CN108265211A - 高耐磨性的铝合金及其制备得到的球冠与该球冠制备方法 - Google Patents

高耐磨性的铝合金及其制备得到的球冠与该球冠制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高耐磨性的铝合金及其制备得到的球冠与该球冠制备方法，铝合金包括如下质量分数的各组分：0.10％～0.40％的Mn、2.30％～3.30％的Mg、0.15％～0.25％的Cr、3.50％～4.50％的Zn、0.15％的Cu、Si的质量分数小于等于0.30％、Fe的质量分数小于等于0.40％以及0.15％的副族元素，余量为Al。本发明极大地提高了铝合金球冠体的耐磨性、耐蚀性，改善了表面粗糙度等一系列问题，经过滚压处理、机械抛光和表面硬质阳极氧化处理后的球冠，表层呈镜面，表面硬度提高到300‑500HV，表面粗糙度不大于0.8μm，球冠构件芯部硬度在172至185HB之间，屈服强度在270‑470Mpa之间，抗拉强度在300‑560MPa之间，延伸率在8％‑9％之间，在10N载荷和10000r/mi n下磨损率为3.4×10‑5至4.1×10‑5mm/m，并且使用性能、抗疲劳其强度都有明显提高。

Description

高耐磨性的铝合金及其制备得到的球冠与该球冠制备方法
技术领域
本发明属于铝合金球冠制备领域，涉及一种高耐磨性的铝合金及其制备得到的球冠与该球冠的制备方法。
背景技术
桥梁支座是桥梁建设中的重要组成部分，其作为桥梁承上启下的关键部件，为实现桥梁支座与桥梁主体同寿命设计，作为支座核心部件的球冠衬板的长期可靠性显得尤为重要。现有的球冠衬板的制造主要为碳钢包覆不锈钢，将表面粗糙度Ra≤0.8μm镜面不锈钢通过特制磨具压制成型、等离子切割下料制成凹球面结构，再通过模压焊接于碳钢球冠外凸面。该技术很难保证内凹不锈钢与碳钢球冠外凸面的紧密贴合，易出现空鼓现象，导致转动不灵活；其次，表面的硬度只有200HV，镜面不锈钢在外物作用下易出现划痕、凹坑等缺陷；此外，碳钢与不锈钢的焊接口受化学、电化学腐蚀影响，导致脱焊风险，从而导致滑动面转动及防腐失效。
铝合金作为质量轻，比强度高的结构材料在生产中有广泛的应用。如果能将铝合金运用在球冠体中，将在性能、成本、施工等方面带来显著的提高。但铝合金存在耐腐蚀性差，高温软化快等固有缺点。如不进行改进，无法直接使用在球冠体中。
目前，市场上还无采用铝合金的球冠的产品，因此也无对应的工艺路线。现有的铝合金产品的生产工艺主要包括熔炼、铸造成型、热处理及表面处理，但在该工艺下，铸造成型后的铝合金中存在较多的气孔等缺陷，产品易在外力作用下沿枝晶开裂，不适合进行锻造加工。而对于新提出的通过均匀化退火、热轧、淬火、拉伸、时效、精车及等线速度滚压的处理步骤，这种制备方式材料利用率极低，仅有30％左右。为此，也有必要对铝合金的生产工艺、由铝合金制备球冠体的生产工艺，进行研究，开发一套专用于球冠体的铝合金配方、工艺，替代现有的钢结构球冠体。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高耐磨铝合金及其制备得到的球冠与球冠的制备方法，极大地提高了铝合金球冠体的耐磨性、耐蚀性，改善了表面粗糙度等一系列问题，经过滚压处理、机械抛光和表面硬质阳极氧化处理后的球冠，表层呈镜面，表面显微硬度为300-500HV，球冠构件芯部硬度为172-185HB，屈服强度为270-470Mpa，抗拉强度为300-560MPa，延伸性为8％-9％，在10N载荷和10000r/min下磨损率为3.4×10-5至4.1×10-5mm/m，并且使用性能、抗疲劳其强度都有明显提高。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
