CN116024463A - 一种高硬低摩擦系数铝合金材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高硬低摩擦系数铝合金材料及其制备方法，通过向铝合金高温熔体中引入少量的玻璃碳和混合稀土元素，极大地提高了铝合金性能，特别是高硬度、低的摩擦系数，另外还获得了高的强度和延伸率，可以免热处理用于铸造。

Description

一种高硬低摩擦系数铝合金材料及其制备方法

技术领域

技术领域

本发明属于新材料技术领域，具体涉及一种铝合金材料及其制备方法。

背景技术

铝合金具有密度小。比刚度、比强度高、导热导电性能良好、塑性好、膨胀系数小等在很多领域应用广泛。但是铝合金存在硬度低，耐磨性差，摩擦系数高等缺点。铝合金是比较软的材料，容易被磨损，产生缺陷，在硬度要求高的工况下难以使用，例如螺栓、螺帽、螺丝等摩擦磨损严重的部件。铝合金硬度范围在维氏110-135之间，远低于钢铁件，提高铝合金硬度实现以铝代钢可以大大扩展铝合金的使用范围。决定材料的性能的因素有很多，而金属材料的性能主要受组织结构的影响。 铝合金有重量轻，易加工成型，优越的经济型而受到广泛应用，铝本身具有延伸率较高的特性，因要满足压铸工艺，同时需具备脱模性，流动性，并且各项机械性能都要达标，目前主流的压铸铝合金都需通过热处理来将延伸率提高到10%以上。热处理的目的是提高铝合金的强度、硬度和耐腐蚀性能。

铝合金热处理技术就是选用某一热处理规范，在热处理铝合金产品时控制加热速度升到某一相应温度下保温一定时间以一定速度冷却，改变其合金的结构组织的一种技术。具体过程和机理包括退火、淬火和时效处理等，其中退火是将铸件内应力去除，促使Al-Si系合金的部分硅晶体球状化，从而有效改善合金的塑性。淬火是固溶处理与急冷处理，目的是使强化相得到固定。固溶处理能够使合金中各种相充分溶解，强化固溶体，并且使合金的韧性和抗腐蚀性能得到提高。时效处理又分为自然时效和人工时效，是指使材料在室温活较高温度下存放较长时间的工艺，一般来说经过时效处理后，铝合金的硬度和强度都有所增加，但是塑性、韧性和内应力降低。

铝合金压铸件并不适应热处理，在热处理过程中由于应力释放、自重和淬火等容易使铸件变形、起泡等质量风险，也不具经济性和国家倡导节能减排的宗旨。

另外随着特斯拉而兴起的大型一体化压铸技术已成为行业最热门的发展趋势之一,而一体化压铸工艺的推广应用,需要设备、模具、工艺、材料等与之相配套。由于一体化压铸件 的投影面积大,热处理极易引起零部件的尺寸变形及表面缺陷, 对于大型一体化零部件来说,需承担巨大的成本风险。所以, 一体化压铸件倾向于使用免热处理的铝合金材料。

发明内容

本发明的目的是针对上述背景技术中的问题，公布了一种高硬低摩擦系数铝合金材料及其制备方法。一种高硬低摩擦系数铝合金材料其特征在于包括硅铁铜锰镁和锶，还含有少量的玻璃碳，所述各组所占质量百分比分别为：锆7-12%，玻璃碳0.1-1.4%，，钛0.3-0.7%，铼0.0001-0.2%，铈0.0001-0.2%，锶0.0001-0.2%，其余为铝和不可避免的杂质；其中，所述杂质含量的质量百分比小于0.15%。本发明的另一个目的是提供一种制备上述高硬低摩擦系数铝合金材料的制备方法。包括下述制备步骤：采用99.7%及以上的原铝A00进行升温熔化，熔化温度为650℃-720℃，A00熔化完后按7-12%的百分比添加锆，并升温进行熔化，熔化温度为730℃-800℃，锆融化后向熔体中引入质量分数0.1-1.4%玻璃碳细粉，玻璃碳细粉的粒径为5-1000纳米，并搅拌均匀然后按0.4-0.7%的百分比添加钛。待其熔化，得到铝、锆、钛和碳融化物，调整所述铝合金溶液为690℃-720℃，按铼、铈、锶0.0001-0.2%的百分比添入稀土铝中间合金，加热模具得到铝合金铸锭或铸件。由于氮元素的引入本发明公布的铝合金材料具有高的硬度，达到150HBW，延伸率≥10%，摩擦系数低于0.25，可用于免热处理铸造。

