CN105734354A - 一种铝锡铜合金基轴瓦材料及其制备方法 - Google Patents

一种铝锡铜合金基轴瓦材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于轴瓦材料技术领域，公开了一种铝锡铜合金基轴瓦材料及其制备方法。该材料以内生TiB2颗粒作为增强体，以铝锡铜合金作为基体合金；其中，内生TiB2颗粒的体积百分比为4.0～12.0％。制备方法包括以下步骤：(1)熔化铝锭，得铝熔体，加入反应物K2TiF6?KBF4混合盐、反应助剂Na3AlF6?MgCl2混合盐，得到含有内生TiB2颗粒的铝熔体；(2)向含有内生TiB2颗粒的铝熔体内加入铝铜锌锰中间合金和锡块，得合金熔体；(3)以NaCl?KCl?CaF2混合盐作为精炼剂，对合金熔体精炼后，浇注到铸模中，即得。本发明铝锡铜合金基轴瓦材料的综合使用性能优，生产成本低且环保无污染。

Description

一种铝锡铜合金基轴瓦材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及轴瓦材料的技术领域，具体涉及一种铝锡铜合金基轴瓦材料及其制备方法。
背景技术
轴瓦是内燃机、压力机等机械设备中承载运动、降低摩擦、减少磨损的关键零部件。轴瓦材料的好坏直接影响轴瓦的工作稳定性和使用寿命。传统轴瓦材料中，巴氏合金的减摩性好、表面适应性强，但其承载能力低、成本高，且含大量铅、镉等有污染的重金属元素；铜基合金的承载能力高、减摩性好，但其成本高，且铅青铜中的铅元素污染环境；铝基轴瓦材料中，高锡铝合金承载能力低、工艺复杂、加工成本高，低锡铝合金硬度大，但需要在其表面镀覆一层含铅的减摩合金层，不仅工艺复杂、成本高，而且污染环境。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种制备工艺简单、生产成本低、使用性能佳、环保性能优的铝锡铜合金基轴瓦材料及其制备方法，此轴瓦材料可用于中高载荷、中高转速的内燃机、压力机。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
(一)一种铝锡铜合金基轴瓦材料，其特征在于，以内生TiB2颗粒作为增强体，以铝锡铜合金作为基体合金；其中，内生TiB2颗粒的体积百分比为4.0～12.0％。
优选地，所述基体合金的主体元素为铝，并含有锡、铜、锌、锰，基体合金中各元素的质量百分比为：锡6.0～15.0％、铜0.8～1.5％、锌0.6～1.2％、锰0.5～1.0％，余量为铝。
(二)上述铝锡铜合金基轴瓦材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)700～750℃熔化铝锭，得铝熔体，再过热至900～930℃；向过热后的铝熔体中加入反应物K2TiF6-KBF4混合盐、反应助剂Na3AlF6-MgCl2混合盐，用石墨棒充分搅拌，反应15～20min，生成TiB2，即为内生TiB2颗粒，得到含有内生TiB2颗粒的铝熔体；其中，所述K2TiF6-KBF4混合盐是按Ti∶B为1∶2的摩尔比配制而成，所述反应助剂Na3AlF6-MgCl2混合盐中Na3AlF6和MgCl2的质量比为3∶1；
(2)将含有内生TiB2颗粒的铝熔体的温度降至750～780℃，并加入铝铜锌锰中间合金和锡块，得合金熔体；
(3)以NaCl-KCl-CaF2混合盐作为精炼剂，对合金熔体精炼后，浇注到铸模中，获得铝锡铜合金基轴瓦材料。
优选地，步骤(1)中，所述反应助剂Na3AlF6-MgCl2混合盐的总质量为反应物K2TiF6-KBF4混合盐质量的7～9％。
优选地，步骤(2)中，所述铝铜锌锰中间合金为铝锭、锌板、Al-12Cu中间合金、Al-6Mn中间合金经真空感应炉熔炼后，700～730℃浇注而成。