高耐磨性的铝合金，包括如下质量分数的各组分：0.10％～0.40％的Mn、2.30％～3.30％的Mg、0.15％～0.25％的Cr、3.50％～4.50％的Zn、0.15％的Cu、质量分数小于等于0.30％的Si、质量分数小于等于0.40％的Fe以及0.15％的副族元素，余量为Al。
进一步地，所述副族元素为V、Ti、Ni、Zr和Mo，且质量关系如下所示：
QV+QTi+QNi+QZr+QMo≤0.15％；
QV+QTi≤QMn；
QTi+QNi≤0.10％；
在上式中，Qx为元素的质量百分比值，x为V、Ti、Ni、Zr或Mo。
一种高耐磨性的铝合金制备得到的全铝合金球冠，该全铝合金球冠在室温情况下，该全铝合金球冠在室温情况下，表面显微硬度为300-500HV，球冠构件芯部硬度为172-185HB，屈服强度为270-470Mpa，抗拉强度为300-560MPa，延伸性为8％-9％。
进一步地，该全铝合金球冠放置于中性盐雾环境中1000小时未见明显点蚀，表面粗糙度Ra不大于0.8μm，屈服强度为260-420MPa，抗拉强度为280-510MPa，延伸性为8.0％-8.4％；在200℃的高温下，球冠屈服强度为240-400Mpa，抗拉强度为270-480MPa，延伸性为7.8％-8.0％。
进一步地，一种全铝合金球冠的制备方法，具体制备过程如下：
(1)配料：按照各组分的质量分数，将锰、镁、铬、锌、铜、硅、铁、副族元素以及铝按所需成分进行配料；
(2)熔炼：利用熔铝炉将纯铝熔化后，通过流槽转入保温炉，依次加入合金元素，经电磁搅拌器搅拌均匀后，在720-730℃保温20分钟，随后加入铝合金专用精炼剂，在720-730℃精炼10-20min，利用专用拔渣工具，去除铝液表面残渣，得到精炼后的铝合金熔液；
(3)铸造：将精炼后铝合金熔液浇入到结晶器内，并通过半连续的方式自高处垂直下拉，得到铸锭；
(4)均匀化：将铸锭在450-500℃保温8-10小时进行均匀化退火处理，获得均匀化退火处理后的铸锭；
(5)挤压：将均匀化退火处理后的铸锭加热1-2小时至480-490℃，且挤压模具预热至430-450℃后安装在卧式挤压机上进行挤压，得到挤压后坯体；挤压后坯体为长圆柱形棒材，再将挤压后的棒材切割成短棒材；
(6)锻造：将短棒材加热1-2小时至430-480℃，同时将模具预热至430-450℃，预热后的模具安装在油压机上进行慢速锻造，得到锻造后的球冠体；
(7)热处理：将锻造后的球冠体，加热至500-540℃，保温2-3小时后，迅速置于冷水池进行淬火处理，随后放入170-180℃油浴池中保温3-8小时，取出后清洗表面残留油料，得到时效处理后的球冠体；
(8)机加工：对时效处理后的球冠坯体依次进行粗加工、精加工以及滚压加工，获得机械加工后的球冠坯体；通过本步骤降低球冠坯体表面粗糙度，获得具有镜面效果的光洁表面；
(9)表面处理：对机械加工后的球冠坯体进行硬质阳极氧化处理，在其表面形成氧化膜，提高耐磨，随后进行机械抛光，通过机械抛光降低因表面阳极氧化而引起的表面粗糙度升高，制得铝合金球冠。
进一步地，步骤(3)至步骤(6)的具体制备步骤为：将精炼后的铝合金熔液浇入到结晶器内，经过高架式半连续铸造，得到直径φ为780至1400mm的铸锭；将该铸锭在450-500℃保温8-10小时后，得到均匀化退火处理后的铸锭；将此均匀化退火处理后的铸锭加热至480-490℃，挤压模具预热至430-450℃，通过卧式挤压机进行轴向的挤压，得到挤压后变细的坯体；该挤压后坯体呈圆柱棒材，且直径为250-450mm；将挤压后坯体切割成短棒材，短棒材的高度处于145至300mm范围；将此短棒材加热至430-480℃，并置于预热至430-450℃的锻造模具中，由1250T油压机进行纵向慢速锻造，得到直径增大，高度变小的锻造后球冠体。
