CN114686714A

CN114686714A - 一种废杂铝制备耐磨轴瓦合金的方法

Info

Publication number: CN114686714A
Application number: CN202210353344.5A
Authority: CN
Inventors: 易光斌; 刘毅; 张永; 袁来兴; 刘勇
Original assignee: Nanchang University
Current assignee: Nanchang University
Priority date: 2022-04-06
Filing date: 2022-04-06
Publication date: 2022-07-01

Abstract

本发明公开了一种废杂铝制备耐磨轴瓦合金的方法，包括：(1)将富铁的废杂铝合金称重、用感应电炉加热熔炼，熔炼温度控制在720℃‑750℃充分熔化，然后利用氩气进行除气；(2)待步骤(1)熔化的再生铝合金熔体降温到720℃，向其中加入Al‑20Mn、Al‑30RE进行精炼变质，保温20min后扒渣，过滤，其中RE为La、Ce、Er的混合稀土；加入Al‑30Si、Al‑50Cu中间合金进行成分调整，再吹入氮气搅拌至合金成分均匀，静置保温；(3)将步骤(2)中制得铝合金熔体浇注到模具中，冷却到室温得到合金铸锭。本发明可使再生铝合金中难以除去的Fe、Cu杂质转化为硬质相，同时稀土元素La、Ce、Er有效的细化合金组织，对共晶Si相进行变质，使得合金具有良好的耐磨性能。

Description

一种废杂铝制备耐磨轴瓦合金的方法

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种废杂铝制备耐磨轴瓦合金的方法。

背景技术

目前，巴氏合金(锡基和铅基合金)、铝基合金或铜基合金是制备轴瓦的主流材料。相比于巴氏合金和铜基合金，铝基合金因其成本低廉、无污染(不含铅)、密度小、来源广等优点得到广泛应用。相较于传统的Al-Sn、Al-Pb、Al-Zn合金材料，Al-Si系合金因具有良好的耐腐蚀性能、高疲劳性能、高耐磨性能、低成本和环保等特点，成为了新的研究方向。

为了提升铝合金轴瓦材料的综合性能，往往还需要添加其他合金化元素，如Si、Cu等，形成“双相结构”，即软质的Al基体组织中分布着硬脆相，使合金具有很好的顺应性、抗咬合性、低的热膨胀系数以及良好的工艺性能等。而回收的废杂铝中通常含有较高Si、Fe、Cu元素，难以根除。其中Fe元素容易和Al、Si等形成针状的的β-Fe相，危害合金性能；Cu元素容易和Al形成Al₂Cu相，但Cu元素过高容易增加合金脆性；Si元素在铝基体中大多以粗大条状的共晶Si相存在，降低合金的塑性。

发明内容

本发明旨在提供一种废杂铝制备耐磨轴瓦合金的方法，通过添加微量元素的方式，将废杂铝中的危害相如β-Fe相转变为硬质的α-Fe相，细化Si相形态。具体而言，本发明添加的La、Ce、Er可以和Al、Cu形成Al₃Y、Al₃Er、Al₃Ce、Al₁₃Ce₂Cu₁₃等硬质相，同时稀土作为一种长效变质剂，可以有效细化共晶Si相及铝基体，提升力学性能。而Mn元素的加入则可以和Al、Si、Fe形成块状α-Al₁₂(Fe，Mn)₃Si₂等硬质相，阻碍β-Fe相的形成，提高合金的耐磨性能。

本发明的目的是利用回收的废杂铝，尤其是含Fe量高的废杂铝，通过控制各元素含量和微量元素的加入，将废杂铝调整成耐磨铝硅铁轴瓦合金成分。该方法能够优化制备的铝合金组织，将合金中的硅相进行变质，细化组织。本发明添加的微量元素为La、Ce、Er、Cu、Mn。其中加入的稀土元素La、Ce、Er可以和铝形成Al₃Y、Al₃Er、Al₃Ce等强化相，而Cu、Mn则分别可以Al和Al、Si、Fe形成Al₂Cu相和块状α-Al₁₂(Fe，Mn)₃Si₂、α-Al₁₅(Fe，Mn)₃Si₂等硬质相，提高合金的耐磨性能。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

