高硬、高强、高韧铝合金及其制法及同步器齿环的制法

摘要

一种高硬、高强、高韧铝合金，其组成包括：7.36～10.21重量%的锌；2.18～3.56重量%的镁；1.9～2.8重量%的铜；0.15～0.40重量%的锆；0.12～0.36重量%的铁；0.05～0.45重量%的硅；0.01～0.03重量%的铒/镧/铈；余量为铝；以及不可避免的杂质。本发明还涉及一种制备上述高硬、高强、高韧铝合金的方法。本发明还涉及高硬、高强、高韧同步器齿环的制备方法。本发明通过对熔炼和热处理工艺进行改良，使得其制得的铝合金同时具有高硬度、高抗拉强度、高屈服强度的优良力学性能，当其用于制备同步器齿环时，制得的产品表面强度和耐磨性均大大提高，有利于提高产品的品质及使用寿命。

权利要求

1.一种高硬、高强、高韧铝合金，其特征在于，该铝合金的组成包括：9重量%的锌；3.5重量%的镁；2重量%的铜；0.2重量%的锆；0.2重量%的铁；0.1重量%的硅； 0.2重量%的铒；84.8重量%的铝；以及不可避免的杂质；其制备方法包括以下步骤：A、准备合金原料：预先备好含铝99.9重量%的铝块、含锌99.9重量%的锌块、含镁99.9重量%的镁块、含铜50重量%的铝铜中间合金块、含铒5重量%的铝-铒中间合金块的原料；

B、熔炼：以所述铝合金中铝、铜及铒的重量组成，将步骤A中备好的铝块、铝铜中间合金块以及铝-铒中间合金块投入熔铜炉中，加热至750℃-770℃，待充分熔化后扒渣并加入覆盖剂；

C、熔炼过程中，温度回落到720℃，以所述铝合金中锌的重量组成，加入步骤A中备好锌块，温度继续回落到700℃，以所述铝合金中镁的重量组成，加入步骤A中备好镁块，待溶化后扒渣处理；

D、精炼除气：通过向步骤C后获得的合金熔融液内吹入氯乙烷，产生气泡，气泡在上浮过程中，吸附夹杂物和/或氢，当吸附了夹杂物和/或氢的气泡上浮到液面被排除后，达到除气和除渣，得到精炼；

E、扒渣并静置20分钟，降温至680℃进行铸造成型铝棒料；

F、均匀化铝棒处理：将步骤E获得的铝棒料置于均匀化处理炉内进行均匀化处理；

G、挤压或模锻：将步骤F中获得的铝棒料置于中频炉中加温，并于模具内挤压成型，或者将步骤F中获得的铝棒料置于专用模锻设备上利用模具使毛坯成型而获得锻件；

H、将成型后的铸件脱模，以便后续机械加工处理。

2.如权利要求1所述的高硬、高强、高韧铝合金，其特征在于：在步骤C中还包括对扒渣后的合金熔融液进行取样分析，确定铝合金化学成分。

3.如权利要求2所述的高硬、高强、高韧铝合金，其特征在于：所述步骤F包括将步骤E获得的铝棒料置于均匀化处理炉内进行将稳定升至450℃-460℃持续24小时，再升温至470℃-500℃持续2小时。

4.如权利要求3所述的高硬、高强、高韧铝合金，其特征在于：所述步骤G包括将步骤F中获得的铝棒料置于中频炉中加温430摄氏度下持续15分钟，并于模具内挤压成型，其中模具内温度为400℃。

5.如权利要求4所述的高硬、高强、高韧铝合金，其特征在于：所述步骤C的扒渣处理包括扒渣前应先向合金熔融液上均匀撤入粉状熔剂，使渣与金属分离，有利于扒渣，扒渣后可向合金熔融液内加入步骤A中备好镁块，同时要用粉状熔剂进行覆盖，以防镁的烧损。

6.一种高硬、高强、高韧同步器齿环的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：采用如权利要求1-5中任意一项所述的高硬、高强、高韧铝合金的制备方法中的步骤A-步骤H制备出一具有高硬、高强、高韧的无缝铝合金管，将该无缝铝合金管进行割环，经过中频炉升温到

