CN106702227B - 一种耐磨铝合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐磨铝合金，其成分按重量百分比含有：10～12％Si；8～12％Mg；0.8～1.6％Fe；0.3～0.7％Mn；0.3～0.7％Cr；0.05～0.1％Sr；余量为铝。本发明还公开了上述耐磨铝合金的制备方法。本发明的耐磨铝合金采用Mn‑Cr元素复合变质，并辅以振动铸造工艺，使得Fe相从长针状变为颗粒状，优化了合金中Fe相形貌，硬度值显著提高，磨损过程中承载能力得以提高，耐磨性能明显改善，抗拉强度显著提升。

Description

一种耐磨铝合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金及其制备领域，特别涉及一种耐磨铝合金及其制备方法。
背景技术
铝合金作为应用量仅次于钢铁材料的第二大金属结构材料，废杂铝的回收再利用是社会可持续发展的必然要求。由于铝合金部件使用过程中与Fe基部件的接触配合或利用Fe基连接件进行组装，因此废杂铝回收重熔后往往呈现高Fe含量，调查发现，再生铝硅合金Fe含量质量比一般都大于0.6％，甚至高达2～3％；而Fe在铝合金中主要以针状β-Fe相形式存在，严重地割裂基体，对铝合金的力学性能危害巨大，而目前尚无特别有效的除Fe技术，因此铝合金的高Fe含量很大程度上阻碍了再生铝在结构性部件的广泛使用。
目前约80％再生铝合金主要应用于汽车发动机的零部件以实现汽车的轻量化，如气缸活塞等，而该类型的零部件则需要较高的耐高温磨损性能，对再生铝合金直接应用于汽车零部件提出了较高要求，如能由再生铝合金直接利用并制备出高耐磨的铝基合金材料，可为再生铝的拓展利用提供一条新的途径。
公开号为CN104451280A的中国发明专利公开了一种含Fe的耐磨铝合金材料，其制备过程采用粉末压制后高温烧结成型法制备一种耐磨铝合金，具有良好的常温机械性能，提高了合金的耐磨性能。但该工艺首先需要制备粉体，然后进行粉末压制，成型过程较为复杂，成本较高，不利于实际生产。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种耐磨铝合金，硬度高，耐磨性能优异。
本发明的另一目的在于提供上述耐磨铝合金的制备方法，改善合金的力学性能。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种耐磨铝合金，其成分按重量百分比含有：
所述的耐磨铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)以富Fe铝材、纯Mg、纯Al、Al-10Mn中间合金、Al-10Cr中间合金、Al-10Sr中间合金为原料，按成分称量原料；
(2)熔化步骤(1)称量的原料，得到熔体；
(3)对步骤(2)得到的熔体进行除气、除杂精炼并拔渣，继续静置2～5min出炉浇铸；
(4)对步骤(3)得到的熔体进行铸造成型，得到耐磨铝合金。
步骤(4)所述铸造成型采用振动铸造成型工艺。
所述振动铸造成型，具体为：
将步骤(3)得到的熔体浇注到已预热到190～210℃的金属型模具中，模具放置在振动频率为100～200Hz的振动台上，熔体在振动状态下凝固成型。
步骤(2)所述熔化步骤(1)称量的原料，得到熔体，具体为：
将富Fe铝材、纯Al、Al-10Mn、Al-20Si、Al-10Cr、Al-10Sr中间合金一起熔化，熔化温度为740～760℃，熔至半固态时加入纯Mg，并继续保温，待全部熔化后，升温至770～780℃，搅拌均匀，保温10～20min，得到熔体。
步骤(3)所述精炼，具体为：
加入2#精炼剂进行精炼除气，2#精炼剂的化学成分包含Na2SiF6、KCl、Na3AlF6和C2Cl6。
所述富Fe铝材为富Fe的A356再生铝合金。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明的耐磨铝合金采用Mn-Cr元素复合变质长针状Fe相，优化了合金中Fe相形貌。
