CN104109782B - 一种铝合金材料、铝合金耐磨件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种铝合金材料、铝合金耐磨件及其制备方法。该铝合金材料包括按重量百分含量计的:8~13%的硅、1~3%的铜、1~2%的锌、低于0.9%的铁、低于0.9%的锰、低于0.3%的镁和低于0.5%的镍,其余为铝。具有上述组成的铝合金材料,提高了以其为原料所得工件的机械强度,并改善了工件的耐磨性和加工特性;且铝合金材料中的锌含量较高能够进一步提高工件的强度,进而有效地降低工件的摩擦系数,改善工件的耐磨性;同时,镁含量控制在0.3%以下,能够有效防止工件产生脆性相,降低工件的延展性,改善工件的耐磨性,延长工件的使用时间。
Description
技术领域
本发明涉及冶金领域,具体而言,涉及一种铝合金材料、铝合金耐磨件及其制备方法。
背景技术
相互接触的两个零件有相对运动或相对运动趋势时,就会在接触面产生摩擦力,从而产生相应的磨损。摩擦力大小直接反映功耗的高低,磨损性能的好坏决定了零件或整机寿命的长短。因此,降低零件接触面间的摩擦力,提高材料的耐磨性,对提高压缩机的可靠性有重要意义。
以十字滑环为例,作用是将曲轴的旋转运动转化为动盘的平动。十字滑环凸键在键槽内往复运动,凸键的两侧面分别与动涡盘、支架上的滑槽构成摩擦面,当作用在凸键上的载荷很大时,作用在凸键滑动面上的表面压力将增大,容易导致接触面上的油膜受载荷过大而破裂,因此,在每一凸键的滑动表面上很难形成连续的润滑油膜,这将加剧凸键的磨损。另外,当压缩机启动或低频运行时,曲轴驱动动盘尾部,十字滑环的凸键在支架或动盘的滑槽内低速滑动,油气不充分也会导致不能形成连续的油膜,从而加剧凸键或键槽的磨损。
现有的十字滑环等耐磨件一般采用铝合金材料,铝合金具有质量轻,在运动中惯性力小的优势;但是,目前的铝合金材料摩擦系数较大,材质较软,在使用过程中容易磨损。
发明内容
本发明旨在提供一种铝合金材料、铝合金耐磨件及其制备方法,提高了铝合金耐磨件的耐磨性能。
为了实现上述目的,根据本发明的一个方面,提供了一种铝合金材料,铝合金材料包括按重量百分含量计的:8~13%的硅、1~3%的铜、1~2%的锌、低于0.9%的铁、低于0.9%的锰、低于0.3%的镁和低于0.5%的镍,其余为铝。
进一步地,上述铝合金材料包括按重量百分含量计的:10%的硅、2%的铜、1.5%的锌、0.8%的铁、0.3%的锰、0.2%的镁和0.3%的镍,其余为铝。
根据本发明的另一方面,提供了一种铝合金耐磨件,上述铝合金耐磨件包括铝合金基体,铝合金基体采用上述的铝合金材料制作而成。
进一步地,上述铝合金基体的表面具有硬质阳极氧化膜,硬质阳极氧化膜的厚度为15~35μm,硬度值为380~450HV。
进一步地,上述硬质阳极氧化膜的厚度为20~30μm,硬度值为400HV。
进一步地,上述铝合金耐磨件还包括润滑膜,润滑膜包覆在铝合金基体的硬质阳极氧化膜上且厚度为30~60μm。
进一步地,上述润滑膜为聚四氟乙烯膜。
根据本发明的另一方面,提供了一种铝合金耐磨件的制备方法,该制备方法采用上述的铝合金材料为原料。
进一步地,上述制备方法包括:步骤S1,将铝合金材料进行铸造得到铝合金耐磨坯;步骤S2,采用200~250g/L的硫酸对铝合金耐磨坯进行硬质阳极氧化得到铝合金基体,其中,硬质阳极氧化的温度为-8~-5℃,电流为1~3A,氧化时间为20~40min。
进一步地,上述制备方法在步骤S2之后还包括:步骤S3,将铝合金基体水洗后浸渍到包括质量含量为25~35%的聚四氟乙烯的乳液中;步骤S4,15~30min后将浸渍后的铝合金基体取出并置于250~300℃下干燥20~40min,得到铝合金耐磨件。
应用本发明的技术方案,提高了以其为原料所得工件的机械强度,并改善了工件的耐磨性和加工特性;且铝合金材料中的锌含量较高能够进一步提高工件的强度,进而有效地降低工件的摩擦系数,改善工件的耐磨性;同时,镁含量控制在0.3%以下,能够有效防止工件产生脆性相,降低工件的延展性,改善工件的耐磨性。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1示出了实施例1的铝合金十字滑环的摩擦系数测试结果;
