CN1320145C - 自润滑高耐磨过共晶铝硅合金 - Google Patents

Abstract

一种自润滑高耐磨过共晶铝硅合金组成的重量百分比为：3.0～5.0%Cu，17.1～20.0%Si，0.2～0.5%Fe，2.5～5.0%Bi，0.2～0.5%Ni，0.005～0.02%P，0.005～0.05%Sr，0.01～0.4%Ba，0.005～0.25%RE，≤0.2%Mg，≤0.5%Mn，≤0.5%杂质元素总量，余量为Al。这种过共晶Al-Si合金的具有突出的机械性能，易切削，延长切削刀具的寿命和增加切削表面的光洁度。合金还有着出色的延伸率和抗磨损性能，同时其抗拉强度，屈服强度和硬度与传统的A390合金相当。因此，这种合金能被应用于对抗磨损性有要求的领域，如汽车空调压缩机的斜板，且无须经过任何表面处理包括阳极化处理或表面镀Sn。

Description

自润滑高耐磨过共晶铝硅合金

技术领域

本发明涉及一种自润滑高耐磨过共晶铝硅合金，属铸造合金技术领域。

背景技术

双向斜板是压缩机中驱动活塞往返实现致冷压缩的一个关键零件，该零件不仅确保在高速旋转下有足够的强度，而且其斜面必须具备很好的耐磨性能和减磨性(低磨擦系数)。在工作过程中要不断地向斜板的摩擦面提供润滑剂，否则，就会在摩擦金属之间发生咬合现象。另一方面为了减少汽车的重量，密度低的金属得以广泛应用，然而即使金属有强的抗磨损性能和低的密度。如果它们的机械加工性能差，生产的成本就会提高。有些材料如铸铁和青铜，虽然具有很好的耐磨性，但是比重大，仍不是最佳的选择。正是这样压缩机斜板经历了从钢材→铸铁件→轻质耐磨铝合金材质的演变过程。

目前国内外常用A390过共晶高硅铝合金材料制作双向斜板核心零件。A390过共晶合金含硅量高达16～18％，从而在铝基体上形成大量硬质的硅质点，大大地提高了铝合金的耐磨性。然而，由于硅质点的大量存在，使材料的机械加工性能变差，加工表面粗糙度加大，从而无法达到耐磨性能和减磨性(低磨擦系数)兼顾的优越综合性能。材料的切削性变差以为着切削用刀具的磨损率上升，进而使生产的成本提高。为了克服以上缺点，人们在用A390合金制成零件后，还要进行表面处理，例如阳极化处理或镀锡，以达到降低摩擦系数和增强抗磨损能力的目的，而这增加了工序，相应地增加了成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种自润滑高耐磨过共晶铝硅合金。

本发明的任务是这样实现的：

一种自润滑高耐磨过共晶铝硅合金，其特征是合金组成的重量百分比如下：3.0～5.0％Cu，17.1～20.0％Si，0.2～0.5％Fe，2.5～5.0％Bi，0.2～0.5％Ni，0.005～0.02％P，0.005～0.05％Sr，0.01～0.4％Ba，0.005～0.25％RE，≤0.2％Mg，≤0.5％Mn，≤0.5％杂质元素总量，余量为Al。

本发明的合金是一种过共晶铝硅合金，通过在合金中加入适量的Cu、Bi、P、Sr、RE产生高的耐磨性和较好的自润滑性，并且通过热处理可获得高的硬度。

本发明的合金，在其组织中存在有初生硅晶体硬质点，这种在铝基体上分布着许多硅晶体硬质点，具有很好的耐磨性；另一方面组织中的含铋相在摩擦过程中能部分融出，降低材料表面的摩擦系数，从而使这种材料具有很好的减磨性及使用寿命，成为制造空调压缩机斜板类零件的替代更新的摩擦副材料。

在过共晶铝硅合金组织中存在有初晶硅晶体硬质点，这种在铝基体上分布着许多硅晶体硬质点的组织，具有很好的耐磨性，而且合金中硅含量越高，合金就越硬，耐磨性就越好。但是在过共晶铝硅合金中由于较高的含硅量，使得该合金在铸造过程中获得的组织出现粗大的块片状初晶硅分布不均匀，共晶硅呈针片状形貌，这样的硅相组织形态严重恶化了合金的力学性能，降低了切削加工性能，可以通过相应的变质处理来改善这一不足。本发明采用P，Sr，Ba，RE复合变质过共晶铝硅合金，既可以得到细小的初晶硅组织，也可以使共晶硅变为短棒状。

本发明中加入的Bi元素是一种高密度(9.8g/cm³)，低熔点(271℃)，低硬度(9HB)的软质金属元素，若均匀分布在密度为2.7g/cm³及熔点为660℃的Al基体中，在金属间摩擦面上低的熔点的Bi能部分融出，降低材料表面的摩擦系数，起到了合金的自润滑作用，避免由于摩擦热产生的金属咬合。然而Al-Bi为偏晶合金，两者液相不互溶，由于Bi的比重较大，Al的比重较小，在重力的作用下，采用普通铸造方法很容易发生Bi偏析，Bi质点的不均匀分布，将会严重降低其自润滑效果。可以采用高温度梯度逐层凝固的方法来解决Bi的偏析问题。

