一种导电型直线导轨用改性铝合金及其制备方法与流程

本发明涉及铝合金材料及其制备，具体涉及一种导电型直线导轨用改性铝合金及其制备方法。

背景技术：

1、导电型直线导轨通常用于需要导向承载、滑动配合和电流传递的运动机构中，材料既要具有较低的电阻损耗，又要承受滑块、滚珠或接触件在轨面上的反复挤压和摩擦。现有铝合金导轨多采用铝镁硅系合金或铝铜系合金作为基体，通过熔炼、铸造、挤压、固溶和时效处理获得型材组织。铝镁硅系合金依靠镁硅析出相形成基础强度，残余溶质较少时导电性相对稳定，适合轻量化导轨或接地导轨使用；铝铜系合金通过铜基析出相增强基体承载能力，轨面抗压痕性能较好。常规制备中，熔体经精炼除气后加入合金元素，再通过晶粒细化剂改善铸锭组织，后续挤压使晶粒沿导轨长度方向形成流线结构，时效处理促使强化相析出，从而获得一定的强度、直线度和导电能力。

2、现有导电型铝合金导轨在材料设计中通常将导电性和力学性能作为两个独立目标处理。为改善导电性，常采用降低合金化程度、控制杂质含量或增加纯铝连续相比例的方式，减少溶质原子和第二相对电子迁移的阻碍；为改善耐磨性和抗压痕能力，常采用增加铜、镁、硅等强化元素或引入硬质第二相的方式，增强轨面承载能力。该类方案虽然能够在单一性能上取得改善，但熔体中的铁、氧化夹杂和硫类杂质容易在晶界及晶界交汇区域富集，挤压后在导轨截面上形成导电不均区域。晶粒细化剂单独使用时能够改善铸锭组织，但晶界数量增加后会加重晶界散射。强化元素含量增加时，过量固溶原子和粗大析出相又会破坏铝基连续导电相，使轨面在磨损后出现局部接触电阻波动。

3、现有技术的主要技术问题在于，导电型直线导轨用铝合金缺少针对晶界洁净度、晶粒组织和析出强化行为的协同调控方案，导致材料难以在同一基体内同时形成稳定导电通道和均匀承载骨架。具体表现为：熔体杂质未被定向固定时，晶界处容易形成夹杂和偏析，电流通过轨面和芯部时受到不连续界面的阻碍；晶粒粗大或细化不均时，导轨挤压型材在截面方向形成硬度差和残余应力差，滑块运行后轨面易出现局部压痕；铜基强化相若形态粗大或分布不连续，则会造成电子散射增强和磨损颗粒源增加。因此，亟需一种通过稀土净化、硼元素细化和银参与铜基析出共同构建导电承载改性组织的铝合金，使导轨材料在保持金属连续导电相的同时获得稳定的抗磨承载组织。

技术实现思路

1、针对现有导电型直线导轨用铝合金中晶界杂质偏聚、晶粒组织不均和铜基析出相分布失控导致导电通道与承载骨架难以兼顾的缺陷，本发明提供了一种导电型直线导轨用改性铝合金及其制备方法，通过含银铜基析出组元、晶界净化组元和晶粒细化组元的协同配置，在铝基体内形成导电承载改性组织。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种导电型直线导轨用改性铝合金，所述改性铝合金包括铝基体以及分布于所述铝基体中的铜、镁、硅、银、稀土元素和硼元素，按质量百分比计，铜含量为0.70%～1.00%，镁含量为0.55%，硅含量为0.60%，银含量为0.04%～0.08%，稀土元素总含量为0.12%，硼含量为0.02%～0.03%，余量为铝及不可避免杂质；所述铜、镁和硅形成可时效析出的强化组元，所述银与所述铜共同构成含银铜基析出组元，所述稀土元素形成晶界净化组元，所述硼元素形成晶粒细化组元，所述含银铜基析出组元、所述晶界净化组元和所述晶粒细化组元共同构成导电承载改性组织。