图2示出了实施例2的铝合金十字滑环的摩擦系数测试结果;
图3示出了实施例5的铝合金十字滑环的摩擦系数测试结果;
图4示出了对比例1的铝合金十字滑环的摩擦系数测试结果;以及
图5示出了对比例2的铝合金十字滑环的摩擦系数测试结果。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
在本发明一种典型的实施方式中,提供了一种铝合金材料,该铝合金材料包括按重量百分含量计的:8~13%的硅、1~3%的铜、1~2%的锌、低于0.9%的铁、低于0.9%的锰、低于0.3%的镁和低于0.5%的镍,其余为铝。
具有上述组成的铝合金材料,提高了以其为原料所得工件的机械强度,并改善了工件的耐磨性和加工特性;且铝合金材料中的锌含量较高能够进一步提高工件的强度,进而有效地降低工件的摩擦系数,改善工件的耐磨性;同时,镁含量控制在0.3%以下,能够有效防止工件产生脆性相,降低工件的延展性,改善工件的耐磨性,延长工件的使用时间。
在本发明的一种优选的实施例中,上述铝合金材料包括按重量百分含量计的:10%的硅、2%的铜、1.5%的锌、0.8%的铁、0.3%的锰、0.2%的镁和0.3%的镍,其余为铝。具有上述组成的铝合金材料的强度和耐磨性均具有较为理想的表现。
在本发明的另一种典型的实施方式中,提供了一种铝合金耐磨件,该铝合金耐磨件包括铝合金基体,铝合金基体采用上述的铝合金材料制作而成。该铝合金耐磨件的铝合金基体中各元素相互配合,提高了铝合金耐磨件的强度,降低了其摩擦系数,改善了其耐磨性能。
在本发明的又一种优选的实施例中,上述铝合金基体的表面具有硬质阳极氧化膜,硬质阳极氧化膜的厚度为15~35μm,硬度值为380~450HV。
设置在铝合金基体表面的硬质阳极氧化膜的硬度较大,在摩擦过程中磨损较小,而且,硬质阳极氧化膜的表面疏松层内的孔隙可以浸渍和储存润滑油,在工作条件恶劣(比如重载荷、高温度)的情况下润滑油可以溢出形成油膜,进一步使表面系数降低,减少铝合金耐磨件的磨损。上述的铝合金材料中硅含量在8~13%之间,减少硬质阳极氧化膜中针孔的产生,不仅可以显著提高硬质阳极氧化膜的表面质量,而且容易控制硬质阳极氧化膜的厚度。
当上述铝合金基体的硬质阳极氧化膜的厚度为20~30μm,硬度值为400HV时能够显著改善铝合金耐磨件的耐磨性能。
在本发明的又一种优选的实施例中,上述铝合金耐磨件还包括润滑膜,该润滑膜包覆在铝合金基体的硬质阳极氧化膜上且厚度为30~60μm。在铝合金基体的表面包覆润滑膜,进一步降低了铝合金耐磨件的摩擦系数,降低铝合金耐磨件工作时的功耗。
从原料成本和耐磨效果综合考虑,优选上述润滑膜为聚四氟乙烯膜。
在本发明的另一种典型的实施方式中,提供了一种铝合金耐磨件的制备方法,该制备方法采用上述的铝合金材料为原料。以本发明铝合金材料为原料制作上述铝合金耐磨件时,可以采用常规的冶炼方法,比如电炉精炼、铸造成型,由于原料中各组分理想的配比降低了所得到的铝合金耐磨件的摩擦系数,提高了其耐磨性能。
在本发明的又一种优选的实施例中,上述制备方法包括:步骤S1,将铝合金材料进行铸造得到铝合金耐磨坯;步骤S2,采用200~250g/L的硫酸对铝合金耐磨坯进行硬质阳极氧化得到铝合金基体,其中,硬质阳极氧化的温度为-8~-5℃,电流为1~3A,氧化时间为20~40min。在上述条件下对铝合金耐磨坯进行硬质阳极氧化处理,得到的硬质阳极氧化膜的厚度和硬度值均比较理想。
在本发明的又一种优选的实施例中,上述制备方法在步骤S2之后还包括:步骤S3,将铝合金基体水洗后浸渍到浓度包括质量含量为25~35%的聚四氟乙烯的乳液中;步骤S4,15~30min后将浸渍后的铝合金基体取出并置于250~300℃下干燥20~40min,得到铝合金耐磨件。在上述过程中,聚四氟乙烯只能覆在硬质阳极氧化膜的表面而不能渗到内部的微孔中,因此,不仅减小了铝合金耐磨件表面的摩擦系数,而且不会影响硬质阳极氧化膜对润滑油的储存功能,进一步改善了在工作条件恶劣时铝合金耐磨件的耐磨性能。
以下将结合实施例和对比例,进一步说明本发明的有益效果。
