CN109022951A - 一种耐磨多元铝硅基合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于铝合金技术领域，具体涉及一种耐磨多元铝硅基合金及其制备方法。本发明提供的耐磨多元铝硅基合金，包括如下质量含量的组分：Si 18～22％、Sr 0.3～0.6％、Zr 0.001～0.018％和余量的Al。本发明将Sr和Zr配合使用，能够细化铝合金的晶粒，提高铝合金的硬度。实施例结果表明，上述耐磨多元铝硅基合金的硬度≥77.4HV。

Description

一种耐磨多元铝硅基合金及其制备方法

技术领域

本发明属于铝合金技术领域，具体涉及一种耐磨多元铝硅基合金及其制备方法。

背景技术

铝是一种资源丰富的金属，在地壳中含量排名第三位。铝的化学性质活泼，在自然界中Al极易被氧化，然后形成化合物存于矿石中，需要通过工艺提取得到纯铝。1854年，法国化学家德维尔利用钠还原氯化铝，成功制得纯金属铝，该提取工艺成本较高，铝的价格十分昂贵，仅仅掌握在少数高层次的富豪权贵们的手中作为奢侈品使用。直到1886年，美国的豪尔与法国的海朗特对纯铝的提取进行大量研究，最终发现电解熔融的铝矾土和冰晶石的混合物可以得到纯金属铝，从此，纯铝的生产进入大规模的工业生产阶段，铝的应用也得到了快速发展，并逐渐成为仅次于钢铁的金属材料。

纯铝质软，难以加工应用，需要将其制备成合金，如Al-Si系合金就是铝合金中应用较为广泛的一种。常规铝硅合金的硅含量为10％，同时含有少量的铜、铁、镍，该合金的硬度为73～75HV，硬度较低，限制了铝合金的应用范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐磨多元铝硅基合金及其制备方法，本发明提供的耐磨多元铝硅基合金具有较高的硬度。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供了一种耐磨多元铝硅基合金，包括如下质量含量的组分：Si18～22％、Sr 0.3～0.6％、Zr 0.001～0.018％和余量的Al。

优选的，所述Si的质量含量为20～22％。

优选的，所述Sr的质量含量为0.4～0.5％。

优选的，所述Zr的质量含量为0.02～0.08％或0.012～0.016％。

本发明还提供了上述技术方案所述耐磨多元铝硅基合金的制备方法，包括如下步骤：

将硅源和铝源的混合物熔融后，得到熔料；

向所述熔料中依次添加锆源和锶源，进行精炼，得到精炼液；

将所述精炼液进行浇铸，冷却后得到耐磨多元铝硅基合金。

优选的，添加锆源时，所述熔料的温度为740～760℃。

优选的，添加锶源时，含有锆源的熔料的温度为720～740℃。

优选的，所述浇铸的温度为720～740℃。

优选的，精炼用助剂包括精炼剂、覆盖剂和涂覆剂；

所述精炼剂包括锌和/或锌基合金精炼剂；

所述覆盖剂包括NaCl和KCl；

所述涂覆剂包括ZnO、Na₂SO₄和水。

优选的，所述精炼剂的用量为熔料总质量的0.8～1.2％；

所述覆盖剂的用量为熔料总质量的0.8～1.2％。

本发明提供了一种耐磨多元铝硅基合金，包括如下质量含量的组分：Si18～22％、Sr 0.3～0.6％、Zr 0.001～0.018％和余量的Al。本发明将Sr和Zr配合使用，能够细化铝合金的晶粒，进而提高铝合金的硬度及耐磨性。实施例结果表明，上述耐磨多元铝硅基合金的硬度≥77.4HV，可应用于航空航天，汽车零件制造及各种五金零件等领域。