进一步地，步骤(3)中，铝合金熔液注入垂直铸造设备结晶器中，控制铸造温度在750℃至755℃，在设备底座的牵引力以及重力的作用下，使铝合金缓慢下降，铸造速度控制在5.0mm/s-20.0mm/s，形成直径为780-1400mm铝合金铸锭。
进一步地，步骤(5)中挤压模具的挤压比为10-15，挤压时的压力应控制在200-230MPa，挤压速度为10-15m/min，保压时间在10至12s之间；将直径为780-1400mm的铝合金铸锭通过挤压设备挤压，得到直径为为250-450mm的长圆柱形棒材。
进一步地，步骤(9)中利用硫酸电解液中进行硬质阳极氧化处理，硫酸电解液中硫酸浓度小于15％，并在硫酸中加入草酸或酒石酸，氧化电压为25V，温度小于5℃。
进一步地，制得铝合金球冠的直径为D1、高度为H1、曲率半径R1、体积V1；铸锭的直径为D2、高度为H2；短棒材的直径为D3、高度为H3；则三者应满足下式：
D2≥3D3
1.5≤D3/H3≤2.5
αD2 2＞V1
α的取值范围在15.0-20.0之间。
本发明的有益效果：
本发明极大地提高了铝合金球冠体的耐磨性、耐蚀性，改善了表面粗糙度等一系列问题，经过滚压处理、机械抛光和表面硬质阳极氧化处理后的球冠，表层呈镜面，表面显微硬度为300-500HV，球冠构件芯部硬度为172-185HB，屈服强度为270-470Mpa，抗拉强度为300-560MPa，延伸性为8％-9％，在10N载荷和10000r/min下磨损率为3.4×10-5至4.1×10- 5mm/m，并且使用性能、抗疲劳其强度都有明显提高。
本发明通过铸造后再挤压的工艺方法，在改善因为铸造而导致的内部疏松缺陷的同时，消除芯部的张应力，从而使得铝合金铸锭在铸造后进行锻造时不会开裂，提高成品率。常规的工艺不锻造，只有铸造工序，存在气孔、机械强度差、应力不均等不足。同时材料利用率高，具有较高的经济效益与社会效益，并且不存在严重的环境污染问题。
本发明通过热挤压的塑性加工手段能够消除铝合金铸锭中所存在的各种铸锭缺陷，提高后续锻造性能及成品率。
本发明挤压时的压力应控制在200-230MPa，挤压速度为10-15m/min，保压时间在10至12s之间，将铝合金铸锭内部的疏松结构焊合起来，并且消除铝合金铸锭内的内应力，本步骤是确保铸锭可以进行锻造的重要环节，且起到提高产品利用率的效果。
本发明通过油浴的方式进行等温时效处理，是为了保证铝合金在进行时效处理时的温度稳定性，从而解决因前述的铝合金锻造工艺而导致的晶粒粗化问题，进而减少变形量，获得产品能到达符合球冠体所要求的强度性能。
本发明制造的铝合金一体式球冠体的性能高于现有钢结构球冠体，表面显微硬度在300-500HV，表面粗糙度不大于0.8μm，相同规格尺寸的铝合金球冠体的自重为钢结构的0.25至0.4，无空鼓缺陷。
本发明对机械加工后的球冠坯体进行硬质阳极氧化处理，在其表面形成氧化膜，提高耐磨性，然后进行机械抛光，通过机械抛光降低因表面阳极氧化而引起的表面粗糙度升高。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明成品球冠(直径D1、高度H1、曲率半径R1、体积V1)、铸锭(直径D2、高度H2)和短棒材(直径D3、高度H3)三者关系的示意图。
具体实施方式
实施例1：
一种高耐磨性的铝合金，包括如下质量分数的各组分：
锰0.40％、镁3.30％、铬0.25％、锌3.50％、铜0.15％、硅0.30％、铁0.40％、钒和钛共0.15％、余量铝。
