CN114774728B - 一种耐磨铝合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种耐磨铝合金及其制备方法，属于有色金属技术领域。所述铝合金中的化学成分按质量百分数计为：10.4～11.8％的Si、1.5～2.5％的Zr、1.2～2.2％的Ti、0.05～0.1％的Cu、1.2～1.7％的Sn、0.5～0.7％的Mn、1.4～2.4％的Nb、0.07～0.2％的Fe、0.03～0.15％的Ni、0.05～0.15％的Cr、0.14～0.22％的V、0.2～0.25％的Mo，余量为Al。其制备方法是首先通过高能球磨机械合金化之后，再通过微波烧结、低温轧制、真空退火处理和磁场深冷处理制备而成。本发明通过优选硅、锆、铜、镍、锰等元素的含量，并加入铬、钒、钼、锡元素，借助机械合金化实现不同元素的原子与原子之间的强行固溶，运用微波烧结技术、低温轧制技术和磁场深冷技术，细化晶粒、提高致密性，并形成变形应力强化，提高铝合金的硬度和耐磨性。
Description
技术领域
本发明属于铝合金材料领域，具体涉及一种新型高耐磨铝合金及其制备方法。
背景技术
铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢；但是铝合金的耐磨性能和硬度一般低于其他合金，这导致了其适用范围受限。
随着世界各国对能源需求的日益扩大，密度小、比强度和比刚度高的材料越来越受到设计者和材料科技工作者的重视；目前，世界各国研究的轻量化材料主要有:铝合金、镁合金、锂合金和钛合金等；由于铝的资源丰富，并且铝合金具有密度小、强度重量比大、耐腐蚀性能强、加工性能和焊接性能好等特点，使铝合金已经广泛地应用于航空、航天、汽车、机械等各领域；以铝代钢可以大大减轻零件的重量、节约能源、降低成本和减少环境污染。
对于航空、航天产品而言，提高飞机、导弹等性能的重要环节就是对其结构部件的减重；铝合金作为航空产品的主要结构材料之一，适用于铸造生产形状复杂、比强度要求高、整体性能要求均一的零件；在现代汽车工业，由于能源、环境、安全方面的原因，对汽车轻量化的要求也越来越迫切；铝合金作为汽车轻量化的首选材料，已经广泛应用于汽车的底盘、车身、发动机、转向系统、制动器及各种附件。
然而，作为机械部件材料的铝合金本身具有硬度低、耐磨损性能差、摩擦系数高、不容易润滑等缺陷，这些都大大限制了铝合金的应用范围；因为铝合金表面耐磨损性能差，导致工件的使用寿命缩短；又由于铝合金表面摩擦系数高，既加速了自身的磨损、增加了能量的损耗、也导致了对偶材料的磨损；因此，改善铝合金表面的摩擦学性能有利于节约能源、降低成本、提高生产率和经济效益。
近年来，为了改善铝合金表面的摩擦学性能，许多学者对铝合金进行了一些表面处理，这些表面处理方法主要有:表面喷涂、磁控溅射、激光熔覆、粘结固体润滑剂、阳极氧化和微弧氧化等；表面喷涂虽然工艺较简单，但是所得膜层的硬度、致密性和膜基结合力通常难以达到理想的效果；磁控溅射和激光熔覆往往需要较高的处理温度，这样容易造成基体的退化，而且这两种工艺的成本太高；在铝合金基体上粘结的固体润滑剂膜层并没有一定的硬度，不适合重载的工况应用条件；阳极氧化膜层的厚度和硬度还不够要求，而且前处理过程复杂，处理过程对温度要求严格；微弧氧化因其特殊的成膜原理和成膜过程，制备的膜层不可避免的存在微孔及微裂纹、表面粗糙、主要物相耐酸腐蚀性差等缺点，这限制了微弧氧化膜层性能的改善。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型高耐磨的铝合金及其制备方法，解决现有铝合金耐磨性不佳、硬度较低的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种耐磨铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)称量铝合金粉末：将Si、Zr、Ti、Cu、Sn、Mn、Nb、Fe、Ni、 Cr、V、Mo的粉末，按照以下质量百分比组成称量混合，10.4～11.8％的Si、1.5～2.5％的Zr、1.2～2.2％的Ti、0.05～0.1％的Cu、1.2～1.7％的Sn、0.5～0.7％的Mn、1.4～2.4％的Nb、0.07～0.2％的Fe、0.03～0.15％的Ni、0.05～0.15％的Cr、0.14～0.22％的V、0.2～0.25％的Mo，余量为Al；粉末的粒度在100-200目；
