一种耐磨铝合金及其制备方法转让专利
申请号 : CN201611080903.0
文献号 : CN106702227B
文献日 : 2018-05-11
发明人 : 杜军 , 吴桃泉 , 许德英 , 黄毅 , 曹东 , 李文芳 , 彭旋 , 吴春林
申请人 : 华南理工大学 , 广州金邦液态模锻技术有限公司
摘要 :
本发明公开了一种耐磨铝合金，其成分按重量百分比含有：10～12％Si；8～12％Mg；0.8～1.6％Fe；0.3～0.7％Mn；0.3～0.7％Cr；0.05～0.1％Sr；余量为铝。本发明还公开了上述耐磨铝合金的制备方法。本发明的耐磨铝合金采用Mn‑Cr元素复合变质，并辅以振动铸造工艺，使得Fe相从长针状变为颗粒状，优化了合金中Fe相形貌，硬度值显著提高，磨损过程中承载能力得以提高，耐磨性能明显改善，抗拉强度显著提升。
权利要求 :
1.一种耐磨铝合金，其特征在于，其成分按重量百分比含有：
10～12％ Si；
8～12％ Mg；
0.8～1.6％ Fe；
0.3～0.7％ Mn；
0.3～0.7％ Cr；
0.05～0.1％ Sr；
余量为铝。
2.权利要求1所述的耐磨铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)以富Fe铝材、纯Al、纯Mg、Al-20Si中间合金、Al-10Mn中间合金、Al-10Cr中间合金、Al-10Sr中间合金为原料，按成分称量原料；
(2)熔化步骤(1)称量的原料，得到熔体；
(3)对步骤(2)得到的熔体进行除气、除杂精炼并拔渣，继续静置2～5min出炉浇铸；
(4)对步骤(3)得到的熔体进行铸造成型，得到耐磨铝合金。
3.根据权利要求2所述的耐磨铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述铸造成型采用振动铸造成型工艺。
4.根据权利要求3所述的耐磨铝合金的制备方法，其特征在于，所述振动铸造成型，具体为：将步骤(3)得到的熔体浇注到已预热到190～210℃的金属型模具中，模具放置在振动频率为100～200Hz的振动台上，熔体在振动状态下凝固成型。
5.根据权利要求2所述的耐磨铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述熔化步骤(1)称量的原料，得到熔体，具体为：将富Fe铝材、纯Al、Al-10Mn、Al-20Si、Al-10Cr、Al-10Sr中间合金一起熔化，熔化温度为740～760℃，熔至半固态时加入纯Mg，并继续保温，待全部熔化后，升温至770～780℃，搅拌均匀，保温10～20min，得到熔体。
6.根据权利要求2所述的耐磨铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述精炼，具体为：加入2#精炼剂进行精炼除气，2#精炼剂的化学成分包含Na2SiF6、KCl、Na3AlF6和C2Cl6。
7.根据权利要求2所述的耐磨铝合金的制备方法，其特征在于，所述富Fe铝材为富Fe的A356再生铝合金。
说明书 :
一种耐磨铝合金及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及铝合金及其制备领域，特别涉及一种耐磨铝合金及其制备方法。
背景技术
[0002] 铝合金作为应用量仅次于钢铁材料的第二大金属结构材料，废杂铝的回收再利用是社会可持续发展的必然要求。由于铝合金部件使用过程中与Fe基部件的接触配合或利用Fe基连接件进行组装，因此废杂铝回收重熔后往往呈现高Fe含量，调查发现，再生铝硅合金Fe含量质量比一般都大于0.6％，甚至高达2～3％；而Fe在铝合金中主要以针状β-Fe相形式存在，严重地割裂基体，对铝合金的力学性能危害巨大，而目前尚无特别有效的除Fe技术，因此铝合金的高Fe含量很大程度上阻碍了再生铝在结构性部件的广泛使用。
