CN108425049A

CN108425049A - 一种高强度高耐磨铝基合金及柱塞泵缸体铸件制备方法

Info

Publication number: CN108425049A
Application number: CN201810560067.9A
Authority: CN
Inventors: 程鹏
Original assignee: Yantai Rui Feng New Mstar Technology Ltd
Current assignee: Yantai Rui Feng New Mstar Technology Ltd
Priority date: 2018-06-03
Filing date: 2018-06-03
Publication date: 2018-08-21

Abstract

本发明是一种高强度高耐磨铝基合金及其柱塞泵缸体制备方法。合金为铝基合金，含有铝、铜、镁、锰、钛、硼、镍、硅、锌、稀土、锶和其他不可避免的杂质元素。本发明铝基合金具有良好的切削性能和优异的机械性能，强度高，耐磨性优异，生产成本低，在国内外都有竞争优势，本发明可替代铜合金铸造柱塞泵缸体耐磨部分，大幅度降低企业生产成本。

Description

一种高强度高耐磨铝基合金及柱塞泵缸体铸件制备方法

技术领域

本发明涉及一种铝基合金，具体涉及一种高强度高耐磨的铝基合金。本发明还涉及所述高强度高耐磨的铝基合金的柱塞泵缸体制备方法。

背景技术

因为具有耐磨性好的特点，铜合金一直被广泛研究。目前，国内机械制造企业基本还是选用铜合金作为减磨配件，其中ZCuSn6Zn6Pb3、ZCuSn10Pb1、ZCuSn10Pb5应用比较广泛。但实际上，有许多铜合金的产品受其高温熔化的限制，和其它部件组合熔铸粘结有很大难度。

在柱塞泵缸体制造方面，国内外普遍使用高温烧结的方法让铜合金与45钢缸体粘结。传统柱塞泵缸体的加工工艺为：圆钢粗加工、底部摩擦盘的钢-铜烧结、柱塞孔钢-铜烧结、精加工。制造工艺复杂，钢-铜烧结牢固性不稳定，存在着能耗高、效率低、烧结后加工余量大、生产成本高等不良现象。

柱塞孔烧结材料为铜合金棒材，烧结后加工柱塞孔，把铜合金棒加工成壁厚为1.5mm左右的铜合金套存留在柱塞孔内。钢-铜烧结牢固度难以保证100%成品率，在使用过程中柱塞孔的铜合金套有脱落现象。钢-铜烧结从预热处理250℃×2小时到烧结1150℃×8小时，保温850℃×2小时炉冷，两次烧结时间为24小时，烧结费用较高，耗能极大。铜合金利用率约20%左右，其中80%左右的铜合金变成铜屑低价回收，造成极大的浪费。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有高强度高耐磨的铝基合金及其柱塞泵缸体制备方法。本发明的技术方案如下：

一种高强度高耐磨的铝基合金，其特征在于其合金重量百分比组成为：AL45～55%、Cu1～5%、Mg0.01～0.06%、Mn0.2~1%、Ti0.05～0.5%、B0.03～0.1%、Ni0.2～1%，Si3～6%、X 1～3%，Zn余量，其他杂质总和≤0.2%；其中X是晶粒细化球化添加剂，X中重量百分比组成为：铝混合稀土65%和铝锶35%。铝混合稀土中的铈含量为45%～50%，优选为48%。

其合金重量百分比组成可以优选为：AL45.3%、Cu1.53%、Mg0.01%、Mn0.2%、Ni0.2%、Si3%、Ti0.05%、B0.01%、X1.2%，余量为Zn及杂质。

其合金重量百分比组成可以优选为：AL50.8%、Cu2.55%、Mg0.03%、Mn0.53%、Ni0.58%、Si4.6%、Ti0.05%、B0.01%、X2.1%，余量为Zn及杂质。

其合金重量百分比组成可以优选为：AL54.5%、Cu4.5%、Mg0.055%、Mn0.95%、Ni0.84%、Si5.8%、Ti0.05%、B0.01%、X2.7%，余量为Zn及杂质。

所述的高强度高耐磨的铝基合金的铸件制备方法，按照以下步骤制备而成：电阻炉内加热铝锭、锌锭、铜、硅、锰和镍，等合金熔化后除气，压入镁块，钛硼变质后X变质，二次除气打渣后，铝基合金620℃状态下铸造铸件。