附图说明

图1为实施例1所得耐磨多元铝硅基合金的金相组织图；

图2为实施例2所得耐磨多元铝硅基合金的金相组织图；

图3为实施例3所得耐磨多元铝硅基合金的金相组织图；

图4为对比例1～3所得铝合金的金相组织图；

图5为实施例1所得耐磨多元铝硅基合金放大2000倍的扫描电镜图；

图6为实施例1所得耐磨多元铝硅基合金电镜图中点1的能谱图及其成分报告图；

图7为实施例1所得耐磨多元铝硅基合金电镜图中面扫描成分分布图；

图8为实施例1～3和对比例1～3所得铝合金的热稳定分析图；

图9为实施例1～3和对比例1～3所得铝合金硬度变化曲线图；

图10为实施例1～3和对比例1～3所得铝合金磨擦系数与时间关系图；

图11为实施例1～3和对比例1～3所得铝合金磨损量变化曲线图；

图12为实施例1～3和对比例1～3所得铝合金平均磨擦系数变化曲线图；

图13为实施例1～3和对比例1～3所得铝合金磨损表面形貌图。

具体实施方式

本发明提供了一种耐磨多元铝硅基合金，包括如下质量含量的组分：Si18～22％、Sr 0.3～0.6％、Zr 0.001～0.018％和余量的Al。

除特殊说明外，本发明所述各组分的含量为质量百分含量。

在本发明中，所述耐磨多元铝硅基合金包括Si 18～22％，优选为20～22％，更优选为20％；所述耐磨多元铝硅基合金包括Sr 0.3～0.6％，优选为0.4～0.5％，更优选为0.4％；所述耐磨多元铝硅基合金包括Zr0.001～0.018％，优选为0.01～0.018％，更优选为0.02～0.08％或0.012～0.016％。所述耐磨多元铝硅基合金还包括Al，本发明所述Al的含量能使耐磨多元铝硅基合金各组分含量之和为100％。

本发明将Si、Sr和Zr配合使用，能够细化铝合金的晶粒组织，进而提高铝合金的力学性能。本发明所述耐磨多元铝硅基合金的硬度≥77.4HV，最高可达到80.4HV，还具有较高的强度性能和优异的耐酸、碱腐蚀。

本发明提供了上述技术方案所述耐磨多元铝硅基合金的制备方法，包括如下步骤：

将硅源和铝源的混合物熔融后，得到熔料；

向所述熔料中依次添加锆源和锶源，进行精炼，得到精炼液；

将所述精炼液进行浇铸，冷却后得到耐磨多元铝硅基合金。

本发明将硅源和铝源的混合物熔融后，得到熔料。在本发明中，所述硅源优选为Al-Si中间合金。本发明对所述Al-Si中间合金的组成没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的即可。在本发明实施例中，所述Al-Si中间合金优选为Al-20Si中间合金，更优选为块状Al-20Si中间合金，所述块状Al-20Si中间合金的质量优选为280～320g/块，更优选为300g/块。

本发明对所述熔融的温度没有特殊要求，能使所述硅源和铝源充分熔融即可。

得到熔料后，本发明向所述熔料中依次添加锆源和锶源，进行精炼，得到精炼液。在本发明中，所述锆源优选为铝锆合金，更优选为Al-10Zr中间合金；所述锆源的粒径优选为1～4mm，更优选为1～2mm。添加锆源时，所述熔料的温度优选为740～760℃，更优选为745～758℃，再优选为748～755℃。添加锆源前，本发明优选对所述锆源进行预热，所述预热的温度优选为200～400℃，更优选为280～350℃；所述预热优选在隔绝氧气的条件下进行，以避免锆源被氧化。在本发明中，所述隔绝氧气的条件优选通过锡纸包裹锆源后预热的方式提供。

在本发明中，所述锶源优选为铝锶合金，更优选为Al-10Sr；所述锶源的粒径优选为1～4mm，更优选为1～2mm。添加锶源前，本发明优选对添加锆源的熔料进行保温，以使锆源充分熔融。所述保温的温度优选为720～740℃，更优选为725～735℃，再优选为728～733℃；所述保温的时间不做具体限定，能使锆源熔融即可。在本发明中，所述保温温度优选通过降温达到。本发明对所述熔料的降温速率没有特殊要求。添加锶源前，本发明优选对所述锶源进行预热，所述预热的温度优选为200～400℃，更优选为300～350℃；所述预热优选在隔绝氧气的条件下进行，以避免锶源被氧化。在本发明中，所述隔绝氧气的条件优选通过锡纸包裹锶源后预热的方式实现。

本发明优选对所述硅源、锆源和锶源进行清洗处理，以去除硅源、锆源和锶源表面可能含有的酒精、油脂和/或粉尘杂质；所述清洗的方式优选为超声清洗，所述超声清洗用清洗剂优选包括酒精和去离子水。本发明对所述酒精和去离子水的用量比没有特殊要求，优选等质量混合。