本发明所述的一种废杂铝制备耐磨轴瓦合金的方法，包括以下步骤：

(1)原材料熔炼：将富铁的废杂铝合金称重、用感应电炉加热熔炼，熔炼温度控制在720℃-750℃充分熔化，然后利用氩气进行除气；

(2)精炼及合金成分调整：待步骤(1)熔化的再生铝合金熔体降温到720℃，向其中加入Al-20Mn、Al-30RE进行精炼变质，保温20min后扒渣，过滤，其中RE为La、Ce、Er的混合稀土；之后根据成分按照质量百分比，加入Al-30Si、Al-50Cu中间合金进行成分调整，再吹入氮气搅拌至合金成分均匀，静置保温30min后得到成分调整的再生铝合金；

(3)铸造成型：将步骤(2)中制得铝合金熔体浇注到模具中，冷却到室温得到合金铸锭。

步骤(2)所述的合金成分调整，按制备的再生铝合金的质量百分数的组分计：Si：7.5～11wt.％，Fe：0.8～1.5wt.％，Cu：0.3～0.8wt.％，Mn：0.1～0.8wt.％，La：0.1～0.5wt.％，Ce：0.1～0.5wt.％，Er：0.1～0.5wt.％，余量为Al和其他不可避免的杂质，且Y、La和Er作为稀土元素，总量不超过1wt.％。

优选地，步骤(2)所述的合金成分调整，按制备的再生铝合金的质量百分数的组分为：Si：7.5～11wt.％，Fe：0.8～1.2wt.％，Cu：0.4～0.8wt.％，Mn：0.3～0.8wt.％，La：0.1～0.3wt.％，Ce：0.1～0.3wt.％，Er：0.1～0.3wt.％，余量为Al和其他不可避免的杂质。

进一步地，本发明步骤(3)中所述的浇注温度区间是：650～700℃。

进一步地，本发明步骤(3)中所述的模具的预热温度为200～250℃。

本发明是基于以下理论基础及原理：

再生铝精炼过程中Fe是最为常见的杂质元素，通过对铝熔体中添加Mn、Si和稀土元素，Fe易形成α-Al₁₂(Fe，Mn)₃Si₂、α-Al₁₅(Fe，Mn)₃Si₂、(Fe，Mn)Al₆、CeFe₅等硬质相；而Cu的加入，一方面Cu在铝合金中可生成Al₂Cu硬质相，提高合金硬度，另一方面，RE在再生铝熔体中与Cu结合，生成Al-Cu-RE相，有效降低过量Cu元素对于热裂的危害性。本发明聚集于将非铝元素转变为增强相，即通过引入稀土等变质元素，将废杂铝熔体中难以去除的杂质转化为细小弥散的硬质相，同软基体形成“双相结构”，从而制备出耐磨轴瓦合金。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的配方可使再生铝合金中难以除去的Fe、Cu杂质转化为硬质相，同时稀土元素La、Ce、Er有效的细化合金组织，对共晶Si相进行变质，使得合金具有良好的耐磨性能；(2)该制备方法采用传统成型工艺，简单可靠，易于推广，能够适应不同场合的制备要求，有利于产业化应用简化合金种类，减低技术难度与生产成本。

附图说明

图1为对比例1中得到的合金的微观金相组织照片，(a)为低倍图，(b)为高倍图；

图2为实施例1中得到的合金的微观金相组织照片，(a)为低倍图，(b)为高倍图；

图3为实施例2中得到的合金的微观金相组织照片，(a)为低倍图，(b)为高倍图。

具体实施方式

下面通过具体实施例和附图对本发明做进一步说明，以下实施例均在本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