步骤(2)高能球磨合金化：混合的金属粉末装入氧化锆球磨罐中，将球磨罐抽真空，采用行星式球磨机进行球磨、干燥后，获得合金化的铝合金粉末；
步骤(3)冷等静压成型：将步骤(2)制备的铝合金粉末放入橡胶模具中进行冷等静压成型，静压力400MPa，保压时间30min，得到生坯；
步骤(4)微波烧结：将步骤(3)所得的生坯放入微波烧结马弗炉中进行微波烧结；
步骤(5)低温轧制：将步骤(4)所得的微波烧结试样放入液氮中浸泡，之后进行低温轧制；
步骤(6)真空退火：将步骤(5)低温轧制之后的试样进行真空退火处理；
步骤(7)磁场深冷处理：将步骤(6)所得的试样放入磁场中进行深冷处理。
进一步地，所述步骤(2)中，磨球时，球磨球按照15mm大球、10mm中球、5mm小球的数量按质量比1:2:4来配比，球料比按5:1，球磨介质为无水乙醇，无水乙醇与粉料比为3:5。
进一步地，球磨转速为320～400r/min，球磨时间为8～12个小时；当球磨结束后，将制备好的合金粉末用真空干燥箱干燥，干燥温度70～80℃，干燥时间 36h。
进一步地，步骤(4)中所述微波烧结采用的参数为：升温速率为35～50℃ /min，烧结温度为570～700℃，烧结时间为60～80min。
进一步地，步骤(5)中轧制前先将试样浸泡于液氮中保持10～20min，使试样温度降低至液氮温度；轧制过程中在轧辊上喷淋液氮；轧制的变形量为 10％～70％。
进一步地，步骤(6)中所述的真空退火是：在真空条件下采用分步退火，第一步在400～500℃，保温时间1～3h，然后空冷至室温，第二步在220～300℃，保温20～40min，然后空冷至室温。
进一步地，步骤(7)中所述的磁场深冷处理所采用的磁场为脉冲磁场，磁感应强度为2.5～3T，脉冲数30次。
进一步地，步骤(7)中所述的磁场深冷处理的温度为-110℃～-196℃，深冷时间为24～48小时。
所述制备方法制备的耐磨铝合金。
本发明的有益效果为：
1)本发明通过多元素微合金化，提高合金的硬度和耐磨性，在合金中添加硅、锆、钛、铜、锡、锰、铌、铁、镍、铬、钒和钼元素，能显著提高铝合金的耐磨性能。与现有的铝-硅系铸造耐磨铝合金和铝-锌-镁-铜系、铝-铜系高强耐磨铝合金相比，不使用资源少、价格高的钇、锶等稀土类、碱金属类变质剂，降低环境污染和成本；本发明通过优选硅、锆、铜、镍、锰等元素的含量，并加入铬、钒、钼、锡元素，这些元素与铝、硅、锆、铜、镍、锰易于通过机械合金化的方法生成高强韧耐磨合金；材料的抗拉强度提高到800MPa以上，比现有的高强铝合金提高约30％以上，合金硬度高、弥散强化相细小，耐磨性比七系耐磨铝合金显著提高，约18.09％。
2)相比于传统的熔融制备方法，本发明所用的机械合金化是一种通过非平衡的手段进行不同元素的原子与原子之间的强行固溶，最后可以获得晶粒细小、成分和组织分布均匀的合金粉末的化合技术；机械合金化的优点在于它能够不用考虑原料的熔点问题，不论是熔化温度过高还是熔点差别过大，都能够有效地解决使它们化合在一起，而且得到的合金成分均匀不存在偏析的现象，用这种方法制备的合金不会存在缩松缩孔的问题，而且合金的晶粒尺寸比较细小，能够有效地提高铝合金的硬度和耐磨性。
3)本发明中，运用了微波烧结技术，其拥有低温快烧的优点，可使材料内部形成均匀的细晶结构和高致密性，从而改善材料性能；同时微波烧结加热时，材料各部分几乎没有温差，颗粒均匀地分布在粉末中，几乎没有诸如偏析等缺陷，并且极大地改善了铝合金性能。
4)本发明中，运用了液氮低温轧制，随着轧制变形量的提高，材料的强度和塑性同时提高，强度的提高是因为塑性变形引起了位错密度的增加，塑性的提高是因为高密度的预存位错在应力作用下开动并形成了纳米晶和亚晶。
5)本发明中，运用了，促进孪晶和亚晶组织生成，促进相变，提高材料致密度，从而提高了材料的耐磨性。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围；在以下的实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。
铝合金的显微硬度实验在数显显微硬度计上进行；铝合金的磨损实验在 MMU-5GA微机控制高温摩擦磨损试验机上进行；试样尺寸:4.8mm×12.7mm的销试样，对磨材料为GCr15钢加工成D54mm×8mm的盘试样；采用干滑动摩擦磨损，实验温度采取25℃，载荷选取150N，转动速度为50r/min，磨损时间为20min；耐磨性用磨损失重来表达。
