CN104328315B

CN104328315B - 一种提高多元铝硅合金摩擦磨损性能的工艺方法

Info

Publication number: CN104328315B
Application number: CN201410567657.6A
Authority: CN
Inventors: 刘光磊; 司乃潮; 万浩; 王宏健; 丁冉; 王正军
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2014-10-22
Filing date: 2014-10-22
Publication date: 2016-08-24
Anticipated expiration: 2034-10-22
Also published as: CN104328315A

Abstract

本发明一种提高多元铝硅合金摩擦磨损性能的工艺方法，属于铝硅合金制备技术领域，材料为铸造铝硅合金，浇注时将金属型铸型放在振动台上，振动装置的频率50Hz，振幅5‑20mm，边振动边浇铸，浇注完成后关闭振动台。最后进行两种处理：（a）T6处理：先进行固溶处理，485±5℃保温5h后，立即水冷，随后进行时效处理，160±5℃保温5h后，立即水冷，得到T6态合金；（b）铸淬时效处理：浇注完成等待3分钟后，将铸型直接淬入室温水中至室温，随后进行时效处理，185±5℃保温6h后，立即水冷，得到铸淬时效态合金。将两种状态的铸造铝硅合金采用线切割的方法进行取样进行油润滑‑边界摩擦‑滑动摩擦磨损试验，摩擦副转速为200r/min。两种状态合金的耐磨性能得到了极大的提升。

Description

一种提高多元铝硅合金摩擦磨损性能的工艺方法

技术领域

本发明属于铝硅合金制备技术领域，特指一种提高多元铝硅合金摩擦磨损性能的工艺方法。

背景技术

据统计，全世界大约有1/3～1/2的能源消耗在各种形式的摩擦上，约有80%的零件失效是各种形式的磨损引起的。以汽车发动机为例：发动机本身是一个高集成化、多系统化、高速运转的机械装置，在它内部存在多种类型的摩擦部件，其摩擦损失能量约占发动机总功率的20%。汽车发动机缸体作为发动机中最重要的部件，铸件质量重、结构复杂、壁厚分布不均匀，而且在高温、高压及可能出现润滑条件不良或伴有固体微粒甚至腐蚀介质工况的条件下承受内部零件相对运动产生的摩擦磨损。这些摩擦副的摩擦学行为，既会影响发动机的工作性能和运行效率，更会影响发动机缸体乃至其他部件的使用寿命。随着汽车工业的迅猛发展，为了满足汽车传动装置高速、高负荷、大功率传递的发展需求，以及降低汽车油耗、提高节能环保性能的发展趋势，降低汽车重量的压力越来越大。

铝及其合金由于具有质轻，耐磨，耐腐蚀，弹性好，比强度和比刚度高，抗冲击性能好，易表面着色，良好的加工成形性以及极高的再回收、再生性等一系列优良特性而成为汽车轻量化最理想的材料。其中，辅助添加Cu、Mg等元素的铸造Al-Si合金，不但比重比传统铝合金更轻，且具有良好的高温强度、耐磨性、耐热性和较低的热膨胀系数等优点，是代替铁基材料制造汽车，尤其是汽车发动机的理想材料。当前，国内外铝合金材料用于复杂、特殊工况下的摩擦磨损行为方面的研究主要集中在过共晶铝硅合金、铸造A356合金、2系、6系和7系变形铝合金、铝基复合材料以及表面经过特殊处理的铝合金，如仿生表面、表面薄膜、表面沉积、表面激光冲击处理等。关于汽车发动机用铸造铝硅合金摩擦磨损方面的研究还处于初级阶段，要想进一步扩大铸造铝合金在汽车行业的应用范围，对铸造铝合金的力学性能尤其是摩擦磨损方面提出了更高的要求。基于此，本发明开发出一种提高多元铝硅合金摩擦磨损性能的工艺方法。

