DE112023000022T5

DE112023000022T5 - VERBUNDVERSTÄRKTE HITZEBESTÄNDIGE UND VERSCHLEIßFESTE ALUMINIUMLEGIERUNG UND HERSTELLUNGSVERFAHREN DAVON

Info

Publication number: DE112023000022T5
Application number: DE112023000022.0T
Authority: DE
Inventors: Hongming Wang; Wenxue Su; Guirong Li; Yujie Liu
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2022-06-30
Filing date: 2023-03-09
Publication date: 2024-02-15
Also published as: GB2618941B; GB202313413D0; GB2618941A; GB2618941A8

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Herstellung eines metallischen Hochleistungswerkstoffs, insbesondere eine verbundverstärkte hitzebeständige und verschleißfeste Aluminiumlegierung und ein Herstellungsverfahren davon. Die verbundverstärkte hitzebeständige und verschleißfeste Aluminiumlegierung der vorliegenden Erfindung verwendet eine Al-Si-Cu-Mg-Legierung als Substrat und fügt Mikrolegierungselemente zur Verbesserung der Hitzebeständigkeit und hitzebeständige hochentropische Legierungen zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit hinzu, um eine Verbundverstärkung zu erreichen, und die Hauptschritte des Herstellungsverfahrens umfassen die Annahme der folgenden Schritte in der Reihenfolge: Schmelzen und Legieren -Blasveredelung - Pulverspritzmischung - Druckgussformen - Mischkristall-Wasserabschreckung-Tiefkühlungsalterung-Verbundwärmebehandlung. Die vorliegende Erfindung hat die folgenden Vorteile: eine verbundverstärkte hitzebeständige und verschleißfeste Aluminiumlegierung wird durch Hinzufügen von Mikrolegierungselementen und hochentropischem Legierungsverbund in dem Aluminiumlegierungssubstrat hergestellt, und durch die Heiß-Kalt-Kombinationsbehandlungsmethode nach dem Gussformen fördert sie die Ausscheidung von hitzebeständigen und verschleißfesten Phasen und verbessert synergetisch die hitzebeständige und verschleißfeste Leistung des Materials und erweitert die Anwendung von Aluminiumlegierungen in einem fortschrittlicheren und breiteren Bereich.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Technologie zur Herstellung von Aluminiumlegierungen, insbesondere eine hitzebeständige und verschleißfeste Aluminiumlegierung, die durch Mikrolegierung und eine hochentropische Legierung verbundverstärkt ist, und ein Herstellungsverfahren davon.
STAND DER TECHNIK
Mit der rasanten Entwicklung der Luft- und Raumfahrt, des Hochgeschwindigkeits-Eisenbahnverkehrs und der Automobilindustrie wird die Anwendung von Aluminiumlegierungen immer umfangreicher, und die Anforderungen an die Materialeigenschaften von Aluminiumlegierungen steigen ebenfalls. Vor allem in den letzten Jahren haben Aluminiumlegierungen für neue Energiequellen und Leichtbauautos im Zusammenhang mit einer kohlenstoffarmen Wirtschaft höhere Anforderungen an die Leistungsfähigkeit von Werkstoffen gestellt. Beispielsweise müssen hitzebeständige Aluminiumlegierungen eine ausreichende Oxidations- und Kriechbeständigkeit bei hohen Temperaturen, eine hohe Verschleißfestigkeit bei hohen Temperaturen und eine hohe Härte bei hohen Temperaturen aufweisen. Diese hitzebeständigen Aluminiumlegierungen sind in der Waffenindustrie, im Schiffbau, in der Luft- und Raumfahrt, in der Automobilindustrie usw. weit verbreitet. Allerdings ist es für herkömmliche Aluminiumlegierungen schwierig, die hohen Anforderungen an die Hochtemperaturbeständigkeit, die hohe spezifische Festigkeit, die hohe Verschleißfestigkeit usw. zu erfüllen, wie z.B. müssen Kolben, Zylinderlaufbuchsen am Motor und andere Teile langfristig bei hohen Temperaturen von 350-400°C arbeiten und genug Last, thermische Ermüdung, Reibung usw. tragen, und die Probleme, die durch unzureichende hitzebeständige verschleißfeste Leistung der bestehenden Materialien bewirkt werden, treten immer deutlicher hervor.