一种高耐磨性的铝合金制备的球冠的制备方法，具体制备过程如下：
(1)配料：按照上述各组分所占的质量分数选取并称量小块的纯铝块、铝锰块、铝镁块、铝铬块、铝锌块、铝铜块、铝硅块、铝铁块、铝钒块与铝钛块；
(2)熔炼：利用熔铝炉将纯铝块熔化后，通过流槽转入保温炉，依次加入铝锰块、铝镁块、铝铬块、铝锌块、铝铜块、铝硅块、铝铁块、铝钒块与铝钛块，经电磁搅拌器搅拌均匀后，在720℃保温20分钟，随后加入铝合金专用精炼剂，在720℃精炼10min，利用专用拔渣工具，去除铝液表面残渣，得到精炼后的铝合金熔液；
(3)铸造：将精炼后的铝合金熔液浇入到结晶器内，并通过半连续铸造的方式自高处垂直下拉，在设备底座的牵引力以及重力的作用下，使铝合金缓慢下降，控制铸造的温度为在750℃，铸造速度控制在5.0mm/s，得到直径为900mm的铝合金铸锭；
(4)均匀化:将铸锭在450℃保温10小时进行均匀化退火处理，得到均匀化退火的铝合金铸锭；
(5)挤压：将均匀化退火处理后的铸锭加热1小时至480℃，且挤压模具预热至430℃后安装在卧式挤压机上进行挤压，挤压比为10-15，挤压时的压力应控制在200-230MPa，挤压速度为10-15m/min，保压时间在10至12s之间，得到直径为300mm的圆柱形棒材，再将挤压后的棒材切割成高度为145-300mm的短棒材；
(6)将短棒材加热2小时至480℃，同时将模具预热至450℃，预热后的球冠形模具安装在1250T油压机进行纵向慢速锻造，得到直径增大，高度变小的锻造后球冠体；
(7)热处理：将锻造后的球冠体加热至540℃，保温2小时后，迅速置于冷水池进行淬火处理，随后放入175℃油浴池中保温5小时，取出后清洗表面残留油料，得到时效处理后的球冠体；
(8)机加工：将时效处理后的球冠坯体依次进行粗加工、精车加工、滚压加工，滚压速度为700r/min，进给量为0.02mm，使表面粗糙度Ra小于0.8μm；
(9)表面处理：将机械加工后的球冠坯体置于硫酸电解液中进行硬质阳极氧化处理，硫酸浓度15％以下，并在硫酸中加入草酸或酒石酸，氧化电压为25V，温度在5℃以下，制备25μm厚的阳极氧化膜，电流密度2-5A/dm2，然后再对铝合金表面进行机械抛光，使表面粗糙度不大于1.0μm，相同规格尺寸的铝合金球冠体的自重为钢结构的0.25至0.4，无空鼓缺陷。
经测试，制得的高耐磨铝合金表面粗糙度为0.4μm，在10N载荷和10000r/min下磨损率为3.8×10-5mm/m，芯部硬度为175HB。
如图1所示，在步骤3至6，令成品的直径为D1、高度为H1、曲率半径R1、体积V1；铸锭的直径为D2、高度为H2；短棒材的直径为D3、高度为H3；则三者应满足下式：
D2≥3D3
1.5≤D3/H3≤2.5
αD2 2＞V1
α的取值范围在15.0-20.0之间
当D1的取值范围在400到450mm、高度在50至75mm、曲率半径在600至650mm时，D2的取值范围在970至1355mm，D3的取值范围在300至350mm。
实施例2：
一种高耐磨性的铝合金，包括如下质量分数的各组分：
锰0.10％、镁2.30％、铬0.15％、锌4.50％、铜0.15％、硅0.10％、铁0.20％、钒和镍共0.10％、钼0.05％、余量铝。
一种高耐磨性的铝合金制备的球冠的制备方法，具体制备过程如下：
(1)配料：按照上述各组分所占的质量分数选取并称量小块的纯铝块、铝锰块、铝镁块、铝铬块、铝锌块、铝铜块、铝硅块、铝铁块、铝钒块、铝镍块及铝钼块；