对比例1。

本对比例以废杂铝合金制品为原材料，经简单分拣并打包后投入熔炼铝熔炼，然后经铸造成型，均匀化处理，获得耐磨铝硅轴瓦合金铸锭。直接从熔体取样测试其成分，合金的组成及其质量百分比为：Si：8.5％，Fe：0.9％，余量为Al和不可避免的杂质。

本对比例所述的耐磨铝硅轴瓦合金铸锭，制备工艺过程及其参数如下：

1)废杂铝合金熔炼：将废杂铝合金制品进行分拣、称量、熔炼，然后进行熔体精炼处理。加入精炼剂和除渣剂进行精炼除渣，控制处理温度为720℃，处理后静置保温30min，得到再生铝合金熔体。

2)铸造成型：将铝熔体浇注进普通金属型铸造成型，模具预热温度为200～300℃。

对铸造成型的对比例1铸锭进行摩擦测试，取样然后加工成标准的耐磨试样，然后在UMT-TRIBO LAB机械与性能摩擦测试仪上进行摩擦磨损测试，设置压力为30N，摩擦转数为5000转，接触端面无润滑。随后进行力学性能测试，力学性能测试依照国家标准GB6397-86《金属拉伸实验试样》进行加工测试，测试设备为Labsans 30kN万能实验机拉伸机，拉伸速度为1mm/min。硬度实验使用HVS-1000A型维氏硬度计，根据国标GB/T 4340.1-1999进行显微硬度测试，压头采用的是正四菱角锥体，对角角度为136°，硬度测试时的负荷为300gf，保荷时间为15s。其测试结果见表1。

实施例1。Al-8.5Si-0.9Fe-0.6Cu-0.5Mn-0.1La-0.1Ce-0.1Er(wt.％)铝硅轴瓦合金的制备。

本实施例所述的制备方法，按以下步骤：

1)原材料熔炼：将对比例1得到的再生铝称重、用感应电炉加热熔炼，熔炼温度控制在750℃充分熔化，然后利用氩气进行除气；

2)精炼及合金成分调整：待步骤1)熔化的再生铝合金熔体降温到720℃，向其中加入Al-20Mn、Al-30RE进行精炼变质，保温20min后扒渣，过滤，其中RE为La、Ce、Er的混合稀土；之后根据成分按照质量百分比，加入Al-30Si、Al-50Cu中间合金进行成分调整，再吹入氮气搅拌至合金成分均匀，静置保温30min后得到成分调整的再生铝合金；

3)铸造成型：先将模具在200℃预热10min，随后待步骤2)中制得铝合金熔体降温至690℃，进行浇注然后将得到的棒材空冷到室温。

对铸造成型的实施例1铸锭进行摩擦测试，取样然后加工成标准的耐磨试样，然后在UMT-TRIBO LAB机械与性能摩擦测试仪上进行摩擦磨损测试，设置压力为30N，摩擦转数为5000转，接触端面无润滑。随后进行力学性能测试，力学性能测试依照国家标准GB6397-86《金属拉伸实验试样》进行加工测试，测试设备为Labsans 30kN万能实验机拉伸机，拉伸速度为1mm/min。硬度实验使用HVS-1000A型维氏硬度计，根据国标GB/T 4340.1-1999进行显微硬度测试，压头采用的是正四菱角锥体，对角角度为136°，硬度测试时的负荷为300gf，保荷时间为15s。其测试结果见表1。