(2)本发明的耐磨铝合金的制备方法，利用振动破碎原理，使得合金组织更加致密、均匀细小。
(3)本发明将组织变质与振动铸造工艺复合，利用协同作用从而显著提高了合金的硬度，充分发挥合金相的承载能力，耐磨性能显著提升，抗拉强度明显改善。
(4)本发明的耐磨铝合金主要以富Fe再生铝合金为原材料，来源丰富，成本低廉，成型工艺简单，易于实现工业化批量生产。
附图说明
图1为对比例1 Al-12Si-10Mg-1.3Fe合金普通铸造条件下的扫描照片图。
图2为实施例1 Al-10Si-10Mg-1.3Fe-0.3Mn-0.7Cr-0.05Sr合金普通铸造条件下的扫描照片图。
图3为实施例2 Al-12Si-12Mg-0.8Fe-0.7Mn-0.3Cr-0.1Sr合金振动浇注条件下的扫描照片图。
图4为实施例3 Al-12Si-10Mg-1.6Fe-0.5Mn-0.5Cr-0.1Sr合金振动浇注条件下的扫描照片图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
对比例1 Al-12Si-10Mg-1.3Fe合金的普通铸造法制备
本实施例所用的原料包括富Fe再生铝合金、纯铝、纯Mg、Al-20Si中间合金。成型方法为：先按重量百分比：Si：12％，Mg：10％，Fe：1.3％，余量为Al。其中Fe利用富Fe再生A356铝合金进行调配，不足的Al量利用纯铝进行调配。在740℃条件下熔化富Fe再生A356铝合金、纯铝、Al-20Si合金，在熔化至半固态时再向熔体中加入已称量好的纯Mg，待全部熔化后，人工搅拌，使其成分均匀，升温至770℃，保温10min。用2#精炼剂(化学成分包含Na2SiF6、KCl、Na3AlF6和C2Cl6)进行精炼，静置5分钟，保持金属液的温度770℃，扒渣后浇注到已预热到200℃的金属型模具中，得到铸件。
为了说明上述合金的组织和性能特性，本对比例首先制备了金相试样进行组织观察，并利用HB-3000型布氏硬度计测试合金的硬度值。同时制备了摩擦磨损试样，在M-2000型摩擦磨损试验机上测试合金耐磨性能，其中试样尺寸为10mm×10mm×6mm，载荷为200N，转速为214r/min，摩擦副材质为GCr15轴承钢，表面硬度为HRC60～62，直径为47mm，磨损时间为20min。采用AG-X100KN精密电子万能试验机进行室温拉伸性能测试，拉伸速度为0.5mm/min。测试结果见表1。
图1为Al-12Si-10Mg-1.3Fe合金扫描照片，从图1中可以看出，合金组织主要存在颗粒状的Mg2Si相，长针状的Fe相。该合金的硬度值为95HBS。磨损量为10.2mg，磨损过程中由于长针状Fe相的存在，易于发生粘着转移并诱发剧烈的粘着磨损。其抗拉强度只有69MPa，发生明显的脆性断裂。
实施例1 Al-10Si-10Mg-1.3Fe-0.3Mn-0.7Cr-0.05Sr合金的普通铸造法制备
本实施例所用的原料包括富Fe再生铝合金、纯铝、纯Mg、Al-20Si、Al-10Cr、Al-10Mn、Al-10Sr中间合金。成型方法为：先按重量百分比：Si：10％，Mg：10％，Fe：1.3％，Mn：0.3％，Sr：0.7％，Sr：0.05％，余量为Al。其中Fe利用富Fe再生A356铝合金进行调配，不足的Al量利用纯铝进行调配。在740℃条件下熔化富Fe再生A356铝合金、纯铝、Al-20Si、Al-10Cr、Al-10Mn、Al-10Sr合金，在熔化至半固态时再向熔体中加入已称量好的纯Mg，待全部熔化后，人工搅拌，使其成分均匀，升温至770℃，保温10min。用2#精炼剂进行精炼，静置5分钟，保持金属液的温度770℃，扒渣后浇注到已预热到190℃的金属型模具中凝固得到铸件。
为了说明本实施例所制备合金的组织和性能特性，对合金进行了组织观察，硬度、磨损和拉伸力学性能测试。测试方法与对比例1一致。测试结果见表1。