(2)熔炼：利用熔铝炉将纯铝熔化后，通过流槽转入保温炉，依次加入、铝锰块、铝镁块、铝铬块、铝锌块、铝铜块、铝硅块、铝铁块、铝钒块、铝镍块及铝钼块，经电磁搅拌器搅拌均匀后，在730℃保温20分钟，随后加入铝合金专用精炼剂，在720℃精炼15min，利用专用拔渣工具，去除铝液表面残渣，得到精炼后的铝合金熔液；
(3)铸造：将精炼后的铝合金熔液浇入到结晶器内，并通过半连续铸造的方式自高处垂直下拉，在设备底座的牵引力以及重力的作用下，使铝合金缓慢下降，控制铸造的温度为在755℃，铸造速度控制在20.0mm/s，得到直径为1400mm的铝合金铸锭；
(4)均匀化:将铸锭在500℃保温8小时进行均匀化退火处理，得到均匀化退火的铝合金铸锭；
(5)挤压：将均匀化退火处理后的铸锭加热1小时至490℃，且挤压模具预热至440℃后安装在卧式挤压机上进行挤压，挤压比为10-15，挤压时的压力应控制在200-230MPa，挤压速度为10-15m/min，保压时间在10至12s之间，得到直径φ为350mm的圆柱形棒材，再将挤压后的棒材切割成高度为145mm的短棒材；
(6)锻造：将短棒材加热1小时至450℃，同时将模具预热至430℃，预热后的球冠形模具安装在1250T油压机进行纵向慢速锻造，得到直径增大，高度变小的锻造后球冠体；
(7)热处理：将锻造后的球冠体，加热至510℃，保温2小时后，迅速置于冷水池进行淬火处理，随后放入170℃油浴池中保温5小时，取出后清洗表面残留油料，得到时效处理后的球冠体；
(8)机加工：将时效处理后的球冠坯体依次进行粗加工、精车加工、滚压加工，滚压速度为900r/min，进给量为0.05mm，使表面粗糙度Ra小于0.8μm；
(9)表面处理：将机械加工后的球冠坯体置于硫酸电解液中进行硬质阳极氧化处理，硫酸电解液中硫酸浓度15％以下，并在硫酸中加入草酸或酒石酸，氧化电压为25V，温度在5℃以下，制备25μm厚的阳极氧化膜，电流密度2-5A/dm2，然后再对铝合金表面进行机械抛光，使表面粗糙度不大于0.8μm，相同规格尺寸的铝合金球冠体的自重为钢结构的0.25至0.4，无空鼓缺陷。
经测试，制得的高耐磨铝合金表面粗糙度为0.4μm，在10N载荷和10000r/min下磨损率为4.0×10-5mm/m，芯部硬度为178HB。
实施例3：
一种高耐磨性的铝合金，包括如下质量分数的各组分：
锰0.20％、镁3.10％、铬0.20％、锌4.00％、铜0.15％、硅0.30％、铁0.40％、钒0.05％、钛0.05％、镍0.05％、余量铝。
一种高耐磨性的铝合金制备的球冠的制备方法，具体制备过程如下：
(1)配料：按照上述各组分所占的质量分数选取并称量小块的纯铝块、铝锰块、铝镁块、铝铬块、铝锌块、铝铜块、铝硅块、铝铁块、铝钒块、铝钛块与铝镍块；
(2)熔炼：利用熔铝炉将纯铝熔化后，通过流槽转入保温炉，依次加入铝锰块、铝镁块、铝铬块、铝锌块、铝铜块、铝硅块、铝铁块、铝钒块、铝钛块与铝镍块，经电磁搅拌器搅拌均匀后，在725℃保温20分钟，随后加入铝合金专用精炼剂，在730℃精炼20min，利用专用拔渣工具，去除铝液表面残渣，得到精炼后的铝合金熔液；
(3)铸造：将精炼后的铝合金熔液浇入到结晶器内，并通过半连续铸造的方式自高处垂直下拉，在设备底座的牵引力以及重力的作用下，使铝合金缓慢下降，控制铸造的温度为在755℃，铸造速度控制在15mm/s，得到直径为780mm的铝合金铸锭；
(4)均匀化:将铸锭在455℃保温8小时进行均匀化退火处理，得到均匀化退火的铝合金铸锭；
(5)挤压：将均匀化退火处理后的铸锭加热2小时至490℃，且挤压模具预热至450℃后安装在卧式挤压机上进行挤压，挤压比为10-15，挤压时的压力应控制在200-230MPa，挤压速度为10-15m/min，保压时间在10至12s之间，得到直径φ为250mm的圆柱形棒材，再将挤压后的棒材切割成高度为300mm的短棒材；
