CN110578075A - 一种高性能均质铝铋难混溶合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高性能均质铝铋难混溶合金及其制备方法，其制备方法为：在惰性气氛保护下，将金属Al、锡纸包裹的B粉和金属Cu感应加热至完全熔化后，加入金属Bi，然后控制加热温度高于铝铋难混溶合金的组元互溶温度30～50℃，保温3～10min后，淬火或随炉冷却，获得高性能均质的铝铋难混溶合金。本发明所述制备方法可以解决现有难混溶合金的成分偏析、制备工艺复杂等问题，本发明所制备高性能均质铝铋难混溶合金其合金组织是由Al基体、富Bi相液滴、原位生成的长棒状AlB2固相和原位生成的网状Al2Cu相构成，具备组织均匀、自润滑耐磨性能优异等优点。

Description

一种高性能均质铝铋难混溶合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料制备技术领域，具体为一种高性能均质铝铋难混溶合金及其制备方法。
背景技术
铝铋难混溶合金因其质量轻、比强度高、导热性好，且具有良好的耐腐蚀和减摩耐磨性能，在轴瓦材料领域应用前景广阔。铝铋难混溶合金在摩擦过程中产生的摩擦热会使合金中低熔点软质的铋相熔融、析出并铺展在材料表面，用来避免轴与轴瓦表面微凸体的直接接触，降低了接触微凸体处的剪切强度，减缓了轴瓦摩擦副的摩擦磨损。
含铋铝基轴瓦材料的研究已成为了轴瓦材料研究领域的重点课题之一。然而，铝铋合金是一种典型的难混溶合金，由于两液相间较大的比重差，常规的铸造条件下，极易发生液相分离，形成宏观偏析乃至分层的凝固组织，限制了该类合金的应用。合金中的Bi相在液相分离过程中形核，然后在溶质扩散下长大、发生Ostwald粗化；达到一定程度后，在表面张力梯度和组元间密度差作用下，发生Marangoni迁移和Stokes沉降，最终沉降在试样底部。如何抑制铝铋难混溶合金的液相分离，是发挥合金减摩耐磨性能的关键，也是难混溶合金领域亟待解决的问题之一。
发明内容
本发明的技术任务是针对以上现有技术的不足，提供一种高性能均质铝铋难混溶合金及其制备方法，添加B、Cu两组元到铝铋难混溶合金中，原位生成的固相不仅抑制了铝铋难混溶合金的液相分离，还提高了铝铋难溶合金的自润滑耐磨性能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高性能均质铝铋难混溶合金的制备方法，包括如下步骤：以金属Al、金属Bi、B粉和金属Cu为原料，在惰性气氛保护下，将金属Al、B粉和金属Cu感应加热至完全熔化后，加入金属Bi，然后控制加热温度高于铝铋难混溶合金的组元互溶温度30～50℃，保温3～10min后，淬火或随炉冷却，获得高性能均质的铝铋难混溶合金。
优选地，所述金属Bi的加入量为金属Al和金属Bi总质量的3.4％～20％。
优选地，所述B粉的加入量为金属Al和金属Bi总质量的0.5％～10％。
优选地，所述金属Cu的加入量为金属Al和金属Bi总质量的1％～10％。
优选地，所述B粉采用铝箔包裹后与金属Cu、金属Al加热熔炼。
进一步地，所述惰性气氛由惰性气体提供，如氩气等。
本发明另一方面提供一种基于上述方法制备的高性能均质铝铋难混溶合金，合金组织为富Bi相液滴均匀分布在铝基体上。
进一步地，所述高性能均质铝铋难混溶合金其合金组织由Al基体、富Bi相液滴、原位生成的长棒状AlB2固相和原位生成的网状Al2Cu相构成。
本发明所述高性能铝铋难混溶合金是在铝铋难溶合金中添加B、Cu两组元，利用原位生成的固相均质化合金的凝固组织，且提高难混溶合金的自润滑耐磨性能。本发明通过选取不同质量配比的铝铋难混溶合金，加入适当量的B、Cu两组元；在合金凝固过程中，Al和B原位反应生成了长棒状的AlB2固相，作为形核质点促进了Bi相形核，抑制了铝铋难混溶合金的液相分离，均质化了合金的凝固组织；Al和Cu原位反应生成了网状的Al2Cu固相均匀分布在基体上，增强了基体强度，提高了合金的自润滑耐磨性能。
本发明所述一种高性能均质铝铋难混溶合金的制备方法，与现有技术相比，有益效果为：
(1)本发明所述铝铋难混溶合金的制备方法通过添加B、Cu两组元，制备均质的铝铋难混溶合金，获得富Bi相液滴均匀分散在Al基体中的合金组织；
(2)本发明方法中原位生成的固相，不仅抑制了难混溶合金的液相分离，还提高了合金的强度，进而提高了铝铋难混溶合金的自润滑耐磨性能，较传统轴瓦材料相比具有更高的自润滑耐磨性能；
