～1%，铬0.3%～0.5%，铼1.2%～1.8%，硼1%～1.5%，镁0.038%～0.048%，钛0.015%～0.02%，余量为铝。
进一步，上述合金，还包括重量百分比的钼0.03%～0.05%。
进一步，上述合金，还包括重量百分比的锆0.15%～0.2%。
进一步，上述合金，还包括重量百分比的锶0.15%～0.2%。
一种上述合金的制备方法，包括以下步骤：
（1）将各种原料，工具，模具烘干。
（2）将计量好的铝锭、中间合金，在720～860℃熔化，待熔化完全后搅拌均匀，加入添加剂，待完全熔化后，搅拌均匀，加入其余炉料，待全部熔化后，搅拌均匀，防止合金元素产生偏折，获得温度控制720℃～750℃合金液。
（3）浇注得合金毛坯。
进一步，还包括步骤（4）对合金毛坯回火处理。回火温度优先为100℃～320℃，处理时间3～18h。
进一步，所述中间合金包括铜铝中间合金，硅铝中间合金。
所述铜铝中间合金，按重量百分计含：1%～50%铜，50%～99%铝。铜的熔点高达1083℃，铜铝中间合金解了铜本身熔点高，不易熔入其它原料的问题。
所述硅铝中间合金，按重量百分计含：1%～40%硅、1%～62%铝。硅的熔点高达1410℃，制成中间合金能够有效降低原料中硅元素的熔化温度，且硅铝中间合金具有良好的流动性，低热裂倾向。
进一步，所述的铜铝中间合金按以下方法制备：在中频电炉或天燃气炉中，加热至730～860℃将A00#铝锭熔化。然后，按3～5kg/次加入1#电解铜板并逐渐升温，搅拌均匀，使铜全部熔解。铜全部加入后，温度达到1250～1350℃，熔炼2～4h，浇注成1.5～2.5kg/块的铜铝中间合金块，得铜铝中间合金。铜的熔点高达1083℃，将其制成铜铝中间合金，降低了熔点，有利于步骤（2）的熔铸以及步骤（3）的复合精炼。
进一步，所述的硅铝中间合金按以下方法制备：在中频电炉或天燃气炉中，加热至730～860℃将A00#铝锭熔化。然后，按3～5kg/次加入金属硅，并逐渐升温，搅拌均匀，使硅全部熔解。金属硅全部加入后，温度达到1350～1450℃，熔炼2～4h，浇注成0.5～1kg/块的硅铝中间合金块，得硅铝中间合金。硅的熔点高达1410～1414℃，将其制成硅铝中间合金，降低了熔点，有利于步骤（2）的熔铸以及步骤（3）的复合精炼。
本发明的合金化学成分含量、制备工艺温度相对较低，冷却速率快、致使合金致密度高，产生铸造内应力大，必须经过热处理来消除内应力。将本发明中的合金用于制备精密配合摩擦副，必须在毛坯粗加工后，进行热处理，消除机加内应力，几何尺寸稳定性更高。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明精选设计各种组份用量，制备得到特种铝基合金，显微结构表明铝基合金中铸态组织的枝晶间距和成份偏析明显降低，合金晶粒得到明显细化，大幅度提高了合金组织致密度，并形成了均匀的耐磨硬质点，显著提高了合金耐磨减摩性，具有良好的抗咬合性能，较铜锡合金延长使用寿命3～5倍。本发明的铝合金具有良好的流动性、铸造性，且能够自动排出氢气/氢原子，降低铸造缺陷和提高合金高温强度和韧性。经测试本发明制备的铝合金，抗拉强度大于520Mpa（回火前），回火后处理后抗拉强度大于488Mpa，显著降低了合金热膨胀系数、顺应性、自润滑性及抗咬合功能，热膨胀系数(20℃～100℃范围内)，平均值为20.1×10-6，明显地提高了合金尺寸稳定性；改善了合金的自润滑性、耐蚀性及抗咬合功能。即使在160～200℃的恶劣工况下，仍不抱轴，适用于制备各型机械精密耐磨减摩零部件。
本发明中的制备方法简单，合金配方独特，化学成分不含有毒有害物质，熔铸工艺独特，熔铸时间短，能源耗量较铸铜合金降低40%，节能环保效益显著。
具体实施方式
