CN101205579A - 一种高强耐磨铝合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高强耐磨铝合金及其制备方法，该高强耐磨铝合金是在Al－Zn－Mg－Cu合金熔体中，置入Ti－C－Al预制块，通过原位反应在该Al－Zn－Mg－Cu合金熔体中生成TiC颗粒，再进行雾化喷射成形而成，其中，Ti－C－Al预制块的TiC置入量为Al－Zn－Mg－Cu合金的3.15～10.5％重量％。其制备方法是：(1)按Ti粉，石墨粉和铝粉压制成Ti－C－Al预制块备用；(2)将Al－Zn－Mg－Cu合金熔融；(3)、将Ti－C－Al预制块置于Al－Zn－Mg－Cu合金熔体中，进行原位反应；(4)进行雾化喷射成形，得到高强耐磨铝合金。本发明的铝合金是利用原位反应喷射成形工艺制备高强铝合金，实现了材料耐磨性能的改善。该合金具有高的强度，及良好的韧性和耐磨性能。

Description

一种高强耐磨铝合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种利用原位反应喷射成形工艺制备高强耐磨铝合金及其制备方法，实现了材料耐磨性能的改善，适用于材料制备技术领域。

背景技术

高强铝合金首先发展出的是Al-Zn-Mg系合金，Al-Zn-Mg系合金虽然可在空气中淬火，强化效果也高于2xxx系铝合金，但是当时由于存在难以克服的应力腐蚀现象并未得到实际应用。为了解决7xxx系铝合金的应力腐蚀和损伤容限问题，20世纪60年代工业发达国家在传统制备加工技术的基础上，通过优化7xxx系铝合金中各种主合金元素和微量合金元素的添加种类及含量开发了多种具有良好使用性能的高强高韧铝合金，被用于制造各种飞机的机身、机翼壳翼梁、机舱壁板、飞机和火箭中高强度结构零件。

20世纪70年代，工业发达国家结合对传统铸造及变形加工、后续热处理工艺的不断优化改进和挖掘潜力，使合金的极限抗拉强度(R_m)范围从早期的500～580MPa提高至630～680MPa，同时材料的塑性、断裂韧性和耐腐蚀性能也得到了提高。但是，传统的铸造技术制备的Al-Zn-Mg-Cu系合金铸锭中，一方面，Mg、Cu、和Zn元素在铝中的平均固溶度都很低，Zn含量不超过8％，Mg含量也不大于6％，从而使铝合金材料强度的提高受到极大限制，同时还易形成成分偏析；另一方面，常常见到粗大晶粒组织，在粗大晶粒的边界上，存在着大量的低熔点共晶和其他不溶杂质相，经过压力加工后，这些不易变形的相被破碎成一系列的细小块状体，它们在制品中沿着加工方向排列，给制品的力学性能带来不良影响，同时铝合金铸锭组织中还易出现羽毛状晶、浮游晶、粗大的金属间化合物和枞树组织等异常组织。这些情况严重影响了铸锭的成材率和材料的最终使用性能，并使世界上生产的这类合金的极限抗拉强度(R_m)长期以来很难突破700MPa大关。

20世纪90年代初，随着喷射成形技术的发展(喷射成形又称喷射雾化沉积，由雾化和沉积两个基本过程组成)，使得以生产规模制备各种超高强7xxx系铝合金变为现实。喷射成形工艺制造出来的材料力学性能优越，材料综合机械性能达到或超过快速凝固/粉末冶金材料，明显优于铸锭材料，因此，自该技术诞生以来，弥补了传统加工方法在技术上的不足或无法制作的缺陷，在工业发达国家获得迅速发展，以美国、德国为代表的工业发达国家在20世纪90年代中期就已经利用喷射成形技术成功地制备出了快速凝固超高强7000系铝合金，其主要应用包括导弹和火箭中的各种轻质高强零部件、超高速离心机转子、高速列车挂钩、赛车中的关键零部件等为了改善合金的韧性和抗蚀性。

Al-Zn-Mg系(7XXX系)合金由于具有比强度高、韧性好、综合性能优良等特点，一直是航空航天、推进和武器系统的重要材料。此外，汽车、IT工业设备、以及办公设备等应用对具有高比强度的高强铝合金有极高的需求，因为此类材料在高速运动部件中的应用表现出优异的特性。尤其是高性能材料在IT工业中的应用引起人们的关注。IT工业精密焊接机械需要高性能低密度材料来制造高速运动的部件，如高速焊接机械使用的焊丝喂丝机构，每秒钟需要高速移动多次，对轻质、高强和耐磨材料的要求十分迫切。随着现代工业的发展，对高强铝合金的性能提出了越来越高的要求，除了追求较高的抗拉强度以外，还要求合金具有优良的动态力学性能，即较高的断裂韧性、良好的抗疲劳性能以及抗应力腐蚀性能等。此外，还要求合金具有一定的耐磨性。