发明内容

本发明开发出一种提高多元铝硅合金摩擦磨损性能的工艺方法，按照下述步骤进行：

（1）材料为铸造铝硅合金，采用电磁感应石墨坩埚熔铝炉进行熔炼。除了Mg和Zn以外，其他原材料加入石墨坩埚内，在770℃下待所有原料熔化后降温至740℃并加入Mg和Zn。

（2）熔化后，再加入复合细化变质剂，其加入量为合金液总质量的0.40-0.60%。随后采用市售的HGJ-2铝合金无钠精炼清渣除气剂进行处理，加入量为合金液总质量的0.5%。

（3）完成后静置10min进行浇注，浇注温度710-720℃。铸造工艺为：采用普通金属型铸造方法，不同的是施加铸型整体振动。振动装置采用机械激振（频率50Hz，振幅5-20mm）装置。将金属型铸型放在振动台上，边振动边浇铸，浇注完成后关闭振动台。

（4）冷却后将铸造铝硅合金采用线切割的方法进行取样，进行两种处理：（a）T6处理：先进行固溶处理，485±5℃保温5h后，立即水冷（室温），随后进行时效处理，160±5℃保温5h后，立即水冷（室温），得到T6态合金；（b）铸淬时效处理：浇注完成等待3分钟后，将铸型直接淬入室温水中至室温，随后进行时效处理，185±5℃保温6h后，立即水冷（室温），得到铸淬时效态合金。

其中步骤（1）中所述的铸造铝硅合金具体化学成分（质量百分比）为：Si 7-8%，Cu 3-4%，Mg 0.3-0.4%，Mn 0.2-0.3%，Zn 0.4-0.5%，Fe≤0.35%，余为Al。

其中步骤（2）中所述的复合细化变质剂的化学成分按质量百分比计算，具体为：Ti为11-13%、Cr为8-9%、Ni为9-10%、Sr为8-9%、Ce为6-7%、La为6-7%、Nb为5-6%、Pr为3.5-4%、Er为3.5-4%、Eu为3.5-4%、Y为3-3.5%、Ba为3-3.5%、B为2.5-3%、Na为2-2.5%、V为1.5-2%、余为Al。

附图说明

图1 磨损时间为3h时，载荷对不同处理后的多元铝硅合金质量磨损率的影响。

图2 磨损时间对不同处理后的多元铝硅合金质量磨损率的影响：（a）载荷为500N；（b）载荷为1000N。

具体实施方式

磨损试验在M-2000型摩擦磨损试验机上进行。试样尺寸：长19.5mm×宽10mm×高8mm，摩擦副尺寸：ϕ40mm×10mm的GCr15圆环。磨损性能用质量磨损率来表达。每个试样进行磨损试验前和后都要在超声波清洗机中进行清洗，清洗液是浓度为20%的丙酮水溶液，清洗时间为30min。然后在60℃保温炉中进行烘干2h，最大程度的降低试样的表面污染程度。最后待试样冷却至室温后及时进行称重。称重采用MA110型电子天平，其精度为0.1mg。试验开始前，先进行30min的磨合试验，磨合完毕后测定磨损前试样的质量，然后加载至预定的载荷进行相应时间的磨损试验。磨损试验结束后，测定试样的质量，并计算出试样的质量磨损率。为保证实验过程中试样处在连续油润滑状态，润滑油选择30^#机油，每分钟滴定25滴油。试验中，上面的摩擦磨损试样固定不动，下面的摩擦副试样转动，即试样进行的是油润滑-边界摩擦-滑动摩擦磨损试验，摩擦副转速为200 r/min。