本发明中未特别说明的百分比为重量百分比。所述“中间合金”是指将某些高熔点单质与低熔点金属元素熔化制备成的合金。一般都将一种或两种高熔点金属元素合成的合金叫中间合金。目的是便于配料计算准确；便于按先加入高熔点、后加入炉低熔点的程序操作，解决低熔点合金元素易烧损、高熔点合金元素难熔入等问题。如本发明中用到的两种中间合金：铜铝中间合金和硅铝中间合金。本发明中用到的工具主要指熔炼合金所需的工具，主要包括夹钳、大浇包、小浇包、大勺、小勺、扒渣勺、钟罩，模具、金属模具等。所述“A00#铝锭”、“A00#铝”为市售标准铝材，99.7%纯度的铝，在伦敦市场上叫“标准铝”，也可以采用其他纯度的铝材，在一定的精炼后使用。所述“1#电解铜板”、“1#电解铜”、“1#铜”为铜含量≥99.95%的电解铜材料。也可以采用其他纯度的铜材，在一定的精炼后使用。
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
一种高耐磨不抱轴合金，以下重量百分比成分制成：锌39，硅2.5，铜4.2，锰0.75，铬0.42，铼1.6，硼1.2，镁0.043，钛0.018，余量为铝。
实施例2
制备铜铝中间合金。将300kg A00#铝锭放入在天燃气炉中，加热至800℃将铝锭全部溶化，然后按3～5KG/次，将150kg1#电解铜板逐渐加入炉中，每次加入后都充分搅拌，直到铜板全部熔化，再加入下一次的铜板，同时随着铜板的加入，逐渐升高温度，最终达到1300℃，继续熔炼3小时，完成熔炼，浇注入模，得到2公斤/块的铜铝中间合金。
实施例3
制备硅铝中间合金。将300kg A00#铝锭放入在天燃气炉中，加热至730℃将铝锭全部溶化，然后按3～5KG/次将150kg金属硅逐渐加入炉中，每次加入后都充分搅拌，直到金属硅全部熔化，再加入下一次的金属硅。同时随着金属硅的加入，逐渐升高温度，最终达到1430℃，继续熔炼1小时，完成熔炼，浇注入模，得到1.5公斤/块的硅铝中间合金。
实施例4
制备实施例1中所述高耐磨不抱轴合金。按总量500kg计算取料，并将原料和工具放入烧烤炉内，于300℃恒温加热2小时烘干水份，以防止熔炼过程中发生爆炸事故。先将铝锭和中间合金放入中频电炉，加热至820℃熔化，待熔化完全后搅拌均匀，加入添加剂，待完全熔化后，搅拌均匀，加入其他各种金属元素，待全部熔化后，继续搅拌精炼，防止合金元素产生偏折，获得温度控制720℃～750℃精炼合金液。将此精炼合金液浇入特种激冷复激冷模具冷却成型，脱模，得到合金毛坯，即高耐磨不抱轴铝基合金。
所述添加剂是市售铝合金精炼剂（还可以加入铝合金覆盖剂、铝合金打渣剂、铝合金清渣剂），具体品牌无限制。铝合金精炼剂主要成份为有机化合物，加入后受热分解出N2及CO2气体。利用其中的主要成分NaNO3，石墨不发生化学反应，而在高温下自身热能生成不熔于铝合金液的气体N2，CO2，NO等来起精炼净化、除渣作用。
实施例5
热处理。将实施例4中得到的合金毛坯，装框，吊入热处理炉中，加热100℃～320℃，恒温6～18小时。而后随炉自然冷却至室温，确保消除铸造内应力，获得可机械加工合金坯。
实施例6～14
高耐磨不抱轴合金，其重量百分比成份如表1所示，余量为铝，参考照实施例2～4所述方法进行制备：
表1合金成分重量百分比例（wt%）
| 实施例 | 锌 | 硅 | 铜 | 锰 | 铬 | 铼 | 硼 | 镁 | 钛 | 钼 | 锆 | 锶 |
| 6 | 38 | 0.5 | 4 | 0.7 | 0.4 | 1.2 | 1 | 0.044 | 0.016 | - | - | - |
| 7 | 40 | 5 | 3 | 0.6 | 0.3 | 1.6 | 1.2 | 0.04 | 0.018 | - | - | - |
| 8 | 39 | 3 | 5 | 0.9 | 0.5 | 1.8 | 1.5 | 0.042 | 0.02 | - | - | - |
| 9 | 38 | 4 | 3.5 | 0.5 | 0.5 | 1.7 | 1.4 | 0.038 | 0.015 | 0.04 | - | - |
| 10 | 39 | 3 | 3.8 | 1 | 0.4 | 1.5 | 1.2 | 0.048 | 0.017 | 0.03 | 0.15 | - |
| 11 | 40 | 2.3 | 4.1 | 0.7 | 0.4 | 1.3 | 1.3 | 0.045 | 0.016 | 0.05 | 0.2 | 0.2 |