实施例1
实施例1的铝合金材料的重量百分比为:10%的硅、2%的铜、1.5%的锌、0.8%的铁、0.3%的锰、0.2%的镁和0.3%的镍,其余为铝。
将上述实施例1的铝合金材料精炼为铝合金十字滑环坯,采用200g/L的硫酸对铝合金十字滑环坯进行硬质阳极氧化得到厚度为30μm的硬质阳极氧化膜,其中,硬质阳极氧化的温度为-5℃,电流为2A,氧化时间为30min;将铝合金基体水洗后浸渍到浓度为30%的聚四氟乙烯乳液中;20min后将浸渍后的铝合金基体取出并置于280℃下干燥30min,得到实施例1的铝合金十字滑环。
实施例2
实施例2的铝合金材料的重量百分比为:10%的硅、2%的铜、1.5%的锌、0.8%的铁、0.3%的锰、0.2%的镁和0.3%的镍,其余为铝。
将上述实施例2的铝合金材精炼为铝合金十字滑环坯,采用200g/L的硫酸对铝合金十字滑环坯进行硬质阳极氧化得到厚度为35μm的硬质阳极氧化膜,其中,硬质阳极氧化的温度为-5℃,电流为2A,氧化时间为30min,得到实施例2的铝合金十字滑环。
实施例3
实施例3的铝合金材料的重量百分比为:13%的硅、3%的铜、1%的锌、0.3%的铁、0.5%的锰、0.2%的镁和0.3%的镍,其余为铝。
将上述实施例3的铝合金材料精炼为铝合金十字滑环坯,采用250g/L的硫酸对铝合金十字滑环坯进行硬质阳极氧化得到厚度为20μm的硬质阳极氧化膜,其中,硬质阳极氧化的温度为-8℃,电流为3A,氧化时间为20min;将铝合金基体水洗后浸渍到浓度为25%的聚四氟乙烯乳液中;30min后将浸渍后的铝合金基体取出并置于250℃下干燥40min,得到实施例3的铝合金十字滑环。
实施例4
实施例4的铝合金材料的重量百分比为:8%的硅、1%的铜、2%的锌、0.5%的铁、0.5%的锰、0.7%的镁和0.5%的镍,其余为铝。
将上述实施例4的铝合金精炼为铝合金十字滑环坯,采用230g/L的硫酸对铝合金十字滑环坯进行硬质阳极氧化得到厚度为40μm的硬质阳极氧化膜,其中,硬质阳极氧化的温度为-3℃,电流为1A,氧化时间为40min;将铝合金基体水洗后浸渍到浓度为35%的聚四氟乙烯乳液中;15min后将浸渍后的铝合金基体取出并置于300℃下干燥20min,得到实施例4的铝合金十字滑环。
实施例5
实施例5的铝合金材料的重量百分比为:10%的硅、2%的铜、1.5%的锌、0.8%的铁、0.3%的锰、0.2%的镁和0.3%的镍,其余为铝。将上述实施例3的铝合金材料精炼为实施例5的铝合金十字滑环。
对比例1
对比例1的铝合金材料的重量百分比为:11%的硅、1.5%的铜、0.8%的锌、0.6%的铁、0.6%的锰、0.6%的镁和0.6%的镍,其余为铝。将上述对比例1的铝合金材料精炼对比例1的铝合金十字滑环。
对比例2
对比例2的铝合金材料的重量百分比为:5%的硅、4%的铜、2.3%的锌、1.0%的铁、1.0%的锰、0.5%的镁和0.6%的镍,其余为铝。将上述对比例1的铝合金材料精炼为铝合金十字滑环坯,采用200g/L的硫酸对铝合金十字滑环坯进行硬质阳极氧化得到厚度为35μm硬质阳极氧化膜,其中,硬质阳极氧化的温度为-5℃,电流为2A,氧化时间为30min;将铝合金基体水洗后浸渍到浓度为30%的聚四氟乙烯乳液中;20min后将浸渍后的铝合金基体取出并置于280℃下干燥30min,得到对比例1的铝合金十字滑环。
对实施例1至5以及对比例1和2的铝合金十字滑环的摩擦性能进行测试,硬度、磨损率和磨损量的测试结果记录表1,摩擦系数的测试结果见附图。具体测试方法为:
阳极氧化膜显微硬度测量采用MC010-HVS-1000Z型显微硬度计,所加载荷为9.8N,加载时间10s,结果为5次测定数据的平均值。
摩擦磨损设备为WWM-A立式万能摩擦磨损试验机,止推圈式面面接触,上试件为大止推圈(材料为HT250,230HV),下试样为待测试铝合金十字滑环。载荷600N,速率800r/min,磨损长度13875m,摩擦试验条件为室温,环境介质为68EP冷冻油润滑状态。采用轮廓法来评定试样的磨损量。
表1
硬度(HV) | 磨损量(mm3) | 磨损率(mm3)/m | |