Die Mikrolegierung ist ein wichtiger Weg, um das Potenzial von Legierungen zu erforschen, die Legierungseigenschaften zu verbessern und neue Aluminiumlegierungen weiterzuentwickeln. Es gibt viele Arten von Mikrolegierungselementen, und die Rollen und Mechanismen, die sie spielen können, sind unterschiedlich, so dass die Kontrolle der Arten und Mengen von Spurenelementen und die volle Ausschöpfung der Rollen von Spurenelementen die unablässigen Ziele der Entwicklung von Aluminiumlegierungen und eine der Hauptrichtungen der aktuellen Forschung über Aluminiumlegierungen sind. Unter allen Mikrolegierungselementen zeigen die bisherigen Forschungen, dass der Mikrolegierungseffekt von Sc bemerkenswert ist, aber sein Preis ist sehr hoch, was den Preis von Aluminiumlegierungen, die Sc enthalten, dramatisch ansteigen lässt, und es ist schwierig, eine breite Anwendung im industriellen Bereich zu finden, so dass es notwendig ist, nach Mikrolegierungselementen und neuen Legierungssystemen mit vergleichbaren oder effektiveren Rollen von Sc zu suchen.
Der Hysteresediffusionseffekt von hochentropischen Legierungen führt dazu, dass diese Art von Legierungen eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit, Hochtemperaturbeständigkeit und Verschleißfestigkeit aufweisen, die der von keramischen nichtmetallischen Werkstoffen nahe kommt, aber diese Legierungen weisen eine bessere Zähigkeit als keramische Werkstoffe auf, d.h. die hochentropischen Legierungen behalten die meisten Eigenschaften der Metalllegierungen bei, und die hochentropischen Legierungen behalten die Kristallgitterstruktur des Metalls bei, und sie stimmt sehr gut mit den anderen Metallen überein, deren Kristallgitterkonstanten annähernd gleich sind. Wenn ein angemessenes hochentropisches Legierungssystem als Verstärkungsphase der Aluminiumsubstratlegierung verwendet wird, ist es sehr vielversprechend, die Hochtemperaturfestigkeit sowie die Reibungs- und Verschleißfestigkeit von Aluminiumlegierungen weiter zu verbessern.
Zusammenfassend gesagt, wird für die derzeitigen hitzebeständigen und verschleißfesten Aluminiumlegierungen auf der Grundlage der verschleißfesten Aluminiumlegierungen des Al-Si-Systems, des Al-Cu-Systems und des Al-Mg-Si-Systems die Al-Si-Cu-Mg-Systemlegierung als Substrat ausgewählt, und verschleißfeste verstärkende Legierungselemente wie Hf, Zr, Ti, V usw., die die Leistung bei hohen Temperaturen verbessern können, werden selektiv hinzugefügt, außerdem werden hochentropische Legierungen, die mit dem Substrat der Al-Si-Cu-Mg-Systemlegierung und Elementen wie Hf, Zr, Ti und V übereinstimmen, als verstärkende Verbundphasen verwendet, um eine neue hitzebeständige und verschleißfeste Aluminiumlegierung zu entwickeln, darüber hinaus wird ein spezielles Herstellungsverfahren angewandt, um die Ausscheidung von verschleißfesten und hochtemperaturbeständigen Phasen zu fördern und eine verstärkende Rolle zu spielen, wodurch die Hochtemperaturverschleißfestigkeit der bestehenden hitzebeständigen und verschleißfesten Aluminiumlegierungen erheblich verbessert wird und die Anwendung der Aluminiumlegierungen in einem höherwertigen und breiteren Bereich gefördert wird, was eine sehr gute Aussicht auf Anwendung hat.
INHALT DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Der Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbundverstärkte hitzebeständige und verschleißfeste Aluminiumlegierung und ein Herstellungsverfahren davon zur Verfügung zu stellen, insbesondere ein optimiertes hitzebeständiges und verschleißfestes Aluminiumlegierungssubstrat auszuwählen und die Leistung der hitzebeständigen und verschleißfesten Aluminiumlegierung durch die Verbundverstärkung von Mikrolegierung und hochentropischen Legierungen zu verbessern, und ein optimales Herstellungsverfahren für diese verbundverstärkte hitzebeständige und verschleißfeste Aluminiumlegierung zu entwickeln, um das Problem zu lösen, dass die Leistung der bestehenden hitzebeständigen und verschleißfesten Aluminiumlegierung noch verbessert werden muss.
Um den Zweck zu erreichen, verwendet das vorliegende Erfindung die folgende technische Lösung:

eine verbundverstärkte hitzebeständige und verschleißfeste Aluminiumlegierung, dadurch gekennzeichnet, dass eine Al-Si-Cu-Mg-Legierung als Substrat verwendet wird und
Mikrolegierungselemente Ti, Zr, Hf und V hinzugefügt werden, während die Al_1,5Ti_0,5Zr_0,5V_0,5Hf_0,5-Legierung mit hoher Entropie zur Verbundverstärkung hinzugefügt wird.

Ferner ist die Zusammensetzung des Al-Si-Cu-Mg-Legierungssubstrats in Massenprozent Si 9,5-12,0%, Cu 2,0-4,0%, Mg 0,6-0,8%, wobei der Rest Al ist.
Ferner werden die Mikrolegierungselemente Ti, Zr, Hf und V in den folgenden Mengen in Masseprozent zugesetzt: Ti 0,05-0,25%, Zr 0,05-0,25%, Hf 0,01-0,05% und V 0,08-0,25%.
Ferner beträgt das Atomverhältnis von Al, Ti, Zr, V, Hf in der Al_1,5Ti_0,5Zr_0,5V_0,5Hf_0,5-Legierung mit hoher Entropie für die Verbundverstärkung 1,5:0,5:0,5:0,5:0,5, wobei die Menge der hinzugefügten Legierung mit hoher Entropie 1 Gew.-% bis 3 Gew.-% der Substrataluminiumlegierung beträgt.
Ferner umfasst die in der Legierung vorhandene hitzebeständige und verschleißfeste Phase Si, Al₃Zr, Al₃Ti, Al₃Hf, Al₂Cu, Mg₂Cu, Mg₂Si und die Al_1,5Ti_0,5Zr_0,5V_0,5Hf_0,5-Verbundphase.
Ein Verfahren zum Herstellung einer verbundverstärkten hitzebeständigen und verschleißfesten Aluminiumlegierung, dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Schritte umfasst:

Schritt 1: Schmelzen und Legieren, industrieller reiner Aluminiumblock wird in einem Heizofen geschmolzen, und Aluminium-Silizium-Legierung, Aluminium-Magnesium-Legierung, Aluminium-Kupfer-Legierung werden nacheinander zugegeben, und die Zusammensetzung wird so gesteuert, dass sie im Bereich von Si 9,5-12,0%, Cu 2,0-4,0%, Mg 0,6-0,8% in Massenprozent liegt, und dann wird Mikrolegieren von Ti, Zr, Hf und V durchgeführt, und der Legierungselementgehalt von Ti, Zr, Hf und V wird so gesteuert, dass er in Massenprozent bei Ti 0,05-0,25%, Zr 0,05-0,25%, Hf 0,01-0,05% und V 0,08-0,25% liegt;
Schritt 2: Blasveredelung, unter Verwendung von Ar wird die Blasargonveredelung durchgeführt, die Temperatur der Blasargonveredelung wird auf 700-740°C geregelt;
Schritt 3: Pulverspritzmischung, unter Verwendung von Ar-Gas als Trägergas wird das Al_1,5Ti_0,5Zr_0,5V_0,5Hf_0,5-Legierungspulver mit hoher Entropie in die Aluminiumlegierungsschmelze gespritzt, wobei es durch Blasen gleichmäßig gerührt wird, die Temperatur der Schmelze wird auf 700°C geregelt, und es wird für 10-15 Minuten stehen gelassen, bis es geformt wird;
Schritt 4: Gießen und Formen: Einspritzen der Schmelze in die Gießmaschine und Gießen und Formen.

Ferner handelt es sich bei dem Gießen in Schritt 4 um Druckgussformen, bei dem die Schmelze mit einer Temperatur von 680-700°C in die Druckgussmaschine zum Druckgussformen eingespritzt wird und der Gießdruck bei 80-90 MPa liegt.
Ferner umfasst das Verfahren weiterhin Schritt 5: eine Mischkristall-Alterungsbehandlung, die erhaltene Gusslegierung wird auf 530-540°C erhitzt, für 6-12 Stunden warmgehalten und dann mit dem Ofen abgekühlt.
Ferner umfasst das Verfahren weiterhin Schritt 5: eine Mischkristall-Wasserabschreckungs-Wärmebehandlung, die in Schritt 4 erhaltene Gusslegierung wird nach dem Abkühlen auf die Raumtemperatur und nach dem Legen auf den Bereich von 535-545°C erhitzt und einer Mischkristall-Behandlung für 60-80 Minuten unterzogen; und die Wasserabschreckung wird nach der Mischkristall-Behandlung durchgeführt, die Wassertemperatur der Wasserabschreckung liegt im Bereich von 25-40°C, und die Zeit der Wasserabschreckung beträgt 30-60 Sekunden, und nach der Wasserabschreckung tritt die Gusslegierung aus dem Wasser aus und wird auf die Raumtemperatur abgekühlt.
Ferner umfasst Schritt 5 eine Tiefkühlbehandlung, nach der Wasserabschreckung und Oberflächentrocknung wird eine Tiefkühlbehandlung durchgeführt, eine Tiefkühlung wird bei -196°C mit flüssigem Stickstoff durchgeführt, und die Tiefkühlhaltezeit beträgt 24-36 Stunden.
Die vorliegende Erfindung hat folgende Vorteile:

(1) Die verbundverstärkte hitzebeständige und verschleißfeste Aluminiumlegierung in der vorliegenden Erfindung nimmt ein Al-Si-Cu-Mg-Legierungssubstrat an, und im Vergleich zu den bestehenden verschleißfesten und hitzebeständigen Legierungen des Al-Si-, Al-Cu- und Al-Si-Mg-Systems werden die hitzebeständige und verschleißfesten Phasen in der Legierung von dem Zustand, dass eine einzelne Si-Phase, Al₂Cu-Phase und Mg₂Si-Phase eine verschleißfeste und hitzebeständige Rolle spielen, zu dem Zustand verbessert, dass die Si-Phase, Al₂Cu, Mg₂Cu, Mg₂Si zusammen eine verschleißfeste Rolle spielen, und die Anzahl und Art der verstärkenden Phasen erhöhen sich, was die Verschleißfestigkeit und die Hochtemperaturbeständigkeit deutlich verbessert.
(2) Die Mikrolegierungselemente Ti, Zr, Hf und V, die in der verbundverstärkten hitzebeständigen und verschleißfesten Aluminiumlegierung der vorliegenden Erfindung hinzugefügt werden, spielen nicht nur eine Rolle bei der Verfeinerung des Korns und der Verbesserung der Hochtemperaturhärte, d.h. der Hochtemperaturbeständigkeit, sondern scheiden sich auch in Form von Al3Hf, Al3Zr und Al3Ti in dem Aluminiumlegierungssubstrat aus, um eine verschleißfeste Phase zu bilden, die die Verschleißfestigkeit und die Härte des Materials bei hohen Temperaturen verbessert.
(3) Die verbundverstärkte hitzebeständige und verschleißfeste Aluminiumlegierung der vorliegenden Erfindung wird durch die Al_1,5Ti_0,5Zr_0,5V_0,5Hf_0,5-Legierung mit hoher Entropie weiter verstärkt, die TiZrVHf-Legierung mit hoher Entropie ist eine Hochentropie-Legierung für hochtemperaturbeständige Serien und wird durch die Einführung von Al-Komponente zu AlTiZrVHf-Legierung mit hoher Entropie, die eine sehr gute Co-Kompatibilität mit dem Substrat hat, das Atomverhältnis von Al, Ti, Zr, V und Hf in der hochentropischen Legierung beträgt 1,5:0,5:0,5:0,5:0,5:0,5, was zur Aufrechterhaltung der stabilen Koexistenz von Al3Hf, Al3Zr und Al3Ti in der hochentropischen Legierung und der Aluminiumsubstratlegierung beiträgt und die Rolle der Verbundverstärkung spielt.
(4) bei der verbundverstärkten hitzebeständigen und verschleißfesten Aluminiumlegierung der vorliegenden Erfindung wird die Verschleißfestigkeit (Vergleichsbeispiel 6)des Gussmaterials, das keiner Mischkristall-Wasserabschreckung-Tiefkühlung-Verbundwärmebehandlung der vorliegenden Erfindung unterzogen war, mit den bestehenden verschleißfesten und hitzebeständigen Aluminiumlegierungen auf dem Markt, wie Al-Si-Druckguss-Aluminiumlegierung A360 (Vergleichsbeispiel 1), Al-Si-Cu-Druckguss-Aluminiumlegierung A380 (Vergleichsbeispiel 2), Al-Cu-Mg-System 2024 (Vergleichsbeispiel 3) und superharter Aluminiumlegierung 7075 des Al-Zn-Mg-Cu-Systems (Vergleichsbeispiel 4) verglichen, der Verschleißverlust unter denselben Testbedingungen kann um mehr als 20% verringert werden, was als eine Erhöhung der Verschleißfestigkeit um mehr als 20% angesehen werden kann, und die Wärmebeständigkeitstemperatur des Materials (d.h. die Temperatur, bei der die Festigkeit versagt) kann um 55-105°C erhöht werden. Dies beweist, dass die verbundverstärkte hitzebeständige und verschleißfeste Aluminiumlegierung der vorliegenden Erfindung deutlich fortschrittlich ist.
(5) das herausragende Merkmal des Verfahrens zum Herstellung einer verbundverstärkten hitzebeständigen und verschleißfesten Aluminiumlegierung gemäß der vorliegenden Erfindung besteht in dem Formpressen nach dem Verbund der hochentropischen Legierung und der Mischkristall-Wasserabschreckung-Tiefkühlung-Verbundwärmebehandlung nach dem Formen, im Hinblick auf die zusammengesetzte Schmelze der vorliegenden Erfindung ist das Formpressen förderlich für die Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Materialorganisation und der Verdichtung im Formprozess, und due verschleißfeste Leistung wird um etwa 10% verbessert, und die Leistung bei hohen Temperaturen Vergleichsbeispiel 5 und Vergleichsbeispiel 6wird auch erheblich verbessert; gleichzeitig wird die Mischkristall-Wasserabschreckung-Tiefkühlung-Verbundwärmebehandlung in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung für verschiedene Ausscheidungsphasen von Si-Phase, Al₃Hf, Al₃Zr, Al₃Ti, Al₂Cu, Mg₂Cu, Mg₂Si, und Al_1,5Ti_0,5Zr_0,5V_0,5Hf_0,5, die in der Aluminiumlegierung enthalten sind, verwendet, der Verbundwärmebehandlungsprozess fördert erheblich die Ausscheidung von diesen Ausscheidungsphasen, um die Hitzebeständigkeit und die Verschleißfestigkeit des Materials um mehr als 10% zu verbessern, was beweist, dass das Verfahren zum Herstellung einer verbundverstärkten hitzebeständigen und verschleißfesten Aluminiumlegierung der vorliegenden Erfindung signifikant fortschrittlich ist; zusammenfassend gesagt, verwendet die verbundverstärkte hitzebeständige und verschleißfeste Aluminiumlegierung der vorliegenden Erfindung das Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung, um die Hitzebeständigkeit und die Verschleißfestigkeit des Legierungsmaterials weiterhin um etwa 20% zu verbessern.

