一種提高多元鋁硅合金摩擦磨損性能的工藝方法
【專利摘要】本發明一種提高多元鋁硅合金摩擦磨損性能的工藝方法，屬于鋁硅合金制備【技術領域】，材料為鑄造鋁硅合金，澆注時將金屬型鑄型放在振動臺上，振動裝置的頻率50Hz，振幅5-20mm，邊振動邊澆鑄，澆注完成后關閉振動臺。最后進行兩種處理：（a）T6處理：先進行固溶處理，485±5℃保溫5h后，立即水冷，隨后進行時效處理，160±5℃保溫5h后，立即水冷，得到T6態合金；（b）鑄淬時效處理：澆注完成等待3分鐘后，將鑄型直接淬入室溫水中至室溫，隨后進行時效處理，185±5℃保溫6h后，立即水冷，得到鑄淬時效態合金。將兩種狀態的鑄造鋁硅合金采用線切割的方法進行取樣進行油潤滑-邊界摩擦-滑動摩擦磨損試驗，摩擦副轉速為200r/min。兩種狀態合金的耐磨性能得到了極大的提升。
【專利說明】一種提高多元鋁硅合金摩擦磨損性能的工藝方法
[0001]

【技術領域】
本發明屬于鋁硅合金制備【技術領域】，特指一種提高多元鋁硅合金摩擦磨損性能的工藝方法。
[0002]

【背景技術】
據統計，全世界大約有1/3?1/2的能源消耗在各種形式的摩擦上，約有80%的零件失效是各種形式的磨損引起的。以汽車發動機為例:發動機本身是一個高集成化、多系統化、高速運轉的機械裝置，在它內部存在多種類型的摩擦部件，其摩擦損失能量約占發動機總功率的20%。汽車發動機缸體作為發動機中最重要的部件，鑄件質量重、結構復雜、壁厚分布不均勻，而且在高溫、高壓及可能出現潤滑條件不良或伴有固體微粒甚至腐蝕介質工況的條件下承受內部零件相對運動產生的摩擦磨損。這些摩擦副的摩擦學行為，既會影響發動機的工作性能和運行效率，更會影響發動機缸體乃至其他部件的使用壽命。隨著汽車工業的迅猛發展，為了滿足汽車傳動裝置高速、高負荷、大功率傳遞的發展需求，以及降低汽車油耗、提高節能環保性能的發展趨勢，降低汽車重量的壓力越來越大。
[0003]鋁及其合金由于具有質輕，耐磨，耐腐蝕，彈性好，比強度和比剛度高，抗沖擊性能好，易表面著色，良好的加工成形性以及極高的再回收、再生性等一系列優良特性而成為汽車輕量化最理想的材料。其中，輔助添加CiuMg等元素的鑄造Al-Si合金，不但比重比傳統鋁合金更輕，且具有良好的高溫強度、耐磨性、耐熱性和較低的熱膨脹系數等優點，是代替鐵基材料制造汽車，尤其是汽車發動機的理想材料。當前，國內外鋁合金材料用于復雜、特殊工況下的摩擦磨損行為方面的研究主要集中在過共晶鋁硅合金、鑄造A356合金、2系、6系和7系變形鋁合金、鋁基復合材料以及表面經過特殊處理的鋁合金，如仿生表面、表面薄膜、表面沉積、表面激光沖擊處理等。關于汽車發動機用鑄造鋁硅合金摩擦磨損方面的研究還處于初級階段，要想進一步擴大鑄造鋁合金在汽車行業的應用范圍，對鑄造鋁合金的力學性能尤其是摩擦磨損方面提出了更高的要求。基于此，本發明開發出一種提高多元鋁硅合金摩擦磨損性能的工藝方法。
[0004]


