CN107245614A - 一种耐磨铝合金及其用途 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种耐磨铝合金及其用途，所述耐磨铝合金按重量百分比记，包含如下组分，Si:13‑15％、Cu:2.6‑3.0％、Mn:0.8‑1％、Cr:0.3‑0.4％；还包含Fe:0.5‑0.8％、Mg:0.35‑0.65％、Ti:0.2‑0.3％。本发明的铝合金合理控制Si、Cu、Mn、Cr含量的配比，使得到合金具有较好的耐磨性能，并且Si成分偏析较少。

Description

一种耐磨铝合金及其用途

技术领域

本发明属于铝合金材料领域，具体涉及一种耐磨铝合金及其用途。

背景技术

众所周知，基于发动机零件、自动和手动变速器零件、动力转向液压泵零件、空调压缩机零件、活塞等的使用要求，通常使用的是耐磨性能良好的过共晶铝合金ADC14(日本牌号，对应于国内压铸铝合金牌号为：YL117)。ADC14作为过共晶铝硅合金，自然凝固条件下，极容易发生成份偏析的现象，硅的成份偏析尤其严重。其金相组织主要由初晶硅和共晶组织(α-Al+Si)构成，初晶硅易于形成粗大的块状，共晶硅则呈针片状，严重的割裂基体，导致材料的强度下降，脆性增加。并且该合金液相线温度较高，合金熔炼所需温度也较高，因此容易导致熔体吸气、气孔增多、杂质含量偏高。由于生产工艺复杂，生产较为困难，国内掌握该合金生产技术工艺的铝加工企业不多。

CN1584087A公开了一种高性能压铸铝合金，该合金的组分及重量百分比为：Si：9.5～11.5、Cu：2.0～3.0、Mg：0.3～0.4、混合稀土RE：0.1～0.3、Mn≤0.5、Zn≤1.0、Fe≤1.0、其余为Al。Mn是通过结晶出Al-Mn系粒子来提高合金耐磨性、耐热粘着性的元素，该发明的合金Mn含量偏低，合金的耐磨性相对较差。

CN105220025A公开了一种压铸铝合金，由如下质量百分比的组分构成：硅11.0％-14.0％；锰0.1％-0.9％；镁0.1％-1.0％；铁0.3％-1.4％；铜≤0.2％；以及铝和不可避免杂质。铜含量的减少虽然有利于保证合金的塑性，但铜是形成Al-Cu系结晶物，并且与Ni共存而形成Al-Ni-Cu系结晶物，提高耐磨性、耐热粘着性、抗软化性，并且析出CuAl2粒子，使机械强度提高的元素。该发明的合金铜含量较低，会导致合金的强度无法得到保证。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种耐磨性能好的耐磨铝合金。

本发明提供一种耐磨铝合金，除铝外，按重量百分比记，包含如下组分：Si:13-15％、Cu:2.6-3.0％、Mn:0.8-1％、Cr:0.3-0.4％。

优选地，按重量百分比记，还包含如下组分：Fe:0.5-0.8％、Mg:0.35-0.65％、Ti:0.2-0.3％。

优选地，按重量百分比记，还包含0.8-1.5％的Zn。

优选地，按重量百分比记，还包含至多0.1％的Ni。

优选地，按重量百分比记，还包含至多0.1％的Pb。

优选地，按重量百分比记，还包含至多0.3％的Sn。

优选地，按重量百分比记，还包含至多0.01％的Cd。

本发明还提供一种耐磨铝合金，按重量百分比记，由如下组分构成：

Si:13-15％、Cu:2.6-3.0％、Mn:0.8-1％、Cr:0.3-0.4％、Fe:0.5-0.8％、Mg:0.35-0.65％、Ti:0.2-0.3％、Zn：0.8-1.5％；至多0.1％的Ni；至多0.1％的Pb；至多0.3％的Sn；至多0.01％的Cd；余量为铝及其他不可避免的杂质。