本发明所述精炼的过程中，优选添加精炼助剂；所述精炼助剂优选包括精炼剂、覆盖剂和涂覆剂；所述精炼剂优选包括锌及锌基合金。本发明所述精炼剂优选为东阳市金伊达铸造冶金材料有限公司的市售产品。所述精炼剂的用量优选为熔料总质量的0.8～1.2％，更优选为1％。所述覆盖剂优选包括NaCl和KCl，所述NaCl和KCl的质量比优选为(40～45)：(55～60)，更优选为(43～45)：(55～57)。所述覆盖剂的用量优选为熔料总质量的0.8～1.2％，更优选为1％。在本发明中，所述涂覆剂优选包括ZnO与Na₂SO₄和水；所述ZnO与Na₂SO₄的质量比优选为(2.5～3.5):1，更优选为3:1。本发明对所述水的用量没有特殊要求，以能得到适于涂覆的料液为准。

在上述助剂中，所述精炼剂能够有效的凝聚非金属夹杂物并使其从合金熔液中取出，还能避免合金熔液氧化，有效分离渣层。所述覆盖剂具有优异的助熔作用，能够提高熔料的流动性，增加Zr、Sr、Si和Al之间的接触面积，改善Zr和Sr的细化晶粒的效果。所述涂覆剂用于涂覆精炼和浇铸过程所用工具的表面，以避免熔料在精炼或浇铸过程中粘连在工具上，造成熔料损失，影响耐磨多元铝硅基合金组分的精准性。在本发明中，所述精炼和浇铸过程中使用的工具包括扒渣勺、夹钳、搅拌杆和直筒型浇铸模具。

在本发明中，所述涂覆剂的使用方法优选为：将涂覆剂涂覆在预热后的工具的表面，室温下风干，然后再将风干后的工具进行烘干。

本发明对所述涂覆剂的涂覆方式和涂覆量没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的即可。在本发明中，所述风干的时间优选为12～18min，更优选为14～16min；所述烘干的方式包括顺次进行的低温烘干和高温烘干，所述低温烘干的温度优选为145～155℃，更优选为148～152℃，最优选为150℃；所述低温烘干的时间优选为8～12min，更优选为9～11min，最优选为10min；所述高温烘干的温度优选为240～260℃，更优选为245～255℃，最优选为250℃；所述高温烘干的时间优选为8～12min，更优选为9～11min，最优选为10min。本发明对所述涂覆有涂覆剂的工具进行上述烘干，利用低温烘干去除涂覆剂中的水分，利用高温烘干使涂覆剂牢固粘附在工具的表面，防止涂覆剂脱落。

在本发明中，所述精炼的温度优选与添加锶源时，熔料的温度选择范围一致；所述精炼的时间优选为10～30min，更优选为15～25min。在本发明中，所述精炼优选在坩埚炉中进行。

在本发明中，所述精炼的具体方式优选包括：将铝源和硅源置于坩埚炉中，加热使其熔融，开炉扒渣后在熔料表面覆盖一层覆盖剂；将熔料的温度升温至锆源添加所需温度，将锆源添加至熔料中，进行第一阶段保温；然后将熔料降温至锶源添加所需温度，加入锶源，进行第二阶段保温；再向保温后所得熔料中添加精炼剂，进行第三阶段保温后扒渣，再进行第四阶段保温，得到精炼液。

在发明中，所述第一阶段保温的时间优选为18～24min，更优选为19～22min，最优选为20min；

所述第二阶段保温的时间优选为18～24min，更优选为19～22min，最优选为20min；

所述第三阶段保温的时间优选为8～14min，更优选为9～12min，最优选为10min；

所述第四阶段保温的时间优选为18～24min，更优选为19～22min，最优选为20min。

本发明对所述扒渣的方式没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的方式即可。

得到精炼液后，本发明将所述精炼液进行浇铸，冷却后得到耐磨多元铝硅基合金。在本发明中，所述浇铸的温度优选为720～740℃，更优选为725～736℃，再优选为728～732℃。本发明对所述浇铸的具体实施方式没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的即可。

浇铸后，本发明将浇铸后所得浇铸坯进行冷却，得到铝硅合金。在本发明中，所述冷却的方式优选包括自然降温。

在以上实施方式中，除特殊说明外，其余组分均为本领域技术人员熟知的市售产品。

为了进一步说明本发明，下面结合附图和实施例对本发明提供的一种耐磨多元铝硅基合金及其制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

利用切割机将Al-20Si合金板切成300g左右的块状，待用；利用超声波清洗仪将块状Al-Si合金、Al-10Zr中间合金和Al-10Sr中间合金各清洗30min，用吹风筒吹干,利用微型车床将Al-10Zr中间合金和Al-10Sr中间合金车出粒径为1～4mm的碎屑，按照表1所示用量称量各组分，并分别用锡纸包好。将Al-Si合金块、用锡纸独立包裹的Al-10Zr中间合金、Al-10Sr中间合金、精炼剂和覆盖剂预热至250℃，待用。

