一種耐磨Er/Zr複合微合金化鋁錫軸瓦合金的製作方法

2023-09-20 14:04:36 2

本發明屬於金屬合金材料
技術領域：
，尤其涉及一種耐磨Er/Zr複合微合金化鋁錫軸瓦合金。
背景技術：
：目前被廣泛應用的金屬類軸瓦合金有三大類：巴氏合金、銅基合金、鋁基合金。鋁基合金具有良好的耐腐蝕性、耐磨減摩性、抗粘咬性、順應性和嵌入性等綜合性能，同時又具有密度小、承載能力大、疲勞強度高、導熱性好等優越性，且價格低廉、資源豐富，因而應用愈來愈多，以代替傳統的錫青銅和巴氏合金。目前，常見的鋁基軸瓦合金包括Al-Sn、Al-Zn和Al-Pb基等。Al-Zn基合金的硬度高，順應性和嵌入性差，應用範圍較小；隨著現代工業無鉛化的推廣，Al-Pb基合金逐漸被淘汰。Al-Sn基合金中的Sn含量是影響合金摩擦學性能、力學性能的重要因素。Al-Sn基合金是指Sn含量5～50％的鋁合金。通常Sn含量為15～40％的稱為高錫鋁合金，Sn含量為11～14％的稱為中錫鋁合金，Sn含量為5～10％的稱為低錫鋁合金。近年來隨著汽車工業的飛速發展，要求發動機輕量化、大功率輸出和小型化，對軸瓦材料提出了更高的耐磨耐高溫、承載和環保要求，使得Al-Sn軸瓦材料得到發展。現有的鋁合金軸瓦材料由於強度較低，往往滿足不了這種要求，需要不斷改善鋁錫軸瓦合金的綜合性能。為了進一步提升鋁錫合金軸瓦材料的綜合性能，許多研究人員都在嘗試在鋁錫合金中加入不同種類的元素。通常加入的元素主要有Cu、Si等，加入一定含量的這些元素，再經過一定的工序可以改善鋁錫合金軸瓦材料的微觀組織，可以改善合金的摩擦性能及其他性能。Si元素可以形成第二相顆粒，有益於提高鋁合金的嵌入性、耐磨性能、抗疲勞強度和抗膠合性，降低合金的線膨脹係數，隨著Si含量的增加，合金的軋制性能變差。Cu作為強化相加入，固溶到鋁中或與鋁生成化合物，可提高合金的力學性能及抗疲勞強度，但Cu含量過高，合金的耐腐蝕性和塑性下降。一定量的Cu、Si等合金元素，都能明顯地提高鋁錫合金的力學、物理性能，改善鋁合金的耐腐蝕性和摩擦相容性。大量研究表明，某些元素少量的存在會顯著影響鋁合金的微觀組織和綜合性能，因此，微合金化是挖掘合金潛力、改善合金性能並進一步開發新型鋁合金的重要途徑。微合金化元素種類繁多，其所能起的作用和機理也不盡相同，控制微量元素的種類和數量、充分發揮微量元素的作用是發展鋁合金不懈努力的目標，也是當前鋁合金研究的主要方向之一。微合金化是提高鋁合金性能的主要手段。前期研究表明，Er、Zr是常見的微合金化元素，Er在鋁合金中可形成納米級Al3Er強化相，通過與Zr複合作用形成Al3(ZrxEr1-x)複合相，可以改善鋁合金組織，提高鋁合金的塑性或強度、抑制鋁合金的再結晶，改善其綜合性能。技術實現要素：本發明目的主要是在傳統鋁錫軸瓦材料中加入微量的Er、Zr元素，通過Er/Zr複合微合金化改善軸瓦合金的摩擦磨損性能，提高軸瓦合金的強度和耐磨減磨性，並通過熱處理工藝，改善軸瓦合金的加工性能，從而避免冷軋過程中軸瓦合金出現軋裂現象。一種耐磨Er/Zr複合微合金化鋁錫軸瓦合金，其特徵在於，其各組分重量百分比為：Sn佔9～12％，Si佔3～4％，Cu佔0.5～2％，Er佔0.3～0.5％，Zr佔0.1～0.3％，餘量為Al和不可避免的雜質.其製備過程及熱處理工藝如下：把純鋁、純錫、Al-12Si(wt.