CN1079443C - 碳化钛增强耐磨铝合金及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种以碳化钛颗粒为增强体的耐磨铝基复合材料及其制备工艺。材料由基体合金+(1.0～15.0)wt%TiC构，其中基体合金为；Al-(0.1～8.0)Cu-(0.2-3.0)Mg-(0.2～4.0)Si-(0.2～2.0)Mn-(0.01～1.0)Zr～(0.01-1.0)Ce。本发明必须首先制备中间合金，再制备毛胚或铸锭。中间合金可采用熔铸法或热爆合成法制备。本发明具有优良的综合力学性能和加工工艺性能，尤其是它的耐磨损性能远优于耐磨铜基合金，因而不仅可以用于机械、汽车等工业为易磨损件材料而提高零件的使用寿命，并可降低零件成本。
Description
本发明涉及一种抗磨损合金材料，特别是一种以多元铝合金为基体的复合材料。
抗磨损材料的面很广，种类也很多，如轴瓦材料中就有铝基、锡基、锌基、铅基和铜基等多种轴瓦合金。这些不同类型的耐磨材料适用于不同工作条件和环境。对于工业产品或设备中的一些对强度和精度要求较高的易磨损零件(如蜗轮、衬套、齿环及承重较大、转速较高的轴瓦等)往往都采用耐磨铜合金(锡青铜、铝青铜及耐磨黄铜等)作为原材料。虽然铜基耐磨合金已有多年的发展历史，并形成了完整的系列。但是铜合金的成本较高，锡青铜、铝青铜等合金铸造工艺性能都不是很好。特别是在一些比较苛刻的工作条件下，它们的使用寿命也不是很理想。近几年来，复合材料技术的发展为提高材料的抗磨损性能提供了一条新的途径。颗粒增强的铝基复合材料比常规的铝合金有更高的强度、刚性、抗蠕变和耐磨损性能。但是大多数的铝基复合材料的制备工艺复杂、成本高，难以取代常规的工业材料。1998年日本专利特开平(JP)10-219312提出一种用粉末成型加等温处理的工艺方法，制备了以铝铁和铝硅合金为基的TiC增强复合材料。与常规铝合金相比，这种复合材料的高温力学性能，尤其是抗蠕变性能有了大幅度的改善。然而这种方法的成本还是远高于工业上常用的铝合金。此外，在耐磨损性能上这种方法制备的复合材料并未显示出明显的优势。
本项发明根据工业产品上易磨损零部件对材料的性能要求，提出了一种耐磨损铝基复合材料的配方和工艺方法。
本发明的抗磨损材料是以多元铝合金为基体，以碳化钛颗粒为增强体的复合材料。发明的具体内容是：
一、本发明的抗磨材料的成分配方为：基体合金+(1.0-15.0)wt％TiC；
其中基体合金的成分为：Cu：0.1-8.0wt％
Mg：0.2-3.0wt％
Si：0.2-4.0wt％
Mn：0.2-2.0wt％
Zr：0.01-1.0wt％
Ce.0.01-1.0wt％
Al：基体余量。
上述合金配方中的TiC和各元素的作用分别为：
TiC：TiC是本发明中主要成分组元，它的作用是提高材料的耐磨损性能和高温(∠350℃)强度。
Cu：Cu在材料中起强化作用，它的加入可大幅度提高材料的强度。
Mn：Mn的加入可以改善材料的耐腐蚀性能和冲击韧性，并可以消除合金中某些杂质元素的有害作用。
Mg和Si：这两个元素的作用是在合金中形成耐磨相Mg2Si，并细化材料的组织。
Zr：Zr的作用是细化铸锭的组织，并改善材料的加工工艺性能。
Ce：材料中加入稀土元素Ce可以在熔炼和铸造过程中去气、去杂质，提高铸锭质量。
另外，适量地加入一些Zn可以提高材料的强度和耐磨损性能，在上述基体材料中可添加0.5-5.0％的Zn。
二、本项发明的材料可以用如下工艺制备：
1.制备中间合金。在制备本发明的材料以前，必须先制备中间合金。制备中间合金的方法有两种：
a.熔铸法，其工艺步骤如下：先将10-30％铝粉、56-72％钛粉和14-18％碳粉用机械方法混合，然后压实成块状(以下称粉块)。其次，在一台感应炉中加入纯铝或合金铝块并通电升温。待铝块熔化后加入10-30％的粉块，并搅拌。等粉块完全溶入铝液后，将铝液浇入铸模中。铸模冷却后，将铸锭取出，即得到中间合金。
b.热爆合成法，其工艺步骤如下：将30-60％铝粉、32-56％钛粉和8-14％碳粉用机械方法混合后，压实成块。然后将这样的粉块放入高频感应炉的石墨坩埚中，用高频感应的方法将坩埚快速加热至坩埚内发生热爆反应，形成所需的中间合金。
2.材料的毛胚的制备。本发明的材料的毛胚可以用常规方法制备，即先用坩埚炉或感应炉熔炼基体铝合金，然后根据成分配方加入一定量的中间合金。中间合金完全溶解后，可浇注成毛胚或铸锭。
3.材料的热加工。用上述方法制成的铸锭可用热轧、热锻或热挤压等工艺加工成板、棒、管或形状复杂的零件，具体的热加工工艺同于一般铝合金的热加工工艺。此外，还可以通过热处理(时效)的方法进一步提高材料的强度和耐磨损性能，热处理的工艺方法与常规变形铝合金的热处理工艺相仿。
这种新材料具有下列性能特点：1.耐磨损，在各种试验条件下，它的耐磨损性能远优于铜基耐磨合金；2.工艺性能好，生产成本与一般的变形铝合金没有显著的差别；3.性能的可调性，即可以根据使用要求，调整成分，形成不同性能(强度、硬度、塑性及耐磨损性能)的材料；4.热膨胀系数小，尺寸稳定性好；5.强度高，在室温至300℃的温度范围内，它的强度高于一般的变形铝合金。这种新材料若替代目前工业上最常用的铜基耐磨合金(锡青铜、铝青铜及耐磨黄铜)作为轴瓦、衬套和其它磨损的原材料(如汽车同步环)，不仅可以大幅度延长零件寿命，而且能显著降低零件成本。