3、所述铝基体作为连续金属相承担电流传递和导轨型材主体承载，所述铜、镁和硅在热处理过程中由固溶状态向析出状态转化，形成可时效析出的强化组元；所述银参与所述铜的析出组织调控，使所述含银铜基析出组元在所述铝基体中形成分散强化结构；所述稀土元素与熔体及凝固组织中的杂质形成晶界净化组元，减少杂质在晶界处的连续偏聚；所述硼元素形成晶粒细化组元，使凝固和后续变形组织具有更均匀的晶粒基础。所述含银铜基析出组元、所述晶界净化组元和所述晶粒细化组元在同一铝基体内共同限定导电承载改性组织，使直线导轨在工作表层和芯部区域中保持金属连续相，并在轨面受压和摩擦时由细晶组织与析出组元共同承担局部载荷。

4、进一步地，在上述技术方案中，所述晶界净化组元包括由所述稀土元素与所述铝基体中的氧、硫和铁杂质结合形成的稀土复合夹杂相，所述稀土复合夹杂相以离散颗粒形态分布于晶界交汇区和晶内缺陷邻近区，且所述晶界净化组元与所述含银铜基析出组元之间通过铝基体连续区域相互隔离。

5、具体实施中，所述稀土元素在铝合金熔体及凝固过程中对氧、硫和铁杂质具有结合倾向，能够使杂质由晶界连续偏聚状态转化为离散的稀土复合夹杂相。所述稀土复合夹杂相分布于晶界交汇区和晶内缺陷邻近区时，杂质被限制在离散微区内，不易沿晶界形成连续弱界面。所述晶界净化组元与所述含银铜基析出组元通过铝基体连续区域相互隔离，使析出强化区域与杂质固定区域不发生连续聚集，避免晶界处同时形成高杂质富集区和粗大析出富集区。

6、进一步地，在上述技术方案中，所述晶粒细化组元包括由所述硼元素形成的硼化物异质形核相，所述硼化物异质形核相分散嵌设于所述铝基体中，所述铝基体具有由所述硼化物异质形核相诱导形成的等轴晶组织，所述等轴晶组织沿直线导轨截面方向连续分布。

7、具体实施中，所述硼化物异质形核相在铝基体凝固阶段提供分散形核位置，使晶粒在多个位置同时形核并生长，由此限制粗大柱状晶连续扩展。所述等轴晶组织沿直线导轨截面方向连续分布时，挤压成型后的组织流动差异减小，所述铝基体中的导电连续相和承载晶粒骨架在截面方向保持相对均匀的分布状态。该结构使导轨截面不同区域在后续热处理和轨面受压过程中具有一致的组织响应基础。

8、进一步地，在上述技术方案中，所述含银铜基析出组元包括含铜析出相和位于所述含铜析出相邻近区域的银富集界面层，所述含铜析出相与所述铜、镁、硅形成的强化组元共同分布于所述铝基体中，且所述含银铜基析出组元沿直线导轨长度方向呈连续弥散排布。

9、具体实施中，所述含铜析出相在铝基体内提供承载强化结构，所述银富集界面层分布于所述含铜析出相邻近区域，使含铜析出相与铝基体之间具有相对连续的界面过渡。所述含铜析出相与所述铜、镁、硅形成的强化组元共同分布，能够使承载强化不依赖单一粗大相。所述含银铜基析出组元沿直线导轨长度方向呈连续弥散排布时，导轨在长度方向的组织差异减小，轨面受滑块或滚珠反复接触时，各区域能够由分散析出结构共同承担局部应力。

10、进一步地，在上述技术方案中，所述导电承载改性组织包括沿直线导轨挤压方向延伸的铝基连续导电相、嵌设于所述铝基连续导电相内的细晶承载骨架以及分布于所述细晶承载骨架之间的含银铜基析出组元，所述铝基连续导电相贯通直线导轨的工作表层和芯部区域。