本发明还提供一种耐磨铝合金的用途，应用于发动机、变速器、液压泵、压缩机、活塞。

本发明还提供一种耐磨铝合金的制备方法，包括如下步骤：

(1)将铝投入熔炉内，熔化升温至830－840℃时加入硅；

(2)将温度升至840-860℃时加入铁剂、锰剂、钛剂、铬剂，搅拌后静置；

(3)升温至850-870℃时，加入铜，然后搅拌；

(4)待温度为840-860℃加入磷铜，搅拌，静置；

(5)放铝水热模降温至730－750℃，然后加入的纯镁，搅拌；

(6)温度在710-730℃时浇铸铝锭。

优选地，所述步骤(3)和步骤(4)之间，还包括采用无钠精炼剂进行精练，然后除渣的步骤。

优选地，按重量百分比记，所述无钠精炼剂的用量为0.2％。

优选地，所述步骤(5)和步骤(6)之间，还包括取样化验和除气20分钟的步骤。

优选地，所述步骤(4)中，加入磷铜的量，按重量百分比记为0.8％。

优选地，所述步骤(5)中，加入纯镁之前，先将纯镁放在炉口预热。

本发明还提供一种由上述制备方法得到的铝合金。

本发明的铝合金合理控制Si、Cu、Mn、Cr含量的配比，使得到合金具有较好的耐磨性能，并且Si成分偏析较少。

附图说明

图1是本发明实施例1的耐磨铝合金铸态断口晶粒照片；

图2是对比例的ADC14合金铸态断口晶粒照片；

图3是本发明实施例1的耐磨铝合金400倍的金相组织照片；

图4是对比例的ADC14合金的400倍的金相组织照片；

图5是本发明实施例1的耐磨铝合金针孔试样照片；

图6是对比例的ADC14合金针孔试样照片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明所述技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

本发明实施例提供一种耐磨铝合金，除铝外，按重量百分比记，包含如下组分：Si:13-15％、Cu:2.6-3.0％、Mn:0.8-1％、Cr:0.3-0.4％。

通过Si、Cu、Mn、Cr含量的合理配比，使微细硬质粒子分布均匀，达到了良好的耐磨性能。

硅在耐磨合金中是主要的合金元素，它的密度和线胀系数都比铝小，可提高流动性，降低铝合金的收缩量和热裂倾向。但是，随着过共晶铝合金中硅含量的增加，粗大的初晶硅会降低和恶化加工性能和使用性能。含硅越高，初晶硅越难细化。随着硅含量的增加，初晶硅晶粒数增加，强度和塑性都降低。同时，结晶温度范围变大，液相温度也升高，合金的疏松倾向加大，气密性降低，铸造性能下降。随着硅含量的增加，也容易增大硅的成分偏析。本实施例中合理的硅含量既可以保证合金的流动性，又能减少硅成分偏析。

铜原子固溶于铝基体中，具有较大的固溶强化作用。铜在高温时的溶解度和常温时的溶解度相差很大，当铜含量超过在铝中的溶解度时，在固溶体的基体上和晶粒边界上析出金属化合物Al2Cu，起到沉淀强化的作用。铜可提高铝硅合金的常温和高温强度。但降低了抗腐蚀性和塑性，热裂倾向增大，伸长率下降，线胀系数增加，铸造性能变坏。因此，对于过共晶铝硅合金，在保证强度条件下，应尽量降低铜的含量。本实施例中选用合理的铜含量，既能保证合金的强度，又能提升其铸造性。

锰能抑制铝硅合金中铁元素的部分有害作用；能提高再结晶温度并细化再结晶晶粒；能提高铝固溶体的稳定性。在含硅及含铜的铝硅合金中，可改善高温强度。但过高的含锰量也会增加元素的偏析倾向，并形成粗大的复杂初晶。本实施例中选用合理的锰含量可改善高温强度，同时又不会增加元素的偏析倾向。

铬在铝合金中能与Al、Si等元素发生化学反应生成多种金属间化合物，抑制针、片状富铁相的产生，阻碍再结晶的形核和长大过程，对合金有一定的强化作用，还能改善和提高铝合金的韧性和降低应力腐蚀开裂敏感性。本实施例中选用合理含量的铬，能够较好的强化铝合金，同时还不会因为铬含量过多，而使其淬火敏感性增加。