实施例 1

材料为铸造铝硅合金，原材料均为市售，具体化学成分（质量百分比）为：Si 7-8%，Cu 3-4%，Mg 0.3-0.4%，Mn 0.2-0.3%，Zn 0.4-0.5%，Fe≤0.35%，余为Al。采用电磁感应石墨坩埚熔铝炉进行熔炼。除了Mg和Zn以外，其他原材料加入石墨坩埚内，在770℃下待所有原料熔化后降温至740℃并加入Mg和Zn。熔化后，再加入复合细化变质剂（化学成分按质量百分比计算，具体为：Ti为11%、Cr为8%、Ni为9%、Sr为8%、Ce为6%、La为6%、Nb为5%、Pr为3.5%、Er为3.5%、Eu为3.5%、Y为3%、Ba为3%、B为2.5%、Na为2%、V为1.5%、余为Al），加入量为合金液总质量的0.40%。随后采用市售的HGJ-2铝合金无钠精炼清渣除气剂进行除气处理，加入量为合金液总质量的0.5%。完成后静置10min进行浇注，浇注温度710-720℃。铸造工艺为：采用普通金属型铸造方法，不同的是施加铸型整体振动。振动装置采用机械激振（频率50Hz，振幅5-20mm）装置。将金属型铸型放在振动台上，边振动边浇铸，浇注完成后关闭振动台。冷却后将铸造铝硅合金采用线切割的方法进行取样。然后对试样先进行固溶处理，485±5℃保温5h后，立即水冷（室温），随后进行时效处理，160±5℃保温5h后，立即水冷（室温），从而得到T6态合金。对上述工艺方法制备的T6态铸造铝硅合金进行摩擦磨损试验，方法详见具体实施方式，实验结果如图1和图2所示。

实施例 2

材料为铸造铝硅合金，原材料均为市售，具体化学成分（质量百分比）为：Si 7-8%，Cu 3-4%，Mg 0.3-0.4%，Mn 0.2-0.3%，Zn 0.4-0.5%，Fe≤0.35%，余为Al。采用电磁感应石墨坩埚熔铝炉进行熔炼。除了Mg和Zn以外，其他原材料加入石墨坩埚内，在770℃下待所有原料熔化后降温至740℃并加入Mg和Zn。熔化后，再加入复合细化变质剂（化学成分按质量百分比计算，具体为：Ti为13%、Cr为9%、Ni为10%、Sr为9%、Ce为7%、La为7%、Nb为6%、Pr为4%、Er为4%、Eu为4%、Y为3.5%、Ba为3.5%、B为3%、Na为2.5%、V为2%、余为Al），加入量为合金液总质量的0.60%。随后采用市售的HGJ-2铝合金无钠精炼清渣除气剂进行除气处理，加入量为合金液总质量的0.5%。完成后静置10min进行浇注，浇注温度710-720℃。铸造工艺为：采用普通金属型铸造方法，不同的是施加铸型整体振动。振动装置采用机械激振（频率50Hz，振幅5-20mm）装置。将金属型铸型放在振动台上，边振动边浇铸，浇注完成后关闭振动台。浇注完成等待3分钟后，将铸型直接淬入室温水中至室温，冷却后将铸造铝硅合金采用线切割的方法进行取样。然后对试样进行时效处理，185±5℃保温6h后，立即水冷（室温），从而得到铸淬时效态合金。对上述工艺方法制备的铸淬时效态铸造铝硅合金进行摩擦磨损试验，方法详见具体实施方式。实验结果如图1和图2所示。

对比例

材料为铸造铝硅合金，原材料均为市售，具体化学成分（质量百分比）为：Si 7-8%，Cu 3-4%，Mg 0.3-0.4%，Mn 0.2-0.3%，Zn 0.4-0.5%，Fe≤0.35%，余为Al。采用电磁感应石墨坩埚熔铝炉进行熔炼。除了Mg和Zn以外，其他原材料加入石墨坩埚内，在770℃下待所有原料熔化后降温至740℃并加入Mg和Zn。熔化后，再加入复合细化变质剂（化学成分按质量百分比计算，具体为：Ti为12%、Cr为8%、Ni为10%、Sr为9%、Ce为6%、La为6%、Nb为6%、Pr为4%、Er为4%、Eu为4%、Y为3%、Ba为3%、B为3%、Na为2%、V为2%、余为Al），加入量为合金液总质量的0.50%。随后采用市售的HGJ-2铝合金无钠精炼清渣除气剂进行除气处理，加入量为合金液总质量的0.5%。完成后静置10min进行浇注，浇注温度710-720℃。铸造工艺为：采用普通金属型铸造方法，不同的是施加铸型整体振动。振动装置采用机械激振（频率50Hz，振幅5-20mm）装置。将金属型铸型放在振动台上，边振动边浇铸，浇注完成后关闭振动台。冷却后将铸造铝硅合金采用线切割的方法进行取样，得到的试样即为铸态合金。对上述工艺方法制备的铸态铸造铝硅合金进行摩擦磨损试验，方法详见具体实施方式。实验结果如图1和图2所示。