实施例1：
本实施例中的耐磨铝合金的组成为：10.4％的Si、1.5％的Zr、1.2％的Ti、0.05％的Cu、1.2％的Sn、0.5％的Mn、1.4％的Nb、0.07％的Fe、0.03％的Ni、0.05％的 Cr、0.14％的V、0.2％的Mo，余量为Al。
本发明的耐磨铝合金的制备方法采用以下步骤：
步骤(1)、配制铝合金粉末：
将Si、Zr、Ti、Cu、Sn、Mn、Nb、Fe、Ni、Cr、V、Mo的粉末，按照所述权利要求1的质量百分比组成配制，所有这些粉末的粒度在100-200目，纯度为 99.9％级别。
步骤(2)、高能球磨合金化：
按照步骤(1)配制的金属粉末装入氧化锆球磨罐中，然后将球磨罐抽真空，采用行星式球磨机进行球磨，磨球按直径分三个级别，大球：15mm；中球：10mm；小球：5mm，球磨球数量配比按质量比1:2:4，球料比按5:1，球磨介质为无水乙醇，无水乙醇与粉料比为3:5，球磨转速为400r/min，球磨时间为10个小时；当球磨结束后，将制备好的合金粉末用真空干燥箱干燥，干燥温度75℃，干燥时间36h，获得合金化粉末。
步骤(3)、冷等静压成型：
将步骤(2)制备的合金化粉末放入橡胶模具中进行冷等静压成型，静压力400MPa，保压时间30min，得到生坯。
步骤(4)、微波烧结：
将步骤(3)所得的生坯放入微波烧结马弗炉中进行微波烧结，烧结温度为 570℃，烧结时间为80min，升温速率为35℃/min。
步骤(5)、低温轧制：
将步骤(4)所得的微波烧结试样放入液氮中浸泡10min，之后进行低温轧制，轧制的变形量为20％。
步骤(6)、真空退火：
将步骤(5)低温轧制之后的试样进行真空退火处理，在真空条件下采用分步退火，第一步在400℃，保温时间2h，然后空冷至室温，第二步在220℃，保温30min，然后空冷至室温。
步骤(7)、磁场深冷处理：
将步骤(6)所得的试样放入磁场中进行深冷处理，磁场为脉冲磁场，磁感应强度为2.5T，脉冲数30次；深冷处理的温度为-110℃，深冷时间为24h。
对实施例1制备的铝合金进行摩擦磨损试验和显微硬度试验，实验结果如表1所示。
实施例2：
本实施例的耐磨铝合金的组成为：10.9％的Si、2％的Zr、1.7％的Ti、0.07％的Cu、1.5％的Sn、0.6％的Mn、1..7％的Nb、0.15％的Fe、0.12％的Ni、0.1％的 Cr、0.19％的V、0.21％的Mo，余量为Al。
本发明的耐磨铝合金的制备方法采用以下步骤：
步骤(1)、配制铝合金粉末：
将Si、Zr、Ti、Cu、Sn、Mn、Nb、Fe、Ni、Cr、V、Mo的粉末，按照所述权利要求1的质量百分比组成配制，所有这些粉末的粒度在100-200目，纯度为 99.9％级别。
步骤(2)、高能球磨合金化：
按照步骤(1)配制的金属粉末装入氧化锆球磨罐中，然后将球磨罐抽真空，采用行星式球磨机进行球磨，磨球按直径分三个级别，大球：15mm；中球：10mm；小球：5mm，球磨球数量配比按质量比1:2:4，球料比按5:1，球磨介质为无水乙醇，无水乙醇与粉料比为3:5，球磨转速为400r/min，球磨时间为10个小时；当球磨结束后，将制备好的合金粉末用真空干燥箱干燥，干燥温度75℃，干燥时间36h，获得合金化粉末。
步骤(3)、冷等静压成型：
将步骤(2)制备的合金化粉末放入橡胶模具中进行冷等静压成型，静压力400MPa，保压时间30min，得到生坯。
步骤(4)、微波烧结：
将步骤(3)所得的生坯放入微波烧结马弗炉中进行微波烧结，烧结温度为 620℃，烧结时间为70min，升温速率为40℃/min。
步骤(5)、低温轧制：
将步骤(4)所得的微波烧结试样放入液氮中浸泡15min，之后进行低温轧制，轧制的变形量为45％。
步骤(6)、真空退火：
将步骤(5)低温轧制之后的试样进行真空退火处理，在真空条件下采用分步退火，第一步在450℃，保温时间1h，然后空冷至室温，第二步在250℃，保温20min，然后空冷至室温。
步骤(7)、磁场深冷处理：
将步骤(6)所得的试样放入磁场中进行深冷处理，磁场为脉冲磁场，磁感应强度为3T，脉冲数30次；深冷处理的温度为-196℃，深冷时间为36h。
对实施例2制备的铝合金进行摩擦磨损试验和显微硬度试验，实验结果如表1所示。
对比例1：
