CN108823471A - 一种耐磨铝合金材料及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐磨铝合金材料及其制备工艺，所述耐磨铝合金材料的成分按重量百分比计含有：Si 6.50‑10.50％、Mg 2.50‑4.50％、Sr 0.21‑0.25％、Sn 0.40‑0.60%、Nb 0.34‑0.38％、Cr 0.08‑0.12％、Ti 0.11‑0.15％、B 0.02‑0.05%、Sr 0.22‑0.26%、稀土元素0.05‑0.09%，余量为铝和不可避免的其他杂质。本发明通过设计特定的合金成分组成，解决了铝合金材料的耐磨性和强度不足问题，使铝合金材料同时具有高强度、高耐磨和优异的抗拉强度。

Description

一种耐磨铝合金材料及其制备工艺
技术领域
本发明涉及铝合金加工技术领域，具体涉及一种耐磨铝合金材料及其制备工艺。
背景技术
铝合金的重量与其他合金相比来说比较小，可广泛应用于很多行业，尤其是对重量有要求的场合。但与其他合金相比，铝合金的硬度比较低，因此一般的铝合金不耐磨。由于铝合金不耐磨，在很多情况下，只能选择重量大但耐磨的合金来替代铝合金。不耐磨的特点大大限制了铝合金的应用。
经过对经过对现有技术进行了检索，在中国发明专利申请200810231204.0（公开日2008年12月4日）公开了一种耐磨高强铝合金材料及其制造工艺。通过以下技术方案来实现：一种耐磨高强铝合金材料，所述的材料的化学成分以重量来计算，其构成为7.6-8.3%硅、2.5-3.5%铜、1.2-1.4%铁、0.3-0.5%镁、0.1-0.05%稀土余量为铝。所述的汽缸体的化学成分以重量来计算，其杂质的含量不大于：0.3%锌、0.2%铅、0.2%铬、0.1%锡、0.1%镍、0.1%钛。还通过配料、精炼、变质、浇注、淬火而成，采用本发明后，由于材料的内部化学成分及制造工艺的变化、改进，使其内部组织致密，韧性好，其铸造成型性，加工性优良，耐磨性好，成本低的优点。
而在中国发明专利申请200610165341.X（公开日2006年12月18日）公开了一种高强耐磨铝合金及其制备方法，该高强耐磨铝合金是在Al-Zn-Mg-Cu合金熔体中，置入Ti-C-Al预制块，通过原位反应在该Al-Zn-Mg-Cu合金熔体中生成TiC颗粒，再进行雾化喷射成形而成，其中，Ti-C-Al预制块的TiC置入量为Al-Zn-Mg-Cu合金的3.15~10.5%重量%。本发明的铝合金是利用原位反应喷射成形工艺制备高强铝合金，实现了材料耐磨性能的改善。该合金具有高的强度，及良好的韧性和耐磨性能。
以上检索的现有技术，由于添加的合金元素及制备过程中的不足，制得的铝合金的耐磨性仍不能满足要求。
基于此，有必要提供一种耐磨铝合金材料及其制备工艺，以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的问题，提供一种耐磨铝合金材料，能够提高铝合金的硬度、耐磨性和抗拉强度。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种耐磨耐腐蚀铝合金材料，所述耐磨铝合金材料的成分按重量百分比计含有：Si6.50-10.50％、Mg 2.50-4.50％、Sr 0.21-0.25％、Sn 0.40-0.60%、Nb 0.34-0.38％、Cr0.08-0.12％、Ti 0.11-0.15％、B 0.02-0.05%、Ta 0.22-0.26%、稀土元素0.05-0.09%，余量为铝和不可避免的其他杂质。
进一步地，所述耐磨铝合金材料的成分按重量百分比计含有：Si 7.50-9.50％、Mg3.00-4.00％、Sr 0.22-0.24％、Sn 0.45-0.55%、Nb 0.35-0.37％、Cr 0.09-0.11％、Ti0.12-0.14％、B 0.03-0.05%、Ta 0.23-0.25%、稀土元素0.06-0.08%，余量为铝和不可避免的其他杂质。
进一步地，所述耐磨铝合金材料的成分按重量百分比计含有：Si 8.50％、Mg3.50％、Sr 0.23％、Sn 0.50%、Nb 0.36％、Cr 0.10％、Ti 0.13％、B 0.04%、Ba 0.24%、稀土元素0.07%，余量为铝和不可避免的其他杂质。
进一步地，所述稀土元素的化学成分的质量百分比为：La 22-28%、Ce 31-35%、Y5-10%，其余为Sc。
进一步地，本发明还提供了上述耐磨铝合金材料的制备工艺，包括以下步骤：
（1）将铝锭投入到熔炼炉中，然后将炉腔抽真空至1×10-4Pa，然后向炉腔内通入惰性气体，使炉内气压达到40-50Pa，升温至630-640℃至铝锭彻底熔化；
（2）温度在650-670℃时用除渣器将铝溶液上的渣和杂质去除，清理铝溶液中的表面氧化物和夹杂物；
（3）然后加入Si、Mg进行沉淀、脱氧、扒渣，再溶液中加入精炼剂，保温50-100min，然后加入Sr、Ni、Cr、Ti、B、Sr搅拌20-30min，使熔体内各成分均匀混合；
（4）调整熔融铝合金液温度在720-740℃，加入除杂剂，进行5-10min均匀搅动，直至渣与合金液分离，搅拌后进行10-20分钟的静置，然后进行扒渣；
（5）将上述扒渣后的合金液中加入稀土元素，将炉温控制在730-750℃，时间保持在25-30min，全程吹氩气搅拌；
（6）后将合金注入铸模，进行连续铸造法，浇铸速度为2.6-3.1m/h，得到合金铸锭；
（7）在真空条件下，将铝合金铸锭升温至350-360℃下保温1-2h，继续加热至550-560℃，保温30-60min，然后油冷至250-260℃，再空冷至室温；
（8）对铝合金铸锭进行首次时效处理，随后保温，再进行第二次时效处理；
（9）最后对铝合金进行探伤处理、机械性能的测定分析，最终制备得到合格产品。
进一步地，所述步骤（1）中惰性气体为氮气或氩气。
进一步地，所述步骤（3）中的精炼剂为Na2SiF6、KCl、Na3AlF6和C2Cl6。
进一步地，所述步骤（5）中氩气流量为14-16L/min，氩气压力为0.4-0.6Mpa。
进一步地，所述步骤（8）所述首次时效处理的温度为160-170℃，保温时间为8-12个小时。
进一步地，所述步骤（8）第二次时效处理工艺为温度为130-150℃，随后保温时间为15-20小时。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
（1）本发明通过设计特定的合金成分组成，解决了铝合金材料的耐磨性和强度不足问题，使铝合金材料同时具有高强度、高耐磨和优异的抗拉强度。
（2）本发明通过严格控制铸造工艺和热处理工艺，使得铝合金晶粒度能够达到一级晶粒，从而使得本发明铝合金具有高强度、高耐磨和优异的抗拉强度。
（3）本发明通过Cr、Ti、B、Sr元素可以抑制再结晶和晶粒长大，并在其后再加入稀土元素，可以进一步细化晶粒、提高合金力学性能，严格控制铝合金的均匀化和挤压工艺，从而使得本发明铝合金的强度、耐磨性和抗拉强度得到大幅提高。
具体实施方式
以下结合具体实施例对发明作进一步详细的描述。
实施例1
本实施例的耐磨铝合金材料成分按重量百分比计含有：Si 6.50％、Mg 2.50％、Sr0.21％、Nb 0.34％、Cr 0.08％、Ti 0.11％、B 0.02%、Sr 0.22%、稀土元素0.05%，余量为铝和不可避免的其他杂质。
所述稀土元素的化学成分的质量百分比为：La 22%、Ce 31%、Y 5%，其余为Sc。
本发明还提供了上述耐磨铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将铝锭投入到熔炼炉中，然后将炉腔抽真空至1×10-4Pa，然后向炉腔内通入惰性气体，使炉内气压达到400Pa，升温至630℃至铝锭彻底熔化；
（2）温度在650℃时用除渣器将铝溶液上的渣和杂质去除，清理铝溶液中的表面氧化物和夹杂物；
（3）然后加入Si、Mg进行沉淀、脱氧、扒渣，再溶液中加入精炼剂，保温50min，然后加入Sr、Ni、Cr、Ti、B、Sr搅拌20min，使熔体内各成分均匀混合；
（4）调整熔融铝合金液温度在720℃，加入除杂剂，进行5min均匀搅动，直至渣与合金液分离，搅拌后进行10分钟的静置，然后进行扒渣；
（5）将上述扒渣后的合金液中加入稀土元素，将炉温控制在730℃，时间保持在25min，全程吹氩气搅拌；
（6）后将合金注入铸模，进行连续铸造法，浇铸速度为2.6m/h，得到合金铸锭；
（7）在真空条件下，将铝合金铸锭升温至350℃下保温1h，继续加热至550℃，保温30min，然后油冷至250℃，再空冷至室温；
（8）对铝合金铸锭进行首次时效处理，随后保温，再进行第二次时效处理；
（9）最后对铝合金进行探伤处理、机械性能的测定分析，最终制备得到合格产品。
所述步骤（1）中惰性气体为氮气或氩气。
所述步骤（3）中的精炼剂为Na2SiF6、KCl、Na3AlF6和C2Cl6。
所述步骤（5）中氩气流量为14L/min，氩气压力为0.4Mpa。
所述步骤（8）所述首次时效处理的温度为160℃，保温时间为8个小时。
所述步骤（8）第二次时效处理工艺为温度为130℃，随后保温时间为15小时。
实施例2
本实施例的耐磨铝合金材料成分按重量百分比计含有：Si 10.50％、Mg 4.50％、Sr0.25％、Nb0.38％、Cr 0.12％、Ti 0.15％、B 0.05%、Sr 0.26%、稀土元素0.09%，余量为铝和不可避免的其他杂质。
所述稀土元素的化学成分的质量百分比为：La 28%、Ce 35%、Y 10%，其余为Sc。
本发明还提供了上述耐磨铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将铝锭投入到熔炼炉中，然后将炉腔抽真空至1×10-4Pa，然后向炉腔内通入惰性气体，使炉内气压达到50Pa，升温至640℃至铝锭彻底熔化；
（2）温度在670℃时用除渣器将铝溶液上的渣和杂质去除，清理铝溶液中的表面氧化物和夹杂物；
（3）然后加入Si、Mg进行沉淀、脱氧、扒渣，再溶液中加入精炼剂，保温100min，然后加入Sr、Ni、Cr、Ti、B、Sr搅拌30min，使熔体内各成分均匀混合；
（4）调整熔融铝合金液温度在740℃，加入除杂剂，进行10min均匀搅动，直至渣与合金液分离，搅拌后进行20分钟的静置，然后进行扒渣；
（5）将上述扒渣后的合金液中加入稀土元素，将炉温控制在750℃，时间保持在30min，全程吹氩气搅拌；
（6）后将合金注入铸模，进行连续铸造法，浇铸速度为3.1m/h，得到合金铸锭；
（7）在真空条件下，将铝合金铸锭升温至360℃下保温2h，继续加热至560℃，保温60min，然后油冷至260℃，再空冷至室温；
（8）对铝合金铸锭进行首次时效处理，随后保温，再进行第二次时效处理；
（9）最后对铝合金进行探伤处理、机械性能的测定分析，最终制备得到合格产品。
所述步骤（1）中惰性气体为氮气或氩气。
所述步骤（3）中的精炼剂为Na2SiF6、KCl、Na3AlF6和C2Cl6。
所述步骤（5）中氩气流量为16L/min，氩气压力为0.6Mpa。
所述步骤（8）所述首次时效处理的温度为170℃，保温时间为12个小时。
所述步骤（8）第二次时效处理工艺为温度为150℃，随后保温时间为20小时。
实施例3
本实施例的耐磨铝合金材料成分按重量百分比计含有：Si 8.50％、Mg 3.50％、Sr0.23％、Nb0.36％、Cr 0.10％、Ti 0.13％、B 0.04%、Sr 0.24%、稀土元素0.07%，余量为铝和不可避免的其他杂质。
所述稀土元素的化学成分的质量百分比为：La 25%、Ce 33%、Y 7%，其余为Sc。
本发明还提供了上述耐磨铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将铝锭投入到熔炼炉中，然后将炉腔抽真空至1×10-4Pa，然后向炉腔内通入惰性气体，使炉内气压达到45Pa，升温至635℃至铝锭彻底熔化；
（2）温度在660℃时用除渣器将铝溶液上的渣和杂质去除，清理铝溶液中的表面氧化物和夹杂物；
（3）然后加入Si、Mg进行沉淀、脱氧、扒渣，再溶液中加入精炼剂，保温75min，然后加入Sr、Ni、Cr、Ti、B、Sr搅拌25min，使熔体内各成分均匀混合；
（4）调整熔融铝合金液温度在730℃，加入除杂剂，进行7min均匀搅动，直至渣与合金液分离，搅拌后进行15分钟的静置，然后进行扒渣；
（5）将上述扒渣后的合金液中加入稀土元素，将炉温控制在740℃，时间保持在27min，全程吹氩气搅拌；
（6）后将合金注入铸模，进行连续铸造法，浇铸速度为2.9m/h，得到合金铸锭；
（7）在真空条件下，将铝合金铸锭升温至355℃下保温1-2h，继续加热至550-560℃，保温45min，然后油冷至255℃，再空冷至室温；
（8）对铝合金铸锭进行首次时效处理，随后保温，再进行第二次时效处理；
（9）最后对铝合金进行探伤处理、机械性能的测定分析，最终制备得到合格产品。
所述步骤（1）中惰性气体为氮气或氩气。
所述步骤（3）中的精炼剂为Na2SiF6、KCl、Na3AlF6和C2Cl6。
所述步骤（5）中氩气流量为15L/min，氩气压力为0.5Mpa。
所述步骤（8）所述首次时效处理的温度为165℃，保温时间为10个小时。
所述步骤（8）第二次时效处理工艺为温度为140℃，随后保温时间为17小时。
实施例4
本实施例的耐磨铝合金材料成分按重量百分比计含有：Si 7.50％、Mg 3.00％、Sr0.22％、Sn 0.45%、Nb0.35％、Cr 0.09％、Ti 0.12％、B 0.03%、Sr 0.23%、稀土元素0.06%，余量为铝和不可避免的其他杂质。
所述稀土元素的化学成分的质量百分比为：La 23%、Ce 32%、Y 6%，其余为Sc。
本发明还提供上述耐磨铝合金材料的制备工艺，包括以下步骤：
（1）将铝锭投入到熔炼炉中，然后将炉腔抽真空至1×10-4Pa，然后向炉腔内通入惰性气体，使炉内气压达到43Pa，升温至633℃至铝锭彻底熔化；
（2）温度在655℃时用除渣器将铝溶液上的渣和杂质去除，清理铝溶液中的表面氧化物和夹杂物；
（3）然后加入Si、Mg进行沉淀、脱氧、扒渣，再溶液中加入精炼剂，保温55min，然后加入Sr、Ni、Cr、Ti、B、Sr搅拌23min，使熔体内各成分均匀混合；
（4）调整熔融铝合金液温度在725℃，加入除杂剂，进行6min均匀搅动，直至渣与合金液分离，搅拌后进行13分钟的静置，然后进行扒渣；
（5）将上述扒渣后的合金液中加入稀土元素，将炉温控制在735℃，时间保持在26min，全程吹氩气搅拌；
（6）后将合金注入铸模，进行连续铸造法，浇铸速度为2.7m/h，得到合金铸锭；
（7）在真空条件下，将铝合金铸锭升温至355℃下保温1.3h，继续加热至550℃，保温40min，然后油冷至250℃，再空冷至室温；
（8）对铝合金铸锭进行首次时效处理，随后保温，再进行第二次时效处理；
（9）最后对铝合金进行探伤处理、机械性能的测定分析，最终制备得到合格产品。
所述步骤（1）中惰性气体为氮气或氩气。
所述步骤（3）中的精炼剂为Na2SiF6、KCl、Na3AlF6和C2Cl6。
所述步骤（5）中氩气流量为14L/min，氩气压力为0.4Mpa。
所述步骤（8）所述首次时效处理的温度为163℃，保温时间为9个小时。
所述步骤（8）第二次时效处理工艺为温度为135℃，随后保温时间为16小时。
实施例5
本实施例的耐磨铝合金材料成分按重量百分比计含有：Si 9.50％、Mg 4.00％、Sr0.24％、Sn 0.55%、Nb0.37％、Cr 0.11％、Ti 0.14％、B 0.04%、Sr 0.25%、稀土元素0.08%，余量为铝和不可避免的其他杂质。
所述稀土元素的化学成分的质量百分比为：La 27%、Ce 34%、Y 9%，其余为Sc。
本发明还提供上述耐磨铝合金材料的制备工艺，包括以下步骤：
（1）将铝锭投入到熔炼炉中，然后将炉腔抽真空至1×10-4Pa，然后向炉腔内通入惰性气体，使炉内气压达到48Pa，升温至638℃至铝锭彻底熔化；
（2）温度在650-670℃时用除渣器将铝溶液上的渣和杂质去除，清理铝溶液中的表面氧化物和夹杂物；
（3）然后加入Si、Mg进行沉淀、脱氧、扒渣，再溶液中加入精炼剂，保温95min，然后加入Sr、Ni、Cr、Ti、B、Sr搅拌28min，使熔体内各成分均匀混合；
（4）调整熔融铝合金液温度在735℃，加入除杂剂，进行9min均匀搅动，直至渣与合金液分离，搅拌后进行18分钟的静置，然后进行扒渣；
（5）将上述扒渣后的合金液中加入稀土元素，将炉温控制在745℃，时间保持在29min，全程吹氩气搅拌；
（6）后将合金注入铸模，进行连续铸造法，浇铸速度为3.0m/h，得到合金铸锭；
（7）在真空条件下，将铝合金铸锭升温至360℃下保温1.8h，继续加热至560℃，保温50min，然后油冷至260℃，再空冷至室温；
（8）对铝合金铸锭进行首次时效处理，随后保温，再进行第二次时效处理；
（9）最后对铝合金进行探伤处理、机械性能的测定分析，最终制备得到合格产品。
所述步骤（1）中惰性气体为氮气或氩气。
所述步骤（3）中的精炼剂为Na2SiF6、KCl、Na3AlF6和C2Cl6。
所述步骤（5）中氩气流量为15L/min，氩气压力为0.6Mpa。
所述步骤（8）所述首次时效处理的温度为170℃，保温时间为10个小时。
所述步骤（8）第二次时效处理工艺为温度为145℃，随后保温时间为18小时。
对比例1
采用中国发明专利申请200810231204.0的方法制备的耐磨高强铝合金材料。
对比例2
采用中国发明专利申请200610165341.X的方法制备的高强耐磨铝合金。
试验例
将实施例1-5及对比例1、对比例2制得的铝合金进行试验，相关性能测试结果如下表1所示：
表1
测试项目 布氏硬度/HBS 磨损量/mg 抗拉强度/MPa
实施例1 153 5.3 346
实施例2 154 4.9 351
实施例3 157 4.4 355
实施例4 155 4.6 352
实施例5 154 4.8 349
对比例1 130 7.8 325
对比例2 108 10.2 228
由表1可知，本发明制得的铝合金材料的硬度、耐磨性及抗拉强度均优于对比例，并且实施例3的制得的铝合金材料的硬度、耐磨性及抗拉强度最好。
综上所述，本发明的创造性主要体现在以下几点：
（1）本发明通过设计特定的合金成分组成，解决了铝合金材料的耐磨性和强度不足问题，使铝合金材料同时具有高强度、高耐磨和优异的抗拉强度。
（2）本发明通过严格控制铸造工艺和热处理工艺，使得铝合金晶粒度能够达到一级晶粒，从而使得本发明铝合金具有高强度、高耐磨和优异的抗拉强度。
（3）本发明通过Cr、Ti、B、Sr元素可以抑制再结晶和晶粒长大，并在其后再加入稀土元素，可以进一步细化晶粒、提高合金力学性能，严格控制铝合金的均匀化和挤压工艺，从而使得本发明铝合金的强度、耐磨性和抗拉强度得到大幅提高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种耐磨铝合金材料，其特征在于，所述耐磨铝合金材料的成分按重量百分比计含有：Si 6.50-10.50％、Mg 2.50-4.50％、Sr 0.21-0.25％、Sn 0.40-0.60%、Nb 0.34-0.38％、Cr 0.08-0.12％、Ti 0.11-0.15％、B 0.02-0.05%、Ta 0.22-0.26%、稀土元素0.05-0.09%，余量为铝和不可避免的其他杂质。
2.根据权利要求1所述的耐磨铝合金材料，其特征在于，所述耐磨铝合金材料的成分按重量百分比计含有：Si 7.50-9.50％、Mg 3.00-4.00％、Sr 0.22-0.24％、Sn 0.45-0.55%、Nb 0.35-0.37％、Cr 0.09-0.11％、Ti 0.12-0.14％、B 0.03-0.05%、Ta 0.23-0.25%、稀土元素0.06-0.08%，余量为铝和不可避免的其他杂质。
3.根据权利要求2所述的耐磨铝合金材料，其特征在于，所述耐磨铝合金材料的成分按重量百分比计含有：Si 8.50％、Mg 3.50％、Sr 0.23％、Sn 0.50%、Nb 0.36％、Cr 0.10％、Ti 0.13％、B 0.04%、Ba 0.24%、稀土元素0.07%，余量为铝和不可避免的其他杂质。
4.根据权利要求1所述的耐磨铝合金材料，其特征在于，所述稀土元素的化学成分的质量百分比为：La 22-28%、Ce 31-35%、Y 5-10%，其余为Sc。
5.根据权利要求1-4任一项所述的耐磨铝合金材料的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将铝锭投入到熔炼炉中，然后将炉腔抽真空至1×10-4Pa，然后向炉腔内通入惰性气体，使炉内气压达到40-50Pa，升温至630-640℃至铝锭彻底熔化；
（2）温度在650-670℃时用除渣器将铝溶液上的渣和杂质去除，清理铝溶液中的表面氧化物和夹杂物；
（3）然后加入Si、Mg进行沉淀、脱氧、扒渣，再溶液中加入精炼剂，保温50-100min，然后加入Sr、Ni、Cr、Ti、B、Sr搅拌20-30min，使熔体内各成分均匀混合；
（4）调整熔融铝合金液温度在720-740℃，加入除杂剂，进行5-10min均匀搅动，直至渣与合金液分离，搅拌后进行10-20分钟的静置，然后进行扒渣；
（5）将上述扒渣后的合金液中加入稀土元素，将炉温控制在730-750℃，时间保持在25-30min，全程吹氩气搅拌；
（6）后将合金注入铸模，进行连续铸造法，浇铸速度为2.6-3.1m/h，得到合金铸锭；
（7）在真空条件下，将铝合金铸锭升温至350-360℃下保温1-2h，继续加热至550-560℃，保温30-60min，然后油冷至250-260℃，再空冷至室温；
（8）对铝合金铸锭进行首次时效处理，随后保温，再进行第二次时效处理；
（9）最后对铝合金进行探伤处理、机械性能的测定分析，最终制备得到合格产品。
6.根据权利要求5所述的耐磨铝合金材料的制备工艺，其特征在于，所述步骤（1）中惰性气体为氮气或氩气。
7.根据权利要求5所述的耐磨铝合金材料的制备工艺，其特征在于，所述步骤（3）中的精炼剂为Na2SiF6、KCl、Na3AlF6和C2Cl6。
8.根据权利要求5所述的耐磨铝合金材料的制备工艺，其特征在于，所述步骤（5）中氩气流量为14-16L/min，氩气压力为0.4-0.6Mpa。
9.根据权利要求5所述的耐磨铝合金材料的制备工艺，其特征在于，所述步骤（8）所述首次时效处理的温度为160-170℃，保温时间为8-12个小时。
10.根据权利要求5所述的耐磨铝合金材料的制备工艺，其特征在于，所述步骤（8）第二次时效处理工艺为温度为130-150℃，随后保温时间为15-20小时。
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