所述铸造铸件的方法是：对高温状态下的铝基合金在加压条件下实施循环水（常温水）冷却。

优选加压条件是指加载50MPa～90 MPa的压强。

本发明的积极效果在于：

一、本发明在合金中添加Ti，B 和X，具有复合细化金属晶粒的比较显著的效果，从而提高了合金的综合力学性能。其中Ti和B能够细化合金晶粒，提高力学性能；X能够球化晶粒，提高合金耐磨性能。X中主要含有混合稀土（含Ce45%～50%），Sr能够避免偏析作用，使合金材料更均匀。

本发明中，Si以微小颗粒状态镶嵌在基体内，能够达到耐磨的作用。Cu有助于合金的总体加工性能，有助于提高合金热加工时的塑性，增强热处理强化效果，降低合金的各向异性。Mg有助于微细弥散相的形成和阻止热加工及热处理过程中再结晶的发生。Zn的加入能够提高材料的耐磨性能和自润滑效果。Mn和Ni的组合添加，能够提高合金高温加热下的强度。

Si、Cu、Mn、Ni、Re、Sr，六种元素的合理搭配添加量，可使铝基合金柱塞泵缸体在高速高载荷的状态下，消除严重的粘连磨损，提高产品使用寿命。

本发明的铝基合金具有良好的易切削性、优异的机械性能以及优异的耐磨性，可替代现有的铜合金，制造柱塞泵缸体内的耐磨部分。

二、本发明的铝基合金采用在高温状态下压铸于预热柱塞泵缸体毛坯内，然后在保压状态下利用循环水冷却的制备方法，据此得出的合金晶粒更加微小，内部结构更加致密、均匀，能够更好地消除因重力铸造自然冷却导致的铸件缩孔和组织疏松，减小了传统铸造的冒口尺寸，对于气密性、水密性零件具有显著优势，同时，提高了金属溶液利用率和生产效率，能够进一步提高铸件的强度、硬度及耐磨性。

金属液体在压力作用下发生流变充型、结晶凝固和流变补缩，最终获得内部致密、外观光洁、尺寸精确的铸件，比普通重力铸造仅靠重力补缩更容易获得致密铸造件，消除了传统铸件的缩孔和疏松缺陷，内部组织致密、均匀、晶粒细小。在循环水的冷却下，金属凝固顺序由下往上，补缩效果更好，晶粒微小致密，金属液体在压力和快冷状态下凝固，铸件强度和硬度增加幅度很大，远远超出传统铸造的性能指标。

三、采用本发明铝基合金生产的柱塞泵缸体具有优异的机械性能以及优异的耐磨性；一次性压铸成形，降低生产成本，在国内外市场都具有竞争优势，可高效率高品质的生产出铝基合金柱塞泵缸体。

附图说明

图1是铜合金柱塞泵缸体烧结及加工过程中的烧结铜合金毛坯图；

图2是铜合金柱塞泵缸体烧结及加工过程中的烧结铜合金加工图；

图3是本发明提出的铝基合金柱塞泵缸体低压铸造图；

图4是本发明提出的铝基合金柱塞泵缸体加工图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明。

本发明的三个实施例分别对应于表1中实施例1、实施例2和实施例3的铸件制备的试样，按表1具体的合金成分分别进行铸造。

其中X是晶粒细化球化添加剂，X中重量百分比组成为：铝混合稀土65%（含Ce48%）和铝锶35%。上述三个实施例所采用的晶粒细化球化添加剂中，混合稀土均满足Ce≥45%的条件，具体选用了淄博伟杰稀土有限公司生产的镧系混合稀土。