11、具体实施中，所述铝基连续导电相沿直线导轨挤压方向延伸，并贯通工作表层和芯部区域，使电流可经连续金属相在导轨长度方向和厚度方向传递。所述细晶承载骨架嵌设于所述铝基连续导电相内，使导轨受压时由细化晶粒分散承载。所述含银铜基析出组元分布于所述细晶承载骨架之间，使晶粒间区域获得析出强化支撑，同时保留所述铝基连续导电相的贯通结构。该组织在导轨工作时由铝基连续相承担电流传递，由细晶承载骨架与含银铜基析出组元共同承担轨面载荷。

12、进一步地，在上述技术方案中，所述稀土复合夹杂相的外周具有铝包覆过渡区，所述铝包覆过渡区与所述铝基体连续连接，所述晶界净化组元还包括分布于所述晶界交汇区的稀土铝化物微区，所述稀土铝化物微区与所述稀土复合夹杂相相互间隔设置。

13、具体实施中，所述铝包覆过渡区位于所述稀土复合夹杂相外周，并与所述铝基体连续连接，使稀土复合夹杂相与铝基体之间不形成裸露突变界面。所述稀土铝化物微区分布于晶界交汇区，能够与所述稀土复合夹杂相共同构成晶界净化组元的分散结构。所述稀土铝化物微区与所述稀土复合夹杂相相互间隔设置，使晶界交汇区内的稀土相关相不连续聚集，降低连续硬脆微区形成的风险，并使晶界附近的铝基体连续区域保持连接。

14、进一步地，在上述技术方案中，所述硼化物异质形核相包括位于晶粒内部的第一硼化物颗粒和位于晶粒边界邻近区域的第二硼化物颗粒，所述第一硼化物颗粒与所述第二硼化物颗粒共同限定所述等轴晶组织的晶粒取向分散结构，所述等轴晶组织与所述含银铜基析出组元相互嵌套分布。

15、具体实施中，所述第一硼化物颗粒位于晶粒内部，所述第二硼化物颗粒位于晶粒边界邻近区域，两类硼化物颗粒分别在晶粒内部和晶粒边界附近提供组织限定位置。所述第一硼化物颗粒与所述第二硼化物颗粒共同限定晶粒取向分散结构，使等轴晶组织中晶粒取向不集中于单一方向。所述等轴晶组织与所述含银铜基析出组元相互嵌套分布，使晶粒骨架与析出强化区域在空间上交错配合，避免强化组元仅在局部区域集中排布。

16、进一步地，在上述技术方案中，所述银富集界面层包覆于所述含铜析出相的局部外缘，所述含铜析出相包括位于晶内的弥散析出相和位于晶界邻近区域的间断析出相，所述弥散析出相与所述间断析出相之间通过所述铝基体间隔分布，且所述间断析出相不形成连续晶界网络。

17、具体实施中，所述银富集界面层包覆于所述含铜析出相的局部外缘，使含铜析出相外缘形成局部界面调控区。所述弥散析出相位于晶内，能够在晶粒内部提供分散强化位置；所述间断析出相位于晶界邻近区域，能够补充晶界附近承载能力。所述弥散析出相与所述间断析出相通过所述铝基体间隔分布，使两类析出相不形成连续聚集带；所述间断析出相不形成连续晶界网络，使晶界处保留铝基体连续通路，降低连续晶界析出对导电传递和晶界结合的影响。

18、进一步地，在上述技术方案中，所述工作表层中的所述铝基连续导电相与所述芯部区域中的所述铝基连续导电相之间形成一体化金属连续相，所述细晶承载骨架在所述工作表层内呈压实流线组织，在所述芯部区域内呈均匀等轴晶组织，所述含银铜基析出组元分布于所述压实流线组织和所述均匀等轴晶组织之间。