优选地，步骤(3)中，所述NaCl-KCl-CaF2混合盐的用量为基体合金质量的2.5～3.5％。
优选地，步骤(3)中，所述NaCl-KCl-CaF2混合盐中NaCl、KCl和CaF2的质量比为4∶4∶1。
优选地，所述基体合金的质量为步骤(1)中所述铝锭、步骤(2)中所述铝铜锌锰中间合金和锡块的总质量，并且K2TiF6-KBF4混合盐的质量与基体合金的质量比为1∶1.2～1∶2.6。
优选地，步骤(3)中，所述对熔体精炼后，将熔体的温度降至710～730℃，并充分搅拌，再进行浇注。
本发明中，所述K2TiF6-KBF4混合盐为K2TiF6和KBF4在常温下物理混合所得；所述Na3AlF6-MgCl2混合盐为Na3AlF6和MgCl2在常温下物理混合所得；所述NaCl-KCl-CaF2混合盐为NaCl、KCl和CaF2在常温下物理混合所得。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明铝锡铜合金基轴瓦材料的综合使用性能优，具体表现为：与传统铝基轴瓦材料(如AlSn20Cu)相比，该轴瓦材料力学性能好、承载能力高、耐磨性好且膨胀系数小，轴瓦工作稳定和使用寿命长；与传统铜基轴瓦材料(如CuSn8Pb2和ZQSn6-6-3)相比，其塑性好、顺应性好、嵌藏性好，对轴损伤小，减摩性好、导热率高，摩擦温度低、传动效率高，密度小、轴瓦质量轻。
本发明铝锡铜合金基轴瓦材料的生产成本低，具体表现为：与传统铝基轴瓦材料(如AlSn20Cu)相比，本发明铝锡铜合金基轴瓦材料中锡的含量较低，锡的成本低；与传统铜基轴瓦材料(如CuSn8Pb2)相比，本发明轴瓦材料的主要成分为铝，铝的价格较铜低，因此，本发明的原料成本低。另外，本发明的熔炼温度低(比传统铜基轴瓦材料的熔炼温度至少低400℃)、熔炼能耗少，因此，熔炼成本亦低。
本发明铝锡铜合金基轴瓦材料环保无污染，具体表现为：与传统铜基轴瓦材料和铝基轴瓦材料相比，本发明铝锡铜合金基轴瓦材料不含铅、镉等有污染的重金属元素，环保性能优，符合国内外对轴瓦材料环保性能的要求。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明，但是以下实施例并不作为限制本发明的保护范围。
实施例1
按照Ti∶B为1∶2的摩尔比配制6.30Kg的K2TiF6-KBF4混合盐作为反应物，由反应方程式3K2TiF6+6KBF4+10Al→3TiB2+10AlF3+12KF可知，熔制过程中，铝熔体的反应消耗量占混合盐的18％，因此考虑铝熔体的反应消耗和合金元素的正常烧损后，按照Al∶Sn∶Cu∶Zn∶Mn为85.0∶12∶1.2∶1.0∶0.8的质量比配制10.3Kg基体合金所需的铝锭、铝铜锌锰中间合金和锡块，其中，铝铜锌锰中间合金为铝锭、锌板、Al-12Cu中间合金、Al-6Mn中间合金经真空感应炉熔炼后，710℃浇注而成。混合盐与基体合金的质量比为1∶1.63。
按照Na3AlF6∶MgCl2为3∶1的质量比配制0.50Kg Na3AlF6-MgCl2混合盐作为反应助剂，其总量为混合盐质量的8％；按照NaCl∶KCl∶CaF2为4∶4∶1的质量比配制0.31Kg NaCl-KCl-CaF2混合盐作为精炼剂，其总量为基体合金质量的3％。
700℃熔化铝锭，并过热至920℃，向其中加入经过干燥处理的上述混合盐和反应助剂，充分搅拌20min，得到含有内生TiB2颗粒的铝熔体，待含有内生TiB2颗粒的铝熔体平静、反应结束后，清除盐渣；然后将含有内生TiB2颗粒的铝熔体降温至750℃，添加铝铜锌锰中间合金和工业纯锡块，750℃保温熔化后，得熔体；以NaCl-KCl-CaF2混合盐作为精炼剂，对熔体精炼，再降温至720℃并充分搅拌，浇注到铸模中，得铝锡铜合金基轴瓦材料；其中，铝锡铜合金基轴瓦材料中内生TiB2颗粒的体积百分比为6.8％。