(6)锻造：将短棒材加热2小时至480℃，同时将模具预热至430℃，预热后的球冠形模具安装在1250T油压机进行纵向慢速锻造，得到直径增大，高度变小的锻造后球冠体；
(7)热处理：将锻造后的球冠体，加热至530℃，保温2小时后，迅速置于冷水池进行淬火处理，随后放入180℃油浴池中保温5小时，取出后清洗表面残留油料，得到时效处理后的球冠体；
(8)机加工：将时效处理后的球冠坯体依次进行粗加工、精车加工、滚压加工，滚压速度为800r/min，进给量为0.04mm，使表面粗糙度Ra小于0.8μm；
(9)表面处理：将机械加工后的球冠坯体置于硫酸电解液中进行硬质阳极氧化处理，硫酸浓度15％以下，并在硫酸中加入草酸或酒石酸，氧化电压为25V，温度在5℃以下，制备25μm厚的阳极氧化膜，电流密度2-5A/dm2，然后再对铝合金表面进行机械抛光，使表面粗糙度不大于0.8μm，相同规格尺寸的铝合金球冠体的自重为钢结构的0.25至0.4，无空鼓缺陷。
经测试，制得的高耐磨铝合金表面粗糙度为0.1μm，在10N载荷和10000r/min下磨损率为3.9×10-5mm/m，芯部硬度为181HB。
实施例4：
一种高耐磨性的铝合金，包括如下质量分数的各组分：
锰0.20％、镁3.10％、铬0.20％、锌4.00％、铜0.15％、硅0.30％、铁0.40％、钒0.05％、钛0.05％、镍0.05％、余量铝。
一种高耐磨性的铝合金制备的球冠的制备方法，具体制备过程如下：
(1)配料：按照上述各组分所占的质量分数选取并称量小块的纯铝块、铝锰块、铝镁块、铝铬块、铝锌块、铝铜块、铝硅块、铝铁块、铝钒块、铝镍块及铝钼块；
(2)熔炼：利用熔铝炉将纯铝熔化后，通过流槽转入保温炉，依次加入铝锰块、铝镁块、铝铬块、铝锌块、铝铜块、铝硅块、铝铁块、铝钒块、铝镍块及铝钼块，经电磁搅拌器搅拌均匀后，在730℃保温20分钟，随后加入铝合金专用精炼剂，在730℃精炼15min，利用专用拔渣工具，去除铝液表面残渣，得到精炼后的铝合金熔液；
(3)铸造：将精炼后的铝合金熔液浇入到结晶器内，并通过半连续铸造的方式自高处垂直下拉，在设备底座的牵引力以及重力的作用下，使铝合金缓慢下降，控制铸造的温度为在750℃，铸造速度控制在20.0mm/s，得到直径为1400mm的铝合金铸锭；
(4)均匀化:将铸锭在480℃保温8小时进行均匀化退火处理，得到均匀化退火的铝合金铸锭；
(5)挤压：将均匀化退火处理后的铸锭加热2小时至480℃，且挤压模具预热至430℃后安装在卧式挤压机上进行挤压，挤压比为10-15，挤压时的压力应控制在200-230MPa，挤压速度为10-15m/min，保压时间在10至12s之间，得到直径φ为350-450mm的圆柱形棒材，再将挤压后的棒材切割成高度为300mm的短棒材；
(6)锻造：将短棒材加热1小时至430℃，同时将模具预热至440℃，预热后的球冠形模具安装在1250T油压机进行纵向慢速锻造，得到直径增大，高度变小的锻造后球冠体；
(7)热处理：将锻造后的球冠体，加热至540℃，保温2-3小时后，迅速置于冷水池进行淬火处理，随后放入175℃油浴池中保温3-8小时，取出后清洗表面残留油料，得到时效处理后的球冠体；
(8)机加工：将时效处理后的球冠坯体依次进行粗加工、精加工、滚压加工，滚压速度为750r/min，进给量为0.03mm，使表面粗糙度Ra小于0.8μm；
(9)表面处理：将机械加工后的球冠坯体置于硫酸电解液中进行硬质阳极氧化处理，硫酸浓度15％以下，并在硫酸中加入草酸或酒石酸，氧化电压为25V，温度在5℃以下，制备25μm厚的阳极氧化膜，电流密度2-5A/dm2，然后再对铝合金表面进行机械抛光，使表面粗糙度不大于0.8μm，相同规格尺寸的铝合金球冠体的自重为钢结构的0.25至0.4，无空鼓缺陷。