【發明內容】

本發明開發出一種提高多元鋁硅合金摩擦磨損性能的工藝方法，按照下述步驟進行:
(I)材料為鑄造鋁硅合金，采用電磁感應石墨坩堝熔鋁爐進行熔煉。除了 Mg和Zn以外，其他原材料加入石墨坩堝內，在770°C下待所有原料熔化后降溫至740°C并加入Mg和Zn。
[0005](2)熔化后，再加入復合細化變質劑，其加入量為合金液總質量的0.40-0.60%ο隨后采用市售的HGJ-2鋁合金無鈉精煉清渣除氣劑進行處理，加入量為合金液總質量的0.5%。
[0006](3)完成后靜置1min進行澆注，澆注溫度710_720°C。鑄造工藝為:采用普通金屬型鑄造方法，不同的是施加鑄型整體振動。振動裝置采用機械激振(頻率50Hz，振幅5-20mm)裝置。將金屬型鑄型放在振動臺上，邊振動邊澆鑄，澆注完成后關閉振動臺。
[0007](4)冷卻后將鑄造鋁硅合金采用線切割的方法進行取樣，進行兩種處理:(a)T6處理:先進行固溶處理，485 土 5 V保溫5h后，立即水冷(室溫)，隨后進行時效處理，160 ± 5°C保溫5h后，立即水冷(室溫)，得到T6態合金；(b)鑄淬時效處理:澆注完成等待3分鐘后，將鑄型直接淬入室溫水中至室溫，隨后進行時效處理，185±5°C保溫6h后，立即水冷(室溫)，得到鑄淬時效態合金。
[0008]其中步驟(I)中所述的鑄造鋁硅合金具體化學成分(質量百分比)為:Si 7-8%, Cu3-4%, Mg 0.3-0.4%, Mn 0.2-0.3%, Zn 0.4-0.5%, Fe ( 0.35%，余為 Al。
[0009]其中步驟(2)中所述的復合細化變質劑的化學成分按質量百分比計算，具體為:Ti 為 ll-13%、Cr 為 8-9%,Ni 為 9-10%,Sr 為 8-9%,Ce 為 6-7%,La 為 6-7%,Nb 為 5-6%,Pr 為
3.5-4%、Er 為 3.5-4%, Eu 為 3.5-4%, Y 為 3-3.5%、Ba 為 3-3.5%、B 為 2.5-3%, Na 為 2-2.5%、V 為 1.5-2%、余為 Al。
[0010]

【專利附圖】

【附圖說明】
圖1磨損時間為3h時，載荷對不同處理后的多元鋁硅合金質量磨損率的影響。
[0011]圖2磨損時間對不同處理后的多元鋁硅合金質量磨損率的影響:(a)載荷為500N ;(b)載荷為 100N0

