CN104141078A - 具有复杂微观结构的耐磨合金 - Google Patents

Abstract

提供了一种具有复杂微观结构的耐磨合金，微观结构包括约19wt％至约27wt％范围的锌(Zn)、约3wt％至约5wt％范围的锡(Sn)、约7.6wt％至约11wt％范围的硅(Si)和余量的铝(Al)。

Description

具有复杂微观结构的耐磨合金

技术领域

本发明涉及用于可能需要耐磨性和自润滑性的车辆部件的铝合金以及制备该铝合金的方法。具体地，本发明提供具有复杂微观结构的铝合金，其可包含耐磨性颗粒和自润滑性软颗粒。

背景技术

作为铝合金，通常在车辆工业中使用含有约13.5wt％至约18wt％范围或约12wt％的硅(Si)和约2wt％至约4wt％范围的铜(Cu)的过共晶铝-铁(Al-Fe)合金。由于这种常规的Al-Fe合金具有以下微观结构，即其中具有尺寸范围为约30μm至约50μm的初生硅(Si)颗粒，因此其相对于纯Al-Fe合金可以具有改善的耐磨性，因而，其一般可用于可能需要耐磨性的车辆部件，例如挂挡叉、后盖、防波板等等。商业合金的实例可包括：R14合金(由日本Ryobi Corporation生产)、与R14合金类似的K14合金、用于整体(monoblock)或者铝内衬的A390合金等等。

然而，这些过共晶合金由于其硅含量高可能具有下述问题，例如，可铸性低、耐冲击性低等等。另外，可能难以调整硅(Si)颗粒的尺寸和分布，并且制造过共晶合金由于特别开发的工序可能比其它铝合金耗费更高。

同时，Al-Sn合金可以是用于车辆部件的自润滑铝合金的另一个实例。该Al-Sn合金可包括约8wt％至约15wt％范围的锡(Sn)，还包括可以降低摩擦的自润滑性锡(Sn)软颗粒的微观结构。因此，该Al-Sn合金可以用作在高摩擦接触面中使用的金属轴承的基础材料。然而，该Al-Sn合金由于约150MPa或更低的较低强度可能并不适用于结构车辆部件，尽管强度可以通过硅(Si)含量增强。

以上作为本发明的相关技术提供的说明仅仅是为了帮助理解本发明的背景，而不应理解为包含在本领域技术人员已经知晓的相关技术内。

发明内容

本发明可提供解决上述问题的技术方案。因此，在一方面，本发明提供具有可从其硬颗粒和软颗粒得到的微观结构的新型的高强度耐磨合金。具体地，该新型合金可以具有来自过共晶Al-Si的耐磨性和来自Al-Sn合金的自润滑性。

在本发明的一个示例性实施方式中，提供一种具有复杂微观结构的耐磨合金，其可以包括：约19wt％至约27wt％范围的锌(Zn)；约3wt％至约5wt％范围的锡(Sn)；约7.6wt％至约11wt％的硅(Si)；和余量的铝(Al)。该耐磨合金可以进一步包括约1wt％至约3wt％的铜(Cu)。该耐磨合金还可以包括约0.3wt％至约0.8wt％的镁(Mg)。另外，该耐磨合金可以包括约1wt％至约3wt％的铜(Cu)和约0.3wt％至约0.8wt％的镁(Mg)。

在另一个示例性实施方式中，本发明提供一种具有复杂微观结构的耐磨合金，其可以包括：约19wt％至约27wt％范围的锌(Zn)；约3wt％至约5wt％范围的铋(Bi)；约7.6wt％至约11wt％的硅(Si)；和余量的铝(Al)。

附图说明

根据以下详细描述并结合附图，将更清楚地理解本发明的以上和其它目的、特征和优点，其中：

图1是示出针对软颗粒在根据实施例和比较例的示例性实施方式的具有复杂微观结构的耐磨合金中摩擦系数与锡(Sn)含量(wt％)或锌(Zn)含量(wt％)之间的关联的示例图。

具体实施方式

应理解，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括通常的机动车，例如，包括多功能运动车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商务车的客车，包括各种船只和船舶的水运工具，飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、插入式混合电动车、氢动力车和其它代用燃料车(例如，来源于石油以外的资源的燃料)。如本文所提到的，混合动力车是具有两种或多种动力源的车辆，例如，具有汽油动力和电动力的车辆。