KONKRETE AUSFÜHRUNGSFORMEN
Um es dem Fachmann zu ermöglichen, die technische Lösung der vorliegenden Erfindung besser zu verstehen, wird die vorliegende Erfindung nachstehend in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher beschrieben; es versteht sich, dass diese Ausführungsbeispiele nur zur Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung dienen und nicht dazu gedacht sind, den Umfang der vorliegenden Erfindung in irgendeiner Weise einzuschränken; in den folgenden Ausführungsbeispielen handelt es sich bei den verschiedenen Prozessen und Verfahren, die nicht im Detail beschrieben werden, um herkömmliche Verfahren, die in der Technik gut bekannt sind.
Das Mikrohärteexperiment der Aluminiumlegierung wird auf dem digitalen Mikrohärteprüfgerät durchgeführt; das Verschleißexperiment der Aluminiumlegierung wird auf dem mikrocomputergesteuerten Hochtemperatur-Reibungs- und Abriebprüfgerät MMU-SGA durchgeführt; Probengröße: 4,8 mm x 12,7 mm Stiftprobe, das Paarabriebmaterial ist GCr15-Stahl, der zu einer D54 mm x 8 mm-Scheibenprobe verarbeitet wird; der Trockengleitreibungsverschleiß wird angenommen, die Versuchstemperatur wird auf 25°C und die Last wird auf 150N festgelegt, die Drehzahl beträgt 50 U/min, die Verschleißzeit beträgt 20 min; die Verschleißfestigkeit wird durch den Verschleißgewichtsverlust ausgedrückt; die Hochtemperaturbeständigkeit wird durch die Zugfestigkeit und den Härteindex bei 300°C gemessen.
Ausführungsbeispiel 1:
Die Zielzusammensetzung des Al-Si-Cu-Mg-Legierungssubstrats, das in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendet wird, ist Si 10,5%, Cu 3,0%, Mg 0,7% in Massenprozent, wobei der Rest Al ist; das Ziel der hinzugefügten Menge der Mikrolegierungselemente Ti, Zr, Hf und V ist Ti 0,15%, Zr 0,15%, Hf 0,02% und V 0,15%; die hinzugefügte Menge der Al1,5Ti0,5 Zr0,5V0,5Hf0,5-Legierung mit hoher Entropie beträgt 2% des Massenanteils der Substrataluminiumlegierung. Die Gehalte aller Komponenten in der vorliegenden Erfindung sind in Massenprozent angegeben, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel wird durch Gießen bei atmosphärischem Druck wie folgt hergestellt:
Schritt 1: Schmelzen und Legieren.
100 kg industrieller reiner Aluminiumblock werden in einem Mittelfrequenz-Induktionsofen geschmolzen und auf 700°C erwärmt, und Aluminium-Silizium-Legierung, Aluminium-Magnesium-Legierung, Aluminium-Kupfer-Legierung werden nacheinander zugegeben, um ein Aluminiumlegierungssubstrat herzustellen, und die Zusammensetzung wird so gesteuert, dass sie im Bereich von Si 10,5%, Cu 3,0%, Mg 0,7% liegt, und dann wird Mikrolegieren von Ti, Zr, Hf und V durchgeführt, und der Legierungselementgehalt von Ti, Zr, Hf und V wird so gesteuert, dass er bei Ti 0,15%, Zr 0,15%, Hf 0,02% und V 0,15% liegt.
Schritt 2: Blasveredelung.
Der spezifische Prozess von Schritt 2 ist wie folgt gekennzeichnet: Ar wird für die Blasargonveredelung verwendet, die Temperatur der Blasargonveredelung wird auf 720°C geregelt, und die Zeit der Blasveredelung beträgt 15 Minuten.
Schritt 3: Pulverspritzmischung.
Nach Beendigung der Blasveredelung wird unter Verwendung von Ar-Gas als Trägergas das Al_1,5Ti_0,5Zr_0,5V_0,5Hf_0,5-Legierungspulver mit hoher Entropie zur Verbundverstärkung in die Aluminiumlegierungsschmelze gespritzt, wobei es durch Blasen gleichmäßig gerührt wird, die Temperatur der Schmelze wird auf 700°C geregelt, und es wird für 10 Minuten stehen gelassen.
Schritt 4: Durchführen des Gießens bei atmosphärischem Druck.
Ausführungsbeispiel 2:
Unter Verwendung der gleichen Zusammensetzung wie im Ausführungsbeispiel 1 und des gleichen Verfahrens wie in Schritt 1, Schritt 2 und Schritt 3 wird im Gießteil von Schritt 4 das Druckgussformen verwendet, d.h. die Schmelze wird bei einer Temperatur von 690°C in die Druckgussmaschine eingespritzt, und das Druckgussformen wird mit einem Gießdruck von 85 MPa und einer Haltezeit von 15 Sekunden durchgeführt.
Schritt 5: Mischkristall-Alterungs-Wärmebehandlung
Die erhaltene Gusslegierung wird auf 530-540°C erhitzt, für 6-12 Stunden warmgehalten und dann mit dem Ofen abgekühlt.
Das SEM-Diagramm der metallographischen Organisation der im Ausführungsbeispiel 2 erhaltenen verbundverstärkten hitzebeständigen und verschleißfesten Aluminiumlegierung ist in 1 dargestellt.
Ausführungsbeispiel 3
Unter Verwendung der gleichen Zusammensetzung wie im Ausführungsbeispiel 1 und des gleichen Verfahrens wie in Schritt 1, Schritt 2 und Schritt 3 wird im Gießteil von Schritt 4 das Druckgussformen verwendet, d.h. die Schmelze wird bei einer Temperatur von 690°C in die Druckgussmaschine eingespritzt, und das Druckgussformen wird mit einem Gießdruck von 85 MPa und einer Haltezeit von 15 Sekunden durchgeführt.
Schritt 5: Mischkristall-Wasserabschreckung-Tiefkühlung-Verbundwärmebehandlung
Die in Schritt 4 erhaltene Gusslegierung wird auf die Raumtemperatur abgekühlt und nach Stehenlassen für mehr als 12 Stunden in den Heizofen für die Mischkristall-Behandlung eingelegt, die Mischkristall-Behandlungstemperatur liegt im Bereich von 540°C, die Mischkristall-Behandlungszeit beträgt 70 Minuten, nach der Mischkristall-Behandlung wird eine Wasserabschreckung durchgeführt, die Wassertemperatur beträgt 30°C, und die Zeit der Wasserabschreckung beträgt 35 Sekunden; nach Austreten aus dem Wasser wird die Legierung auf die Raumtemperatur abgekühlt, das Wasser auf der Oberfläche wird abgewischt, eine Tiefkühlungsbehandlung wird durchgeführt, dann wird sie direkt in den flüssigen Stickstoff gelegt, um eine Tiefkühlung bei -196°C durchzuführen, die Tiefkühlhaltezeit beträgt 30 Stunden, dann wird sie herausgenommen und natürlich wieder auf die Raumtemperatur erwärmt.
Das SEM-Diagramm der metallographischen Organisation der im Ausführungsbeispiel 3 erhaltenen verbundverstärkten hitzebeständigen und verschleißfesten Aluminiumlegierung ist in 2 dargestellt. Die in der hergestellten Aluminiumlegierung vorhandene hitzebeständige und verschleißfeste Phase umfasst die Si-Phase, Al₃Hf, Al₃Zr, Al₃Ti, Al₂Cu, Mg₂Cu, Mg₂Si und die Al_1,5Ti_0,5Zr_0,5V_0,5Hf_0,5-Verbundphase. Die Anzahl der Verbundphasen ist im Vergleich zu dem im Ausführungsbeispiel 2 hergestellten Material stark erhöht.