430℃预热15分钟，置于锻压模具上等温锻压形成后立即淬火进行固溶处理，然后进行淬火进行第一次时效处理，之后停火至自然冷却后再进行第二次时效处理，经过二次时效处理后再自然升温至110℃-130℃下进行第三次时效处理，第三次时效处理的处理时间为36小时。

7.如权利要求6所述一种高硬、高强、高韧同步器齿环的制备方法，其特征在于：所述固溶处理的处理温度为450℃-490℃，处理时间为1小时-2小时。

8.如权利要求7所述一种高硬、高强、高韧同步器齿环的制备方法，其特征在于：所述第一次时效处理的处理温度为120℃-140℃，处理时间为20小时-30小时。

9.如权利要求8所述一种高硬、高强、高韧同步器齿环的制备方法，其特征在于：所述第二次时效处理的处理温度为0摄氏度以下，处理时间为72小时。

说明书

高硬、高强、高韧铝合金及其制法及同步器齿环的制法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种铝合金，尤其是指一种高硬、高强、高韧铝合金及其制法及同步器齿环的制法。

背景技术

[0002] 铝合金是以铝为基的合金的总称，主要合金元素包括铜、硅、镁、锌、锰，次要元素含有镍、铁、钛、锂，合金中的主要元素含量、配比以及杂质含量对合金成品的性能有很大影响。

[0003] 汽车同步器是机械式齿轮传动变速器的关键部件，使用同步器换档轻便灵活，换档时齿轮、轴不受冲击，延长变速器寿命，减少劳动强度 ，提高汽车的动力性和燃油经济性。同步器承担换档、传递扭矩的作用，换档过程中同步器齿环要求具有较大的摩擦系数和较高的耐磨性，同步器的同步性能基本取决于同步器齿环的性能，是变速箱中关键、易损件。

[0004] 中国发明专利申请（申请号：201410191464.5，公开号：CN104789839A）披露了一种轻质高韧铝合金，其通过增加其组成中锌的含量及通过对熔炼和热处理工艺的改进，虽然一定程度上可以改善了铝合金的强度和硬度，使其大量适用于制作重量轻、韧性好和击球远的棒球，然而当其制得的铝合金应用于制备同步器齿环时，无论强度、硬度或者韧性均有待提高，制得的同步器齿环往往存在容易变形、容易磨损的缺陷。

发明内容

[0005] 本发明提供一种高硬、高强、高韧铝合金及其制法及同步器齿环的制法，其主要目的在于克服因铝合金强度、硬度、韧性不足而导致的同步器齿环容易变形及容易磨损的缺陷。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

[0007] 一种高硬、高强、高韧铝合金，该铝合金的组成包括：7.36～10.21重量%的锌；2.18～3.56 重量%的镁；1.9～2.8重量%的铜；0.15～0.40 重量%的锆；0.12～0.36 重量%的铁；0.05～0.45 重量%的硅；0.1～0.3 重量%的铒/镧/铈；余量为铝；以及不可避免的杂质。

[0008] 一种高硬、高强、高韧铝合金的制备方法，包括以下步骤：

[0009] A、准备合金原料：预先备好含铝99.9重量%的铝块、含锌99.9重量%的锌块、含镁99.9重量%的镁块、含铜50重量%的铝铜中间合金块、含铒/镧/铈5重量%的铝-铒/镧/铈中间合金块的原料；

[0010] B、熔炼：以上述铝合金中铝、铜及铒/镧/铈的重量组成，将步骤A中备好的铝块、铝铜中间合金块以及铝-铒/镧/铈中间合金块投入熔铜炉中，加热至750℃-770℃，待充分熔化后扒渣并加入覆盖剂；

[0011] C、熔炼过程中，温度回落到720℃，以上述铝合金中锌的重量组成，加入步骤A中备好锌块，温度继续回落到700℃，以如上述铝合金中镁的重量组成，加入步骤A中备好镁块，待溶化后扒渣处理；