采用P-Sr-Ba-RE复合变质方法，实现合金中的初生硅及共晶硅的双重变质。有效地控制基体上的硅质点细化和均匀化，达到进一步改善其机械性能和耐磨性的效果。

本发明中加入的Cu可提高铝硅合金的常温和高温性能。在合金中Cu会与Al反应生成CuAl₂，在时效强化过程中该相通过沉淀析出，形成的许多细小弥散分布CuAl₂颗粒来，从而达到增强效果。

在合金中适量地加入高温强化元素Ni，以提高合金的高温强度和高温耐磨性。由于采用P-Sr-Ba-RE复合变质方法，实现合金中的初生硅及共晶硅的双重变质，有效地控制了硅质点细化和均匀化，Ni元素的加入已不会危及到初生硅变质效果。

本发明的合金对Mg含量的控制可以放宽到≤0.2wt％Mg。合金中Ba元素的加入，一方面达到了对共晶硅的变质作用，另一方面它具有抑制Mg在合金中对Bi的自润滑的有害作用的功能。因此，可以扩大合金中Mg含量的范围。

本发明采用高温度梯度逐层凝固连铸方法，其原理是在连铸结晶器系统上方的金属液中施加感应电流。一方面利用涡流加热金属液。另一方面利用电磁搅动强化金属对流换热，从而在结晶器系统内的金属坯轴向形成一高温度梯度场，使金属液穴变浅，凝固发生在很窄的区域中，从而在连铸过程中实现逐层凝固。这种方法把Bi的析出控制在凝固前沿的狭窄区域内，有效地避免Bi元素的比重偏析的发生，同时，也使合金整体的凝固组织细化，进一步提高材料的综合性能。

本发明的合金能用在汽车空调压缩机的斜盘类似工况的零部件上，例如在汽车空调压缩机的斜盘上或者在汽车引擎的汽缸体，汽缸套上。这种材料有着出色的抗磨损能力及自润滑能力，无需像传统A390合金的表面阳极处理或镀Sn来提高合金的抗磨损性。

具体实施方式

现将本发明的实施例叙述于后。

实施例一

取4.14kg Cu，17.6kg Si，3.7kg Bi，73.62kg Al等金属放入熔化炉中。这些金属都是高纯度的，适合来制备合金。金属元素溶化后，采用加入P-Sr-Ba-RE复合变质剂来进行变质处理，最后通过连铸得到直径为72mm的坯料。这种坯料通过分光计来分析，从发明制备的合金中取得的试样其成分组成分析的结果列于表1，并与传统的A390的成分进行比较。本发明的合金与传统的A390合金在T6热处理后的机械性能对比列于表2。

                      表1  本发明的合金和传统的A390的成分

成分(wt％)	Cu	Mg	Si	Fe	Mn	Ni	P	Bi	P	Sr	RE	Ba	Al
														本发明合金	4.14	0.20	17.60	0.29	0.10	0.30	0.01	3.70	0.01	0.01	0.02	0.02	余量
A390	4.07	0.53	17.20	0.34	0.10	0.00	0.02	0.00	0.02	0.00	0.00	0.00	余量

           表2  本发明的合金与传统的A390合金在T6热处理后的机械性能

机械性能	热处理工艺	抗拉强度(MPa)	屈服强度(MPa)	延伸率(％)	硬度(HB)
						本发明合金	T6	346	327	1.0	138
A390	T6	325	319	1.0	131

以本发明的合金和传统的A390合金进行摩擦性能试验，通过测定摩擦系数，比较它们的耐磨性。试验通过改进的MM-20改进的摩擦试验机、传感器、数据采集器测得摩擦系数。试验条件为：对磨材料的转速为200转/分钟，载荷附加为10N，每个试样先分别跑合20分钟，摩擦系数测定时间为30分钟。摩擦试验分为两种：(1)干摩擦时不加任何润滑油。(2)加油摩擦时在试验过程中添加润滑油。表3的结果显示，无论是干摩擦还是加油摩擦，本发明的加不同Bi含量合金的摩擦系数μ均小于A390合金的摩擦系数μ，这说明本发明的合金具有很好的自润滑性。

本发明得到的过共晶Al-Si合金有着高的耐磨性和自润滑性，而且维持着与传统的A390相似的断裂强度、抗张强度、屈服强度和硬度。因此能应用在对抗磨损有要求的领域，例如汽车空调压缩机的斜板，即使是未经类似阳极处理或Sn金属镀层的表面处理。

            表3  本发明的合金(加不同Bi含量)与传统的A390合金的摩擦系数μ

合金	A390(未加Bi)	加2％Bi	加3％Bi	加4％Bi	加5％Bi	加6％Bi
							干摩擦的μ	0.471	0.386	0.405	0.407	0.397	0.414
加油摩擦的μ	0.079	0.067	0.076	0.048	0.078	0.078

Claims (1)

1.一种自润滑高耐磨过共晶铝硅合金，其特征是合金组成的重量百分比如下：3.0～5.0％Cu，17.1～20.0％Si，0.2～0.5％Fe，2.5～5.0％Bi，0.2～0.5％Ni，0.005～0.02％P，0.005～0.05％Sr，0.01～0.4％Ba，0.005～0.25％RE，≤0.2％Mg，≤0.5％Mn，≤0.5％杂质元素总量，余量为Al。