经测试，制得的高耐磨铝合金表面粗糙度为0.1μm，在10N载荷和10000r/min下磨损率为3.8×10-5mm/m，芯部硬度为180HB。
实施例5：
将实施例1-4制备得到的球冠进行性能测试，具体测试过程为：
(1)在室温情况下，表面显微硬度300-500HV，球冠构件芯部硬度为172-185HB，屈服强度为270-470Mpa，抗拉强度为300-560MPa，延伸性为8％-9％。
(2)在中性盐雾环境中1000小时未见明显点蚀，表面粗糙度Ra不大于0.8μm，屈服强度为260-420MPa，抗拉强度为280-510MPa，延伸性为8.0％-8.4％。
(3)在200℃的高温下，球冠屈服强度为240-400Mpa，抗拉强度为270-480MPa，延伸性为7.8％-8.0％。
(4)本发明制造的铝合金一体式球冠体，可以有效解决钢结构焊接式中存在的空鼓、脱落和电化学腐蚀等问题，如表1所示。
表1 本发明制备的铝合金与钢结构相比
项目 分体式钢结构 一体式铝合金
表面硬度 220HV 500HV
表面粗糙度 0.2μm 0.1μm
是否空鼓 是 否
(1)本发明通过在铸造后进行挤压，从而减少气孔等缺陷，规避了在铸造后不能锻造的不足，极大提高产品的成品率。同时材料利用率高，具有较高的经济效益与社会效益，并且不存在严重的环境污染问题。因此，铝合金一体式球冠体有广泛的应用前景，如表2所示。
表2 本发明制备的成品与传统工艺相比
综上所述，本发明在原料配比、工艺方案及产品上均有显而易见的改进与提高。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.高耐磨性的铝合金，其特征在于，包括如下质量分数的各组分：0.10％～0.40％的Mn、2.30％～3.30％的Mg、0.15％～0.25％的Cr、3.50％～4.50％的Zn、0.15％的Cu、质量分数小于等于0.30％的Si、质量分数小于等于0.40％的Fe以及0.15％的副族元素，余量为Al。
2.根据权利要求1所述的一种高耐磨铝合金，其特征在于，所述副族元素为V、Ti、Ni、Zr和Mo，且质量关系如下所示：
QV+QTi+QNi+QZr+QMo≤0.15％；
QV+QTi≤QMn；
QTi+QNi≤0.10％；
在上式中，Qx为元素的质量百分比值，x为V、Ti、Ni、Zr或Mo。
3.一种根据权利要求1所述的高耐磨性的铝合金制备得到的全铝合金球冠，其特征在于，该全铝合金球冠在室温情况下，表面显微硬度为300-500HV，球冠构件芯部硬度为172-185HB，屈服强度为270-470Mpa，抗拉强度为300-560MPa，延伸性为8％-9％。
4.根据权利要求3所述的高耐磨铝合金制备得到的全铝合金球冠，其特征在于，该全铝合金球冠放置于中性盐雾环境中1000小时未见明显点蚀，表面粗糙度Ra不大于0.8μm，屈服强度为260-420MPa，抗拉强度为280-510MPa，延伸性为8.0％-8.4％；在200℃的高温下，球冠屈服强度为240-400Mpa，抗拉强度为270-480MPa，延伸性为7.8％-8.0％。
5.一种根据权利要求3所述全铝合金球冠的制备方法，其特征在于，具体制备过程如下：
(1)配料：按照各组分的质量分数，将锰、镁、铬、锌、铜、硅、铁、副族元素以及铝按所需成分进行配料；
(2)熔炼：利用熔铝炉将纯铝熔化后，通过流槽转入保温炉，依次加入合金元素，经电磁搅拌器搅拌均匀后，在720-730℃保温20分钟，随后加入铝合金专用精炼剂，在720-730℃精炼10-20min，利用专用拔渣工具，去除铝液表面残渣，得到精炼后的铝合金熔液；