[0012] D、精炼除气：通过向步骤C后获得的合金熔融液内吹入氯乙烷，产生气泡，气泡在上浮过程中，吸附夹杂物和/或氢，当吸附了夹杂物和/或氢的气泡上浮到液面被排除后，达到除气和除渣，得到精炼；

[0013] E、扒渣并静置20分钟，降温至680℃进行铸造成型铝棒料；

[0014] F、均匀化铝棒处理：将步骤E获得的铝棒料置于均匀化处理炉内进行均匀化处理；

[0015] G、挤压或模锻：将步骤F中获得的铝棒料置于中频炉中加温，并于模具内挤压成型，或者将步骤F中获得的铝棒料置于专用模锻设备上利用模具使毛坯成型而获得锻件；

[0016] H、将成型后的铸件脱模，以便后续机械加工处理。

[0017] 进一步的，在步骤C中还包括对扒渣后的合金熔融液进行取样分析，确定铝合金化学成分。

[0018] 进一步的，所述步骤F包括将步骤E获得的铝棒料置于均匀化处理炉内进行将稳定升至450℃-460℃持续24小时，再升温至470℃-500℃持续2小时。

[0019] 进一步的，所述步骤G包括将步骤F中获得的铝棒料置于中频炉中加温430摄氏度下持续15分钟，并于模具内挤压成型，其中模具内温度为400℃。

[0020] 进一步的，所述步骤C的扒渣处理包括扒渣前应先向合金熔融液上均匀撤入粉状熔剂，使渣与金属分离，有利于扒渣，扒渣后可向合金熔融液内加入步骤A中备好镁块，同时要用粉状熔剂进行覆盖，以防镁的烧损。

[0021] 一种高硬、高强、高韧同步器齿环的制备方法，包括以下步骤：A、准备合金原料：预先备好含铝99.9重量%的铝块、含锌99.9重量%的锌块、含镁99.9重量%的镁块、含铜50重量%的铝铜中间合金块、含铒/镧/铈5重量%的铝-铒/镧/铈中间合金块的原料；

[0022] B、熔炼：以上述铝合金中铝、铜及铒/镧/铈的重量组成，将步骤A中备好的铝块、铝铜中间合金块以及铝-铒/镧/铈中间合金块投入熔铜炉中，加热至750℃-770℃，待充分熔化后扒渣并加入覆盖剂；

[0023] C、熔炼过程中，温度回落到720℃，以上述铝合金中锌的重量组成，加入步骤A中备好锌块，温度继续回落到700℃，以上述铝合金中镁的重量组成，加入步骤A中备好镁块，待溶化后扒渣处理；

[0024] D、精炼除气：通过向步骤C后获得的合金熔融液内吹入氯乙烷，产生气泡，气泡在上浮过程中，吸附夹杂物和/或氢，当吸附了夹杂物和/或氢的气泡上浮到液面被排除后，达到除气和除渣，得到精炼；

[0025] E、扒渣并静置20分钟，降温至680℃进行铸造成型铝棒料；

[0026] F、均匀化铝棒处理：将步骤E获得的铝棒料置于均匀化处理炉内进行均匀化处理；

[0027] G、挤压或模锻：将步骤F中获得的铝棒料置于中频炉中加温，并于模具内挤压成型，或者将步骤F中获得的铝棒料置于专用模锻设备上利用模具使毛坯成型而获得锻件；

[0028] H、将成型后的铸件脱模，即可获得一无缝铝合金管，

[0029] I、将该无缝铝合金管进行割环，经过中频炉升温到430℃预热15分钟，置于锻压模具上等温锻压形成后立即淬火进行固溶处理，然后进行淬火进行第一次时效处理，之后停火至自然冷却后再进行第二次时效处理，经过二次时效处理后再自然升温至110℃-130℃下进行第三次时效处理，第三次时效处理的处理时间为36小时。

[0030] 进一步的，所述固溶处理的处理温度为470℃-480℃，处理时间为1小时-2小时。

[0031] 进一步的，所述第一次时效处理的处理温度为120℃-140℃，处理时间为20小时-30小时。

[0032] 进一步的，所述第二次时效处理的处理温度为0摄氏度以下，处理时间为72小时。

[0033] 和现有技术相比，本发明产生的有益效果在于:

[0034] 1、在本发明中，本申请人通过增加稀土元素铒/镧/铈的含量，并且降低铁和硅的含量，由于铁和硅会对铝合金硬度强度及韧性具有不利影响，因而本申请人无意中发现，可以通过加入少量的稀土元素铒/镧/铈，可以弥补因降低铁和硅含量而对铝合金其他性能的缺失，并且本申请人通过对熔炼和热处理工艺进行改良，使得其制得的铝合金同时具有高硬度、高抗拉强度、高屈服强度的优良力学性能，使强度、硬度或者韧性均相对于现有技术得到很大的提升，当其用于制备同步器齿环时，制得的产品表面强度和耐磨性均大大提高，有利于提高产品的品质及使用寿命。

[0035] 2、在本发明中，通过引入双级均匀化处理，可以使得铝合金的各个位置力学性能趋于一致，一方面可以有效降低铝合金制品内部相互间的剪应力，进而增加铝合金制品的强度、硬度及韧性，另一方面也可以有利于提高产品的一致性，减少表面裂纹，并使合金达到良好的铸造性能、机械加工性能和抛旋光性能。

[0036] 3、在本发明中，通过引入固溶处理及三次不同条件下的时效处理，可以翻倍地强化同步器齿环的强度、硬度、及韧性，使得该同步器齿环同时具有220-230HB的硬度、704MPa抗拉强度、670MPa的屈服强度的优良力学性能，使强度、硬度或者韧性均相对于现有技术得到很大的提升，使得同步器齿环产品表面强度和耐磨性均大大提高，有利于提高同步器齿环产品的品质及使用寿命。

具体实施方式

[0037] 下面说明本发明的具体实施方式。

[0038] 实施例一

[0039] 在本说明书中，铝合金所包含的成分均以该合金总重量为基准，并以重量百分比表示。

[0040] 首先，一种高硬、高强、高韧铝合金，该铝合金的组成包括：7.36～10.21重量%的锌；2.18～3.56 重量%的镁；1.9～2.8重量%的铜；0.15～0.40 重量%的锆；0.12～0.36 重量%的铁；0.05～0.45 重量%的硅；0.1～0.3 重量%的铒/镧/铈；余量为铝；以及不可避免的杂质。

[0041] 以下提供几组铝合金配比：

[0042] 1、一种高硬、高强、高韧铝合金，其组成包括：锌7.36%；镁2.18 %；铜1.9 %；锆0.15 %；铁0.12 %；硅0.05 %；镧0.1 %；铝88.14 %。

[0043] 2、一种高硬、高强、高韧铝合金，其组成包括：锌10.21%；镁3.56%；铜2.8%；锆0.40 %；铁0.36 %；硅0.45%；铒0.3 %；铝81.92%。

[0044] 3、一种高硬、高强、高韧铝合金，其组成包括：锌8%；镁2.5 %；铜2%；锆0.2%；铁0.2 %；硅0.1 %；铒0.2 %；铝86.8 %。

[0045] 4、一种高硬、高强、高韧铝合金，其组成包括：锌9%；镁3.5 %；铜2%；锆0.2%；铁0.2 %；硅0.1 %；铈0.2 %；铝84.8 %。

[0046] 5、锌8%；镁3.0 %；铜2.5%；锆0.2%；铁0.2 %；硅0.2 %；铒0.3 %；铝85.8 %。

[0047] 一种高硬、高强、高韧铝合金的制备方法，包括以下步骤：

[0048] A、准备合金原料：预先备好含铝99.9重量%的铝块、含锌99.9重量%的锌块、含镁99.9重量%的镁块、含铜50重量%的铝铜中间合金块、含铒/镧/铈5重量%的铝-铒/镧/铈中间合金块的原料。

[0049] B、熔炼：以上述铝合金任意一配方中铝、铜及铒/镧/铈的重量组成，将步骤A中备好的铝块、铝铜中间合金块以及铝-铒/镧/铈中间合金块投入熔铜炉中，加热至750℃-770℃，待充分熔化后扒渣并加入覆盖剂。

[0050] C、熔炼过程中，温度回落到720℃，以铝合金任意一配方中锌的重量组成，加入步骤A中备好锌块，温度继续回落到700℃，以铝合金任意一配方中镁的重量组成，加入步骤A中备好镁块，待溶化后扒渣处理；该步骤的扒渣处理包括扒渣前应先向合金熔融液上均匀撤入粉状熔剂，使渣与金属分离，有利于扒渣，扒渣后可向合金熔融液内加入步骤A中备好镁块，同时要用粉状熔剂进行覆盖，以防镁的烧损。

[0051] D、精炼除气：通过向步骤C后获得的合金熔融液内吹入氯乙烷，产生气泡，气泡在上浮过程中，吸附夹杂物和/或氢，当吸附了夹杂物和/或氢的气泡上浮到液面被排除后，达到除气和除渣，得到精炼。

[0052] E、扒渣并静置20分钟，降温至680℃进行铸造成型铝棒料。

[0053] F、均匀化铝棒处理：将步骤E获得的铝棒料置于均匀化处理炉内进行均匀化处理。该步骤可以具体为将步骤E获得的铝棒料置于均匀化处理炉内进行将稳定升至450℃-460℃持续24小时，再升温至470℃-500℃持续2小时。通过引入双级均匀化处理，可以使得铝合金的各个位置力学性能趋于一致，一方面可以有效降低铝合金制品内部相互间的剪应力，进而增加铝合金制品的强度、硬度及韧性，另一方面也可以有利于提高产品的一致性，减少表面裂纹，并使合金达到良好的铸造性能、机械加工性能和抛旋光性能。

[0054] G、挤压或模锻：将步骤F中获得的铝棒料置于中频炉中加温，并于模具内挤压成型，或者将步骤F中获得的铝棒料置于专用模锻设备上利用模具使毛坯成型而获得锻件。该步骤可以具体为将步骤F中获得的铝棒料置于中频炉中加温430摄氏度下持续15分钟，并于模具内挤压成型，其中模具内温度为400℃。当然将步骤F中获得的铝棒料还可以置于专用模锻设备上利用模具使毛坯成型而获得锻件。

[0055] H、将成型后的铸件脱模，以便后续机械加工处理，其中铸件脱模还可以进行模锻，即可将脱模后的铸件置于专用模锻设备上利用模具使毛坯成型而获得更好的锻件。

[0056] 在本实施例中，本申请人通过增加稀土元素铒/镧/铈的含量，并且降低铁和硅的含量，由于铁和硅会对铝合金硬度强度及韧性具有不利影响，因而本申请人无意中发现，可以通过加入少量的稀土元素铒/镧/铈，可以弥补因降低铁和硅含量而对铝合金其他性能的缺失，并且本申请人通过对熔炼和热处理工艺进行改良，使得其制得的铝合金同时具有高硬度、高抗拉强度、高屈服强度的优良力学性能，使强度、硬度或者韧性均相对于现有技术得到很大的提升，当其用于制备同步器齿环时，制得的产品表面强度和耐磨性均大大提高，有利于提高产品的品质及使用寿命。

[0057] 实施例二

[0058] 根据需要设计的同步器齿环准备以下几组铝合金配方：

[0059] 配方一、锌7.36%；镁2.18 %；铜1.9 %；锆0.15 %；铁0.12 %；硅0.05 %；铒0.1 %；铝88.14 %。

[0060] 配方二、锌10.21%；镁3.56%；铜2.8%；锆0.40 %；铁0.36 %；硅0.45%；铒0.3 %；铝81.92%。

[0061] 配方三、锌8%；镁2.5 %；铜2%；锆0.2%；铁0.2 %；硅0.1 %；铒0.2 %；铝86.8 %。

[0062] 配方四、锌9%；镁3.5 %；铜2%；锆0.2%；铁0.2 %；硅0.1 %；铒0.2 %；铝84.8 %。

[0063] 配方五、锌8%；镁3.0 %；铜2.5%；锆0.2%；铁0.2 %；硅0.2 %；铒0.3 %；铝85.8 %。

[0064] 本实施例中同步器齿环的制备工艺包括以下步骤：

[0065] A、准备合金原料：预先备好含铝99.9重量%的铝块、含锌99.9重量%的锌块、含镁99.9重量%的镁块、含铜50重量%的铝铜中间合金块、含铒/镧/铈5重量%的铝-铒/镧/铈中间合金块的原料。

[0066] B、熔炼：以上述铝合金任意一配方中铝、铜及铒/镧/铈的重量组成，将步骤A中备好的铝块、铝铜中间合金块以及铝-铒/镧/铈中间合金块投入熔铜炉中，加热至750℃-770℃，待充分熔化后扒渣并加入覆盖剂。

[0067] C、熔炼过程中，温度回落到720℃，以铝合金任意一配方中锌的重量组成，加入步骤A中备好锌块，温度继续回落到700℃，以铝合金任意一配方中镁的重量组成，加入步骤A中备好镁块，待溶化后扒渣处理；该步骤的扒渣处理包括扒渣前应先向合金熔融液上均匀撤入粉状熔剂，使渣与金属分离，有利于扒渣，扒渣后可向合金熔融液内加入步骤A中备好镁块，同时要用粉状熔剂进行覆盖，以防镁的烧损。

[0068] D、精炼除气：通过向步骤C后获得的合金熔融液内吹入氯乙烷，产生气泡，气泡在上浮过程中，吸附夹杂物和/或氢，当吸附了夹杂物和/或氢的气泡上浮到液面被排除后，达到除气和除渣，得到精炼。

[0069] E、扒渣并静置20分钟，降温至680℃进行铸造成型铝棒料。

[0070] F、均匀化铝棒处理：将步骤E获得的铝棒料置于均匀化处理炉内进行均匀化处理。该步骤可以具体为将步骤E获得的铝棒料置于均匀化处理炉内进行将稳定升至450℃-460℃持续24小时，再升温至470℃-500℃持续2小时。通过引入双级均匀化处理，可以使得铝合金的各个位置力学性能趋于一致，一方面可以有效降低铝合金制品内部相互间的剪应力，进而增加铝合金制品的强度、硬度及韧性，另一方面也可以有利于提高产品的一致性，减少表面裂纹，并使合金达到良好的铸造性能、机械加工性能和抛旋光性能。

[0071] G、挤压或模锻：将步骤F中获得的铝棒料置于中频炉中加温，并于模具内挤压成型。该步骤可以具体为将步骤F中获得的铝棒料置于中频炉中加温430摄氏度下持续15分钟，并于模具内挤压成型，其中模具内温度为400℃。

[0072] H、将成型后的铸件脱模，即可获得一无缝铝合金管，

[0073] I、将该无缝铝合金管进行割环，经过中频炉升温到430℃预热15分钟，置于锻压模具上等温锻压形成后立即淬火进行固溶处理，然后进行淬火进行第一次时效处理，之后停火至自然冷却后再进行第二次时效处理，经过二次时效处理后再自然升温至110℃-130℃下进行第三次时效处理，第三次时效处理的处理时间为36小时。其中，本步骤所述固溶处理的处理温度为470℃-480℃，处理时间为1小时-2小时。本步骤所述第一次时效处理的处理温度为120℃-140℃，处理时间为20小时-30小时。本步骤所述第二次时效处理的处理温度为0摄氏度以下，处理时间为72小时。

[0074] 在本实施例中，通过引入固溶处理及三次不同条件下的时效处理，可以翻倍地强化同步器齿环的强度、硬度、及韧性，使得该同步器齿环同时具有220-230HB的硬度、704MPa抗拉强度、670MPa的屈服强度的优良力学性能，使强度、硬度或者韧性均相对于现有技术得到很大的提升，使得同步器齿环产品表面强度和耐磨性均大大提高，有利于提高同步器齿环产品的品质及使用寿命。

[0075] 经过以上工艺处理的合金力学性能测试结果如下

[0076]序号 硬度（HB） 抗拉强度（MPa） 伸长率（%） 屈服强度（MPa）
配方一 220-230 704 5 687
配方二 215 656 14 618
配方三 215 682 10.8 650
配方四 215 660 10.3 649
配方五 215 678 11.5 638

[0077] 上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。