在优选实施例中，按重量百分比记，还包含如下组分：Fe:0.5-0.8％、Mg:0.35-0.65％、Ti:0.2-0.3％。

合理的铁含量，能够和铬元素发生化学反应生成多种金属间化合物，可强化合金，同时配合合理的锰含量，能够生成Al-Si-Fe-Mn四元化合物硬质点，提高合金的耐磨性。

合理的镁含量能与硅形成Mg2Si强化相使机械强度提高，还可改善铝合金的室温与高温性能，

合理的钛含量在铝合金中可形成细小的不溶的Al₃Ti金属间化合物，其质点与Al有相同的点阵类型和相近的点阵常数，可作为Al固溶体的结晶核心而起到细化晶粒的作用，提高力学性能。钛溶解在固溶体中，还可提高固溶体在高温下的稳定性，对改善铝合金的高温性能有利。同时，钛还能与氢生成稳定的TiH化合物，有利于对气孔的消除。但过量的钛使Al₃Ti质点快速聚集长大，对合金的力学性能不利。

在优选实施例中，按重量百分比记，还包含0.8-1.5％的Zn。

在优选实施例中，按重量百分比记，还包含至多0.1％的Ni。

在优选实施例中，按重量百分比记，还包含至多0.1％的Pb。

在优选实施例中，按重量百分比记，还包含至多0.3％的Sn。

在优选实施例中，按重量百分比记，还包含至多0.01％的Cd。

在另一实施例中提供一种耐磨铝合金，按重量百分比记，由如下组分构成：Si:13-15％、Cu:2.6-3.0％、Mn:0.8-1％、Cr:0.3-0.4％、Fe:0.5-0.8％、Mg:0.35-0.65％、Ti:0.2-0.3％、Zn：0.8-1.5％；

至多0.1％的Ni；

至多0.1％的Pb；

至多0.3％的Sn；

至多0.01％的Cd；

余量为铝及其他不可避免的杂质。

本发明实施例的制备方法，包括如下步骤：

(1)将铝投入熔炉内，熔化升温至830－840℃时加入硅；

(2)将温度升至840-860℃时加入铁剂、锰剂、钛剂、铬剂，搅拌后静置；

(3)升温至850-870℃时，加入铜，然后搅拌；

(4)待温度为840-860℃加入磷铜，搅拌，静置；

(5)放铝水热模降温至730－750℃，然后加入的纯镁，搅拌；

(6)温度在710-730℃时浇铸铝锭。

(7)通过机械加工和/或塑性加工，成型为所需要的形状。

在优选地实施例中，所述步骤(3)和步骤(4)之间，还包括采用无钠精炼剂进行精练，然后除渣的步骤。

在优选地实施例中，按重量百分比记，所述无钠精炼剂的用量为0.2％。

在优选地实施例中，所述步骤(5)和步骤(6)之间，还包括取样化验和除气20分钟的步骤。

在优选地实施例中，所述步骤(4)中，加入磷铜的量，按重量百分比记为0.8％。

在优选地实施例中，所述步骤(5)中，加入纯镁之前，先将纯镁放在炉口预热。

实施例1

原料配比，按重量百分比记：硅13％、铁剂0.5％、锰剂1％、钛剂0.3％、铬剂0.4％、铜2.6％、无钠精炼剂0.2％、纯镁0.6％、锌0.8％、镍≤0.1％、砷≤0.3％、铅≤0.1％、镉≤0.01％、余量为铝及其他不可避免的杂质。

按照上述配比制备合金，步骤如下：

熔炼前清理干净上一炉的残余铝液和熔渣，避免杂质混入，将再生铝投入熔炉内，熔化升温至840℃加入硅，搅拌，确认硅熔清后，开火升温，温度在855℃时加入铁剂、锰剂、钛剂、铬剂。然后搅拌、静置、升温至860℃加入铜，搅拌。接着加入无钠精炼剂进行精练，除渣、扒渣，取样化验。在温度为860℃时加入磷铜，搅拌，净置。确认磷铜完全熔解后，放铝水热模降温至750℃，然后先将镁放在炉口预热，预热后将纯镁加入后搅拌，取样化验，除气20分钟。熔炼过程避免铝液温度下降过快而导致后升温。成分合格，温度在710℃时浇铸铝锭。通过机械加工成型为所需要的形状。最后制得耐磨铝合金样品1。

