CN110066930B - 利用稀土金属减轻铝合金材料磨损性能的方法 - Google Patents

利用稀土金属减轻铝合金材料磨损性能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用稀土金属减轻铝合金材料磨损性能的方法，涉及铝合金材料加工技术领域，包括以下操作步骤：(1)配料，(2)熔炼，(3)精炼，(4)铸锭，(5)均热，(6)淬火，(7)退火；本发明以Al作为主料，Mg、Ti、Mn、Co作为辅料，并通过复合稀土的添加来增强所制铝合金材料的耐磨损性能，从而使所制铝合金材料能够应用于对耐磨损性能要求高的领域。

Description

利用稀土金属减轻铝合金材料磨损性能的方法
技术领域：
本发明涉及铝合金材料加工技术领域，具体涉及一种利用稀土金属减轻铝合金材料磨损性能的方法。
背景技术：
铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已被大量应用。添加一定元素形成的铝合金在保持纯铝质轻等优点的同时还能具有较高的强度，这样使得强度胜过很多合金钢，成为理想的结构材料，广泛用于机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等方面，飞机的机身常以铝合金制造，减轻自重。
强度和韧性是铝合金材料的重要性能指标，提高铝合金材料的强度和韧性能够节约材料，降低成本，增加材料在使用过程中的可靠性和延长使用寿命。因此，理想的铝合金材料应该既有足够的强度，又有较好的韧性，但通常的铝合金材料无法兼具这两种使用性能。
相互接触的两个零件有相对运动或相对运动趋势时，就会在接触面产生摩擦力，从而产生相应的磨损。磨损性能的好坏决定了零件的寿命长短。因此，降低零件接触面间的摩擦力，提高材料的耐磨性，对延长零件的寿命具有重要意义。
在铝合金中添加何种元素，如金属元素或者是非金属元素，以及添加的比例的不同，可导致铝合金的耐磨损性能相差甚大。而对于耐磨损性能的提高，还需选择不同的元素进行组合。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题在于提供一种利用稀土金属减轻铝合金材料磨损性能的方法，该方法操作简单易行，并且通过微量稀土金属的添加显著增强了所制铝合金材料的耐磨性能。
本发明所要解决的技术问题采用以下的技术方案来实现：
利用稀土金属减轻铝合金材料磨损性能的方法，包括以下操作步骤：
(1)配料：按质量百分比称取各原料，Mg 1-10wt％、Ti 0.5-5wt％、Mn0.5-5wt％、Co 0.5-5wt％、复合稀土0.05-0.5wt％，余量为铝；
(2)熔炼：将铝投入熔炼炉中，升温至690-740℃保温熔炼，完全熔化后再加入Mg和Ti，继续升温至730-780℃保温熔炼0.5-2h，然后加入Mn、Co和复合稀土，继续于730-780℃保温熔炼0.5-2h，得到熔体；
(3)精炼：待熔体温度700℃时加入除渣除气剂，并于700℃静置15-30min，扒渣，并通入氩气精炼0.5-1h，压力1-1.2MPa；
(4)铸锭：将铸锭模具预热至350℃后浇铸熔体，铸锭温度690-740℃，铸锭采用喷水冷却方式，冷却水水温低于30℃，得到铝合金锭；
(5)均热：将铝合金锭进行均热处理，先在430-480℃下保温12-24h，再在500-550℃下保温8-12h；
(6)淬火：将铝合金锭放入循环冷却水中进行淬火，控制转移时间小于5s，淬火温度在380-430℃，冷却水水温低于30℃；
(7)退火：将铝合金锭放入电阻炉中进行低温退火，退火温度130-180℃，退火时间1-3h。