工艺流程如下：电阻炉内加热铝锭、锌锭、铜、硅、锰和镍，等合金熔化后除气，压入镁块，钛硼变质后X变质，二次除气打渣后，铝基合金高温状态下压铸铸件。

具体流程如下：

一、按比例向电阻炉内加入铝锭、锌锭、铝铜中间合金、铝硅中间合金、铝锰中间合金和铝镍中间合金，加热至650℃合金熔化；

二、除气：采用张家港溶剂厂生产的除气除渣添加剂，用钟罩压入液体底部；

三、温度达到600℃后，按比例压入镁块，用钟罩压入液体底部，溶化后搅拌1分钟；

四、钛硼变质：温度处于600℃时，采用钛硼添加剂，成块状，用钟罩压入液体底部，溶化后搅拌3分钟；

五、X变质：升温至650℃使X变质，成块状，用钟罩压入液体底部，溶化后搅拌1分钟；

六、二次使用张家港溶剂厂生产的除气除渣添加剂对液体合金进行处理，静置10分钟后撇去上层氧化浮渣；

七、铝基合金保持在620℃高温状态下压铸柱塞泵缸体铸件：对620℃高温状态下的铝基合金在加压状态下（50 MPa～90MPa）实施循环水冷却。

实验检测结果见表2：

在调整到最佳铸造工艺的情况下，三种不同的元素配比体现出不同的物理性能及力学性能。

实施例1：Cu含量低造成合金抗拉强度下降，硬度达到HB132，Mn和Si元素已提高了材料的耐磨性，由于含量偏低，轻微粘连磨损还是存在，磨损量在三个方案中相对偏大，基本达到设计要求。

实施例2：粘连现象基本消除，材料磨损减少，硬度适中，强度也大幅度提高，完全达到设计要求。

实施例3：粘连现象基本消除，材料磨损进一步减少，强度高，硬度高，完全达到设计要求。

根据实验得出结论：随着Al元素的增加，合金强度增加，Zn元素的减少提高了合金的高温强度，Mn、Si、Ni、Cu、Mg元素的添加在合金强度和耐磨性能中起到较大作用，Ti、B、X在合金材料细化，球化中的复合添加效果要超出单一添加效果。随着Si、Cu、Mn、Ni高熔点元素的增加，合金的高温性能有所提高，铸造温度在650℃左右。

本发明实施例三个试样的力学性能参数见表2。

说明：

1、耐磨试验，MR-H5型高速环块磨损试验机测试，得到三个试样的摩擦系数。

2、依据本领域技术常识可知，摩擦系数越低，耐磨性越好，由表2看出，本发明试样的摩擦系数在0.016-0.023之间明显低于锡青铜（在相同试验条件下摩擦系数为0.04-0.068）。

3、依据本领域技术常识可知，抗拉强度、拉伸屈服强度以及布氏硬度越高，其相应性能越好，本发明试样的抗拉强度（在387-446之间）、拉伸屈服强度（在372-435之间）以及布氏硬度（在132-180之间）明显高于锡青铜（在相同试验条件下，抗拉强度在195-300之间、拉伸屈服强度在104-180之间以及布氏硬度在68-100之间）。

Claims

1.一种高强度高耐磨铝基合金，其特征在于其合金重量百分比组成为：AL45～55%、Cu1～5%、Mg0.01～0.06%、Mn0.2~1%、Ti0.05～0.5%、B0.03～0.1%、Ni0.2～1%，Si3～6%、X 1～3%，Zn余量，其他杂质总和≤0.2%；其中X是晶粒细化球化添加剂，X中重量百分比组成为：铝混合稀土65%，铝锶35%。

2.根据权利要求1所述的高强度高耐磨铝基合金，其特征在于其合金重量百分比组成为：AL45.3%、Cu1.53%、Mg0.01%、Mn0.2%、Ni0.2%、Si3%、Ti0.05%、B0.01%、X1.2%，余量为Zn及杂质。

3.根据权利要求1所述的高强度高耐磨铝基合金，其特征在于其合金重量百分比组成为：AL50.8%、Cu2.55%、Mg0.03%、Mn0.53%、Ni0.58%、Si4.6%、Ti0.05%、B0.01%、X2.1%，余量为Zn及杂质。

4.根据权利要求1所述的高强度高耐磨铝基合金，其特征在于其合金重量百分比组成为AL54.5%、Cu4.5%、Mg0.055%、Mn0.95%、Ni0.84%、Si5.8%、Ti0.05%、B0.01%、X2.7%，余量为Zn及杂质。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的高强度高耐磨铝基合金的柱塞泵缸体铸件制备方法，其特征在于按照以下步骤制备而成：电阻炉内加热铝锭、锌锭、铜、硅、锰和镍，等合金熔化后除气，压入镁块，钛硼变质后X变质，二次除气打渣后，铝基合金620℃状态下铸造铸件。

6.根据权利要求5所述的高强度高耐磨铝基合金的柱塞泵缸体铸件制备方法，其特征在于所述铸造铸件的方法是：对高温状态下的铝基合金在加压条件下实施循环水冷却。

7. 根据权利要求6所述的高强度高耐磨铝基合金的柱塞泵缸体铸件制备方法，其特征在于所述加压条件是指加载50MPa～90 MPa的压强。