实施例2

原料配比，按重量百分比记：硅14％、铁剂0.65％、锰剂0.9％、钛剂0.2％、铬剂0.35％、铜2.8％、无钠精炼剂0.2％、纯镁0.5％、锌1.2％、镍≤0.1％、砷≤0.3％、铅≤0.1％、镉≤0.01％、余量为铝及其他不可避免的杂质。

按照上述配比制备合金，步骤如下：

熔炼前清理干净上一炉的残余铝液和熔渣，避免杂质混入，将再生铝投入熔炉内，熔化升温至830℃加入硅，搅拌，确认硅熔清后，开火升温，温度在850℃时加入铁剂、锰剂、钛剂、铬剂。然后搅拌、静置、升温至860℃加入铜，搅拌。接着加入无钠精炼剂进行精练，除渣、扒渣，取样化验。在温度为850℃时加入磷铜，搅拌，净置。确认磷铜完全熔解后，放铝水热模降温至740℃，然后先将镁放在炉口预热，预热后将纯镁加入后搅拌，取样化验，除气20分钟。熔炼过程避免铝液温度下降过快而导致后升温。成分合格，温度在720℃时浇铸铝锭。通过机械加工成型为所需要的形状。最后制得耐磨铝合金样品2。

实施例3

原料配比，按重量百分比记：硅15％、铁剂0.5％、锰剂0.8％、钛剂0.3％、铬剂0.4％、铜3.0％、无钠精炼剂0.2％、纯镁0.35％、锌0.8％、镍≤0.1％、砷≤0.3％、铅≤0.1％、镉≤0.01％、余量为铝及其他不可避免的杂质。

按照上述配比制备合金，步骤如下：

熔炼前清理干净上一炉的残余铝液和熔渣，避免杂质混入，将再生铝投入熔炉内，熔化升温至830℃加入硅，搅拌，确认硅熔清后，开火升温，温度在850℃时加入铁剂、锰剂、钛剂、铬剂。然后搅拌、静置、升温至860℃加入铜，搅拌。接着加入无钠精炼剂进行精练，除渣、扒渣，取样化验。在温度为850℃时加入磷铜，搅拌，净置。确认磷铜完全熔解后，放铝水热模降温至740℃，然后先将镁放在炉口预热，预热后将纯镁加入后搅拌，取样化验，除气20分钟。熔炼过程避免铝液温度下降过快而导致后升温。成分合格，温度在720℃时浇铸铝锭。通过机械加工成型为所需要的形状。最后制得耐磨铝合金样品3。

对比例

将市售的常规ADC14作为对比例，ADC14的主要化学成分标准为：Si：16.0-18.0％、Fe：0.6-1.0％、Cu：4.0-5.0％、Mn≤0.5％、Mg：0.50-0.65％、Zn≤1.5％、Ni≤0.3％、Sn≤0.3％、Pb≤0.2％、Ti≤0.3％、余量为Al。

效果实施例

1.耐磨性能

将实施例1、实施例2和实施例3得到的样品1、样品2、样品3合金和对比例的ADC14合金进行耐磨试验，磨损检测委托机械工业材料质量检测中心、上海材料研究所检测中心进行检测。磨损检测是在同一种条件下进行：负荷196N，线速度0.42m/s，干摩擦2小时，对磨轮45钢，半径20mm，42-45HRC，粗糙度为Ra0.4um。所得到的数据见表1。

表1

2.力学性能

将实施例1、实施例2和实施例3得到的样品1、样品2、样品3合金和对比例的ADC14合金进行力学性能测试，得到数据如表2所示。

表2

3.硅的偏析

将实施例1、实施例2和实施例3得到的样品1、样品2、样品3合金和对比例1得到的ADC14合金试样进行硅元素含量的检测，分别对同一个试样取5个点进行检测，得到的数据如表3所示。