图2为Al-12Si-10Mg-1.3Fe-0.3Mn-0.7Cr-0.05Sr合金扫描照片，本实施例与对比例1具有相同的相组成，但长针状Fe相被碎化，显著减小了长针状Fe相对于基体的割裂作用。该合金的硬度值为103HBS。磨损量为5.3mg，磨损机制主要以磨粒磨损为主，磨损过程中颗粒状Fe相较针状Fe相的承载能力显著增强，耐磨性能得以提高，其抗拉强度提高至99MPa。与对比例1相比，经Mn/Cr/Sr复合变质后合金相形态得以优化，合金耐磨性提高1倍，抗拉强度提高43％。
实施例2 Al-12Si-12Mg-0.8Fe-0.7Mn-0.3Cr-0.1Sr合金的振动铸造法制备
本实施例所用的原料包括富Fe再生铝合金、纯铝、纯Mg、Al-20Si、Al-10Cr、Al-10Mn、Al-10Sr中间合金。成型方法为：先按重量百分比：Si：12％，Mg：12％，Fe：0.8％，Mn：0.7％，Cr：0.3％，Sr：0.1％，余量为Al。其中Fe利用富Fe再生A356铝合金进行调配，不足的Al量利用纯铝进行调配。在760℃条件下熔化富Fe再生A356铝合金、纯铝、Al-20Si、Al-10Cr、Al-10Mn、Al-10Sr合金，在熔化至半固态时再向熔体中加入用锡箔纸包覆已称量好的纯Mg，待全部熔化后，人工搅拌，使其成分均匀，升温至780℃，保温10min。用2#精炼剂进行精炼，静置5分钟，保持金属液的温度780℃，扒渣后浇注到已预热到210℃的金属型模具中,使其在振动条件下凝固，振动频率为100Hz，得到铸件。
为了说明本实施例所制备合金的组织和性能特性，对合金进行了组织观察，硬度、磨损和拉伸力学性能测试。测试方法与对比例1一致。测试结果见表1。
图3为Al-12Si-10Mg-1.3Fe-0.7Mn-0.3Cr合金扫描照片，从图3中可以看出，本实施例与对比例1具有相同的相组成，其中硬质Fe相则由长针状的Fe相转变为了颗粒状或者花瓣状，降低了长针状Fe相对于基体的割裂作用，由于在振动条件下凝固，且组织更加细小致密。该合金的硬度值为106HBS。磨损量为4.9mg，磨损机制主要以磨粒磨损为主，磨损过程中颗粒状Fe相较针状Fe相的承载能力显著增强，耐磨性能得以提高，抗拉强度提高至116MPa。与对比例1相比，经Mn/Cr/Sr复合变质后并辅以振动铸造制备，合金耐磨性提高1倍，抗拉强度提高68％。
实施例3 Al-12Si-10Mg-1.6Fe-0.5Mn-0.5Cr-0.1Sr合金的振动铸造法制备
本实施例所用的原料包括富Fe再生铝合金、纯铝、纯Mg、Al-20Si、Al-10Cr、Al-10Mn、Al-10Sr中间合金。成型方法为：先按重量百分比：Si：12％，Mg：10％，Fe：1.6％，Mn：0.5％，Cr：0.5％，Sr：0.1％。其中Fe利用富Fe再生A356铝合金进行调配，不足的Al量利用纯铝进行调配。在750℃条件下熔化富Fe再生A356铝合金、纯铝、Al-20Si、Al-10Cr、Al-10Mn、Al-10Sr合金，在熔化至半固态时再向熔体中加入用锡箔纸包覆已称量好的纯Mg，待全部熔化后，人工搅拌，使其成分均匀，升温至775℃，保温10min。用2#精炼剂进行精炼，静置5分钟，保持金属液的温度775℃，扒渣后浇注到已预热到200℃的金属型模具中,使其在振动条件下凝固，振动频率为200Hz，得到铸件。
为了说明本实施例所制备合金的组织和性能特性，对合金进行了组织观察，硬度、磨损和拉伸力学性能测试。测试方法与对比例1一致。测试结果见表1。
图4为Al-12Si-10Mg-1.3Fe-0.5Mn-0.5Cr-0.1Sr合金扫描照片，从图4中可以看出，本实施例与对比例1具有相同的相组成，其颗粒状Fe相占比显著增加，对基体割裂效果显著降低。该合金的硬度值为108HBS，磨损机制主要以磨粒磨损为主，磨损量为4.7mg，抗拉强度提高至125MPa。与对比例1相比，经Mn/Cr/Sr复合变质后并辅以振动铸造制备，合金耐磨性提高1倍，抗拉强度提高81％。
为了更好地说明本发明的实施效果，对其基本原理说明如下：