具体实施方法

实施例1

本实施例中提供了铝合金A₁，化学成分按照重量百分比为：锆7.0%，玻璃碳0.1%，钛0.4%，铼、铈、锶0.02%，其余为铝和不可避免的杂质；其中，所述杂质含量的质量百分比小于0.15%，余量为Al。铝合金的制备方法：采用99.7%及以上的原铝A00进行升温熔化，熔化温度为650℃，A00熔化完后按7%的百分比添加锆，并升温进行熔化，熔化温度为730℃，锆融化后向熔体中引入0.1%，粒径为5纳米玻璃碳，按0.4%的百分比添加钛。待其熔化，得到铝、锆、钛和碳融化物，调整所述铝合金溶液为690℃，按铼、铈、锶0.0001%的百分比添入稀土铝中间合金，制得的铝合金A₁的铝合金锭，送到压铸机边炉熔化，并进行压铸生产，其中压铸工艺参数为：浇铸温度700℃、模具预热温度260℃、铸造增压压力300MPa、压射速度4m/s。本实例所得压铸样件为薄壁铸件（厚度3mm)，经测量硬度82HBW，延伸率为 11%，,摩擦系数0.25。

实施例2

本实施例中提供了铝合金A₂，化学成分按照重量百分比为：锆9.6%，玻璃碳0.8%,钛0.5%，铼、铈、锶0.1%，其余为铝和不可避免的杂质；其中，所述杂质含量的质量百分比小于0.15%，余量为Al。铝合金的制备方法：采用99.7%及以上的原铝A00进行升温熔化，熔化温度为650℃，A00熔化完后按9.6%的百分比添加锆，并升温进行熔化，熔化温度为730℃，锆融化后向熔体中引入0.8%玻璃碳细粉，玻璃碳细粉的粒径为100纳米，然后按0.5%的百分比添加钛。待其熔化，得到铝、锆、钛和碳融化物，调整所述铝合金溶液为700℃，按铼、铈、锶0.1%的百分比添入稀土铝中间合金，制得的铝合金A₂的铝合金锭，送到压铸机边炉熔化，并进行压铸生产，其中压铸工艺参数为：浇铸温度700℃、模具预热温度260℃、铸造增压压力300MPa、压射速度4m/s。本实例所得压铸样件为薄壁铸件（厚度3mm)，经测量硬度102HBW，延伸率为 11%，,摩擦系数0.22。

实施例3

本实施例中提供了铝合金A₃，化学成分按照重量百分比为：锆12.0%，玻璃碳1.4%，钛0.7%，铼、铈、锶0.02%，其余为铝和不可避免的杂质；其中，所述杂质含量的质量百分比小于0.15%，余量为Al。铝合金的制备方法：采用99.7%及以上的原铝A00进行升温熔化，熔化温度为650℃，A00熔化完后按12%的百分比添加锆，并升温进行熔化，熔化温度为730℃，锆融化后向熔体中引入1.4%玻璃碳，玻璃碳粒径为1000纳米，然后按0.7%的百分比添加钛。待其熔化，得到铝、锆、钛和碳融化物，调整所述铝合金溶液为690℃，按铼、铈、锶0.2%的百分比添入稀土铝中间合金，制得的铝合金A₃的铝合金锭，送到压铸机边炉熔化，并进行压铸生产，其中压铸工艺参数为：浇铸温度700℃、模具预热温度260℃、铸造增压压力300MPa、压射速度4m/s。本实例所得压铸样件为薄壁铸件（厚度3mm)，经测量硬度150HBW，延伸率为13%，,摩擦系数0.18。

Claims (5)

1.一种高硬低摩擦系数铝合金材料其特征在于其组分包括锆钛铼铈锶外还含有玻璃碳，所述各组所占质量百分比分别为：锆7-12%，玻璃碳0.1-1.4%，，钛0.3-0.7%，铼0.0001-0.2%，铈0.0001-0.2%，锶0.0001-0.2%，其余为铝和不可避免的杂质，其中，所述杂质含量的质量百分比小于0.15%。

2.一种高硬低摩擦系数铝合金材料的制备方法其特征包括下述步骤:采用99.7%及以上的原铝A00进行升温熔化，熔化温度为650℃-720℃，A00熔化完后按7-12%的百分比添加锆，并升温进行熔化，熔化温度为730℃-800℃，硅融化后向熔体中加入玻璃碳细粉，按0.4-0.7%的百分比添加钛。待其熔化，得到铝、锆、钛和碳融化物，调整所述铝合金溶液为690℃-720℃，按铼、铈、锶0.0001-0.2%的百分比添入铝稀土中间合金，加热模具得到铝合金铸锭或铸件。

3.按照权利要求2，一种高硬低摩擦系数铝合金材料的制备方法，所述玻璃碳细粉的质量分数为0.1-1.4%，粒径为5-1000纳米。

4.按照权利要求2，一种高硬低摩擦系数铝合金材料的制备方法，所制备得到的铝合金材料硬度可达120HBW，摩擦系数低于0.25，延伸率≥10%。

5.按照权利要求2，一种高硬低摩擦系数铝合金材料的制备方法，所制备得到的铝合金材料可用于免热处理铸造。