【具體實施方式】
[0012]磨損試驗在M-2000型摩擦磨損試驗機上進行。試樣尺寸:長19.5mmX寬1mmX高8mm,摩擦副尺寸:qp40mmX 1mm的GCrl5圓環。磨損性能用質量磨損率來表達。每個試樣進行磨損試驗前和后都要在超聲波清洗機中進行清洗，清洗液是濃度為20%的丙酮水溶液，清洗時間為30min。然后在60°C保溫爐中進行烘干2h，最大程度的降低試樣的表面污染程度。最后待試樣冷卻至室溫后及時進行稱重。稱重采用MAllO型電子天平，其精度為0.1mg0試驗開始前，先進行30min的磨合試驗，磨合完畢后測定磨損前試樣的質量，然后加載至預定的載荷進行相應時間的磨損試驗。磨損試驗結束后，測定試樣的質量，并計算出試樣的質量磨損率。為保證實驗過程中試樣處在連續油潤滑狀態，潤滑油選擇30#機油，每分鐘滴定25滴油。試驗中，上面的摩擦磨損試樣固定不動，下面的摩擦副試樣轉動，即試樣進行的是油潤滑-邊界摩擦-滑動摩擦磨損試驗，摩擦副轉速為200 r/min。
[0013]實施例1
材料為鑄造鋁硅合金，原材料均為市售，具體化學成分(質量百分比)為:Si 7-8%，Cu3-4%, Mg 0.3-0.4%, Mn 0.2-0.3%, Zn 0.4-0.5%, Fe ( 0.35%，余為 Al。采用電磁感應石墨坩堝熔鋁爐進行熔煉。除了 Mg和Zn以外，其他原材料加入石墨坩堝內，在770°C下待所有原料熔化后降溫至740°C并加入Mg和Zn。熔化后，再加入復合細化變質劑(化學成分按質量百分比計算，具體為:Ti為11%、Cr為8%、Ni為9%、Sr為8%、Ce為6%、La為6%、Nb為5%、Pr 為 3.5%、Er 為 3.5%、Eu 為 3.5%、Y 為 3%、Ba 為 3%、B 為 2.5%、Na 為 2%、V 為 1.5%、余為Al)，加入量為合金液總質量的0.40%。隨后采用市售的HGJ-2鋁合金無鈉精煉清渣除氣劑進行除氣處理，加入量為合金液總質量的0.5%。完成后靜置1min進行澆注，澆注溫度710-720°C。鑄造工藝為:采用普通金屬型鑄造方法，不同的是施加鑄型整體振動。振動裝置采用機械激振(頻率50Hz，振幅5-20mm)裝置。將金屬型鑄型放在振動臺上，邊振動邊澆鑄，澆注完成后關閉振動臺。冷卻后將鑄造鋁硅合金采用線切割的方法進行取樣。然后對試樣先進行固溶處理，485±5°C保溫5h后，立即水冷(室溫)，隨后進行時效處理，160±5°C保溫5h后，立即水冷(室溫)，從而得到T6態合金。對上述工藝方法制備的T6態鑄造鋁硅合金進行摩擦磨損試驗，方法詳見【具體實施方式】，實驗結果如圖1和圖2所示。
[0014]實施例2
材料為鑄造鋁硅合金，原材料均為市售，具體化學成分(質量百分比)為:Si 7-8%，Cu3-4%, Mg 0.3-0.4%, Mn 0.2-0.3%, Zn 0.4-0.5%, Fe ( 0.35%，余為 Al。采用電磁感應石墨坩堝熔鋁爐進行熔煉。除了 Mg和Zn以外，其他原材料加入石墨坩堝內，在770°C下待所有原料熔化后降溫至740°C并加入Mg和Zn。熔化后，再加入復合細化變質劑(化學成分按質量百分比計算，具體為:Ti為13%、Cr為9%、Ni為10%、Sr為9%、Ce為7%、La為7%、Nb為6%、Pr 為 4%、Er 為 4%、Eu 為 4%、Y 為 3.5%、Ba 為 3.5%、B 為 3%、Na 為 2.5%、V 為 2%、余為 Al)，加入量為合金液總質量的0.60%。隨后采用市售的HGJ-2鋁合金無鈉精煉清渣除氣劑進行除氣處理，加入量為合金液總質量的0.5%。完成后靜置1min進行澆注，澆注溫度710_720°C。鑄造工藝為:采用普通金屬型鑄造方法，不同的是施加鑄型整體振動。振動裝置采用機械激振(頻率50Hz，振幅5-20mm)裝置。將金屬型鑄型放在振動臺上，邊振動邊澆鑄，澆注完成后關閉振動臺。燒注完成等待3分鐘后，將鑄型直接洋入室溫水中至室溫，冷卻后將鑄造招娃合金采用線切割的方法進行取樣。然后對試樣進行時效處理，185±5°C保溫6h后，立即水冷(室溫)，從而得到鑄淬時效態合金。對上述工藝方法制備的鑄淬時效態鑄造鋁硅合金進行摩擦磨損試驗，方法詳見【具體實施方式】。實驗結果如圖1和圖2所示。
[0015]對比例