[0003] 目前约80％再生铝合金主要应用于汽车发动机的零部件以实现汽车的轻量化，如气缸活塞等，而该类型的零部件则需要较高的耐高温磨损性能，对再生铝合金直接应用于汽车零部件提出了较高要求，如能由再生铝合金直接利用并制备出高耐磨的铝基合金材料，可为再生铝的拓展利用提供一条新的途径。
[0004] 公开号为CN104451280A的中国发明专利公开了一种含Fe的耐磨铝合金材料，其制备过程采用粉末压制后高温烧结成型法制备一种耐磨铝合金，具有良好的常温机械性能，提高了合金的耐磨性能。但该工艺首先需要制备粉体，然后进行粉末压制，成型过程较为复杂，成本较高，不利于实际生产。
发明内容
[0005] 为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种耐磨铝合金，硬度高，耐磨性能优异。
[0006] 本发明的另一目的在于提供上述耐磨铝合金的制备方法，改善合金的力学性能。
[0007] 本发明的目的通过以下技术方案实现：
[0008] 一种耐磨铝合金，其成分按重量百分比含有：
[0009]
[0010]
[0011] 所述的耐磨铝合金的制备方法，包括以下步骤：
[0012] (1)以富Fe铝材、纯Mg、纯Al、Al-10Mn中间合金、Al-10Cr中间合金、Al-10Sr中间合金为原料，按成分称量原料；
[0013] (2)熔化步骤(1)称量的原料，得到熔体；
[0014] (3)对步骤(2)得到的熔体进行除气、除杂精炼并拔渣，继续静置2～5min出炉浇铸；
[0015] (4)对步骤(3)得到的熔体进行铸造成型，得到耐磨铝合金。
[0016] 步骤(4)所述铸造成型采用振动铸造成型工艺。
[0017] 所述振动铸造成型，具体为：
[0018] 将步骤(3)得到的熔体浇注到已预热到190～210℃的金属型模具中，模具放置在振动频率为100～200Hz的振动台上，熔体在振动状态下凝固成型。
[0019] 步骤(2)所述熔化步骤(1)称量的原料，得到熔体，具体为：
[0020] 将富Fe铝材、纯Al、Al-10Mn、Al-20Si、Al-10Cr、Al-10Sr中间合金一起熔化，熔化温度为740～760℃，熔至半固态时加入纯Mg，并继续保温，待全部熔化后，升温至770～780℃，搅拌均匀，保温10～20min，得到熔体。
[0021] 步骤(3)所述精炼，具体为：
[0022] 加入2#精炼剂进行精炼除气，2#精炼剂的化学成分包含Na2SiF6、KCl、Na3AlF6和C2Cl6。
[0023] 所述富Fe铝材为富Fe的A356再生铝合金。
[0024] 与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
[0025] (1)本发明的耐磨铝合金采用Mn-Cr元素复合变质长针状Fe相，优化了合金中Fe相形貌。
[0026] (2)本发明的耐磨铝合金的制备方法，利用振动破碎原理，使得合金组织更加致密、均匀细小。
[0027] (3)本发明将组织变质与振动铸造工艺复合，利用协同作用从而显著提高了合金的硬度，充分发挥合金相的承载能力，耐磨性能显著提升，抗拉强度明显改善。
[0028] (4)本发明的耐磨铝合金主要以富Fe再生铝合金为原材料，来源丰富，成本低廉，成型工艺简单，易于实现工业化批量生产。
附图说明
[0029] 图1为对比例1 Al-12Si-10Mg-1.3Fe合金普通铸造条件下的扫描照片图。
[0030] 图2为实施例1 Al-10Si-10Mg-1.3Fe-0.3Mn-0.7Cr-0.05Sr合金普通铸造条件下的扫描照片图。
