一種耐磨、耐熱高矽鋁合金及其成型工藝的製作方法
2023-07-07 14:13:06 2
專利名稱：一種耐磨、耐熱高矽鋁合金及其成型工藝的製作方法
技術領域：
本發明屬於變質鋁基合金的技術領域，特別涉及到通過熱加工改變鋁基合金物理結構的工藝。
背景技術：
採用低密度、高耐磨的過共晶鋁矽系合金件取代傳統的汽車發動機、壓縮機鑄鐵和鑄鋼件是材料研究工作者多年追求的目標。過共晶鋁矽合金因其具有熱膨脹係數低、密度小、導熱性好、耐磨、耐蝕等特性，特別適合於製造輕質耐磨零部件，故在航空、航天、交通運輸、機械加工等領域，尤其在汽車工業中得到廣泛的應用。然而，傳統的鑄錠冶金工藝所製備的過共晶Al-Si系合金，其初晶矽相粗大限制了其應用的推廣，雖採用細化初晶矽的方法，但對鑄造晶的細化效果十分有限，而且使用該方法使矽元素加入量受到限制，合金的耐磨性能難以得到提高。
快速凝固技術的出現和發展可以部分解決矽元素加入量與初晶矽相粗大之間的矛盾，但快速凝固技術工藝過程複雜和製造成本過高，限制了它的實際應用，特別是在民用領域中的應用。此外，用複合材料的製造工藝也可獲得具有細晶和高體積分數第二相矽元素的鋁合金，但複合技術同樣也存在有工藝複雜、成本高，以及第二相分布不均勻和相界面結合不良等問題。
發明內容
本發明針對含高矽的鋁合金存在的上述問題，提出了一種耐熱、耐磨的高矽鋁合金和相應的成型工藝。本發明的目的不僅要尋求一種兼有良好的耐磨性和較高的耐熱性的新合金，並且要為細化合金強化相提出一種新的途徑。
本發明所提出的耐磨、耐熱高矽鋁合金，其特徵在於合金的化學成分(按重量百分數計算)為矽(Si)15～20；鐵(Fe)2.0～5.0；錳(Mn)1.0～3.0；銅(Cu)1.0～4.0；鎂(Mg)0.5～1.5；鎳(Ni)1.0～3.0；鋁(A1)為餘量。
本發明還提出了一種與上述合金製造零部件相適應的合金成型工藝，其特徵在於將高矽鋁合金經熔煉後採用半固態擠壓成型。
上述成型工藝的全過程為先採用常規的鋁合金鑄造熔煉工藝，經過熔煉後澆注成錠。將鑄錠採用機械加工方法使其尺寸達到擠壓模具的要求。將機加工好的擠壓錠(坯錠)進行二次加熱處理，加熱溫度根據合金成分確定，當坯錠中的液相容積達到20～40Vol％時，將處於半固態的坯錠放入擠壓模具中，按照零部件的規格設定擠壓機的工作參數，最終在模具中擠壓成型。擠壓成型的部件再經過固溶和時效處理後，耐磨性能良好，機械性能也大為改善。
通過金相分析，發現高矽鋁合金經半固態擠壓成型後的組織與鑄態組織相比發生了顯著的變化，粗大的富鐵相消失而轉化為較為圓整的近粒狀相，矽相的尺寸普遍變小而且圓整化，出現個別的較大矽相也趨向於呈球狀，這應該是半固態成型零部件性能提高的原因。
本發明所提供的耐磨、耐熱高矽鋁合金及其成型工藝，與現有的矽鋁合金和成型工藝相同比具有以下優點1、本發明的新合金具有良好的耐磨性和耐熱性；2、本發明的成型工藝，工藝簡單，成本低，解決了快速凝固技術和複合材料製造工藝高成本的問題，將大大擴寬含高矽耐磨、耐熱矽鋁合金的應用領域；3、用本發明的合金和工藝製造的部件其金相組織有明顯的變化，其綜合機械性能大為改善。
圖1為本發明的鋁合金經過半固態擠壓成形和熱處理後的微觀組織；具體實施方式
下面將結合具體實施方式
對本發明的內容作進一步的補充和說明。在對實施例的敘述過程中為避免過多的重複，許多地方作出了必要的省略。
實施例1按如下化學成分(wt％)Si 17；Fe 5；Mn 3；Ni 2配製中間合金，中間合金的成分為Si 35 Al 65；Fe 15 Al 85；Mn 10 Al 90；Ni 5 Al 95，並以中間合金的形式同Cu 2，Mg 1和餘量的鋁一同加入電爐中。通電加熱熔化，經過精煉變質處理後在電磁攪拌的條件下凝固成鑄錠。
對鑄錠進行機械加工使其尺寸達到擠壓模具的要求，即製成坯錠。
將加工好的坯錠進行二次加熱，加熱溫度根據合金成分確定。當坯錠中的液相組分達到40 Vol％時，將處於半固態的坯錠放入擠壓模具中，按零部件的規格要求設定擠壓機工作參數，在模具中擠壓成型。再經固溶和時效處理製成所需要的零部件。此時合金的力學性能如表1所示，有很明顯的提高。
表1Al-17Si-5Fe-3Mn-2Cu-Mg-2Ni的力學性能
實施例2按如下化學成分(wt％)Si 15；Fe 5；Mn 1；Ni 3與適量的Al配製成中間合金，再與Cu 4，Mg 0.5和餘量的Al一同加入真空電爐中，通電加熱熔化，熔煉溫度800℃，保溫30分鐘。在電磁攪拌條件下澆注成錠。再將鑄錠進行機械加工製成坯錠。
對坯錠進行二次加熱，加熱溫度為560℃，當坯錠中液相組分達20 Vol％放入擠壓模具中按零部件的規格要求設定擠壓機的工作參數，在模具中擠壓成型，再經固溶和時效處理最終製成所需要的零部件。
實施例3按如下化學成分(wt％)Si 20；Fe 2；Mn 2；Ni 1和適量的Al配製成中間合金，同Cu1，Mg 1.5和餘量的Al一同投入真空電爐的坩堝中，通電加熱熔化，熔體溫度800℃，保溫30分鐘。在電磁攪拌下澆注成錠。將鑄錠機加工成擠壓坯錠。
對坯錠進行二次加熱，加熱溫度為560℃，當坯錠中液相組分達30Vol％時放入擠壓模具中按零部件的規格要求設定擠壓機的工作參數，在模具中擠壓成型，再經與前實施例相同的規範進行熱處理最終製成所需的零部件。
實施例4按如下化學成分(wt％)Si 17；Fe 3.5；Mn 2；Ni 2和適量的Al配製成中間合金，同Cu 3；Mg 1和餘量的Al一同投入真空電爐中，通電加熱熔化，熔體溫度800℃，保溫30分鐘。在電磁攪拌下澆注成錠。再將鑄錠機加工成擠壓坯錠。
對坯錠進行二次加熱，加熱溫度為560℃，當坯錠中液相組分達35Vol％時放入擠壓模具中按零部件的規格要求設定擠壓機的工作參數，在模具中擠壓成型，再經固溶處理和時效處理最終製成所需要的零部件。本發明所提供的零部件硬度提高達到HB196；抗拉強度達到200MPa；延伸率達1.5％，在相同的摩擦條件下，磨損失重僅為鑄態Al-17Si合金的50％左右。
總之，本發明的合金具有良好的耐磨、耐熱性能，使用本發明的高矽鋁合金及其成型工藝，批量生產供汽車發動機和壓縮機用的鋁合金耐磨、耐熱零部件，可望取得很好的社會效益和經濟效益。
權利要求
1.一種耐磨、耐熱高矽鋁合金，其特徵在於合金的化學成分按重量百分數計算為矽15～20；鐵2.0～5.0；錳1.0～3.0；銅1.0～4.0；鎂0.5～1.5；鎳1.0～3.0；其餘為鋁。
2.一種按權利要求1所述的高矽鋁合金的成型工藝，其特徵在於合金經熔煉後採用半固態坯錠擠壓成型。
3.按權利要求2所述高矽鋁合金的成型工藝，其特徵在於所說的半固態坯錠其中液相組分的體積分數達到20～40Vol％。
全文摘要
本發明提供了一種多元系耐磨、耐熱高矽鋁合金及其成型工藝。合金成分按重量百分數計算為矽15～20；鐵2.0～5.0；錳1.0～3.0；銅1.0～4.0；鎂0.5～1.5；鎳1.0～3.0；鋁餘量。成分設計的目的是利用合金化消減粗大矽相的有害作用，成型工藝是將合金熔煉後採用半固態擠壓成型。利用半固態成型過程對矽相的破碎作用進一步細化矽相和其他金屬間化合物相，使合金具有良好的耐磨、耐熱性能。使用本發明所公開的耐磨、耐熱高矽鋁合金及其成型工藝，批量生產供汽車發動機和壓縮機用的鋁合金耐磨、耐熱零部件，可望取得很好的社會效益和經濟效益。
文檔編號C22F1/043GK1651586SQ20051004598
公開日2005年8月10日 申請日期2005年3月9日 優先權日2005年3月9日
發明者袁曉光, 趙樹國, 黃宏軍 申請人:瀋陽工業大學