(3)本发明提供的均质铝铋难混溶合金的制备方法可以解决现有难混溶合金的成分偏析、制备工艺复杂等问题，本发明所制备的均质铝铋难混溶合金具备组织均匀、自润滑耐磨性能优异等优点，其可作为轴承材料应用。
附图说明
图1为铝铋难混溶合金相图；
图2为对比例1制备铝铋难混溶合金的微观组织；
图3为本发明实施例1制备的高性能均质的铝铋难混溶合金的微观凝固组织；
图4为本发明实施例5制备的高性能均质的铝铋难混溶合金的微观凝固组织。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得，实施例中各组元合金的互溶温度可从图1中的相图中获得。
对比例
一种高性能均质铝铋难混溶合金的制备方法，具体为：
按含Al-20wt％Bi难混溶合金的化学成分组成，称量金属Al和金属Bi；
将金属Al和金属Bi，在氩气的保护下，先将Al装入坩埚，用感应炉感应加热至完全熔化，再加入金属Bi，升温至1203K，保温5min后，随炉冷却，制得铝铋难混溶合金。
本实施例制备出铝铋难混溶合金，如图2所示，图中黑色为Al基体，白色的为富Bi相液滴。图片为铝铋合金试样的底部，由图片可知，大量富Bi相液滴发生偏析，聚集在试样的底部。
本实施例制备方法制备出Al-20wt％Bi难混溶合金。其维氏硬度为27.27Hv，耐磨性测试在载荷为100N，加载速度为32mm/s下其摩擦系数为0.3495。
实施例1
一种高性能均质铝铋难混溶合金的制备方法，具体为：
1.按含Al-20wt％Bi难混溶合金的化学成分组成，称量金属Al、金属Bi的质量，金属Al和金属Bi总质量中，金属Bi质量百分比占比20％，金属Al质量百分比占比80％；
2.称取B粉和金属Cu，其中B粉质量为金属Al和金属Bi总质量的1％，金属Cu质量为金属Al和金属Bi总质量的2％；
3.将称量金属Al、金属Bi、B粉和金属Cu，在氩气的保护下，先将金属Al、Cu和用铝箔包裹的B粉装入坩埚，用感应炉感应加热至完全熔化，再加入金属Bi，控制加热温度为1203K，保温5min后，淬火，制得高性能均质的铝铋难混溶合金。
本实施例制备方法制备出的高性能均质的铝铋难混溶合金，如图3所示，图中黑色为Al基体，白色的为富Bi相液滴，与对比例1相比，其富Bi相液滴分布均匀，尺寸更小，这说明了原位生成固相有效地均匀化了铝铋难混溶合金的凝固组织。
本实施例制备方法制备的高性能均质的铝铋难混溶合金。其维氏硬度为42.20Hv，耐磨性测试在载荷为100N，加载速度为32mm/s下其摩擦系数为0.2834。根据其性能测试结果，说明了原位生成固相提高了铝铋难混溶合金的自润滑耐磨性能。
实施例2
一种高性能均质铝铋难混溶合金的制备方法，具体为：
1.按含Al-3.4wt％Bi难混溶合金的化学成分组成，称量金属Al、金属Bi的质量，金属Al和金属Bi总质量中，金属Bi质量百分比占比3.4％，金属Al质量百分比占比96.6％；
2.称取B粉和金属Cu，其中B粉质量为金属Al和金属Bi总质量的0.5％，金属Cu质量为金属Al和金属Bi总质量的1％；
3.将称量金属Al、金属Bi、B粉和金属Cu，在氩气的保护下，先将Al、Cu和用铝箔包裹的B粉装入坩埚，用感应炉感应加热至完全熔化，再加入金属Bi，控制加热温度为980K，保温7min后，淬火，制得高性能均质的铝铋难混溶合金。
实施例3
一种高性能均质铝铋难混溶合金的制备方法，具体为：
1.按含Al-10wt％Bi难混溶合金的化学成分组成，称量金属Al、金属Bi的质量，金属Al和金属Bi总质量中，金属Bi质量百分比占比10％，金属Al质量百分比占比90％；
2.称取B粉和金属Cu，其中B粉质量为金属Al和金属Bi总质量的5％，金属Cu质量为金属Al和金属Bi总质量的5％；
3.将称量金属Al、金属Bi、B粉和金属Cu，在氩气的保护下，先将Al、Cu和用铝箔包裹的B粉装入坩埚，用感应炉感应加热至完全熔化，再加入金属Bi，控制加热温度为1103K，保温10min后，淬火，制得高性能均质的铝铋难混溶合金。
本实施例制备方法制备的高性能均质的铝铋难混溶合金。其维氏硬度为54.35Hv，耐磨性测试在载荷为100N，加载速度为32mm/s下其摩擦系数为0.3027。根据其性能测试结果，说明了原位生成固相提高了铝铋难混溶合金的自润滑耐磨性能。
实施例4
一种高性能均质铝铋难混溶合金的制备方法，具体为：
1.按含Al-15wt％Bi难混溶合金的化学成分组成，称量金属Al、金属Bi的质量，金属Al和金属Bi总质量中，金属Bi质量百分比占比15％，金属Al质量百分比占比85％；
2.称取B粉和金属Cu，其中B粉质量为金属Al和金属Bi总质量的10％，金属Cu质量为金属Al和金属Bi总质量的5％；