上述所得铝锡铜合金基轴瓦材料的综合使用性能优，其铸态力学性能和物理性能如下：抗拉强度为149.0Mpa，布氏硬度(HB10/100/10)为39.5HBS，伸长率为14.6％，线膨胀系数(25～120℃)为20.4×10-6/K，导热率为143.5W/(m·K)，密度为3.4g/cm3。
实施例2
按照Ti∶B为1∶2的摩尔比配制4.6Kg K2TiF6-KBF4混合盐作为反应物，由反应方程式3K2TiF6+6KBF4+10Al→3TiB2+10AlF3+12KF可知，熔制过程中，铝熔体的反应消耗量占混合盐的18％，因此考虑铝熔体的反应消耗和合金元素的正常烧损后，按照Al∶Sn∶Cu∶Zn∶Mn为91.4∶6∶1.5∶0.6∶0.5的质量比配制10.3Kg基体合金所需的铝锭、铝铜锌锰中间合金和锡块，其中，铝铜锌锰中间合金为铝锭、锌板、Al-12Cu中间合金、Al-6Mn中间合金经真空感应炉熔炼后，750℃浇注而成。其中，混合盐与基体合金的质量比为1∶2.21。
按照Na3AlF6∶MgCl2为3∶1的质量比配制0.32Kg Na3AlF6-MgCl2混合盐作为反应助剂，其总量为混合盐质量的7％；按照NaCl∶KCl∶CaF2为4∶4∶1的质量比配制0.26Kg NaCl-KCl-CaF2混合盐作为精炼剂，其总量为基体合金质量的2.5％。
730℃熔化铝锭，并过热至930℃，向其中加入经过干燥处理的上述混合盐和反应助剂，充分搅拌15min，得到含有内生TiB2颗粒的铝熔体，待含有内生TiB2颗粒的铝熔体平静、反应结束后，清除盐渣；然后将含有内生TiB2颗粒的铝熔体降温至780℃，添加铝铜锌锰中间合金和工业纯锡块，780℃保温熔化后，得熔体；以NaCl-KCl-CaF2混合盐作为精炼剂，对熔体精炼，再降温至710℃并充分搅拌，浇注到铸模中，得铝锡铜合金基轴瓦材料；其中，铝锡铜合金基轴瓦材料中内生TiB2颗粒的体积百分比为4.6％。
上述所得铝锡铜合金基轴瓦材料的综合使用性能优，其铸态力学性能和物理性能如下：抗拉强度为143.0Mpa，布氏硬度(HB10/100/10)为40.6HBS，伸长率为15.1％，线膨胀系数(25～120℃)为22.1×10-6/K，导热率为153.0W/(m·K)，密度为3.2g/cm3。
实施例3
按照Ti∶B为1∶2的摩尔比配制8.5Kg K2TiF6-KBF4混合盐作为反应物，由反应方程式3K2TiF6+6KBF4+10Al→3TiB2+10AlF3+12KF可知，熔制过程中，铝熔体的反应消耗量占混合盐的18％，因此考虑铝熔体的反应消耗和合金元素的正常烧损后，按照Al∶Sn∶Cu∶Zn∶Mn为82.0∶15∶0.8∶1.2∶1.0的质量比配制10.4Kg基体合金所需的铝锭、铝铜锌锰中间合金和锡块，其中，铝铜锌锰中间合金为铝锭、锌板、Al-12铜中间合金、Al-6Mn中间合金经真空感应炉熔炼后，725℃浇注而成。其中，混合盐与基体合金的质量比为1∶1.22。
按照Na3AlF6∶MgCl2为3∶1的质量比配制0.76Kg Na3AlF6-MgCl2混合盐作为反应助剂，其总量为混合盐质量的9％；按照NaCl∶KCl∶CaF2为4∶4∶1的质量比配制0.36Kg NaCl-KCl-CaF2混合盐作为精炼剂，其总量为基体合金质量的3.5％。
750℃熔化铝锭，并过热至910℃，向其中加入经过干燥处理的上述混合盐和反应助剂，充分搅拌15min，得到含有内生TiB2颗粒的铝熔体，待含有内生TiB2颗粒的铝熔体平静、反应结束后，清除盐渣；然后将含有内生TiB2颗粒的铝熔体降温至760℃，添加铝铜锌锰中间合金和工业纯锡块，760℃保温熔化后，得熔体；以NaCl-KCl-CaF2混合盐作为精炼剂，对熔体精炼，再降温至730℃并充分搅拌，浇注到铸模中，得铝锡铜合金基轴瓦材料；其中，铝锡铜合金基轴瓦材料中内生TiB2颗粒的体积百分比为9.7％。