％)、Al-50Cu(wt.％)、Al-6Er(wt.％)和Al-4Zr(wt.％)中間合金按設計的各組分重量百分比稱重配好，在熔煉爐中熔煉，經除渣後攪拌、澆注，澆注溫度760℃～820℃溫度區間，水冷，對其進行熱處理，熱處理工序分為兩種：一種是先將鋁錫軸瓦合金在280℃～320℃溫度範圍內保溫3.5～4.5小時，然後將鋁錫軸瓦合金冷軋至變形量45～55％，再將其在280℃～320℃溫度範圍內保溫3.5～4.5小時，然後將其冷軋至1.5～2.5mm厚；或另外一種熱處理方式是先將軸瓦合金在350℃～400℃溫度範圍內保溫90～110小時，將鋁錫軸瓦合金冷軋至變形量45～55％，再將其在280℃～320℃溫度範圍內保溫3.5～4.5小時，然後將其冷軋至1.5～2.5mm厚。觀察合金的微觀組織和測量其摩擦性能，對軸瓦合金做拉伸試驗。加入微量的Er、Zr元素，利用Er/Zr複合微合金化，可以使鋁錫軸瓦合金的拉伸強度提升了大約8％，屈服強度提升了大約17％，摩擦學性能提升了大約29％。本發明技術方案突出的實質性特點和顯著的進步主要體現在：1.在鋁錫軸瓦合金材料中加入了微量的Er、Zr元素，利用Er/Zr複合微合金化改善軸瓦合金的摩擦磨損性能，提高了鋁錫軸瓦合金的強度和耐磨減摩性。2.在軸瓦合金冷軋前對其進行兩種方式的熱處理，都能成功避免在鋁錫軸瓦合金冷軋過程中出現軋裂的現象，改善了鋁錫軸瓦合金的加工性能，熱處理工藝較簡單，方便應用於工業生產中。附圖說明圖1為實施例1中Al-10Sn-4Si-1Cu-0.3Er-0.25Zr(wt.％)合金經過300℃保溫4小時的熱處理後冷軋前的微觀金相組織形態；圖2為實施例2中Al-10Sn-4Si-1Cu-0.3Er-0.25Zr(wt.％)合金經過375℃保溫100小時的熱處理後冷軋前的微觀金相組織形態；圖3為實施例1中Al-10Sn-4Si-1Cu(wt.％)合金經過300℃保溫4小時的熱處理後冷軋前的微觀金相組織形態；圖4為實施例2中Al-10Sn-4Si-1Cu(wt.％)合金經過375℃保溫100小時的熱處理後冷軋前的微觀金相組織形態；圖5為兩種鋁錫軸瓦合金的摩擦實驗的磨損量對比。具體實施方式下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細說明，但本發明並不限於以下實施例。實施例1鋁錫軸瓦合金各組分重量百分比為：Sn佔10％，Si佔4％，Cu佔1％，Er佔0.3％，Zr佔0.25％，餘量為Al和不可避免的雜質。(1)將稱量配比好的高純鋁、純錫、Al-12Si(wt.％)、Al-50Cu(wt.％)、Al-6Er(wt.％)和Al-4Zr(wt.％)中間合金放入石墨坩鍋中，將其放在熔煉爐中，關閉爐門，熔煉的軸瓦合金各組分實際重量百分比為：Sn佔10.2％，Si佔3.2％，Cu佔1％，Er佔0.3％，Zr佔0.2％，餘量為Al和不可避免的雜質。(2)將爐溫升至780℃，保溫，觀察熔化後，除渣、攪拌，將金屬液倒入鐵模澆注，水冷。(3)將澆注好的軸瓦合金在300℃保溫4小時，將軸瓦合金冷軋至變形量50％，再將其在300℃保溫4小時，然後將其冷軋至2mm厚。(4)對冷軋好的軸瓦合金做摩擦實驗，摩擦實驗採用的儀器是CFT-Ⅰ型材料表面性能綜合測試儀。