为说明本发明的技术效果，选择商业化7075铝合金进行性能对比实验，对比例1采用市售的7075变形铝合金，对其进行摩擦磨损试验和显微硬度实验，方法详见具体实施方式，实验结果如表1所示。
对比例2：
采用与实施例1完全相同的铝合金成分，采用熔炼合金化-吹气精炼-半连铸成型-T6热处理的传统生产耐磨铝合金的方法制备了铝合金铸坯，取铸坯试样进行与对实施例1完全相同的性能测试实验，得到对比例2的实验对比数据，汇总至表1，从对比结果可知，采用本发明的制备方法，材料耐磨性和硬度都有显著提升。
对比例3：
采用与对比例1完全相同的7075铝合金成分，只采用本发明的制备方法，制备过程与实施例2完全相同，获得了7075铝合金块体，取对比例3的试样进行与对实施例2完全相同的性能测试实验，得到对比例3的实验对比数据，汇总至表1，从对比结果可知，采用本发明的制备方法，材料耐磨性和硬度都有显著提升。
表1不同铝合金摩擦磨损性能和显微硬度
通过表1的实施例和对比例的性能测试结果对比可以看出，由本发明耐磨铝合金及制备方法，相对比与目前商业化的耐磨铝合金在成分和制备方法方面都具有性能方面的优势，体现了本发明的进步性，也就是按照本发明，能够制备出一种具有高耐磨性的铝合金。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种耐磨铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)称量铝合金粉末：将Si、Zr、Ti、Cu、Sn、Mn、Nb、Fe、Ni、Cr、V、Mo的粉末，按照以下质量百分比组成称量混合，10.4～11.8％的Si、1.5～2.5％的Zr、1.2～2.2％的Ti、0.05～0.1％的Cu、1.2～1.7％的Sn、0.5～0.7％的Mn、1.4～2.4％的Nb、0.07～0.2％的Fe、0.03～0.15％的Ni、0.05～0.15％的Cr、0.14～0.22％的V、0.2～0.25％的Mo，余量为Al；
步骤(2)高能球磨合金化：混合的金属粉末装入氧化锆球磨罐中，将球磨罐抽真空，采用行星式球磨机进行球磨、干燥后，获得合金化的铝合金粉末；
步骤(3)冷等静压成型：将步骤(2)制备的铝合金粉末放入橡胶模具中进行冷等静压成型，制成生坯；
步骤(4)微波烧结：将步骤(3)所得的生坯放入微波烧结马弗炉中进行微波烧结，烧结温度为570～700℃；
步骤(5)低温轧制：将步骤(4)所得的微波烧结试样放入液氮中浸泡，使试样温度降低至液氮温度；之后进行低温轧制，轧制过程中在轧辊上喷淋液氮；轧制的变形量为10％～70％；
步骤(6)真空退火：将步骤(5)低温轧制之后的试样进行真空退火处理；所述的真空退火是：在真空条件下采用分步退火，第一步在400～500℃，保温时间1～3h，然后空冷至室温，第二步在220～300℃，保温20～40min，然后空冷至室温；
步骤(7)磁场深冷处理：将步骤(6)所得的试样放入磁场中进行深冷处理；所述的磁场深冷处理所采用的磁场为脉冲磁场，磁感应强度为2.5～3T，脉冲数30次；所述的磁场深冷处理的温度为-110℃～-196℃，深冷时间为24～48小时。
2.如权利要求1所述的耐磨铝合金的制备方法，其特征在于：步骤(1)中粉末的粒度在100-200目。
3.如权利要求1所述的耐磨铝合金的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，磨球时，球磨球按照15mm大球、10mm中球、5mm小球的数量按质量比1:2:4来配比，球料比按5:1，球磨介质为无水乙醇，无水乙醇与粉料比为3:5。
4.如权利要求1所述的耐磨铝合金的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，球磨转速为320～400r/min，球磨时间为8～12个小时；当球磨结束后，将制备好的合金粉末用真空干燥箱干燥，干燥温度70～80℃，干燥时间36h。
5.如权利要求1所述的耐磨铝合金的制备方法，其特征在于：步骤(4)中所述微波烧结采用的参数为：升温速率为35～50℃/min，烧结时间为60～80min。
6.如权利要求1所述的耐磨铝合金的制备方法，其特征在于：步骤(5)中轧制前先将试样浸泡于液氮中保持10～20min。
7.权利要求1-6中任一项所述制备方法制备的耐磨铝合金。
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