实验结果如图所示，其中图1是磨损时间为3h时，载荷对不同处理后的多元铝硅合金质量磨损率的影响，从中可以发现：T6态合金的摩擦磨损性能最好；当载荷小于500N时，T6态和铸淬时效态合金的质量磨损率相差不大，摩擦磨损性能相当。图2是载荷分别为（a）载荷为500N；（b）载荷为1000N时，磨损时间对不同处理后的多元铝硅合金质量磨损率的影响，从中可以发现：还是T6态合金的摩擦磨损性能最好；当磨损时间小于3h时，T6态和铸淬时效态合金的质量磨损率比较接近，两种状态合金的摩擦磨损性能差不多。总之，与铸态合金相比，T6态合金和铸淬时效态合金的耐磨性能均得到极大地提高，而T6态合金的耐磨性能更好。当铸造铝硅合金应用在载荷较小且连续工作时间不长的环境中时，可以采用铸淬时效态合金可以代替T6态合金，以节约能源、提高生产效率。

Claims

1.一种提高多元铝硅合金摩擦磨损性能的工艺方法，其特征在于按照下述步骤进行：

（1）材料为铸造铝硅合金，采用电磁感应石墨坩埚熔铝炉进行熔炼；

除了Mg和Zn以外，其他原材料加入石墨坩埚内，在770℃下待所有原料熔化后降温至740℃并加入Mg和Zn；

（2）熔化后，再加入复合细化变质剂，其加入量为合金液总质量的0.40-0.60%；

随后采用除气剂进行处理，加入量为合金液总质量的0.5%；

（3）完成后静置10min进行浇注，浇注温度710-720℃；

铸造工艺为：采用普通金属型铸造方法，不同的是施加铸型整体振动；

振动装置采用机械激振装置；

将金属型铸型放在振动台上，边振动边浇铸，浇铸完成后关闭振动台；

（4）冷却后将铸造铝硅合金采用线切割的方法进行取样，进行两种处理：（a）T6处理：先进行固溶处理，485±5℃保温5h后，立即水冷至室温，随后进行时效处理，160±5℃保温5h后，立即水冷至室温，得到T6态合金；（b）铸淬时效处理：浇铸完成等待3分钟后，将铸型直接淬入室温水中至室温，随后进行时效处理，185±5℃保温6h后，立即水冷至室温，得到铸淬时效态合金；

其中步骤（1）中所述的铸造铝硅合金具体化学成分以质量百分比计为：Si 7-8%，Cu 3-4%，Mg 0.3-0.4%，Mn 0.2-0.3%，Zn 0.4-0.5%，Fe≤0.35%，余为Al；

其中步骤（2）中所述的复合细化变质剂的化学成分按质量百分比计算，具体为：Ti为11-13%、Cr为8-9%、Ni为9-10%、Sr为8-9%、Ce为6-7%、La为6-7%、Nb为5-6%、Pr为3.5-4%、Er为3.5-4%、Eu为3.5-4%、Y为3-3.5%、Ba为3-3.5%、B为2.5-3%、Na为2-2.5%、V为1.5-2%、余为Al；

其中步骤（2）中所述的除气剂为HGJ-2铝合金无钠精炼清渣；

其中步骤（3）中振动装置采用机械激振装置，其频率50Hz，振幅5-20mm。