所述复合稀土由质量比1:1的Y和Ce组成。
所述复合稀土由质量比1:1的Sc和Y组成。
所述除渣除气剂的添加量为熔体重量的0.1wt％。
所述除渣除气剂为DSG铝合金除渣除气剂。
所述除渣除气剂由如下重量百分比的组分组成：氯化钾45％、硫酸钠35％、偏铝酸钾20％。
所述除渣除气剂由如下重量百分比的组分组成：氯化钾45％、硫酸钠35％、偏铝酸钾10％、氟硅酸钙10％。
所述除渣除气剂由如下重量百分比的组分组成：氯化钾45％、硫酸钠35％、偏铝酸钾10％、碳酸锂10％。
通过除渣除气剂的组分配方筛选，得到除渣除气效果更好的除渣除气剂。
偏铝酸钾、氟硅酸钙和碳酸锂不属于本领域常规除渣除气剂组分，其中偏铝酸钾能有效吸附、溶解氧化铝，氟硅酸钙能有效去除熔体表面的氧化膜，碳酸锂起到助熔作用。
本发明的有益效果是：
(1)本发明以Al作为主料，Mg、Ti、Mn、Co作为辅料，并通过复合稀土的添加来增强所制铝合金材料的耐磨损性能，从而使所制铝合金材料能够应用于对耐磨损性能要求高的领域。
(2)本发明通过复合稀土的不同组合，来进一步优化所制铝合金材料的耐磨损性能。
(3)本发明通过除渣除气剂的使用，在高效清渣的同时使精炼后铝合金熔体中的氢含量不超过0.08ml/100g Al；并且通过以自制除渣除气剂替代现有DSG铝合金除渣除气剂来优化除渣除气效果，使除渣除气剂在低添加量下就能发挥良好的除渣除气效果。
具体实施方式：
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例1
(1)配料：按质量百分比称取各原料，Mg 2.2wt％、Ti 1.0wt％、Mn 0.8wt％、Co0.5wt％、Y 0.05wt％、Ce 0.05wt％，余量为铝；
(2)熔炼：将铝投入熔炼炉中，升温至720℃保温熔炼，完全熔化后再加入Mg和Ti，继续升温至760℃保温熔炼1h，然后加入Mn、Co和复合稀土，继续于780℃保温熔炼1h，得到熔体；
(3)精炼：待熔体温度700℃时加入熔体0.1wt％的DSG铝合金除渣除气剂，并于700℃静置30min，扒渣，并通入氩气精炼1h，压力1.1MPa；
(4)铸锭：将铸锭模具预热至350℃后浇铸熔体，铸锭温度720℃，铸锭采用喷水冷却方式，冷却水水温23℃，得到铝合金锭；
(5)均热：将铝合金锭进行均热处理，先在450℃下保温16h，再在520℃下保温8h；
(6)淬火：将铝合金锭放入循环冷却水中进行淬火，控制转移时间小于5s，淬火温度在400℃，冷却水水温23℃；
(7)退火：将铝合金锭放入电阻炉中进行低温退火，退火温度160℃，退火时间2h。
实施例2
(1)配料：按质量百分比称取各原料，Mg 2.2wt％、Ti 1.0wt％、Mn 0.8wt％、Co0.5wt％、Sc 0.05wt％、Y 0.05wt％，余量为铝；
(2)熔炼：将铝投入熔炼炉中，升温至720℃保温熔炼，完全熔化后再加入Mg和Ti，继续升温至760℃保温熔炼1h，然后加入Mn、Co和复合稀土，继续于780℃保温熔炼1h，得到熔体；
(3)精炼：待熔体温度700℃时加入熔体0.1wt％的DSG铝合金除渣除气剂，并于700℃静置30min，扒渣，并通入氩气精炼1h，压力1.1MPa；
(4)铸锭：将铸锭模具预热至350℃后浇铸熔体，铸锭温度720℃，铸锭采用喷水冷却方式，冷却水水温23℃，得到铝合金锭；
(5)均热：将铝合金锭进行均热处理，先在450℃下保温16h，再在520℃下保温8h；
(6)淬火：将铝合金锭放入循环冷却水中进行淬火，控制转移时间小于5s，淬火温度在400℃，冷却水水温23℃；
(7)退火：将铝合金锭放入电阻炉中进行低温退火，退火温度160℃，退火时间2h。
实施例3
(1)配料：按质量百分比称取各原料，Mg 2.2wt％、Ti 1.0wt％、Mn 0.8wt％、Co0.5wt％、Sc 0.05wt％、Y 0.05wt％，余量为铝；
(2)熔炼：将铝投入熔炼炉中，升温至720℃保温熔炼，完全熔化后再加入Mg和Ti，继续升温至760℃保温熔炼1h，然后加入Mn、Co和复合稀土，继续于780℃保温熔炼1h，得到熔体；
(3)精炼：待熔体温度700℃时加入熔体0.1wt％的除渣除气剂，并于700℃静置30min，扒渣，并通入氩气精炼1h，压力1.1MPa；
(4)铸锭：将铸锭模具预热至350℃后浇铸熔体，铸锭温度720℃，铸锭采用喷水冷却方式，冷却水水温23℃，得到铝合金锭；
(5)均热：将铝合金锭进行均热处理，先在450℃下保温16h，再在520℃下保温8h；
(6)淬火：将铝合金锭放入循环冷却水中进行淬火，控制转移时间小于5s，淬火温度在400℃，冷却水水温23℃；
(7)退火：将铝合金锭放入电阻炉中进行低温退火，退火温度160℃，退火时间2h。
除渣除气剂由如下重量百分比的组分组成：氯化钾45％、硫酸钠35％、偏铝酸钾20％。
实施例4
(1)配料：按质量百分比称取各原料，Mg 2.2wt％、Ti 1.0wt％、Mn 0.8wt％、Co0.5wt％、Sc 0.05wt％、Y 0.05wt％，余量为铝；
(2)熔炼：将铝投入熔炼炉中，升温至720℃保温熔炼，完全熔化后再加入Mg和Ti，继续升温至760℃保温熔炼1h，然后加入Mn、Co和复合稀土，继续于780℃保温熔炼1h，得到熔体；
(3)精炼：待熔体温度700℃时加入熔体0.1wt％的除渣除气剂，并于700℃静置30min，扒渣，并通入氩气精炼1h，压力1.1MPa；
(4)铸锭：将铸锭模具预热至350℃后浇铸熔体，铸锭温度720℃，铸锭采用喷水冷却方式，冷却水水温23℃，得到铝合金锭；
(5)均热：将铝合金锭进行均热处理，先在450℃下保温16h，再在520℃下保温8h；
(6)淬火：将铝合金锭放入循环冷却水中进行淬火，控制转移时间小于5s，淬火温度在400℃，冷却水水温23℃；
(7)退火：将铝合金锭放入电阻炉中进行低温退火，退火温度160℃，退火时间2h。
除渣除气剂由如下重量百分比的组分组成：氯化钾45％、硫酸钠35％、偏铝酸钾10％、氟硅酸钙10％。
实施例5
(1)配料：按质量百分比称取各原料，Mg 2.2wt％、Ti 1.0wt％、Mn 0.8wt％、Co0.5wt％、Sc 0.05wt％、Y 0.05wt％，余量为铝；
(2)熔炼：将铝投入熔炼炉中，升温至720℃保温熔炼，完全熔化后再加入Mg和Ti，继续升温至760℃保温熔炼1h，然后加入Mn、Co和复合稀土，继续于780℃保温熔炼1h，得到熔体；
(3)精炼：待熔体温度700℃时加入熔体0.1wt％的除渣除气剂，并于700℃静置30min，扒渣，并通入氩气精炼1h，压力1.1MPa；
(4)铸锭：将铸锭模具预热至350℃后浇铸熔体，铸锭温度720℃，铸锭采用喷水冷却方式，冷却水水温23℃，得到铝合金锭；
(5)均热：将铝合金锭进行均热处理，先在450℃下保温16h，再在520℃下保温8h；
(6)淬火：将铝合金锭放入循环冷却水中进行淬火，控制转移时间小于5s，淬火温度在400℃，冷却水水温23℃；
(7)退火：将铝合金锭放入电阻炉中进行低温退火，退火温度160℃，退火时间2h。
除渣除气剂由如下重量百分比的组分组成：氯化钾45％、硫酸钠35％、偏铝酸钾10％、碳酸锂10％。
对照例1
以实施例1为对照，设置不添加Ce的对照例1。
(1)配料：按质量百分比称取各原料，Mg 2.2wt％、Ti 1.0wt％、Mn 0.8wt％、Co0.5wt％、Y 0.1wt％，余量为铝；
(2)熔炼：将铝投入熔炼炉中，升温至720℃保温熔炼，完全熔化后再加入Mg和Ti，继续升温至760℃保温熔炼1h，然后加入Mn、Co和复合稀土，继续于780℃保温熔炼1h，得到熔体；
(3)精炼：待熔体温度700℃时加入熔体0.1wt％的DSG铝合金除渣除气剂，并于700℃静置30min，扒渣，并通入氩气精炼1h，压力1.1MPa；
(4)铸锭：将铸锭模具预热至350℃后浇铸熔体，铸锭温度720℃，铸锭采用喷水冷却方式，冷却水水温23℃，得到铝合金锭；
(5)均热：将铝合金锭进行均热处理，先在450℃下保温16h，再在520℃下保温8h；
(6)淬火：将铝合金锭放入循环冷却水中进行淬火，控制转移时间小于5s，淬火温度在400℃，冷却水水温23℃；
(7)退火：将铝合金锭放入电阻炉中进行低温退火，退火温度160℃，退火时间2h。
对照例2
以实施例1为对照，设置不添加Y的对照例2。
(1)配料：按质量百分比称取各原料，Mg 2.2wt％、Ti 1.0wt％、Mn 0.8wt％、Co0.5wt％、Ce 0.1wt％，余量为铝；
(2)熔炼：将铝投入熔炼炉中，升温至720℃保温熔炼，完全熔化后再加入Mg和Ti，继续升温至760℃保温熔炼1h，然后加入Mn、Co和复合稀土，继续于780℃保温熔炼1h，得到熔体；
(3)精炼：待熔体温度700℃时加入熔体0.1wt％的DSG铝合金除渣除气剂，并于700℃静置30min，扒渣，并通入氩气精炼1h，压力1.1MPa；
(4)铸锭：将铸锭模具预热至350℃后浇铸熔体，铸锭温度720℃，铸锭采用喷水冷却方式，冷却水水温23℃，得到铝合金锭；
(5)均热：将铝合金锭进行均热处理，先在450℃下保温16h，再在520℃下保温8h；
(6)淬火：将铝合金锭放入循环冷却水中进行淬火，控制转移时间小于5s，淬火温度在400℃，冷却水水温23℃；
(7)退火：将铝合金锭放入电阻炉中进行低温退火，退火温度160℃，退火时间2h。
对照例3
以实施例1为对照，设置不添加稀土金属的对照例3。
(1)配料：按质量百分比称取各原料，Mg 2.2wt％、Ti 1.0wt％、Mn 0.8wt％、Co0.5wt％，余量为铝；
(2)熔炼：将铝投入熔炼炉中，升温至720℃保温熔炼，完全熔化后再加入Mg和Ti，继续升温至760℃保温熔炼1h，然后加入Mn、Co和复合稀土，继续于780℃保温熔炼1h，得到熔体；
(3)精炼：待熔体温度700℃时加入熔体0.1wt％的DSG铝合金除渣除气剂，并于700℃静置30min，扒渣，并通入氩气精炼1h，压力1.1MPa；
(4)铸锭：将铸锭模具预热至350℃后浇铸熔体，铸锭温度720℃，铸锭采用喷水冷却方式，冷却水水温23℃，得到铝合金锭；
(5)均热：将铝合金锭进行均热处理，先在450℃下保温16h，再在520℃下保温8h；
(6)淬火：将铝合金锭放入循环冷却水中进行淬火，控制转移时间小于5s，淬火温度在400℃，冷却水水温23℃；
(7)退火：将铝合金锭放入电阻炉中进行低温退火，退火温度160℃，退火时间2h。
对照例4
以实施例3为对照，设置不添加偏铝酸钾作为除渣除气剂组分的对照例4。
(1)配料：按质量百分比称取各原料，Mg 2.2wt％、Ti 1.0wt％、Mn 0.8wt％、Co0.5wt％、Sc 0.05wt％、Y 0.05wt％，余量为铝；
(2)熔炼：将铝投入熔炼炉中，升温至720℃保温熔炼，完全熔化后再加入Mg和Ti，继续升温至760℃保温熔炼1h，然后加入Mn、Co和复合稀土，继续于780℃保温熔炼1h，得到熔体；
(3)精炼：待熔体温度700℃时加入熔体0.1wt％的除渣除气剂，并于700℃静置30min，扒渣，并通入氩气精炼1h，压力1.1MPa；
(4)铸锭：将铸锭模具预热至350℃后浇铸熔体，铸锭温度720℃，铸锭采用喷水冷却方式，冷却水水温23℃，得到铝合金锭；
(5)均热：将铝合金锭进行均热处理，先在450℃下保温16h，再在520℃下保温8h；
(6)淬火：将铝合金锭放入循环冷却水中进行淬火，控制转移时间小于5s，淬火温度在400℃，冷却水水温23℃；
(7)退火：将铝合金锭放入电阻炉中进行低温退火，退火温度160℃，退火时间2h。
除渣除气剂由质量比45:35的氯化钾和硫酸钠组成。
分别利用实施例1-5、对照例1-4加工制备铝合金材料，采用WWM-A立式万能摩擦磨损试验机，止推圈式面面接触，上试件为材料HT250、230HV的止推圈，下试件为待测试的铝合金材料，载荷600N，速率800r/min，磨损长度15958m，试验条件为室温，环境介质为68EP冷冻油润滑状态，采用轮廓法来评定铝合金材料的磨损量；并对步骤(3)所得熔体进行减压凝固分析，选用ALSCAN铝水氢含量测定仪测试氢含量，结果如表1所示。
表1
组别 磨损量mm<sup>3</sup> 氢含量ml/100g Al
实施例1 8.45 0.063
实施例2 7.96 /
实施例3 / 0.055
实施例4 / 0.048
实施例5 / 0.041
对照例1 9.84 /
对照例2 10.58 /
对照例3 12.03 /
对照例4 / 0.082
由表1可知，本发明通过稀土元素Y、Ce、Sc的添加能够显著提高所制铝合金材料的耐磨损性能；并通过偏铝酸钾、氟硅酸钙和碳酸锂的添加使所制除渣除气剂能显著降低精炼所得熔体的氢含量。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.利用稀土金属减轻铝合金材料磨损性能的方法，其特征在于：包括以下操作步骤：
(1) 配料：按质量百分比称取各原料，Mg 1-10wt%、Ti 0.5-5wt%、Mn 0.5-5wt%、Co0.5-5wt%、复合稀土 0.05-0.5 wt%，余量为铝；
所述复合稀土由质量比1 : 1的Y和Ce组成或者由质量比1 : 1的Sc和Y组成；
(2) 熔炼：将铝投入熔炼炉中，升温至690-740℃保温熔炼，完全熔化后再加入Mg和Ti，继续升温至730-780℃保温熔炼0.5-2 h，然后加入Mn、Co和复合稀土，继续于730-780℃保温熔炼0.5-2 h，得到熔体；
(3) 精炼：待熔体温度700℃时加入除渣除气剂，并于700℃静置15-30 min，扒渣，并通入氩气精炼0.5-1 h，压力1-1.2 MPa；
所述除渣除气剂由如下重量百分比的组分组成：氯化钾 45%、硫酸钠 35%、偏铝酸钾20%；
(4) 铸锭：将铸锭模具预热至350℃后浇铸熔体，浇铸温度690-740℃，铸锭采用喷水冷却方式，冷却水水温低于30℃，得到铝合金锭；
(5) 均热：将铝合金锭进行均热处理，先在430-480℃下保温12-24 h，再在500-550℃下保温8-12 h；
(6) 淬火：将铝合金锭放入循环冷却水中进行淬火，控制转移时间小于5 s，淬火温度在380-430℃，冷却水水温低于30℃；
(7) 退火：将铝合金锭放入电阻炉中进行低温退火，退火温度130-180℃，退火时间1-3h。
2.根据权利要求1所述的利用稀土金属减轻铝合金材料磨损性能的方法，其特征在于：所述除渣除气剂的添加量为熔体重量的0.1wt%。
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