(3)铸造：将精炼后铝合金熔液浇入到结晶器内，并通过半连续的方式自高处垂直下拉，得到铸锭；
(4)均匀化：将铸锭在450-500℃保温8-10小时进行均匀化退火处理，获得均匀化退火处理后的铸锭；
(5)挤压：将均匀化退火处理后的铸锭加热1-2小时至480-490℃，且挤压模具预热至430-450℃后安装在卧式挤压机上进行挤压，得到挤压后坯体；挤压后坯体为长圆柱形棒材，再将挤压后的棒材切割成短棒材；
(6)锻造：将短棒材加热1-2小时至430-480℃，同时将模具预热至430-450℃，预热后的模具安装在油压机上进行慢速锻造，得到锻造后的球冠体；
(7)热处理：将锻造后的球冠体，加热至500-540℃，保温2-3小时后，迅速置于冷水池进行淬火处理，随后放入170-180℃油浴池中保温3-8小时，取出后清洗表面残留油料，得到时效处理后的球冠体；
(8)机加工：对时效处理后的球冠坯体依次进行粗加工、精加工以及滚压加工，获得机械加工后的球冠坯体；通过本步骤降低球冠坯体表面粗糙度，获得具有镜面效果的光洁表面；
(9)表面处理：对机械加工后的球冠坯体进行硬质阳极氧化处理，在其表面形成氧化膜，提高耐磨，随后进行机械抛光，通过机械抛光降低因表面阳极氧化而引起的表面粗糙度升高，制得铝合金球冠。
6.根据权利要求5所述的全铝合金球冠的制备方法，其特征在于，步骤(3)至步骤(6)的具体制备步骤为：将精炼后的铝合金熔液浇入到结晶器内，经过高架式半连续铸造，得到直径φ为780至1400mm的铸锭；将该铸锭在450-500℃保温8-10小时后，得到均匀化退火处理后的铸锭；将此均匀化退火处理后的铸锭加热至480-490℃，挤压模具预热至430-450℃，通过卧式挤压机进行轴向的挤压，得到挤压后变细的坯体；该挤压后坯体呈圆柱棒材，且直径为250-450mm；将挤压后坯体切割成短棒材，短棒材的高度处于145至300mm范围；将此短棒材加热至430-480℃，并置于预热至430-450℃的锻造模具中，由1250T油压机进行纵向慢速锻造，得到直径增大，高度变小的锻造后球冠体。
7.根据权利要求5所述的全铝合金球冠的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，铝合金熔液注入垂直铸造设备结晶器中，控制铸造温度在750℃至755℃，在设备底座的牵引力以及重力的作用下，使铝合金缓慢下降，铸造速度控制在5.0mm/s-20.0mm/s，形成直径为780-1400mm铝合金铸锭。
8.根据权利要求5所述的全铝合金球冠的制备方法，其特征在于，步骤(5)中挤压模具的挤压比为10-15，挤压时的压力应控制在200-230MPa，挤压速度为10-15m/min，保压时间在10至12s之间；将直径为780-1400mm的铝合金铸锭通过挤压设备挤压，得到直径为为250-450mm的长圆柱形棒材。
9.根据权利要求5所述的全铝合金球冠的制备方法，其特征在于，步骤(9)中利用硫酸电解液中进行硬质阳极氧化处理，硫酸电解液中硫酸浓度小于15％，并在硫酸中加入草酸或酒石酸，氧化电压为25V，温度小于5℃。
10.根据权利要求5所述的全铝合金球冠的制备方法，其特征在于，制得铝合金球冠的直径为D1、高度为H1、曲率半径R1、体积V1；铸锭的直径为D2、高度为H2；短棒材的直径为D3、高度为H3；则三者应满足下式：
D2≥3D3
1.5≤D3/H3≤2.5
αD2 2＞V1
α的取值范围在15.0-20.0之间。
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