| 12 | 39 | 3 | 3.8 | 1 | 0.4 | 1.5 | 1.2 | 0.048 | 0.017 | 0.03 | 0.15 | 0.15 |
| 13* | 39 | 3 | 5 | 0.9 | 0.5 | 1.8 | 1.5 | 0.05 | 0.02 | - | - | - |
| 14* | 38 | 4 | 3.5 | 0.5 | 0.5 | 0 | 1.3 | 0.042 | 0.017 | - | - | - |
*其中实施例13制备的铝基合金在浇注过程中易引起合金爆裂，难以得到合格的合金块。
所有铝基合金在浇注前，必须将炉前工具、模具、炉料水份烘干，预防在使用或浇注过程中发生合金爆炸事故，确保控制合成成分的比例，做到确保安全生产。
按相关国标方法测试合金的性能，测试结果如表2，表3所示。
表2合金性能测试数据1
从表2可以看出本发明实施例1，6-14制备的铝基合金具有极高的抗拉强度，极低的摩擦系数，且线胀系数低，密度小，适用于制备各行业、各种大、中、小精密机床、各型机械设备、冶金轧钢设备、汽轮机、蜗轮减速机、水电设备及军工兵器、舰船行业的高性能轻量化耐磨减摩零部件。
表3实施例铝基合金与铸铜合金相比耐磨性能对比试验
从表3可以看出，载荷100N的条件下，本发明中的铝基合金较铜合金ZnCuSn10Pb5延长使用寿命约为1.5倍；载荷400N的条件下，本发明中的铝基合金较铜合金ZnCuSn10Pb5延长使用寿命约为4.8倍。说明本发明的铝基合金具有良好的耐磨减摩性能。
Claims (11)
1.一种铝基合金，其特征在于，按重量百分含量计，包括以下成分：锌38%～40%，硅0.5%～5%，铜3.0%～5%，锰0.5%～1%，铬0.3%～0.5%，铼1.2%～1.8%，硼1%～1.5%，镁0.038%～0.048%，钛0.015%～0.02%，余量为铝。
2.根据权利要求1所述合金，其特征在于，还包括重量百分比的钼0.03%～0.05%。
3.根据权利要求1或2所述合金，其特征在于，还包括重量百分比的锆0.15%～0.2%。
4.根据权利要求1或2所述合金，其特征在于，还包括重量百分比的锶0.15%～0.2%。
5.根据权利要求3所述合金，其特征在于，还包括重量百分比的锶0.15%～0.2%。
6.如权利要求1～5任一所述合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将原料，工具，模具烘干；
（2）将计量好的铝锭、中间合金，在720～860℃熔化，待熔化完全后搅拌均匀，加入添加剂，待完全熔化后，搅拌均匀，加入其余炉料，待全部熔化后，搅拌均匀，防止合金元素产生偏折，获得温度控制720℃～750℃合金液；
（3）浇注得合金毛坯。
7.如权利要求6所述制备方法，其特征在于，还包括步骤（4）对合金毛坯回火处理。
8.如权利要求7所述制备方法，其特征在于，回火温度为100℃～320℃，处理时间3～18h。
9.如权利要求6所述制备方法，其特征在于，所述中间合金包括铜铝中间合金和/或硅铝中间合金。
10.如权利要求9所述制备方法，其特征在于，所述的铜铝中间合金按以下方法制备：在中频电炉或天燃气炉中，加热至730～860℃将A00#铝锭熔化；然后，按3～5kg/次加入1#电解铜板并逐渐升温，搅拌均匀，使铜全部熔解；铜全部加入后，温度达到1250～1350℃，熔炼2～4h，浇注成1.5～2.5kg/块的铜铝中间合金块，得铜铝中间合金。
11.如权利要求9所述制备方法，其特征在于，所述的硅铝中间合金按以下方法制备：在中频电炉或天燃气炉中，加热至730～860℃将A00#铝锭熔化；然后，按3～5kg/次加入硅，并逐渐升温，搅拌均匀，使硅全部熔解；硅全部加入后，温度达到1350～1450℃，熔炼2～4h，浇注成0.5～1kg/块的硅铝中间合金块，得硅铝中间合金。
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