实施例1 | 395 | 10.02 | 0.69×10-6 |
实施例2 | 402 | 9.805 | 0.67×10-6 |
实施例3 | 507 | 11.47 | 0.79×10-6 |
实施例4 | 360 | 12.06 | 0.833×10-6 |
实施例5 | 175 | 14.431 | 0.997×10-6 |
对比例1 | 169 | 15.031 | 1.04*10-6 |
对比例2 | 292 | 13.58 | 0.938*10-6 |
由表1中的数据可以看出,实施例1至实施例4的磨损率和磨损量均明显小于对比例1和2的磨损率和磨损量,说明采用本发明铝合金材料为原料得到的铝合金十字滑环的耐磨性能得到明显改善;且实施例5的磨损率和磨损量均明显小于对比例1的磨损率和磨损量,说明通过调节铝合金材料中各元素之间的配比能够实现改进铝合金十字滑环的耐磨性能的优化效果;实施例1的磨损率和磨损量最小说明硬质阳极氧化膜和润滑膜对铝合金十字滑环的耐磨性能均具有改善作用;并且由附图1至5也可以看出采用本发明技术方案对铝合金十字滑环的耐磨性能具有改善作用。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种铝合金材料,其特征在于,所述铝合金材料包括按重量百分含量计的:10%的硅、2%的铜、1.5%的锌、0.8%的铁、0.3%的锰、0.2%的镁和0.3%的镍,其余为铝。
2.一种铝合金耐磨件,其特征在于,所述铝合金耐磨件包括铝合金基体,所述铝合金基体采用权利要求1所述的铝合金材料制作而成。
3.根据权利要求2所述的铝合金耐磨件,其特征在于,所述铝合金基体的表面具有硬质阳极氧化膜,所述硬质阳极氧化膜的厚度为15~35μm,硬度值为380~450HV。
4.根据权利要求3所述的铝合金耐磨件,其特征在于,所述硬质阳极氧化膜的厚度为20~30μm,硬度值为400HV。
5.根据权利要求3或4所述的铝合金耐磨件,其特征在于,所述铝合金耐磨件还包括润滑膜,所述润滑膜包覆在所述铝合金基体的硬质阳极氧化膜上且厚度为30~60μm。
6.根据权利要求5所述的铝合金耐磨件,其特征在于,所述润滑膜为聚四氟乙烯膜。
7.一种铝合金耐磨件的制备方法,其特征在于,所述制备方法采用权利要求1所述的铝合金材料为原料。
8.根据权利要求7所述的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括:
步骤S1,将所述铝合金材料进行铸造得到铝合金耐磨坯;
步骤S2,采用200~250g/L的硫酸对铝合金耐磨坯进行硬质阳极氧化得到铝合金基体,其中,所述硬质阳极氧化的温度为-8~-5℃,电流为1~3A,氧化时间为20~40min。
9.根据权利要求8所述的制备方法,其特征在于,所述制备方法在所述步骤S2之后还包括:
步骤S3,将所述铝合金基体水洗后浸渍到包括质量含量为25~35%的聚四氟乙烯的乳液中;
步骤S4,15~30min后将浸渍后的所述铝合金基体取出并置于250~300℃下干燥20~40min,得到所述铝合金耐磨件。
10.一种铝合金耐磨件的制备方法,其特征在于,所述制备方法采用铝合金材料为原料,所述铝合金材料包括按重量百分含量计的:8~13%的硅、1~3%的铜、1~2%的锌、低于0.9%的铁、低于0.9%的锰、低于0.3%的镁和低于0.5%的镍,其余为铝,所述制备方法包括:
步骤S1,将所述铝合金材料进行铸造得到铝合金耐磨坯;
步骤S2,采用200~250g/L的硫酸对铝合金耐磨坯进行硬质阳极氧化得到铝合金基体,其中,所述硬质阳极氧化的温度为-8~-5℃,电流为1~3A,氧化时间为20~40min。
11.根据权利要求10所述的制备方法,其特征在于,所述制备方法在所述步骤S2之后还包括:
步骤S3,将所述铝合金基体水洗后浸渍到包括质量含量为25~35%的聚四氟乙烯的乳液中;
步骤S4,15~30min后将浸渍后的所述铝合金基体取出并置于250~300℃下干燥20~40min,得到所述铝合金耐磨件。
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