上述所得铝锡铜合金基轴瓦材料的综合使用性能优，其铸态力学性能和物理性能如下：抗拉强度为139.0Mpa，布氏硬度(HB10/100/10)为42.5HBS，伸长率为13.6％，线膨胀系数(25～120℃)为18.9×10-6/K，导热率为135W/(m.K)，密度为3.6g/cm3。
虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种铝锡铜合金基轴瓦材料，其特征在于，以内生TiB2颗粒作为增强体，以铝锡铜合金作为基体合金；其中，内生TiB2颗粒的体积占铝锡铜合金基轴瓦材料的4.0～12.0％。
2.根据权利要求1所述的铝锡铜合金基轴瓦材料，其特征在于，所述基体合金的主体元素为铝，并含有锡、铜、锌、锰，基体合金中各元素的质量百分比为：锡6.0～15.0％、铜0.8～1.5％、锌0.6～1.2％、锰0.5～1.0％，余量为铝。
3.权利要求1所述的铝锡铜合金基轴瓦材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)700～750℃熔化铝锭，得铝熔体，再过热至900～930℃；向过热后的铝熔体中加入反应物K2TiF6-KBF4混合盐、反应助剂Na3AlF6-MgCl2混合盐，用石墨棒充分搅拌，反应15～20min，生成TiB2，即为内生TiB2颗粒，得到含有内生TiB2颗粒的铝熔体；其中，所述K2TiF6-KBF4混合盐是按Ti∶B为1∶2的摩尔比配制而成，所述反应助剂Na3AlF6-MgCl2混合盐中Na3AlF6和MgCl2的质量比为3∶1；
(2)将含有内生TiB2颗粒的铝熔体的温度降至750～780℃，并加入铝铜锌锰中间合金和锡块，得合金熔体；
(3)以NaCl-KCl-CaF2混合盐作为精炼剂，对合金熔体精炼后，浇注到铸模中，获得铝锡铜合金基轴瓦材料。
4.根据权利要求3所述的铝锡铜合金基轴瓦材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述反应助剂Na3AlF6-MgCl2混合盐的质量为反应物K2TiF6-KBF4混合盐质量的7～9％。
5.根据权利要求3所述的铝锡铜合金基轴瓦材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述铝铜锌锰中间合金为铝锭、锌板、Al-12Cu中间合金、Al-6Mn中间合金经真空感应炉熔炼后，700～730℃浇注而成。
6.根据权利要求3所述的铝锡铜合金基轴瓦材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述NaCl-KCl-CaF2混合盐的质量为基体合金质量的2.5～3.5％。
7.根据权利要求3或6所述的铝锡铜合金基轴瓦材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述NaCl-KCl-CaF2混合盐中NaCl、KCl和CaF2的质量比为4∶4∶1。
8.根据权利要求3或6所述的铝锡铜合金基轴瓦材料的制备方法，其特征在于，所述基体合金的质量为步骤(1)中所述铝锭、步骤(2)中所述铝铜锌锰中间合金和锡块的总质量，并且K2TiF6-KBF4混合盐的质量与基体合金的质量比为1∶1.2～1∶2.6。
9.根据权利要求3所述的铝锡铜合金基轴瓦材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述对熔体精炼后，将熔体的温度降至710～730℃，并充分搅拌，再进行浇注。
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