CN107419117A - 一种耐磨铝合金的制备方法及耐磨铝合金 - Google Patents

Abstract

本发明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℃，然后加入纯镁，搅拌；(6)温度在710‑730℃时浇铸铝锭。本发明的铝合金合的制备方法，具有元素的优化组合及熔炼工艺的控制保障，使得到合金具有较好的耐磨性能，并且Si成分偏析较少。

Description

一种耐磨铝合金的制备方法及耐磨铝合金

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的制备方法及该制备方法制备的耐磨铝合金。

背景技术

Al-Si-Cu-Mg系过共晶铝硅合金具有特别好的流动性、好的抗热裂性、高耐磨性、低的热膨胀系数、密度小、比强度高和好的高温性能等特点，其压铸件组织致密、表面硬度高、耐磨性好、尺寸稳定性好。该系合金典型代表为ADC14(日本牌号，对应于国内压铸铝合金牌号为：YL117)压铸铝合金，可用于汽车发动机机体、汽缸体、斜盘、刹车块、带轮等抗热裂、耐磨性要求高的压铸件，是目前应用最为广泛的高硅压铸铝合金之一。

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。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种耐磨铝合金的制备方法及该制备方法制备的耐磨铝合金。

本发明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℃时加入重量百分比为13-15％的硅；

(2)将温度升至840-860℃时加入重量百分比为0.5-0.8％的铁剂、重量百分比为0.8-1％的锰剂、重量百分比为0.2-0.3％的钛剂、重量百分比为0.3-0.4％的铬剂，搅拌后静置；

(3)升温至850-870℃时，加入重量百分比为2.6-3.0％的铜，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℃，然后加入重量百分比为0.35-0.65％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，还包括采用重量百分比为0.2％无钠精炼剂进行精练，然后除渣的步骤。

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，按重量百分比记，所制备的铝合金还包含0.8-1.5％的Zn、至多0.1％的Ni、至多0.1％的Pb、至多0.3％的Sn、至多0.01％的Cd和其他不可避免的杂质。

优选地，步骤(4)中，所述磷铜的加入量，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耐磨铝合金。

本发明还提供由上述制备方法得到的铝合金的用途，应用于发动机、变速器、液压泵、压缩机、活塞。

本发明的铝合金合的制备方法，具有元素的优化组合及熔炼工艺的控制保障，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℃时加入重量百分比为13-15％的硅；

(2)将温度升至840-860℃时加入重量百分比为0.5-0.8％的铁剂、重量百分比为0.8-1％的锰剂、重量百分比为0.2-0.3％的钛剂、重量百分比为0.3-0.4％的铬剂，搅拌后静置；

(3)升温至850-870℃时，加入重量百分比为2.6-3.0％的铜，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℃，然后加入重量百分比为0.35-0.65％的纯镁，搅拌；

(6)温度在710-730℃时浇铸铝锭。

在优选实施例中，所述步骤(3)和步骤(4)之间，还包括采用重量百分比为0.2％无钠精炼剂进行精练，然后除渣的步骤。

在优选实施例中，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。

在优选实施例中，按重量百分比记，所制备的铝合金还包含0.8-1.5％的Zn、至多0.1％的Ni、至多0.1％的Pb、至多0.3％的Sn、至多0.01％的Cd和其他不可避免的杂质。在一优选实施例中，步骤(1)加入的铝为再生铝，按重量百分比记，所述再生铝包含0.8-1.5％的Zn、至多0.1％的Ni、至多0.1％的Pb、至多0.3％的Sn、至多0.01％的Cd和其他不可避免的杂质。在另一优选实施例中，在步骤(1)和步骤(2)之间或者在步骤(2)之后还包括加入Zn、Ni、Pb、Sn、Cd的步骤，按重量百分比记，Zn：0.8-1.5％、Ni至多0.1％、Pb至多0.1％、Sn至多0.3％、Cd至多0.01％。

在优选实施例中，步骤(4)中所述磷铜的加入量，按重量百分比记为0.8％。

在优选实施例中，所述步骤(5)中加入纯镁之前，先将纯镁放在炉口预热。

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。合理的硅含量以及加入时机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以及加入时机可改善高温强度，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和合理的加入时机，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。

合理的铁含量和加入时机，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。

合理的镁含量和加入时机能与硅形成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，

合理的钛含量和加入时机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。

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

将实施例得到的耐磨铝合金样品1、样品2和样品3与对比例的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合金的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量以及合理的加入时机，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，本发明的方法制备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 (7)

1.一种耐磨铝合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将铝投入熔炉内，熔化升温至830-840℃时加入重量百分比为13-15％的硅；

(2)将温度升至840-860℃时加入重量百分比为0.5-0.8％的铁剂、重量百分比为0.8-1％的锰剂、重量百分比为0.2-0.3％的钛剂、重量百分比为0.3-0.4％的铬剂，搅拌后静置；

(3)升温至850-870℃时，加入重量百分比为2.6-3.0％的铜，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℃，然后加入重量百分比为0.35-0.65％的纯镁，搅拌；

(6)温度在710-730℃时浇铸铝锭。

2.如权利要求1所述的耐磨铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)和步骤(4)之间，还包括采用重量百分比为0.2％无钠精炼剂进行精练，然后除渣的步骤。

3.如权利要求1所述的耐磨铝合金的制备方法，其特征在于，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。

4.如权利要求1所述的一种耐磨铝合金的制备方法，其特征在于，按重量百分比记，所制备的铝合金还包含0.8-1.5％的Zn、至多0.1％的Ni、至多0.1％的Pb、至多0.3％的Sn、至多0.01％的Cd和其他不可避免的杂质。

5.如权利要求1所述的耐磨铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述磷铜的加入量，按重量百分比记为0.8％。

6.如权利要求1所述的耐磨铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中，加入纯镁之前，先将纯镁放在炉口预热。

7.一种由权利要求1-6任一项所述制备方法得到的耐磨铝合金。