本文使用的术语仅仅是为了说明具体实施方式，而不是意在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一个、一种、该(a、an、the)”也意在包括复数形式，除非上下文中另外清楚指明。还应当理解的是，在说明书中使用的术语“包括(comprises和/或comprising)”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项的任何和所有组合。

除非具体说明或从上下文明显得到，否则本文所用的术语“约”理解为在本领域的正常容许范围内，例如在均值的2个标准差范围内。“约”可以理解为在所述数值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％内。除非另外从上下文清楚得到，本文提供的所有数值都由术语“约”修饰。

下文中，将详细描述本发明的各个示例性实施方式。本发明涉及具有复杂微观结构的新型合金，其可以同时包含硬颗粒和软颗粒。

在常规铝合金的某些实施例中，用于形成自润滑颗粒的合金元素可以包括锡(Sn)、铅(Pb)、铋(Bi)、锌(Zn)等。由于这些合金元素并不会与铝反应，因此不会形成金属间化合物，且可以分离出它们的相。另外，这些合金元素可具有相对低的熔点，且在严重摩擦状态下部分熔化时具有自润滑性以形成润滑膜。

在上述的四种合金元素中，当同时考虑自润滑性和成本时，铅(Pb)可能是用于形成自润滑颗粒的最合适元素。但是，铅被禁止用于车辆工业中，因为其被归类为有害金属元素。在这方面，可能最广泛使用锡(Sn)代替Pb，同时铋(Bi)可以偶尔代替Sn使用。相比之下，由于相比于Sn和Bi具有相当高的熔点和相当低的自润滑性，锌(Zn)可能是不利的。然而，基于其较低的成本，锌可以为相对高的量。因此，考虑到成本竞争力，Zn可以用于形成软颗粒和部分代替昂贵的Sn或Bi。

另外，Si或Fe可以是用于形成硬颗粒的合金元素。Si或Fe可导致与Al的共晶反应，并且当其以预定量或更大的量添加时形成角形硬颗粒。在铝合金的一个实例中，Si可以形成硬颗粒，并且形成初生硅颗粒。此外，当以约12.6wt％或更高的量加至Al-Si二元合金中时，Si可以提供耐磨性。然而，当Si与用于形成软颗粒的元素Zn一起添加时，Si含量可以依据Zn含量变化从而形成硬颗粒。例如，当Zn含量为约10wt％时，Si含量可以为最小约7wt％至最大约14wt％。当Si含量小于7wt％的最小量时，可能不能形成硬颗粒；当Si含量大于约14wt％的最大量时，硬颗粒的尺寸可能显著增加，由此对机械性能和耐磨性产生负面影响。

在Al-Fe合金中，Fe可以为杂质。然而，当Al-Fe二元合金不含(例如最低量)Si且Fe以约0.5wt％或更小的量添加时，可以形成耐磨性Al-Fe金属间化合物颗粒，由此对Al-Fe合金提供耐磨性。相比之下，当Fe以约3wt％或更大的量添加时，可能过度形成金属间化合物颗粒，由此使机械性能劣化并使熔点升高。

另外，用于强化示例性铝合金强度的合金元素可以包括Cu和Mg。Cu可以通过Cu与Al的化学反应而有效形成金属间化合物并提高强度。Cu的作用会基于Cu含量、铸造/冷却条件或热处理条件而变化。Mg可以通过Mg与Si或Zn的化学反应而有效形成金属间化合物并提高强度。Mg的作用也会基于Mg含量、铸造/冷却条件或热处理条件而变化。

下文中，将会在详细的示例性实施方式中描述本发明。

在一个示例性实施方式中，铝合金可以包含作为主要组分的铝(Al)，还包括约19wt％至约27wt％范围的锌(Zn)；约3wt％至约5wt％范围的锡(Sn)；约1wt％至约3wt％范围的铜(Cu)；约0.3wt％至约0.8wt％范围的镁(Mg)；和约7.6wt％至约11wt％的硅(Si)用于形成硬颗粒。当以低于约19wt％的量添加锌(Zn)时，可能不能形成足量的Zn软颗粒，从而可能难以获得充分的自润滑性。当以大于约27wt％的量添加锌(Zn)时，铝合金的固相线可能变得很低，从而使铸造条件劣化。

另外，锡(Sn)可以具有比锌(Zn)更高的自润滑性。当以低于约3wt％的量添加锡(Sn)时，可能不能形成足量的Sn软颗粒，因而可能难以补偿Zn软颗粒不足的自润滑性。当以大于约5wt％的量添加锡(Sn)时，在驾驶条件下可能不能得到铝合金的摩擦降低作用，由此就效率而言可以使Sn的量最小化。