19、具体实施中，所述工作表层和所述芯部区域中的铝基连续导电相形成一体化金属连续相，使导轨表层发生磨耗后仍可通过芯部区域的连续金属相维持电流传递。所述细晶承载骨架在工作表层呈压实流线组织，与轨面受压方向和挤压变形方向相适配；所述细晶承载骨架在芯部区域呈均匀等轴晶组织，使芯部区域保持稳定的主体支撑结构。所述含银铜基析出组元分布于所述压实流线组织和所述均匀等轴晶组织之间，使表层和芯部的组织过渡区域具有连续析出支撑。

20、进一步地，本发明还提供了一种导电型直线导轨用改性铝合金的制备方法，包括：对铝基熔体进行净化处理，向所述铝基熔体中加入铜、镁和硅形成可时效析出的强化熔体；向所述强化熔体中加入银形成含银铜基析出前驱体系；向所述含银铜基析出前驱体系中加入稀土元素形成晶界净化前驱体系；向所述晶界净化前驱体系中加入含硼中间合金形成晶粒细化前驱体系；将所述晶粒细化前驱体系铸造成型、挤压成直线导轨型材并进行热处理，所述热处理包括固溶处理、淬冷、校直和人工时效处理，所述人工时效温度为175℃，人工时效时间为6～8小时，得到含有导电承载改性组织的改性铝合金。

21、具体实施中，在所述制备方法中，所述净化处理用于获得适于合金化的铝基熔体，所述铜、镁和硅加入后形成可时效析出的强化熔体，为后续析出强化提供前驱组元；所述银加入所述强化熔体后形成含银铜基析出前驱体系，使银与铜处于可共同参与后续析出的状态；所述稀土元素加入后形成晶界净化前驱体系，使稀土元素在凝固前后能够与氧、硫和铁杂质结合；所述含硼中间合金加入后形成晶粒细化前驱体系，使硼元素在铸造成型阶段形成异质形核基础。所述晶粒细化前驱体系经铸造成型、挤压成直线导轨型材并进行热处理后，所述铝基体中的强化组元、含银铜基析出组元、晶界净化组元和晶粒细化组元共同转化为导电承载改性组织。

22、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

23、1、采用铝基体中复合设置铜、镁、硅、银、稀土元素和硼元素的改性方式后，铜、镁和硅形成可时效析出的基础强化组元，银与铜共同形成含银铜基析出组元，稀土元素形成晶界净化组元，硼元素形成晶粒细化组元，由此在同一铝基体内形成导电承载改性组织。稀土元素将氧、硫和铁类杂质转化为离散稀土复合夹杂相，并通过铝包覆过渡区与铝基体连接，减少晶界连续偏析；硼化物异质形核相诱导形成等轴晶组织，使导轨截面中的晶粒分布更均匀；含银铜基析出组元在晶内和晶界邻近区域弥散分布，并通过铝基体相互间隔，避免形成连续晶界网络。上述组织共同限定了铝基连续导电相、细晶承载骨架和析出强化组元的空间关系，使电流传递不依赖单一晶粒路径，使轨面承载不集中于粗大第二相区域，解决了常规铝合金导轨中导电稳定性与抗压痕能力难以兼顾的问题。

24、2、晶界净化组元、晶粒细化组元和含银铜基析出组元的递进配合，使导轨材料在制备和服役过程中获得更稳定的组织连续性。稀土复合夹杂相以离散颗粒形态存在，并与稀土铝化物微区间隔设置，可减少夹杂沿晶界连成弱结合带的情况；位于晶粒内部和晶粒边界邻近区域的硼化物颗粒共同限定晶粒取向分散结构，使挤压后的导轨型材在长度方向和截面方向保持较均衡的组织形态；银富集界面层包覆于含铜析出相局部外缘，使含铜析出相与铝基体之间的界面过渡更加连续。工作表层中的铝基连续导电相与芯部区域中的铝基连续导电相形成一体化金属连续相，压实流线组织和均匀等轴晶组织共同分布于导轨不同区域，能够降低轨面磨耗后导电路径被局部切断的风险，并减小热处理和后续精整过程中的组织差异。