Die im Ausführungsbeispiel 1 hergestellte Aluminiumlegierung wird Reibungs- und Verschleißtests und Mikrohärtetests sowie Zugversuchen und Härtetests bei 350°C unterzogen, die hitzebeständige Eigenschaften verkörpern, und die Versuchsergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt. Zum Vergleich der Wirkungen der vorliegenden Erfindung werden die derzeit auf dem Markt erhältlichen verschleißfesten und hitzebeständigen Aluminiumlegierungen, wie die Al-Si-System-Aluminiumdruckgusslegierung A360, die Al-Si-Cu-System-Aluminiumdruckgusslegierung A380, das Al-Cu-Mg-System 2024 und Al-Zn-Mg-Cu superhartes Aluminium 7075 als Vergleichsbeispiele 1, 2, 3 und 4 mit den von dem Ausführungsbeispielen 1, 2 und 3 hergestellten Aluminiumlegierungen verglichen, und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1 Vergleich der Leistungsdaten zwischen den Ausführungsbeispielen und den Vergleichsbeispielen

	Reibungsverschl eißgewichtsverlu st, mg	Raumtem peraturhär te, Hv	Hochte mperatu r-Zugfest igkeit, MPa	Hochtemp eraturhärt e, Hv	Festigkeitsversa genstemperatur/ °C
Ausführungs beispiel 1 (Normaldruc kguss)	120	155	320	140	380
Ausführungs beispiel 2 (Druckguss + Mischkristall -Alterung-Behandlung)	105	170	330	150	390
Ausführungs beispiel 3 (Druckguss + Mischkristall Wasserabsch reckung-Tiefkühlung-Verbundwär mebehandlun g)	95	180	370	175	395
Vergleichsbe ispiel 1 (A360)	220	85	97	70	290
Vergleichsbe ispiel	200	95	100	75	290
2 (A380)
Vergleichsbe ispiel 3 (2024)	140	140	290	120	300
Vergleichsbe ispiel 4 (7075)	135	150	310	125	340

Es ist aus dem Vergleich der Ergebnisse der Leistungstests der Ausführungsbeispiele und der Vergleichsbeispiele 1-4 in Tabelle 1 ersichtlich, dass die hitzebeständige und verschleißfeste Aluminiumlegierung, die durch die Anwendung der vorliegenden Erfindung erhalten wird, eine erhebliche Verbesserung im Vergleich zu den wichtigsten verschleißfesten oder hitzebeständigen Aluminiumlegierungen auf dem Markt aufweist, was den Reibungsverschleiß-Verlustindex und den Raumtemperatur-Härteindex betrifft, die die Verschleißfestigkeit widerspiegeln, und die Verschleißfestigkeit bei der Raumtemperatur wird um mehr als 20%, die Raumtemperatur-Härte um mehr als 17%, die Hochtemperatur-Zugfestigkeit um mehr als 19,4%, die Hochtemperaturhärte um 40% und die Festigkeitsversagenstemperatur um 55-105°C erhöht.
Es ist aus den Testergebnissen vom Ausführungsbeispiel 1 und Ausführungsbeispiel 2 unter Verwendung der verbundverstärkten hitzebeständigen und verschleißfesten Aluminiumlegierung der vorliegenden Erfindung und den Testergebnissen der bestehenden hitzebeständigen und verschleißfesten Legierungen, die in den Vergleichsbeispielen 1-4 verwendet werden, ersichtlich, dass die verbundverstärkte hitzebeständige und verschleißfeste Aluminiumlegierung der vorliegenden Erfindung offensichtliche Leistungsvorteile in Bezug auf die Verschleißfestigkeit, die Raumtemperaturhärte, die Hochtemperaturzugfestigkeit, die Hochtemperaturhärte und die hitzebeständige Temperatur aufweist, was veranschaulicht, dass die verbundverstärkte hitzebeständige und verschleißfeste Aluminiumlegierung der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu den bestehenden Materialien signifikant hervorragende fortschrittliche Eigenschaften aufweist.
Der Vergleich vom Ausführungsbeispiel 3 mit den Ausführungsbeispielen 1 und 2 zeigt die vorteilhafte Wirkung und die Fortschrittlichkeit der Verwendung des Druckgussformens und der Mischkristall-Wasserabschreckung-Tiefkühlung-Verbundwärmebehandlung in dem Verfahren zum Herstellung einer verbundverstärkten hitzebeständigen und verschleißfesten Aluminiumlegierung der vorliegenden Erfindung.
Zusammenfassend gesagt, sind durch den Vergleich der Ausführungsbeispiele mit den Vergleichsbeispielen die verbundverstärkte hitzebeständige und verschleißfeste Aluminiumlegierung der vorliegenden Erfindung und das Herstellungsverfahren davon beide deutlich fortschrittlich und haben im Vergleich zum Stand der Technik offensichtlich vorteilhafte Wirkungen erzielt.

Claims

Verbundverstärkte hitzebeständige und verschleißfeste Aluminiumlegierung, dadurch gekennzeichnet, dass eine Al-Si-Cu-Mg-Legierung als Substrat verwendet wird und Mikrolegierungselemente Ti, Zr, Hf und V hinzugefügt werden, während die Al_1,5Ti_0,5Z_0,5V_0,5Hf_0,5-Legierung mit hoher Entropie zur Verbundverstärkung hinzugefügt wird.
Verbundverstärkte hitzebeständige und verschleißfeste Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung des Al-Si-Cu-Mg-Legierungssubstrats in Massenprozent Si 9,5-12,0%, Cu 2,0-4,0%, Mg 0,6-0,8% ist, wobei der Rest Al ist.
Verbundverstärkte hitzebeständige und verschleißfeste Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrolegierungselemente Ti, Zr, Hf und V in den folgenden Mengen in Masseprozent zugesetzt werden: Ti 0,05-0,25%, Zr 0,05-0,25%, Hf 0,01-0,05% und V 0,08-0,25%.
Verbundverstärkte hitzebeständige und verschleißfeste Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Atomverhältnis von Al, Ti, Zr, V, Hf in der Al_1,5Ti_0,5Z_0,5V_0,5Hf_0,5-Legierung mit hoher Entropie für die Verbundverstärkung 1,5:0,5:0,5:0,5:0,5 beträgt, wobei die Menge der hinzugefügten Legierung mit hoher Entropie 1 Gew.-% bis 3 Gew.-% der Substrataluminiumlegierung beträgt.
Verbundverstärkte hitzebeständige und verschleißfeste Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Legierung vorhandene hitzebeständige und verschleißfeste Phase Si, Al₃Zr, Al₃Ti, Al₃Hf, Al₂Cu, Mg₂Cu, Mg₂Si und die Al_1,5Ti_0,5Zr_0,5V_0,5Hf_0,5-Verbundphase umfasst.
Verfahren zum Herstellung einer verbundverstärkten hitzebeständigen und verschleißfesten Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Schritte umfasst: Schritt 1: Schmelzen und Legieren, industrieller reiner Aluminiumblock wird in einem Heizofen geschmolzen, und Aluminium-Silizium-Legierung, Aluminium-Magnesium-Legierung, Aluminium-Kupfer-Legierung werden nacheinander zugegeben, und die Zusammensetzung wird so gesteuert, dass sie im Bereich von Si 9,5-12,0%, Cu 2,0-4,0%, Mg 0,6-0,8% in Massenprozent liegt, und dann wird Mikrolegieren von Ti, Zr, Hf und V durchgeführt, und der Legierungselementgehalt von Ti, Zr, Hf und V wird so gesteuert, dass er in Massenprozent bei Ti 0,05-0,25%, Zr 0,05-0,25%, Hf 0,01-0,05% und V 0,08-0,25% liegt; Schritt 2: Blasveredelung, unter Verwendung von Ar wird die Blasargonveredelung durchgeführt, die Temperatur der Blasargonveredelung wird auf 700-740°C geregelt; Schritt 3: Pulverspritzmischung, unter Verwendung von Ar-Gas als Trägergas wird das Al_1,5Ti_0,5Zr_0,5V_0,5Hf_0,5-Legierungspulver mit hoher Entropie in die Aluminiumlegierungsschmelze gespritzt, wobei es durch Blasen gleichmäßig gerührt wird, die Temperatur der Schmelze wird auf 700°C geregelt, und es wird für 10-15 Minuten stehen gelassen, bis es geformt wird; Schritt 4: Gießen und Formen: Einspritzen der Schmelze in die Gießmaschine und Gießen und Formen.
Verfahren zum Herstellung einer verbundverstärkten hitzebeständigen und verschleißfesten Aluminiumlegierung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Gießen in Schritt 4 um Druckgussformen handelt, bei dem die Schmelze mit einer Temperatur von 680-700°C in die Druckgussmaschine zum Druckgussformen eingespritzt wird und der Gießdruck bei 80-90 MPa liegt.
Verfahren zum Herstellung einer verbundverstärkten hitzebeständigen und verschleißfesten Aluminiumlegierung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin Schritt 5 umfasst: eine Mischkristall-Alterungsbehandlung, wobei die erhaltene Gusslegierung auf 530-540°C erhitzt, für 6-12 Stunden warmgehalten und dann mit dem Ofen abgekühlt wird.
Verfahren zum Herstellung einer verbundverstärkten hitzebeständigen und verschleißfesten Aluminiumlegierung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin Schritt 5 umfasst: eine Mischkristall-Wasserabschreckungs-Wärmebehandlung, wobei die in Schritt 4 erhaltene Gusslegierung nach dem Abkühlen auf die Raumtemperatur und nach dem Legen auf den Bereich von 535-545°C erhitzt und einer Mischkristall-Behandlung für 60-80 Minuten unterzogen wird; und wobei die Wasserabschreckung nach der Mischkristall-Behandlung durchgeführt wird, die Wassertemperatur der Wasserabschreckung im Bereich von 25-40°C liegt und die Zeit der Wasserabschreckung 30-60 Sekunden beträgt, und wobei nach der Wasserabschreckung die Gusslegierung aus dem Wasser austritt und auf die Raumtemperatur abgekühlt wird.
Verfahren zum Herstellung einer verbundverstärkten hitzebeständigen und verschleißfesten Aluminiumlegierung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt 5 eine Tiefkühlbehandlung umfasst, wobei nach der Wasserabschreckung und Oberflächentrocknung eine Tiefkühlbehandlung durchgeführt wird, und wobei eine Tiefkühlung bei -196°C mit flüssigem Stickstoff durchgeführt wird, und wobei die Tiefkühlhaltezeit 24-36 Stunden beträgt.