硅(Si)可以形成硬颗粒。当以低于约7.6wt％的量添加硅(Si)时，可能不能充分形成初生Si硬颗粒，例如，低于约0.5wt％，可能难以确保耐磨性。当以大于约11wt％的量添加硅(Si)时，可能过度形成初生Si硬颗粒，例如，大于约5wt％，从而使硬颗粒粗化，并对耐磨性和机械性能产生负面影响。

铜(Cu)可以改善机械性能，且铜(Cu)可以以约1wt％或更高的量添加以确保充足的机械性能。然而，当以大于约3wt％的量添加铜(Cu)时，可能形成其它元素和金属间化合物，使得铝合金的机械性能劣化，因此，可以对铜(Cu)的量进行限制。或者，可以以约0.3wt％或更高的量添加镁(Mg)代替铜(Cu)，也可以额外改善铝合金的机械性能。然而，当以约0.8wt％或更大的量添加镁(Mg)时，可能形成使铝合金的机械特性劣化的化合物，因此可以对镁(Mg)的量进行限制。

已经针对软颗粒对根据本发明示例性实施方式的Al-Zn-Sn合金的低摩擦特性进行评价。如图1所示，在改变Zn和Sn量的同时制备实施例和比较例的示例性合金，然后测量合金的摩擦系数变化。结果，在约3wt％Sn的条件下，实施例的示例性3Sn-19Zn合金可以获得期望的低摩擦特性，例如，约0.150或更低的摩擦系数，而比较例的示例性3Sn-17Zn合金可能得到不期望的结果。因此，当基于约3wt％或更多的Sn，以约19wt％或更大的量添加Zn时，可以获得期望的低摩擦特性。另外，当Sn和Zn的量增加时，可以获得令人满意的低摩擦特性。在下面的表1中给出了实施例和比较例的示例性Al-25Zn-3Sn-xSi合金的耐磨性和机械特性评价结果。

表1

在以上表1中，在比较例的示例性Al-25Zn-3Sn-xSi合金(其可以包含约7.6wt％至约11wt％范围的Si)下，可以以约5wt％的最大量形成Si硬颗粒，从而获得充分的耐磨性。相比之下，当以约11.2wt％的量包含Si时，可以以大于约5wt％的量形成初生Si颗粒，Si颗粒可能粗化并偏析，因此对其量进行限制。

同时，无论Si量大小，示例性Al-25Zn-3Sn-xSi合金的强度可以在约335MPa至约345MPa的范围内，因此这些合金可以用作车辆部件的结构材料。根据本发明另一示例性实施方式的铝合金可以包括：约19wt％至约27wt％范围的锌(Zn)；约3wt％至约5wt％范围的铋(Bi)；约7.6wt％至约11wt％范围的硅(Si)；和余量的铝(Al)。具体地，铋(Bi)可以代替锡(Sn)用作自润滑性强的材料。

如上所述，根据本发明示例性实施方式的具有复杂微观结构的耐磨合金可兼具有来自过共晶Al-Si合金的耐磨性和来自Al-Sn合金的自润滑性，因此实现高强度和优异的耐磨性。

尽管已经出于示例说明的目的公开了本发明的示例性实施方式，但本领域技术人员应理解，在不偏离所附权利要求所公开的本发明的范围和精神的条件下，各种修改、增加和替换是可行的。

Claims (5)

1.一种具有复杂微观结构的耐磨合金，包括：

约19wt％至约27wt％范围的锌(Zn)；

约3wt％至约5wt％范围的锡(Sn)；

约7.6wt％至约11wt％范围的硅(Si)；和

余量的铝(Al)。

2.如权利要求1所述的耐磨合金，还包括：

约1wt％至约3wt％范围的铜(Cu)。

3.如权利要求1所述的耐磨合金，还包括：

约0.3wt％至约0.8wt％范围的镁(Mg)。

4.如权利要求1所述的耐磨合金，还包括：

约1wt％至约3wt％范围的铜(Cu)和约0.3wt％至约0.8wt％范围的镁(Mg)。

5.一种具有复杂微观结构的耐磨合金，包括：

约19wt％至约27wt％范围的锌(Zn)；

约3wt％至约5wt％范围的铋(Bi)；

约7.6wt％至约11wt％范围的硅(Si)；和

余量的铝(Al)。