[0031] 图3为实施例2 Al-12Si-12Mg-0.8Fe-0.7Mn-0.3Cr-0.1Sr合金振动浇注条件下的扫描照片图。
[0032] 图4为实施例3 Al-12Si-10Mg-1.6Fe-0.5Mn-0.5Cr-0.1Sr合金振动浇注条件下的扫描照片图。
具体实施方式
[0033] 下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0034] 对比例1 Al-12Si-10Mg-1.3Fe合金的普通铸造法制备
[0035] 本实施例所用的原料包括富Fe再生铝合金、纯铝、纯Mg、Al-20Si中间合金。成型方法为：先按重量百分比：Si：12％，Mg：10％，Fe：1.3％，余量为Al。其中Fe利用富Fe再生A356铝合金进行调配，不足的Al量利用纯铝进行调配。在740℃条件下熔化富Fe再生A356铝合金、纯铝、Al-20Si合金，在熔化至半固态时再向熔体中加入已称量好的纯Mg，待全部熔化后，人工搅拌，使其成分均匀，升温至770℃，保温10min。用2#精炼剂(化学成分包含Na2SiF6、KCl、Na3AlF6和C2Cl6)进行精炼，静置5分钟，保持金属液的温度770℃，扒渣后浇注到已预热到200℃的金属型模具中，得到铸件。
[0036] 为了说明上述合金的组织和性能特性，本对比例首先制备了金相试样进行组织观察，并利用HB-3000型布氏硬度计测试合金的硬度值。同时制备了摩擦磨损试样，在M-2000型摩擦磨损试验机上测试合金耐磨性能，其中试样尺寸为10mm×10mm×6mm，载荷为200N，转速为214r/min，摩擦副材质为GCr15轴承钢，表面硬度为HRC60～62，直径为47mm，磨损时间为20min。采用AG-X100KN精密电子万能试验机进行室温拉伸性能测试，拉伸速度为0.5mm/min。测试结果见表1。
[0037] 图1为Al-12Si-10Mg-1.3Fe合金扫描照片，从图1中可以看出，合金组织主要存在颗粒状的Mg2Si相，长针状的Fe相。该合金的硬度值为95HBS。磨损量为10.2mg，磨损过程中由于长针状Fe相的存在，易于发生粘着转移并诱发剧烈的粘着磨损。其抗拉强度只有69MPa，发生明显的脆性断裂。
[0038] 实施例1 Al-10Si-10Mg-1.3Fe-0.3Mn-0.7Cr-0.05Sr合金的普通铸造法制备[0039] 本实施例所用的原料包括富Fe再生铝合金、纯铝、纯Mg、Al-20Si、Al-10Cr、Al-10Mn、Al-10Sr中间合金。成型方法为：先按重量百分比：Si：10％，Mg：10％，Fe：1.3％，Mn：
0.3％，Sr：0.7％，Sr：0.05％，余量为Al。其中Fe利用富Fe再生A356铝合金进行调配，不足的Al量利用纯铝进行调配。在740℃条件下熔化富Fe再生A356铝合金、纯铝、Al-20Si、Al-
10Cr、Al-10Mn、Al-10Sr合金，在熔化至半固态时再向熔体中加入已称量好的纯Mg，待全部熔化后，人工搅拌，使其成分均匀，升温至770℃，保温10min。用2#精炼剂进行精炼，静置5分钟，保持金属液的温度770℃，扒渣后浇注到已预热到190℃的金属型模具中凝固得到铸件。
0.3％，Sr：0.7％，Sr：0.05％，余量为Al。其中Fe利用富Fe再生A356铝合金进行调配，不足的Al量利用纯铝进行调配。在740℃条件下熔化富Fe再生A356铝合金、纯铝、Al-20Si、Al-
10Cr、Al-10Mn、Al-10Sr合金，在熔化至半固态时再向熔体中加入已称量好的纯Mg，待全部熔化后，人工搅拌，使其成分均匀，升温至770℃，保温10min。用2#精炼剂进行精炼，静置5分钟，保持金属液的温度770℃，扒渣后浇注到已预热到190℃的金属型模具中凝固得到铸件。