表3

4.液固相温度

根据元素的组成，计算得出实施例1、实施例2和实施例3得到的样品1、样品2、样品3合金和对比例1的ADC14合金的液相温度和固相温度，得到的具体数据如表4所示。

表4

合金类型	液相温度(℃)	固相温度(℃)
			样品1	625	594
样品2	623	592
			样品3	631	597
ADC14	645	586

5.熔炼温度和铸造温度

根据材料的熔炼工艺和实验的结果得到合金的熔炼温度和铸造温度，具体数据如表5所示。

表5

合金类型	熔炼温度(℃)	铸造温度(℃)
			样品1	770	710
样品2	780	730
			样品3	780	720
ADC14	800	740

由表1的数据可以看出，本实施例1-3得到的合金，因为Mn、Cr、Ti等合金元素的合理加入，达到了良好的耐磨性能。并且结合图3、图4可以看出本实施例1的合金材料硬质粒子较多，呈现分散均匀分布，而ADC14的硬质粒子较少，硬质粒子较多也是本实施例1的合金的耐磨性能较好的关键所在。

由表2的数据可以看出，本实施例1-3得到的合金对比ADC14具有更好的力学性能，是因为有元素的优化组合及熔炼工艺的控制保障。

由表3的数据可以看出，相对来说，本实施例1-3得到的合金的Si成分偏析较少，因为本实施例1-3得到的合金比ADC14的Si含量低，Si的偏析也相对较小，Si成分偏析的减少，能够使得耐磨铝合金的基体组织更加均匀，性能更加稳定。

由表4和表5的数据可以看出，本实施例1-3得到的合金的液相温度比ADC14低，相对较低的熔炼温度和铸造温度的优势，有利于能耗的降低，天然气消耗约可降低2m³/吨。

本实施例1的合金材料晶粒细化效果明显要比ADC14好，如图1和图2，可以看出，本实施例1的合金晶粒细小，分布均匀，而ADC14晶粒粗大，分布不均匀。

在相同的气源、相同的气压、相同的除气时间的实验下，本发明实施例1的样品1的铸件针孔为1级，密度为2.77g/cm³，而ADC14的铸件针孔为5级，密度为2.75g/cm³，如图5、图6。这是因为相对较低的熔炼温度和铸造温度，可以减少高温氧化和吸气的程度。同时，添加的Ti可与氢生成稳定的TiH化合物，有利于对气体的消除作用，使产品的质量得以稳定和提高。

综上所述，本发明的合金材料具有较好的耐磨性、优异的力学性能，Si成分偏析的减少，性能更加稳定，产品品质更好。并且在材料的选用中完全可以采用再生资源。符合循环经济、绿色环保、节能低碳的原则。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种耐磨铝合金，其特征在于，除铝外，按重量百分比记，包含如下组分：Si:13-15％、Cu:2.6-3.0％、Mn:0.8-1％、Cr:0.3-0.4％。

2.如权利要求1所述的耐磨铝合金，其特征在于，按重量百分比记，还包含如下组分：Fe:0.5-0.8％、Mg:0.35-0.65％、Ti:0.2-0.3％。

3.如权利要求1所述的耐磨铝合金，其特征在于，按重量百分比记，还包含0.8-1.5％的Zn。

4.如权利要求1所述的耐磨铝合金，其特征在于，按重量百分比记，还包含至多0.1％的Ni。

5.如权利要求1所述的耐磨铝合金，其特征在于，按重量百分比记，还包含至多0.1％的Pb。

6.如权利要求1所述的耐磨铝合金，其特征在于，按重量百分比记，还包含至多0.3％的Sn。

7.如权利要求1所述的耐磨铝合金，其特征在于，按重量百分比记，还包含至多0.01％的Cd。

8.一种耐磨铝合金，其特征在于，按重量百分比记，由如下组分构成：Si:13-15％、Cu:2.6-3.0％、Mn:0.8-1％、Cr:0.3-0.4％、Fe:0.5-0.8％、Mg:0.35-0.65％、Ti:0.2-0.3％、Zn：0.8-1.5％；至多0.1％的Ni；至多0.1％的Pb；至多0.3％的Sn；至多0.01％的Cd；余量为铝及其他不可避免的杂质。

9.如权利要求1-8任一项所述的一种耐磨铝合金的用途，其特征在于，将所述耐磨铝合金应用于发动机、变速器、液压泵、压缩机或活塞。