在2003年3月14日北京有色金属研究总院申请名为“一种超高强度高韧性铝合金材料及其制备方法”专利申请并授予专利权(专利号为03119605.5)。在该专利中，详细记载了关于喷射成形方法和所使用的设备的问题。喷射成形方法为：(1)按合金成分，配制预制合金锭；(2)升温将合金预制锭熔化后，采用惰性气体并通过雾化喷嘴进行雾化，雾化喷嘴以1～5HZ的频率高速扫描，雾化气体为高纯惰性气体，雾化压力为0.5～1.0Mpa；(3)在气雾化的同时，将雾化液沉积在接收装置上，即得到所需的铝合金材料。喷射成形设备采用非真空喷射成形设备，该非真空喷射成形设备包括有：感应加热熔炉、感应加热或电阻加热的中间包、导流管、气流雾化喷嘴，接收罐体，在接收罐体中安装接收装置。因此，喷射成形技术是一个很成熟的技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强耐磨铝合金，该合金具有高的强度，及良好的韧性和耐磨性能。

本发明的另一个目的是提供一种高强耐磨铝合金的制备方法，利用原位反应喷射成形工艺制备高强铝合金，实现了材料耐磨性能的改善。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种高强耐磨铝合金，该高强耐磨铝合金是在Al-Zn-Mg-Cu合金熔体中，置入Ti-C-Al预制块，通过原位反应在该Al-Zn-Mg-Cu合金熔体中生成TiC颗粒，再进行雾化喷射成形而成，其中，Ti-C-Al预制块的TiC置入量为Al-Zn-Mg-Cu合金的3.15～10.5重量％。

一种制备权利要求的高强耐磨铝合金的方法，该方法包括下述步骤：

(1)、按Ti粉，石墨粉和铝粉重量比例为14.9～15.3∶3.7～4.1∶1范围混合均匀，压制成Ti-C-Al预制块备用；

(2)、将Al-Zn-Mg-Cu合金熔融；

(3)、将Ti-C-Al预制块按相对于Al-Zn-Mg-Cu合金熔体的重量3.15～10.5％置于Al-Zn-Mg-Cu合金熔体中，进行原位反应；

(4)、进行雾化喷射成形，得到高强耐磨铝合金。

原位反应喷射成形方法是将原位反应和喷射成形结合为一体的材料制备工艺，其中，如前所述，喷射成形方法已是一个成熟的公知的方法。在此过程中，合金熔体释放的热量引发增强相颗粒原位生成，它们与基体界面无污染，结合强度高。后续经喷射成形制备的材料中形成大量弥散分布的原位增强颗粒，这些颗粒在合金的磨损过程中扮演了承担载荷的角色，提高了合金的耐磨性。

在所述的步骤(2)中，将Al-Zn-Mg-Cu合金熔化的温度为640-660℃。

在所述的步骤(3)中，将Al-Zn-Mg-Cu合金熔体加热到750～900℃时，将Ti-C-Al预制块加入到该熔体中。

在所述的步骤(4)中，雾化喷射所采用的雾化气体为氮气，雾化压力为0.6～0.8MPa，成形过程中的沉积距离即气流雾化喷嘴与接收装置的距离为350～500mm。

本发明的高强耐磨铝合金是通过改善喷射成形高强铝合金耐磨性的方法，实现合金磨损性能的提高，将TiC颗粒加入高强铝合金中，在喷射成形快速凝固的条件下，提高了合金中增强相的体积分数，改善了合金的磨损性能。

本发明的基理是：采用喷射成形工艺制备高强铝合金时，将Ti粉，石墨粉和铝粉按一定的比例范围(14.9～15.3∶3.7～4.1∶1，重量比)混合均匀，压制成一定尺寸的Ti-C-Al预制块备用。由于Ti-C-Al预制块中的Al含量很低，在后续融化过程中会溶入Al基体中，它对最终产品的性能没有影响。在坩埚中加热到650℃将高强铝合金融化，熔体过热到750～900℃时，用石墨钟罩将3.15～10.5％(重量比)的Ti-C-Al预制块压入合金溶液中，通过原位反应生成TiC颗粒，其中，根据Ti粉，石墨粉和铝粉重量比例范围为14.9～15.3∶3.7～4.1∶1，将3.15～10.5％(重量比)的Ti-C-Al预制块加入量，折合为TiC颗粒的置入量为3～10％(重量比)。反应完成后进行喷射成形，采用氮气作为雾化气体，雾化压力为0.6～0.8MPa，沉积距离为350～500mm。借助扫描电镜和透射电镜观察上述工艺制备的高强铝合金，发现合金组织中弥散分布着大量的原位TiC颗粒，它的存在改善了合金的磨损性能。