实施例2。Al-8.5Si-0.9Fe-0.6Cu-0.8Mn-0.2La-0.1Ce-0.2Er(wt.％)铝硅轴瓦合金的制备。

本实施例所述的制备方法，按以下步骤：

1)原材料熔炼，将对比例1得到的再生铝称重、用感应电炉加热熔炼，熔炼温度控制在750℃充分熔化，然后利用氩气进行除气；

2)精炼及合金成分调整，待步骤1)熔化的再生铝合金熔体降温到720℃，向其中加入Al-20Mn、Al-30RE进行精炼变质，保温20min后扒渣，过滤，其中RE为La、Ce、Er的混合稀土；之后根据成分按照质量百分比，加入Al-30Si、Al-50Cu中间合金进行成分调整，再吹入氮气搅拌至合金成分均匀，静置保温30min后得到成分调整的再生铝合金；

3)铸造成型，先将模具在200℃预热10min，随后待步骤2)中制得铝合金熔体降温至690℃，进行浇注然后将得到的棒材空冷到室温。

对铸造成型的实施例2铸锭进行摩擦测试，取样然后加工成标准的耐磨试样，然后在UMT-TRIBO LAB机械与性能摩擦测试仪上进行摩擦磨损测试，设置压力为30N，摩擦转数为5000转，接触端面无润滑。随后进行力学性能测试，力学性能测试依照国家标准GB6397-86《金属拉伸实验试样》进行加工测试，测试设备为Labsans 30kN万能实验机拉伸机，拉伸速度为1mm/min。硬度实验使用HVS-1000A型维氏硬度计，根据国标GB/T 4340.1-1999进行显微硬度测试，压头采用的是正四菱角锥体，对角角度为136°，硬度测试时的负荷为300gf，保荷时间为15s。其测试结果见表1。

上述耐磨铝硅轴瓦制备方法，能够使制得的轴瓦合金具有均匀分布的硬质相和均匀细小的显微组织，有效解决再生铝合金中Fe、Cu含量高，并难以去除的问题，将杂质元素转变为硬质相；同时，加入的稀土和Mn能提升合金的摩擦磨损性能及强度。该制备方法简单可靠，易于推广，拓宽再生铝产业应用，减低技术难度与生产成本。

如图1-图3所示，通过对组织观察可以看出，对比例1中存在粗大针状的共晶硅相，且呈无规则分布；同时还存在粗大片层状的β-Fe相，这严重降低合金了的力学性能。而实施例1和2中均为细小短棒状的共晶硅相，以及鱼骨状或块状的α-Fe相，分布均匀，没有观察到危害基体的β-Fe相存在。说明稀土和Mn的加入可以起到细化组织的作用。

通过对比三组样力学性能可以看出，添加稀土和Mn后，实施例1抗拉强度和屈服强度均较对比例1有所提升，提升幅度分别为5.6％和7.7％，硬度提升18.2％。可见，稀土和Mn确实可以提升合金的力学性能，保证较好的耐磨性。同时，实施例2和对比例1也可得出类似结论。

表1三组样力学性能指标

综上所述，可以看出，稀土和Mn的引入确实可以提升再生铝合金的强度、硬度及耐磨性能，通过对比可以看到共晶硅和Fe相的变质效果明显，有效的拓宽了再生铝的应用。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims

1.一种废杂铝制备耐磨轴瓦合金的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(3)铸造成型：将步骤(2)中制得铝合金熔体浇注到模具中，冷却到室温得到合金铸锭；

2.根据权利要求1所述的一种废杂铝制备耐磨轴瓦合金的方法，其特征在于，步骤(2)所述的合金成分调整，按制备的再生铝合金的质量百分数的组分为：Si：7.5～11wt.％，Fe：0.8～1.2wt.％，Cu：0.4～0.8wt.％，Mn：0.3～0.8wt.％，La：0.1～0.3wt.％，Ce：0.1～0.3wt.％，Er：0.1～0.3wt.％，余量为Al和其他不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的一种废杂铝制备耐磨轴瓦合金的方法，其特征在于，步骤(3)中所述的浇注温度区间是650～700℃。

4.根据权利要求1所述的一种废杂铝制备耐磨轴瓦合金的方法，其特征在于，步骤(3)中所述的模具的预热温度为200～250℃。