摩擦副是直徑為5mm的GCr15軸承鋼鋼球，摩擦實驗條件是：載荷30N、50N、70N，運行速度是300t/m，滑動長度是5mm，時間15min，室溫，無潤滑油，摩擦實驗的磨損量見圖5。實施例2鋁錫軸瓦合金各組分重量百分比為：Sn佔10％，Si佔4％，Cu佔1％，Er佔0.3％，Zr佔0.25％，餘量為Al和不可避免的雜質。(1)將稱量配比好的高純鋁、純錫、Al-12Si(wt.％)、Al-50Cu(wt.％)、Al-6Er(wt.％)和Al-4Zr(wt.％)中間合金放入石墨坩鍋中，將其放在熔煉爐中，關閉爐門，熔煉的軸瓦合金各組分實際重量百分比為：Sn佔10.2％，Si佔3.2％，Cu佔1％，Er佔0.3％，Zr佔0.2％，餘量為Al和不可避免的雜質。(2)將爐溫升至780℃，保溫，觀察熔化後，除渣、攪拌，將金屬液倒入鐵模澆注，水冷。(3)將澆注好的軸瓦合金在375℃保溫100小時，將軸瓦合金冷軋至變形量50％，再將其在300℃保溫4小時，然後將其冷軋至2mm厚。(4)對冷軋好的軸瓦合金做摩擦實驗，摩擦實驗採用的儀器是CFT-Ⅰ型材料表面性能綜合測試儀。摩擦副是直徑為5mm的GCr15軸承鋼鋼球，摩擦實驗條件是：載荷30N、50N、70N，運行速度是300t/m，滑動長度是5mm，時間15min，室溫，無潤滑油，摩擦實驗的磨損量見圖5。對比例1鋁錫軸瓦合金各組分重量百分比為：Sn佔10％，Si佔4％，Cu佔1％，餘量為Al和不可避免的雜質。(1)將稱量配比好的高純鋁、純錫、Al-12Si(wt.％)、Al-50Cu(wt.％)、Al-6Er(wt.％)和Al-4Zr(wt.％)中間合金放入石墨坩鍋中，將其放在熔煉爐中，關閉爐門，熔煉的軸瓦合金各組分實際重量百分比為：Sn佔11％，Si佔3.8％，Cu佔1％，餘量為Al和不可避免的雜質。(2)將爐溫升至780℃，保溫，觀察熔化後，除渣、攪拌，將金屬液倒入鐵模澆注，水冷。(3)將澆注好的軸瓦合金在300℃保溫4小時，將軸瓦合金冷軋至變形量50％，再將其在300℃保溫4小時，然後將其冷軋至2mm厚。(4)對冷軋好的軸瓦合金做摩擦實驗，摩擦實驗採用的儀器是CFT-Ⅰ型材料表面性能綜合測試儀。摩擦副是直徑為5mm的GCr15軸承鋼鋼球，摩擦實驗條件是：載荷30N、50N、70N，運行速度是300t/m，滑動長度是5mm，時間15min，室溫，無潤滑油，摩擦實驗的磨損量見圖5。對比例2鋁錫軸瓦合金各組分重量百分比為：Sn佔10％，Si佔4％，Cu佔1％，餘量為Al和不可避免的雜質。(1)將稱量配比好的高純鋁、純錫、Al-12Si(wt.％)、Al-50Cu(wt.％)、Al-6Er(wt.％)和Al-4Zr(wt.％)中間合金放入石墨坩鍋中，將其放在熔煉爐中，關閉爐門，熔煉的軸瓦合金各組分實際重量百分比為：Sn佔11％，Si佔3.8％，Cu佔1％，餘量為Al和不可避免的雜質。(2)將爐溫升至780℃，保溫，觀察熔化後，除渣、攪拌，將金屬液倒入鐵模澆注，水冷。(3)將澆注好的軸瓦合金在375℃保溫100小時，將軸瓦合金冷軋至變形量50％，再將其在300℃保溫4小時，然後將其冷軋至2mm厚。(4)對冷軋好的軸瓦合金做摩擦實驗，摩擦實驗採用的儀器是CFT-Ⅰ型材料表面性能綜合測試儀。摩擦副是直徑為5mm的GCr15軸承鋼鋼球，摩擦實驗條件是：載荷30N、50N、70N，運行速度是300t/m，滑動長度是5mm，時間15min，室溫，無潤滑油，摩擦實驗的磨損量見圖5。