为了说明本项发明的材料的性能特点，下面的各表中列出了一些材料的性能指标：
表1中列出了五种合金的成分，它们都在本发明规定的成分范围之内。
表2中列出了这五种合金的力学性能，从表中可见，改变合金中元素的含量，可以使合金的力学性能在较大的范围内变化，以适应不同的使用要求。这对于磨损零件(如轴瓦、衬套或齿环等)是十分重要的，因为用于不同条件下的磨损零件往往需要不同的硬度、强度或其它的性能指标。
表3中列出了在M200磨损试验机上所测得的这五种合金的磨损量。为了便于比较，表中还列出了用于汽车同步环的耐磨黄铜(Cu-31Zn-3Al-3Mn-0.7Si)在等同条件下的磨损量。试验条件为：1.摩擦付采用GCr15钢，2.润滑条件为油润滑，3.转速40转/分，4.试验时间30分钟，5.载荷分别为15Kg和40Kg。从表中可见本发明的各种材料的耐磨损性能都远优于耐磨黄铜。
图1是本发明的材料铸锭的金相组织，从图中可见TiC颗粒在铸锭中的均匀分布。
图2是本发明的材料经热轧后金相组织。和图1对比可见，经热轧后材料的组织得到进一步细化。
图3和图4是本发明的几种材料以及耐磨黄铜在载荷分别为40Kg和15Kg时的磨损曲线，图中纵坐标是磨损量，横坐标是磨损试验的时间。从图可见在两种不同的载荷下，本发明的材料磨合(进入稳态磨损)的时间都比耐磨黄铜短得多，且磨损量也远小于耐磨黄铜。
表1 几种合金的典型材料的化学成分(wt％)
| 合金号 | Al | Cu | Mg | Si | Mn | Zr | Ce | TiC | Zn |
| 1 | 余量 | 4.4 | 0.6 | 1.2 | 0.8 | 0.1 | 0.01 | 5.0 | 0 |
| 2 | 余量 | 2.2 | 0.6 | 1.2 | 0.8 | 0.1 | 0.01 | 5.0 | 0 |
| 3 | 余量 | 0.4 | 0.6 | 1.2 | 0.6 | 0.1 | 0.01 | 5.0 | 0 |
| 4 | 余量 | 4.4 | 0.6 | 1.2 | 0.8 | 0.1 | 0.01 | 8.0 | 0 |
| 5 | 余量 | 4.4 | 0.6 | 1.2 | 0.8 | 0.1 | 0.01 | 8.0 | 3 |
表2 几种典型材料的室温力学性能
| 合金号 | 抗拉强度MPa | 屈服强度MPa | 延伸率％ |
| 1 | 410 | 380 | 6.7 |
| 2 | 360 | 315 | 8.7 |
| 3 | 298 | 248 | 10.6 |
| 4 | 407 | 393 | 5.8 |
| 5 | 441 | 418 | 3.9 |
表3 几种典型材料在不同载荷下磨损20min后的磨损体积(mm3)
| 合金号 | 40Kg，20min | 15Kg，20min | ||
| 轧态 | 时效态 | 轧态 | 时效态 | |
| 1 | 0.086 | 0.0324 | 0.0345 | 0.0137 |
| 2 | 0.10 | 0.0462 | 0.0412 | 0.0217 |
| 3 | 0.11 | 0.0515 | 0.0515 | 0.025 |
| 4 | 0.077 | 0.0188 | 0.0188 | 0.0079 |
| 5 | 0.077 | 0.0188 | 0.025 | 0.00515 |
| 耐磨黄铜 | 0.229 | 0.129 | ||
Claims (4)
1.一种碳化钛增强耐磨铝合金，其特征在于合金的成分为：基体合金+(1.0-15.0)wt％TiC；
其中基体合金的成分为： Cu：0.1-8.0wt％
Mg：0.2-3.0wt％
Si：0.2-4.0wt％
Mn：0.2-2.0wt％
Zr：0.01-1.0wt％
Ce：0.01-1.0wt％
Al：基体余量。
2.根据权利要求1所述的碳化钛增强耐磨铝合金，其特征在于上述基体合金中还可以添加0.5-5.0wt％Zn。
3.一种碳化钛增强耐磨铝合金的制备工艺，其特征在于可以以熔铸法或热爆合成法先制备中间合金，再制备毛胚或铸锭；当以熔铸法制备中间合金时，其工艺步骤如下：先将10-30％铝粉、56-72％钛粉、14-18％碳粉的粉料用机械方法混合，然后将混合粉压实成块状，其次，在一台感应炉中加入纯铝或合金铝块并通电升温，待铝块熔化后加入10-30％的粉块，并搅拌，等粉块完全溶入铝液后，将铝液浇入铸模中，铸模冷却后，将铸锭取出，即得到中间合金。
4.根据权利要求3所述的一种碳化钛增强耐磨铝合金的制备工艺，其特征在于以热爆合成法制备中间合金工艺步骤如下：将30-60％铝粉、32-56％钛粉、8-14％碳粉的粉料用机械方法混合后，压实成块，然后将这样的粉块放入高频感应炉的石墨坩埚中，用高频感应的方法将坩埚快速加热至坩埚内发生热爆反应，形成所需的中间合金。
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