本发明的优点在于：在雾化喷射沉积前将Ti-C-Al预制块加入合金熔体中，也就是利用合金熔体释放的热量原位形成增强相颗粒，不改变喷射成形制备合金的基本过程。与此同时，在保证喷射成形高强铝合金具有高的强度和良好的韧性的同时，提高了合金的耐磨性能。

附图说明

图1为喷射成形7075铝合金在8.9N载荷下磨损表面的扫描电镜图象，其中，图1中的(a)为不加TiC颗粒的7075铝合金的扫描电镜图象；图1中的(b)为加入10％TiC颗粒后7075铝合金的扫描电镜图象

具体实施方式

实施例1

利用原位反应喷射成形技术制备了7075铝合金(Zn 5.7，Mg 2.5，Cu 1.8，Cr 0.2，Fe＜0.15，Si＜0.15，Mn＜0.15，余为Al(质量分数，％))，将Ti粉，石墨粉和铝粉按一定的比例范围(14.9～15.3∶3.7～4.1∶1，重量比)混合均匀，压制成一定尺寸的Ti-C-Al预制块备用。合金融化到750～900℃时，以TiC置入量为Al-Zn-Mg-Cu合金的5重量％计，将Ti-C-Al预制块加入合金中，反应完成后进行喷射成形，采用氮气作为雾化气体，雾化压力为0.6～0.8MPa，沉积距离为400mm。上述工艺制备了7075 Al和TiC/7075A1二种合金。在Falex-6型摩擦磨损试验机上进行干摩擦实验，结果表明，在载荷为8.9N时，加入5重量％TiC颗粒后合金的磨损率为8.1×10^-6g/m，而不加TiC颗粒的合金磨损率为9.6×10^-6g/m。由此可见，5％TiC原位颗粒喷射成形7075铝合金的磨损率降低了1.5×10^-6g/m。

实施例2

利用原位反应喷射成形技术制备了7075铝合金(Zn 5.7，Mg 2.5，Cu 1.8，Cr 0.2，Fe＜0.15，Si＜0.15，Mn＜0.15，余为Al(质量分数，％))，将Ti粉，石墨粉和铝粉按一定的比例(14.9～15.3∶3.7～4.1∶1，重量比)混合均匀，压制成一定尺寸的Ti-C-Al预制块备用。合金融化到750～900℃时，以TiC置入量为Al-Zn-Mg-Cu合金的10重量％计，将Ti-C-Al预制块加入合金中，反应完成后进行喷射成形，采用氮气作为雾化气体，雾化压力为0.6～0.8MPa，沉积距离为400mm。上述工艺制备的7075 Al和TiC/7075A1二种合金，在Falex-6型摩擦磨损试验机上进行干摩擦实验，载荷为8.9N。图1是二种合金的磨损表面的扫描电子图象，结果表明，如图1中的(b)所示，加入10重量％TiC颗粒后合金的磨损表面平滑，未发现明显的材料脱落；如图1中的(a)所示，而不加TiC颗粒的合金磨损表面出现了大面积的磨坑。由此可见，原位TiC颗粒改善了合金的磨损性能。

Claims (5)

1.一种高强耐磨铝合金，其特征在于：该高强耐磨铝合金是在Al-Zn-Mg-Cu合金熔体中，置入Ti-C-Al预制块，通过原位反应在该Al-Zn-Mg-Cu合金熔体中生成TiC颗粒，再进行雾化喷射成形而成，其中，Ti-C-Al预制块的TiC置入量为Al-Zn-Mg-Cu合金的3.15～10.5重量％。

2.一种制备权利要求的高强耐磨铝合金的方法，其特征在于：该方法包括下述步骤：

(1)、按Ti粉，石墨粉和铝粉重量比例为14.9～15.3∶3.7～4.1∶1范围混合均匀，压制成Ti-C-Al预制块备用；

(2)、将Al-Zn-Mg-Cu合金熔融；

(3)、将Ti-C-Al预制块按相对于Al-Zn-Mg-Cu合金熔体的重量3.15～10.5％置于Al-Zn-Mg-Cu合金熔体中，进行原位反应；

(4)、进行雾化喷射成形，得到高强耐磨铝合金。

3.根据权利要求2所述的方法，，其特征在于：在所述的步骤(2)中，将Al-Zn-Mg-Cu合金熔化的温度为640-660℃。

4.根据权利要求3所述的方法，，其特征在于：在所述的步骤(3)中，将Al-Zn-Mg-Cu合金熔体加热到750～900℃时，将Ti-C-Al预制块加入到该熔体中。

5.根据权利要求2或4所述的方法，，其特征在于：在所述的步骤(4)中，雾化喷射所采用的雾化气体为氮气，雾化压力为0.6～0.8MPa，成形过程中的沉积距离即气流雾化喷嘴与接收装置的距离为350～500mm。

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