由圖1、2的金相顯微組織分析得出：白色較亮區域對應的的是原子序數較小的Al相，灰色區域對應的是原子序數較大的Sn相，灰色區域中同時含有Si相和少量的Er、Zr。由圖3、4的金相顯微組織分析得出：白色較亮區域對應的的是原子序數較小的Al相，灰色區域對應的是原子序數較大的Sn相，灰色區域中同時含有Si相。對比圖1和圖3的金相顯微組織可以看出，圖1的顯微組織晶粒尺寸明顯比圖3的顯微組織尺寸細小，說明在軸瓦合金中加入微量的Er、Zr可以起到細化晶粒的作用。對比圖2和圖4的金相顯微組織也可以得到以上結果。對比圖1和圖2的金相顯微組織可以看出，圖2經過375℃100小時熱處理後均勻化效果更加明顯，晶界處的組織更加彌散分布。對比圖3和圖4的金相顯微組織也可以得到以上結果。圖5為兩種鋁錫軸瓦合金的摩擦實驗的磨損量對比。對比實施例1和對比例1的軸瓦合金的磨損量可以得出：在相同載荷下，實施例1的軸瓦合金的磨損量總是比對比例1的軸瓦合金的磨損量小，說明在軸瓦合金中加入微量的Er、Zr元素可以提升其摩擦磨損性能。對比實施例2和對比例2也可以得出上述結論。表1為兩種鋁錫軸瓦合金都經過兩種不同方式熱處理冷軋後的硬度對比。對比實施例1和對比例1可以得出：在同一種熱處理方式下，Al-10Sn-4Si-1Cu-0.3Er-0.25Zr(wt.％)合金的硬度比Al-10Sn-4Si-1Cu(wt.％)合金的硬度提高了大約6％。說明在鋁錫軸瓦合金中加入微量的Er、Zr元素，通過Er/Zr複合微合金化可以增加合金的硬度。同樣，對比實施例2和對比例2也可以得出上述結論。表2為兩種鋁錫軸瓦合金都經過兩種不同方式熱處理冷軋後的拉伸試驗結果。對比實施例1和對比例1可以得出：在同一種熱處理方式下，相對於Al-10Sn-4Si-1Cu(wt.％)合金，Al-10Sn-4Si-1Cu-0.3Er-0.25Zr(wt.％)合金的拉伸強度大約提升了6％，屈服強度大約提升了16％。說明在鋁錫軸瓦合金中加入微量的Er、Zr元素，通過Er/Zr複合微合金化可以增加軸瓦合金的拉伸強度和屈服強度。同樣，對比實施例2和對比例2也可以得出上述結論。表1為兩種鋁錫軸瓦合金都經過兩種不同方式熱處理冷軋後的硬度對比；試樣硬度值/HV實施例172±2實施例276±1對比例168±2對比例267±1表2為兩種鋁錫軸瓦合金都經過兩種不同方式熱處理冷軋後的拉伸試驗結果。試樣拉伸強度(MPa)屈服強度(MPa)實施例1224±1203±4實施例2227±1207±1對比例1212±1175±19對比例2206±4177±11綜上所述，在相同熱處理方式下，Al-10Sn-4Si-1Cu-0.3Er-0.25Zr(wt.％)合金比Al-10Sn-4Si-1Cu(wt.％)合金具有更好的耐磨減磨性，在鋁錫軸瓦合金材料中加入微量的Er、Zr元素可以提升合金的強度和摩擦磨損性能。上面結合附圖對本發明進行了示例性描述，顯然本發明具體實現並不受上述方式的限制，只要採用了本發明的方法構思和技術方案進行的各種非實質性改進，或未經改進將本發明的構思和技術方案直接應用於其他場合的，均在本發明的保護範圍之內。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp