CN108893662A - 一种高耐磨再生铝合金及其制备方法和应用 - Google Patents

一种高耐磨再生铝合金及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高耐磨再生铝合金及其制备方法和应用，涉及铝合金技术领域。一种高耐磨再生铝合金，主要包括：Si7.0～12.0％，Fe1.2～5.0％，Mn0.5～1.5％，Mg0.1～0.4％，B0.03～0.06％，RE0.05～0.30％，Sr0.01～0.06％，杂质元素0～0.15％，余量的Al。上述高耐磨再生铝合金的制备方法包括：将废旧铝材熔化，按上述成分要求调整铝液成分，随后按配比加入Al‑B、Al‑Sr以及Al‑RE等中间合金，经精炼、静置后浇注成锭或者中间包。本发明通过复合变质技术，制备含高体积分数富铁相的再生铝，大幅提高合金的耐磨性，具有工艺简单，成本低等优点。

Description

一种高耐磨再生铝合金及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及铝合金技术领域，且特别涉及一种高耐磨再生铝合金及其制备方法和应用。
背景技术
铁是再生铝中最为常见、最为有害的杂质元素，并随着再生铝的生命循环次数的增加，其Fe含量逐渐增加。由于Fe元素在铝固体中的最大溶解度为0.05wt.％，其余的Fe将以脆且硬的富铁相形式存在。粗大狭长的针片状富铁相在受力时割裂铝基体，是构件失效的重要裂纹源，并沿着富铁相的长度方向扩展，极大损害铝合金的塑性。此外，粗大、针状的富铁相的存在阻碍了共晶金属液的流动，成为气孔、缩松形成的重要原因，进一步恶化构件的性能。
然而，并不是所有的Fe在铝合金中都是有害的。由于富铁相具有高硬度和良好的热稳定性等特点，富铁相的存在能大幅提高铝合金的耐磨和耐热性能。同时，较高的Fe含量有利于改善铝合金铸件的粘模性，提高模具寿命。因此，如何将有害富铁相转变成有益富铁相，对于提升再生铝附加值和拓展其应用十分关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高耐磨再生铝合金，富铁相体积分数达20％以上，具有高耐磨性。
本发明的另一目的在于提供一种上述高耐磨再生铝合金的制备方法，工艺简单、成本低廉，适合工业化生产。
本发明的又一目的在于提供上述高耐磨再生铝合金在制备汽车零件领域的应用。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提出一种高耐磨再生铝合金，按质量百分比计，包括：Si 7.0～12.0％，Fe1.2～5.0％，Mn 0.5～1.5％，Mg 0.1～0.4％，B 0.01～0.06％，RE 0.05～0.30％，Sr0.01～0.06％，Cu 0～0.5％，Zn 0～0.05％，Cr 0～0.05％，杂质元素0～0.15％，余量的Al。
本发明提出上述高耐磨再生铝合金的制备方法，包括：
将工业废旧铝材熔化，按Si、Fe、Mn、Mg及杂质元素的含量要求调整铝熔体成分，随后按配比加入Al-B、Al-Sr以及Al-RE等中间合金，经精炼、静置、扒渣处理后浇注成锭或者引入生产中间包。
本发明的有益效果包括：
(1)本发明采用工业废旧铝料为原料，还采用了合金元素Mn、B、轻质RE元素等常规添加元素，不含稀贵元素，来源广、成本低。
(2)本发明采用复合变质技术，即通过加入Mn、B、RE等合金元素，改善富铁相的形态。其中Mn元素可置换富铁相中的Fe，改变了富铁相晶体结构和优势生长取向，从而消除针状富铁相；B和轻质稀土元素既能降低富铁相的形成温度，减少初生富铁相的生长时间和生长空间，同时作为一种表面活性元素，在富铁相形成初期吸附在富铁相表面，抑制富铁相的长大、细化富铁相尺寸以及减少吸气。
(3)本发明工艺简单，成本低等优点，适合于工业化生产和应用于汽车活塞等高耐磨铝合金铸件，具有良好的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例1的铝合金扫描电镜图谱。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的一种高耐磨再生铝合金及其制备方法和应用进行具体说明。
本发明实施例提供了一种高耐磨再生铝合金，按质量百分比计，包括：Si 7.0～12.0％，Fe 1.2～5.0％，Mn 0.5～1.5％，Mg 0.1～0.4％，B 0.01～0.06％，RE 0.05～0.30％，Sr0.01～0.06％，Cu 0～0.5％，Zn 0～0.05％，Cr 0～0.05％，杂质元素0～0.15％，余量的Al。
进一步地，在本发明较优的实施例中，按质量百分比计，Fe为1.5～5.0％，Mn为0.65～1.5％，Mg为0.25～0.35％。需要说明的是，RE为La、Ce中的一种或者两种。
本发明采用复合变质技术，即通过加入Mn、B、RE等合金元素，改善富铁相的形态。其中Mn元素与Fe元素的原子尺寸相近，易与Fe形成置换固溶体，在含铁的Al-Si合金中加入Mn元素，可置换富铁相中的Fe，改变了富铁相晶体结构和优势生长取向，从而消除针状富铁相。
B和轻质稀土元素既能降低富铁相的形成温度，减少初生富铁相的生长时间和生长空间，同时作为一种表面活性元素，在富铁相形成初期吸附在富铁相表面，抑制富铁相的长大、细化富铁相尺寸以及减少吸气。
本发明实施例提供了上述高耐磨再生铝合金的制备方法，包括：将工业废旧铝材熔化，按Si、Fe、Mn、Mg及杂质元素的含量要求调整铝熔体成分，随后按配比加入Al-B、Al-Sr以及Al-RE等中间合金，经精炼、静置、扒渣处理后浇注成锭或者引入生产中间包。
具体的，将经过清洗、分选和预热处理的铝废料投入铝合金熔炉中加热至780～850℃，待再生铝合金完全熔化后，搅拌铝熔体，用取样勺从铝熔体中部取样，化验合金成分。
对比合金与目标合金中Si、Fe、Mn、Mg4种主要合金元素的含量及杂质元素，重新配料后投入铝熔体中熔化，搅拌后重新测试成分，直到上述4种元素和杂质元素达标为止，随后降温至710～740℃。
将配比好的Al-B、Al-Sr和Al-RE中间合金用铝箔包好加入铝熔体中，用钛制工具将其压入铝熔体的内部，熔化后搅拌熔体，RE为La、Ce中的一种或者两种。
对熔体进行在线精炼，除气除杂后静置10～30分钟后浇注成锭或者引入生产中间包，得到高耐磨再生铝合金或铸件。
通过复合变质技术，将再生铝中的高含量Fe元素存在形态由针状转化成汉字状，制备富铁相体积分数达到20％以上的再生铝，大幅提高合金的耐磨性。该制备方法工艺简单，成本低等优点，适合于工业化生产和应用于汽车活塞等高耐磨铝合金铸件，具有良好的应用前景。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种高耐磨再生铝合金，主要通过以下步骤制备而成：
按重量百分比配置合金成分，包括：Si 7.0％，Fe 2.5％，Mn 0.7％，Mg 0.30％，B0.04％，RE 0.15％，Sr0.01％，余量的Al。
将经过清洗、分选和预热处理的铝废料投入铝合金熔炉中，加热至800℃。
待再生铝合金完全熔化后，搅拌熔体，用取样勺从熔体中部取样，化验合金成分。
对比合金与目标合金中Si、Fe、Mn、Mg等4种主要合金元素的含量及杂质元素，重新配料后投入熔体中熔化，搅拌后重新测试成分，直到上述4种元素和杂质元素达标为止，随后降温至720℃。
将配比好的Al-B、Al-Sr和Al-La中间合金用铝箔包好加入铝熔体中，用钛制工具将其压入熔体内部，熔化后搅拌熔体。
对铝熔体进行在线精炼，除气除杂后静置15分钟后浇注成锭或者引入生产中间包，得到高耐磨再生铝合金或铸件。
实施例2
本实施例提供了一种高耐磨再生铝合金，主要通过以下步骤制备而成：
按重量百分比配置合金成分，包括：Si 9.0％，Fe 1.5％，Mn 0.65％，Mg 0.35％，B0.01％，RE 0.05％，Sr 0.04％，余量的Al。
将经过清洗、分选和预热处理的铝废料投入铝合金熔炉中，加热至780℃。
待再生铝合金完全熔化后，搅拌熔体，用取样勺从熔体中部取样，化验合金成分。
对比合金与目标合金中Si、Fe、Mn、Mg等4种主要合金元素的含量及杂质元素，重新配料后投入熔体中熔化，搅拌后重新测试成分，直到上述4种元素和杂质元素达标为止，随后降温至710℃。
将配比好的Al-B、Al-Sr和Al-Ce中间合金用铝箔包好加入铝熔体中，用钛制工具将其压入熔体内部，熔化后搅拌熔体。
对铝熔体进行在线精炼，除气除杂后静置20分钟后浇注成锭或者引入生产中间包，得到高耐磨再生铝合金或铸件。
实施例3
本实施例提供了一种高耐磨再生铝合金，主要通过以下步骤制备而成：
按重量百分比配置合金成分，包括：Si 11.0％，Fe 3.0％，Mn 0.1.1％，Mg0.30％，B 0.05％，RE 0.30％，Sr 0.05％，余量的Al。
将经过清洗、分选和预热处理的铝废料投入铝合金熔炉中，加热至830℃。
待再生铝合金完全熔化后，搅拌熔体，用取样勺从熔体中部取样，化验合金成分。
对比合金与目标合金中Si、Fe、Mn、Mg等4种主要合金元素的含量及杂质元素，重新配料后投入熔体中熔化，搅拌后重新测试成分，直到上述4种元素和杂质元素达标为止，随后降温至730℃。
将配比好的Al-B、Al-Sr、Al-La、Al-Ce中间合金用铝箔包好加入铝熔体中，用钛制工具将其压入熔体内部，熔化后搅拌熔体。
对铝熔体进行在线精炼，除气除杂后静置10分钟后浇注成锭或者引入生产中间包，得到高耐磨再生铝合金或铸件。
实施例4
本实施例提供了一种高耐磨再生铝合金，主要通过以下步骤制备而成：
按重量百分比配置合金成分，包括：Si 12.0％，Fe 5.0％，Mn1.5％，Mg 0.25％，B0.06％，RE 0.25％，Sr 0.06％，余量的Al。
将经过清洗、分选和预热处理的铝废料投入铝合金熔炉中，加热至850℃。
待再生铝合金完全熔化后，搅拌熔体，用取样勺从熔体中部取样，化验合金成分。
对比合金与目标合金中Si、Fe、Mn、Mg等4种主要合金元素的含量及杂质元素，重新配料后投入熔体中熔化，搅拌后重新测试成分，直到上述4种元素和杂质元素达标为止，随后降温至740℃。
将配比好的Al-B、Al-Sr和Al-Ce中间合金用铝箔包好加入铝熔体中，用钛制工具将其压入熔体内部，熔化后搅拌熔体。
对铝熔体进行在线精炼，除气除杂后静置30分钟后浇注成锭或者引入生产中间包，得到高耐磨再生铝合金或铸件。
试验例
选取A356铝合金和实施例1～4制得的铝合金，观察富铁相形态，测试各铝合金的耐磨性能和显微硬度。结果如下表：
表1 A356.0和实施例合金的性能对比
实施例 富铁相体积分数/％ 显微硬度/HV 磨损量/Mg
A356 0.08 70 20.0
1 23.7 94 4.0
2 15.6 86 5.1
3 27.3 108 3.5
4 31.2 119 2.4
由表1可知，实施例1～4提供的富铁相的体积分数均增加，实施例4的富铁相体积分数达到30％以上，同时实施例1～4的铝合金的硬度和磨损量均增强。实施例4的铝合金的显微硬度达到110HV以上，磨损量低于3Mg。
图1为实施例1的铝合金的扫描电镜图谱，图中亮白色为富铁相。由图可知，富铁相的形状为汉字状，且富铁相的体积分数较高。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种高耐磨再生铝合金，其特征在于，按质量百分比计，包括：Si7.0～12.0％，Fe1.2～5.0％，Mn 0.5～1.5％，Mg 0.1～0.4％，B0.01～0.06％，RE 0.05～0.30％，Sr0.01～0.06％，Cu 0～0.5％，Zn 0～0.05％，Cr 0～0.05％，杂质元素0～0.15％，余量的Al。
2.根据权利要求1所述的高耐磨再生铝合金，其特征在于，按质量百分比计，所述Fe为1.5～5.0％，所述Mn为0.65～1.5％，所述Mg为0.25～0.35％。
3.根据权利要求1所述的高耐磨再生铝合金，其特征在于，所述RE为La、Ce中的一种或者两种。
4.一种如权利要求1至3任一项所述的高耐磨再生铝合金的制备方法，其特征在于，包括：
将工业废旧铝材熔化，按所述Si、所述Fe、所述Mn、所述Mg及所述杂质元素的含量要求调整铝熔体成分，随后按配比加入Al-B、Al-Sr以及Al-RE中间合金，经精炼、静置、扒渣处理后浇注成锭或者引入生产中间包。
5.根据权利要求4所述的高耐磨再生铝合金的制备方法，其特征在于，所述铝熔体的制备方法包括：
将经过清洗、分选和预热处理的铝废料投入熔炼炉中加热熔化，从熔体中取样品化验合金成分，对比化验结果与目标合金成分的差异，所述目标合金成分包括所述Si、所述Fe、所述Mn、所述Mg的含量及所述杂质元素；
按所述目标合金成分配料后，加入所述熔体中熔化，重新测试成分，直至所述Si、所述Fe、所述Mn、所述Mg的含量及所述杂质元素达标为止。
6.根据权利要求5所述的高耐磨再生铝合金的制备方法，其特征在于，所述铝废料在780～850℃的条件下加热熔化。
7.根据权利要求5所述的高耐磨再生铝合金的制备方法，其特征在于，所述熔体的元素含量达标后，将其降温至710～740℃。
8.根据权利要求4所述的高耐磨再生铝合金的制备方法，其特征在于，将配比好的所述Al-B、所述Al-Sr和所述Al-RE中间合金用铝箔包好加入所述铝熔体中，用钛制工具将所述Al-B、所述Al-Sr和所述Al-RE中间合金压入所述铝熔体的内部，熔化后搅拌所述熔体。
9.根据权利要求8所述的高耐磨再生铝合金的制备方法，其特征在于，所述熔体经过除气、除杂后保温静置10～30分钟，再浇注成锭或者引入生产中间包。
10.如权利要求1至3任一项所述的高耐磨再生铝合金在制备汽车零件领域的应用。
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