3.将称量金属Al、金属Bi、B粉和金属Cu，在氩气的保护下，先将Al、Cu和用铝箔包裹的B粉装入坩埚，用感应炉感应加热至完全熔化，再加入金属Bi，控制加热温度为1173K，保温6min后，随炉冷却，制得高性能均质的铝铋难混溶合金。
实施例5
一种高性能均质铝铋难混溶合金的制备方法，具体为：
1.按含Al-20wt％Bi难混溶合金的化学成分组成，称量金属Al、金属Bi的质量，金属Al和金属Bi总质量中，金属Bi质量百分比占比20％，金属Al质量百分比占比80％；
2.称取B粉和金属Cu，其中B粉质量为金属Al和金属Bi总质量的1％，金属Cu质量为金属Al和金属Bi总质量的1％；
3.将称量金属Al、金属Bi、B粉和金属Cu，在氩气的保护下，先将Al、Cu和用铝箔包裹的B粉装入坩埚，用感应炉感应加热至完全熔化，再加入金属Bi，控制加热温度为1203K，保温5min后，淬火，制得高性能均质的铝铋难混溶合金。
本实施例制备方法制备出的高性能均质的铝铋难混溶合金，如图4所示，图中黑色为Al基体，白色的为富Bi相液滴，由图4可看到长棒状结构的固相是AlB2，AlB2作为异质形核质点，促进Bi相形核，提高Bi相的形核率，获得具有高性能均质的铝铋难混溶合金；灰色网状相为Al2Cu共晶组织，其均匀分布在基体上，提高了合金的强度，进而提高了合金的自润滑耐磨性能。
本实施例制备方法制备的高性能均质的铝铋难混溶合金。其维氏硬度为44.24Hv，耐磨性测试在载荷为100N，加载速度为32mm/s下其摩擦系数为0.2752。根据其性能测试结果，说明了原位生成固相提高了铝铋难混溶合金的自润滑耐磨性能。
实施例6
一种高性能均质铝铋难混溶合金的制备方法，具体为：
1.按含Al-12wt％Bi难混溶合金的化学成分组成，称量金属Al、金属Bi的质量，金属Al和金属Bi总质量中，金属Bi质量百分比占比12％，金属Al质量百分比占比88％；
2.称取B粉和金属Cu，其中B粉质量为金属Al和金属Bi总质量的3％，金属Cu质量为金属Al和金属Bi总质量的7％；
3.将称量金属Al、金属Bi、B粉和金属Cu，在氩气的保护下，先将Al、Cu和用铝箔包裹的B粉装入坩埚，用感应炉感应加热至完全熔化，再加入金属Bi，控制加热温度为1123K，保温5min后，随炉冷却，制得高性能均质的铝铋难混溶合金。
本实施例制备方法制备的高性能均质的铝铋难混溶合金。其维氏硬度为60.230Hv，耐磨性测试在载荷为100N，加载速度为32mm/s下其摩擦系数为0.2917。根据其性能测试结果，说明了原位生成固相提高了铝铋难混溶合金的自润滑耐磨性能。
以上技术方案阐述了本发明的技术思路，不能以此限定本发明的保护范围，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上技术方案所作的任何改动及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种高性能均质铝铋难混溶合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：以金属Al、金属Bi、B粉和金属Cu为原料，在惰性气氛保护下，将金属Al、B粉和金属Cu感应加热至完全熔化后，加入金属Bi，然后控制加热温度高于铝铋难混溶合金的组元互溶温度30～50℃，保温3～10min后，淬火或随炉冷却，获得高性能均质的铝铋难混溶合金。
2.根据权利要求1所述的一种高性能均质铝铋难混溶合金的制备方法，其特征在于，所述金属Bi的加入量为金属Al和金属Bi总质量的3.4％～20％。
3.根据权利要求1所述的一种高性能均质铝铋难混溶合金的制备方法，其特征在于，所述B粉的加入量为金属Al和金属Bi总质量的0.5％～10％。
4.根据权利要求1所述的一种高性能均质铝铋难混溶合金的制备方法，其特征在于，所述金属Cu的加入量为金属Al和金属Bi总质量的1％～10％。
5.根据权利要求1所述的一种高性能均质铝铋难混溶合金的制备方法，其特征在于，所述B粉采用铝箔包裹后与金属Cu、金属Al加热熔炼。
6.一种基于权利要求1～5任意一项制备方法制备的高性能均质铝铋难混溶合金，其特征在于，所述合金组织为富Bi相液滴均匀分布在铝基体上。
7.根据权利要求6所述的一种高性能均质铝铋难混溶合金，其特征在于，所述高性能均质铝铋难混溶合金其合金组织由Al基体、富Bi相液滴、原位生成的长棒状AlB2固相和原位生成的网状Al2Cu相构成。
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