[0040] 为了说明本实施例所制备合金的组织和性能特性，对合金进行了组织观察，硬度、磨损和拉伸力学性能测试。测试方法与对比例1一致。测试结果见表1。
[0041] 图2为Al-12Si-10Mg-1.3Fe-0.3Mn-0.7Cr-0.05Sr合金扫描照片，本实施例与对比例1具有相同的相组成，但长针状Fe相被碎化，显著减小了长针状Fe相对于基体的割裂作用。该合金的硬度值为103HBS。磨损量为5.3mg，磨损机制主要以磨粒磨损为主，磨损过程中颗粒状Fe相较针状Fe相的承载能力显著增强，耐磨性能得以提高，其抗拉强度提高至99MPa。与对比例1相比，经Mn/Cr/Sr复合变质后合金相形态得以优化，合金耐磨性提高1倍，抗拉强度提高43％。
[0042] 实施例2 Al-12Si-12Mg-0.8Fe-0.7Mn-0.3Cr-0.1Sr合金的振动铸造法制备[0043] 本实施例所用的原料包括富Fe再生铝合金、纯铝、纯Mg、Al-20Si、Al-10Cr、Al-10Mn、Al-10Sr中间合金。成型方法为：先按重量百分比：Si：12％，Mg：12％，Fe：0.8％，Mn：
0.7％，Cr：0.3％，Sr：0.1％，余量为Al。其中Fe利用富Fe再生A356铝合金进行调配，不足的Al量利用纯铝进行调配。在760℃条件下熔化富Fe再生A356铝合金、纯铝、Al-20Si、Al-
10Cr、Al-10Mn、Al-10Sr合金，在熔化至半固态时再向熔体中加入用锡箔纸包覆已称量好的纯Mg，待全部熔化后，人工搅拌，使其成分均匀，升温至780℃，保温10min。用2#精炼剂进行精炼，静置5分钟，保持金属液的温度780℃，扒渣后浇注到已预热到210℃的金属型模具中,使其在振动条件下凝固，振动频率为100Hz，得到铸件。
0.7％，Cr：0.3％，Sr：0.1％，余量为Al。其中Fe利用富Fe再生A356铝合金进行调配，不足的Al量利用纯铝进行调配。在760℃条件下熔化富Fe再生A356铝合金、纯铝、Al-20Si、Al-
10Cr、Al-10Mn、Al-10Sr合金，在熔化至半固态时再向熔体中加入用锡箔纸包覆已称量好的纯Mg，待全部熔化后，人工搅拌，使其成分均匀，升温至780℃，保温10min。用2#精炼剂进行精炼，静置5分钟，保持金属液的温度780℃，扒渣后浇注到已预热到210℃的金属型模具中,使其在振动条件下凝固，振动频率为100Hz，得到铸件。
[0044] 为了说明本实施例所制备合金的组织和性能特性，对合金进行了组织观察，硬度、磨损和拉伸力学性能测试。测试方法与对比例1一致。测试结果见表1。
[0045] 图3为Al-12Si-10Mg-1.3Fe-0.7Mn-0.3Cr合金扫描照片，从图3中可以看出，本实施例与对比例1具有相同的相组成，其中硬质Fe相则由长针状的Fe相转变为了颗粒状或者花瓣状，降低了长针状Fe相对于基体的割裂作用，由于在振动条件下凝固，且组织更加细小致密。该合金的硬度值为106HBS。磨损量为4.9mg，磨损机制主要以磨粒磨损为主，磨损过程中颗粒状Fe相较针状Fe相的承载能力显著增强，耐磨性能得以提高，抗拉强度提高至116MPa。与对比例1相比，经Mn/Cr/Sr复合变质后并辅以振动铸造制备，合金耐磨性提高1倍，抗拉强度提高68％。
[0046] 实施例3 Al-12Si-10Mg-1.6Fe-0.5Mn-0.5Cr-0.1Sr合金的振动铸造法制备[0047] 本实施例所用的原料包括富Fe再生铝合金、纯铝、纯Mg、Al-20Si、Al-10Cr、Al-10Mn、Al-10Sr中间合金。成型方法为：先按重量百分比：Si：12％，Mg：10％，Fe：1.6％，Mn：
0.5％，Cr：0.5％，Sr：0.1％。其中Fe利用富Fe再生A356铝合金进行调配，不足的Al量利用纯铝进行调配。在750℃条件下熔化富Fe再生A356铝合金、纯铝、Al-20Si、Al-10Cr、Al-10Mn、Al-10Sr合金，在熔化至半固态时再向熔体中加入用锡箔纸包覆已称量好的纯Mg，待全部熔化后，人工搅拌，使其成分均匀，升温至775℃，保温10min。用2#精炼剂进行精炼，静置5分钟，保持金属液的温度775℃，扒渣后浇注到已预热到200℃的金属型模具中,使其在振动条件下凝固，振动频率为200Hz，得到铸件。
0.5％，Cr：0.5％，Sr：0.1％。其中Fe利用富Fe再生A356铝合金进行调配，不足的Al量利用纯铝进行调配。在750℃条件下熔化富Fe再生A356铝合金、纯铝、Al-20Si、Al-10Cr、Al-10Mn、Al-10Sr合金，在熔化至半固态时再向熔体中加入用锡箔纸包覆已称量好的纯Mg，待全部熔化后，人工搅拌，使其成分均匀，升温至775℃，保温10min。用2#精炼剂进行精炼，静置5分钟，保持金属液的温度775℃，扒渣后浇注到已预热到200℃的金属型模具中,使其在振动条件下凝固，振动频率为200Hz，得到铸件。
[0048] 为了说明本实施例所制备合金的组织和性能特性，对合金进行了组织观察，硬度、磨损和拉伸力学性能测试。测试方法与对比例1一致。测试结果见表1。
[0049] 图4为Al-12Si-10Mg-1.3Fe-0.5Mn-0.5Cr-0.1Sr合金扫描照片，从图4中可以看出，本实施例与对比例1具有相同的相组成，其颗粒状Fe相占比显著增加，对基体割裂效果显著降低。该合金的硬度值为108HBS，磨损机制主要以磨粒磨损为主，磨损量为4.7mg，抗拉强度提高至125MPa。与对比例1相比，经Mn/Cr/Sr复合变质后并辅以振动铸造制备，合金耐磨性提高1倍，抗拉强度提高81％。
[0050] 为了更好地说明本发明的实施效果，对其基本原理说明如下：
[0051] 在含Si和Fe铝合金体系中，在正常冷速凝固条件下，凝固结晶的稳定Fe相主要为β-Fe，该相为单斜晶系，在普通铸造凝固条件易于沿单一方向生长成为长针状。Mn作为中和变质元素与Fe具有相近的原子半径，能很好的固溶到针状Fe相中，形成稳定的AlSiFeMn四元化合物，比针状β-Fe相更为稳定，减少针状Fe相的形成，而倾向于生长成为花瓣状Fe相。Cr元素为典型的弥散相形成元素，微量的Cr元素易与Fe形成弥散相，抑制Fe相对生长；同时Cr原子在针状Fe相中的固溶度远大于其在α-Al中的固溶度，当Cr原子向Fe相中扩散时，阻碍了Fe原子的扩散，减缓了β-Fe相的生长，使得Fe相不易沿单一方向生长，而倾向于沿各个方向生长成为骨骼状和三角星状。而在Mn/Cr复合变质下，进一步增加了Fe相可能的生长方向，而抑制单向生长，最终得到明显的颗粒状或者球状Fe相。而振动铸造是将制备好的熔体浇注到具有一定振动频率的模具中，使熔体在振动条件下凝固结晶。细化晶粒主要分为增加形核和抑制晶核长大。由于振动对于枝晶的扰动作用，使正在长大的枝晶尖端被剪切折断，从而增加晶粒数量，细化晶粒；振动过程使的合金液的对流增加，使得溶质元素扩散均匀，抑制了晶粒长大从而细化晶粒。因此最终体现在合金相，特别是Fe相形态得以优化，组织致密，合金的耐磨性能改善，力学性能显著提升。
[0052] 表1：各合金的性能
[0053]样品 布氏硬度/HBS 磨损量/mg 抗拉强度/MPa
对比例1 95 10.2 69MPa
实施例1 103 5.3 99MPa
实施例2 106 4.9 116MPa
实施例3 108 4.7 125MPa
对比例1 95 10.2 69MPa
实施例1 103 5.3 99MPa
实施例2 106 4.9 116MPa
实施例3 108 4.7 125MPa
[0054] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。