精炼采用石墨坩埚和SG2-75-10型电阻炉，使用前按照如下方式进行烘炉：室温～200℃保温4h→200～400℃保温2h→400～600℃保温1h→600～800℃保温1h。烘炉结束后，炉温降至100℃以下，用500V兆欧表测量各相与炉壳之间的电阻，电阻低于0.5兆欧为正常，可以使用。在坩埚炉烘炉之后将坩埚放进去坩埚炉300℃预热30min；将ZnO与Na₂SO₄按照质量比为3:1混合制备涂覆剂，添加适量的水至粘稠状并搅拌均匀后，在铸铁扒渣勺、夹钳、搅拌杆和直筒型浇注模具表面涂上均匀的涂覆剂，风干15min后，升温至150℃烘干10min，然后升温至250℃，烘干10min，待用。

将预热的块状铝硅合金放入预热好的坩埚中，加热至750℃待其融化,铝硅合金融化后，开炉扒渣，用夹钳在熔体表面并加上一层覆盖剂，升温至760℃后，用夹钳将Al-10Zr中间合金压入熔体液面下，保温20min；再降温至740℃，用夹钳将Al-10Sr中间合金压入至熔体液面下，保温20min，降温至720℃并用夹钳向熔体压入精炼剂，进行精炼并不断搅拌，保温10min后扒渣，再保温20min后，接着向预热好的直筒型浇注模具进行浇铸，得到Φ25mm×120mm的棒状浇铸坯。待浇铸坯冷却后，得到耐磨多元铝硅基合金。

实施例2～4

按照实施例1的方式制备耐磨多元铝硅基合金，不同之处在于组分用量不同，具体列于表1中。

对比例1～3

按照实施例1的方式制备耐磨多元铝硅基合金，不同之处在于组分用量不同，具体列于表1中。

表1实施例1～4和对比例1～3耐磨多元铝硅基合金组分(质量含量％)

性能表征及结果

将实施例1～4和对比例1～3所得耐磨多元铝硅基合金切割成Φ25mm×10mm的短柱状试样，再切割成7mm×12mm×30mm长方体试样，利用超声波清洗仪在无水乙醇中清洗后吹干，作为测试样品。

利用扫描电子显微镜对所得试样的金相组织结构进行观察，结果如图1～4所示。图1～3分别对应实施例1～3耐磨多元铝硅基合金的金相组织图，图1中小块状初晶硅的数量则明显增加，其细化效果良好；图2中小块状的初晶硅数量增加，且分布均匀，共晶硅的尺寸较小；表明细化效果更优；图3中小块状的初生硅连接形成的珊瑚状初生硅较多，并且珊瑚状初生硅较均匀的分布在整个试样，表明随着Zr添加的增加，共晶硅逐渐得到细化。但是初晶硅又反而相对增大，从而逐渐降低细化效果。图4中自左至右依次对应对比例1～3耐磨多元铝硅基合金的金相组织图。由图4(左)可知，原先板条状的初晶硅变成珊瑚状或者鱼骨状，大块状的初晶硅变成八卦状，并有少量的小块状初晶硅纯在，但整个试样表面仍是大块的初晶硅为主，其变质效果虽然较明显，但仍是以大块为主，细化效果较差；图4(中)为添加大量的Zr的耐磨多元铝硅基合金金相组织，金相组织较为混乱，大小不一的初晶硅无规则的分布，并且长板状的初晶硅开始增加；图4(右)中大块状的初晶硅则变得更加的多，其分布愈发的不均匀，表明耐磨多元铝硅基合金的力学性能受到影响。

图5为实施例1放大2000倍的扫描电镜图，由图可知点1打在初生硅相上，结果显示初生硅相上有大量的Al和Si元素以及少量的Zr和Sr元素。点2和点4打在共晶硅上，其主要是硅和铝元素，但在点2上有大量Zr元素聚集。点4打在铝基体上。

利用扫描电子显微镜日立TM4000(Plus)测试实施例1所得耐磨多元铝硅基合金中点1的点扫图，测试结果如图6所示，由图可知点1处的硅含量达77wt.％左右，铝含量达17wt.％左右，锶含量为4.15wt.％左右，锆含量为1.6wt.％左右，说明锶在合金中分布在硅相附近，而Zr则较为平均的分布在合金中对初晶硅具有吸附毒化的作用，降低初晶硅尺寸的作用。

图7是实施例1所得测试样品整个面的扫描图，由图可知，Sr在合金中分布在硅相附近，而Zr则较为平均的分布在合金中。实施例2～4的测试结果与实施例1相近，Sr分布在硅相附近，Zr均匀分布在合金中。

利用差热分析法，对实施例1～4和对比例1～3所得测试样品的热稳定性进行分析，结果如图8和表2所示。

表2实施例1～4和对比例1～3所得测试样品热稳定性测试结果

由表2和图8的测试结果可知，实施例1～3和对比例1～3在610℃都存在着最高峰，该峰反应合金整体发生熔化，在650℃到750℃之间存在着一个较小的的峰，该峰有着较为缓平的弧度，该峰反应初生硅熔化。

利用(维氏显微硬度剂测试)测试实施例1～3和对比例1～3所得样品的硬度，测试结果如图9和表3所示。由图9可知，添加Zr后，铝合金的硬度先增大后减小，在Zr含量达到0.05wt.％时，硬度最高，达到80.4HV。

利用MM-2000型摩擦磨损试验机测试实施例1～3和对比例1～3所得样品的耐磨损性能，测试结果如图10～13和表3所示。图10是实施例1～3和对比例1～3所得样品磨擦系数和时间关系图，图中，各条曲线整体上的前120s为跑和阶段，其摩擦系数波动很大，120s后，各曲线基本处于稳定，特别是实施例1(对应2号曲线)试样的摩擦系数变化曲线，基本上没有波动，较为平稳，且前120s波动也小，可以看出其摩擦性能是较好的。

图11是实施例1～4和对比例1～3所得测试样品在测试条件下的磨损量变化曲线图；图12是实施例1～4和对比例1～3所得测试样品的平均磨擦系数变化图；图13是实施例1～4和对比例1～3所得测试样品的磨损表面形貌图；由图可知，Zr的添加量为0.001～0.25％时，测试样品的磨擦系数和磨损量不断变化，其中添加量为0.05％时，磨擦系数和磨损量较低，磨擦性能最好。

表3实施例1～4和对比例1～3所得测试样品硬度和耐磨损性能测试结果

由表3测试结果可知，本发明提供的铝硅合金具有优异的硬度性能，磨擦系数较低，具有良好的耐磨性能，因此，具有更为广泛的应用。

由以上实施例和对比例可知，Zr和Sr配合作用，能够细化铝合金的晶粒，改善合金的金相组织，提高铝合金的硬度性能，为扩大铝合金的应用领域提出有利条件。

本发明提供的耐磨多元铝硅基合金具有较好的耐中温性能，可以应用于350～500℃的中温环境；此外，本发明提供的耐磨多元铝硅基合金还具有优异的强度性能、耐酸碱腐蚀性能和断裂韧性，可用于制造航天飞行器、火箭发动机、核反应堆、石油化工设备以及煤的转化等能源转换装置。

本发明提供的耐磨多元铝硅基合金的制备方法简单易控，成本较低，适合大规模工业化推广生产。

尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims (10)

1.一种耐磨多元铝硅基合金，包括如下质量含量的组分：Si 18～22％、Sr0.3～0.6％、Zr 0.001～0.018％和余量的Al。

2.如权利要求1所述的耐磨多元铝硅基合金，其特征在于，所述Si的质量含量为20～22％。

3.如权利要求1或2所述的耐磨多元铝硅基合金，其特征在于，所述Sr的质量含量为0.4～0.5％。

4.如权利要求1或2所述的耐磨多元铝硅基合金，其特征在于，所述Zr的质量含量为0.02～0.08％或0.012～0.016％。

5.权利要求1～4任一项所述耐磨多元铝硅基合金的制备方法，包括如下步骤：

将硅源和铝源的混合物熔融后，得到熔料；

向所述熔料中依次添加锆源和锶源，进行精炼，得到精炼液；

将所述精炼液进行浇铸，冷却后得到耐磨多元铝硅基合金。

6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，添加锆源时，所述熔料的温度为740～760℃。

7.如权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，添加锶源时，含有锆源的熔料的温度为720～740℃。

8.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述浇铸的温度为720～740℃。

9.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，精炼用助剂包括精炼剂、覆盖剂和涂覆剂；

所述精炼剂包括锌和/或锌基合金精炼剂；

所述覆盖剂包括NaCl和KCl；

所述涂覆剂包括ZnO、Na₂SO₄和水。

10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述精炼剂的用量为熔料总质量的0.8～1.2％；

所述覆盖剂的用量为总熔料质量的0.8～1.2％。