材料為鑄造鋁硅合金，原材料均為市售，具體化學成分(質量百分比)為:Si 7-8%，Cu3-4%, Mg 0.3-0.4%, Mn 0.2-0.3%, Zn 0.4-0.5%, Fe ( 0.35%，余為 Al。采用電磁感應石墨坩堝熔鋁爐進行熔煉。除了 Mg和Zn以外，其他原材料加入石墨坩堝內，在770°C下待所有原料熔化后降溫至740°C并加入Mg和Zn。熔化后，再加入復合細化變質劑(化學成分按質量百分比計算，具體為:Ti為12%、Cr為8%、Ni為10%、Sr為9%、Ce為6%、La為6%、Nb為6%、Pr 為 4%、Er 為 4%、Eu 為 4%、Y 為 3%、Ba 為 3%、B 為 3%、Na 為 2%、V 為 2%、余為 Al )，加入量為合金液總質量的0.50%。隨后采用市售的HGJ-2鋁合金無鈉精煉清渣除氣劑進行除氣處理，加入量為合金液總質量的0.5%。完成后靜置1min進行澆注，澆注溫度710-720°C。鑄造工藝為:采用普通金屬型鑄造方法，不同的是施加鑄型整體振動。振動裝置采用機械激振(頻率50Hz，振幅5-20mm)裝置。將金屬型鑄型放在振動臺上，邊振動邊澆鑄，澆注完成后關閉振動臺。冷卻后將鑄造鋁硅合金采用線切割的方法進行取樣，得到的試樣即為鑄態合金。對上述工藝方法制備的鑄態鑄造鋁硅合金進行摩擦磨損試驗，方法詳見【具體實施方式】。實驗結果如圖1和圖2所示。
[0016]實驗結果如圖所示，其中圖1是磨損時間為3h時，載荷對不同處理后的多元鋁硅合金質量磨損率的影響，從中可以發現:T6態合金的摩擦磨損性能最好；當載荷小于500Ν時，Τ6態和鑄淬時效態合金的質量磨損率相差不大，摩擦磨損性能相當。圖2是載荷分別為(a)載荷為500N;(b)載荷為1000N時，磨損時間對不同處理后的多元鋁硅合金質量磨損率的影響，從中可以發現:還是T6態合金的摩擦磨損性能最好；當磨損時間小于3h時，T6態和鑄淬時效態合金的質量磨損率比較接近，兩種狀態合金的摩擦磨損性能差不多。總之，與鑄態合金相比，T6態合金和鑄淬時效態合金的耐磨性能均得到極大地提高,而T6態合金的耐磨性能更好。當鑄造鋁硅合金應用在載荷較小且連續工作時間不長的環境中時，可以采用鑄淬時效態合金可以代替T6態合金，以節約能源、提高生產效率。
【權利要求】
1.一種提高多元鋁硅合金摩擦磨損性能的工藝方法，其特征在于按照下述步驟進行: (1)材料為鑄造鋁硅合金，采用電磁感應石墨坩堝熔鋁爐進行熔煉； 除了 Mg和Zn以外，其他原材料加入石墨坩堝內，在770°C下待所有原料熔化后降溫至740°C并加入Mg和Zn ； (2)熔化后，再加入復合細化變質劑，其加入量為合金液總質量的0.40-0.60%2.； 隨后采用除氣劑進行處理，加入量為合金液總質量的0.5% ； (3)完成后靜置1min進行澆注，澆注溫度710-720°C； 鑄造工藝為:采用普通金屬型鑄造方法，不同的是施加鑄型整體振動； 振動裝置采用機械激振裝置； 將金屬型鑄型放在振動臺上，邊振動邊燒鑄，燒注完成后關閉振動臺； (4)冷卻后將鑄造鋁硅合金采用線切割的方法進行取樣，進行兩種處理:(a)T6處理:先進行固溶處理，485±5°C保溫5h后，立即水冷(室溫)，隨后進行時效處理，160±5°C保溫5h后，立即水冷(室溫)，得到T6態合金；(b)鑄淬時效處理:澆注完成等待3分鐘后，將鑄型直接淬入室溫水中至室溫，隨后進行時效處理，185±5°C保溫6h后，立即水冷(室溫)，得到鑄淬時效態合金。
2.根據權利要求1所述的一種提高多元鋁硅合金摩擦磨損性能的工藝方法，其特征在于其中步驟(I)中所述的鑄造鋁硅合金具體化學成分以質量百分比計為:Si 7-8%，Cu3-4%, Mg 0.3-0.4%, Mn 0.2-0.3%, Zn 0.4-0.5%, Fe ( 0.35%，余為 Al。
3.根據權利要求1所述的一種提高多元鋁硅合金摩擦磨損性能的工藝方法，其特征在于其中步驟(2)中所述的復合細化變質劑的化學成分按質量百分比計算，具體為:Ti為11-13%、Cr 為 8-9%、Ni 為 9-10%, Sr 為 8-9%, Ce 為 6-7%, La 為 6-7%, Nb 為 5-6%, Pr 為3.5-4%、Er 為 3.5-4%, Eu 為 3.5-4%, Y 為 3-3.5%、Ba 為 3-3.5%、B 為 2.5-3%, Na 為 2-2.5%、V 為 1.5-2%、余為 Al。
4.根據權利要求1所述的一種提高多元鋁硅合金摩擦磨損性能的工藝方法，其特征在于其中步驟(2)中所述的除氣劑為HGJ-2鋁合金無鈉精煉清渣。
5.根據權利要求1所述的一種提高多元鋁硅合金摩擦磨損性能的工藝方法，其特征在于其中步驟(3)中振動裝置采用機械激振裝置，其頻率50Hz，振幅5-20mm。
【文檔編號】C22F1/043GK104328315SQ201410567657
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月22日 優先權日:2014年10月22日
【發明者】劉光磊, 司乃潮, 萬浩, 王宏健, 丁冉, 王正軍 申請人:江蘇大學