在含Si和Fe铝合金体系中，在正常冷速凝固条件下，凝固结晶的稳定Fe相主要为β-Fe，该相为单斜晶系，在普通铸造凝固条件易于沿单一方向生长成为长针状。Mn作为中和变质元素与Fe具有相近的原子半径，能很好的固溶到针状Fe相中，形成稳定的AlSiFeMn四元化合物，比针状β-Fe相更为稳定，减少针状Fe相的形成，而倾向于生长成为花瓣状Fe相。Cr元素为典型的弥散相形成元素，微量的Cr元素易与Fe形成弥散相，抑制Fe相对生长；同时Cr原子在针状Fe相中的固溶度远大于其在α-Al中的固溶度，当Cr原子向Fe相中扩散时，阻碍了Fe原子的扩散，减缓了β-Fe相的生长，使得Fe相不易沿单一方向生长，而倾向于沿各个方向生长成为骨骼状和三角星状。而在Mn/Cr复合变质下，进一步增加了Fe相可能的生长方向，而抑制单向生长，最终得到明显的颗粒状或者球状Fe相。而振动铸造是将制备好的熔体浇注到具有一定振动频率的模具中，使熔体在振动条件下凝固结晶。细化晶粒主要分为增加形核和抑制晶核长大。由于振动对于枝晶的扰动作用，使正在长大的枝晶尖端被剪切折断，从而增加晶粒数量，细化晶粒；振动过程使的合金液的对流增加，使得溶质元素扩散均匀，抑制了晶粒长大从而细化晶粒。因此最终体现在合金相，特别是Fe相形态得以优化，组织致密，合金的耐磨性能改善，力学性能显著提升。
表1：各合金的性能
样品 布氏硬度/HBS 磨损量/mg 抗拉强度/MPa
对比例1 95 10.2 69MPa
实施例1 103 5.3 99MPa
实施例2 106 4.9 116MPa
实施例3 108 4.7 125MPa
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种耐磨铝合金，其特征在于，其成分按重量百分比含有：
10～12％ Si；
8～12％ Mg；
0.8～1.6％ Fe；
0.3～0.7％ Mn；
0.3～0.7％ Cr；
0.05～0.1％ Sr；
余量为铝。
2.权利要求1所述的耐磨铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)以富Fe铝材、纯Al、纯Mg、Al-20Si中间合金、Al-10Mn中间合金、Al-10Cr中间合金、Al-10Sr中间合金为原料，按成分称量原料；
(2)熔化步骤(1)称量的原料，得到熔体；
(3)对步骤(2)得到的熔体进行除气、除杂精炼并拔渣，继续静置2～5min出炉浇铸；
(4)对步骤(3)得到的熔体进行铸造成型，得到耐磨铝合金。
3.根据权利要求2所述的耐磨铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述铸造成型采用振动铸造成型工艺。
4.根据权利要求3所述的耐磨铝合金的制备方法，其特征在于，所述振动铸造成型，具体为：
将步骤(3)得到的熔体浇注到已预热到190～210℃的金属型模具中，模具放置在振动频率为100～200Hz的振动台上，熔体在振动状态下凝固成型。
5.根据权利要求2所述的耐磨铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述熔化步骤(1)称量的原料，得到熔体，具体为：
将富Fe铝材、纯Al、Al-10Mn、Al-20Si、Al-10Cr、Al-10Sr中间合金一起熔化，熔化温度为740～760℃，熔至半固态时加入纯Mg，并继续保温，待全部熔化后，升温至770～780℃，搅拌均匀，保温10～20min，得到熔体。
6.根据权利要求2所述的耐磨铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述精炼，具体为：
加入2#精炼剂进行精炼除气，2#精炼剂的化学成分包含Na2SiF6、KCl、Na3AlF6和C2Cl6。
7.根据权利要求2所述的耐磨铝合金的制备方法，其特征在于，所述富Fe铝材为富Fe的A356再生铝合金。
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