一种耐磨铝硅合金及其制备方法与流程

1.本发明涉及铝合金制备及铸造技术领域，具体涉及一种耐磨铝硅合金及其制备方法。


背景技术：

2.铝硅合金具有强度高、热膨胀系数低、气密性好、低的膨胀系数、优良的铸造性能和耐磨性，被广泛应用于带轮、轴套、汽车活塞、齿轮箱等耐磨零部件。
3.铝硅合金铸造后粗大的针状硅晶体会对合金基体产生割裂作用，引起应力集中，降低材料的强度和塑形。工业上因此采用添加变质剂的途径来细化硅晶体，将粗针状硅晶体转变为细小的硅颗粒，这样既可以保持合金基体的良好韧性，也能改善硅晶体的强化作用。然而随着变质剂含量的增加，变质剂对硅晶体的细化作用逐渐减弱，趋于饱和后将很难进一步促进硅晶体的细化。
4.另外，铝硅合金受其自身组织的限制，硬度的进一步提高也显得更加困难，通过向合金中添加sic硬质颗粒，可以提高合金整体硬度，提高合金的耐磨性，但是现有sic颗粒的应用中每个厂家工艺不一，效果也参差不齐且最终成品的性能稳定性差。


技术实现要素：

5.本发明提供一种耐磨铝硅合金及其制备方法，以解决上述问题。
6.本发明采用如下技术方案：一种耐磨铝硅合金，包括按重量百分数计的如下元素：si 17-30%、mg 0.7-1.2%、cu 2.0-4.0%、mn 0.24-0.9%、fe 0.2-0.6%、zn 0.1-0.4%、sr 0.005-0.04%、ti 0.06-0.2%、v 0.1-0.3%、p 0.01-0.3%，余量为al。
7.进一步地：上述的mn元素与fe元素的质量比为1.14-1.48。
8.该耐磨铝硅合金中sic颗粒的质量分数为5-25%。
9.该耐磨铝硅合金为用于重力铸造且铸造成品硬度为120-146hb的耐磨铝硅合金。
10.一种上述耐磨铝硅合金的制备方法，包括以下步骤：s1、sic-al预制粉的制备：将sic颗粒与纯al粉末进行配粉，然后在无水乙醇介质中对混合粉末进行高能球磨，球磨之后进行干燥和筛分处理备用。
11.s2、炉料烘干：将原材料纯铝锭、纯镁、纯锌和其它中间合金进行烘干处理。
12.s3、熔炼：将纯铝锭加热到700-720℃使其完全熔化。随后依次加入al-si中间合金、al-cu中间合金、al-fe中间合金、al-mn中间合金、al-v中间合金，升温至740-760℃待中间合金完全熔化。继续升温到一定温度后加入al-p中间合金。之后降温到680-700℃加入纯镁块和纯锌块。
13.s4、变质处理和精炼除气：将熔液升温到一定温度时加入al-sr合金、al-ti合金，保温20-50分钟待合金完全熔化且混合均匀。之后精炼除渣除气后静置20-35分钟。
14.s5、sic-al预制粉的加入：向熔液中加入按质量分数计为6.7-33.3%的sic-al预制粉，同时超声振荡5-10分钟。
15.s6、浇注：升温到一定温度下，扒渣出炉浇注。
16.进一步地：上述步骤s1中sic颗粒与纯al粉末的质量比为3:1，高能球磨所用磨球为氮化硅球，球料比为(6:1)-(4:1)，球磨时间为30-60h。
17.上述步骤s1中球磨后的筛分处理采用筛网进行，所得sic-al预制粉末的粒度为40-80μm。
18.上述步骤s3中al-p中间合金的加入温度在820-840℃之间。
19.上述步骤s4中变质处理的温度为720-740℃。
20.上述步骤s6中熔液的浇注温度为760-780℃。
21.由上述对本发明描述可知，和现有技术相比，本发明具有如下优点：其一，本发明的耐磨铝硅合金及其制备方法通过上述配方的控制，实现对铝硅合金耐磨性能、硬度等的提升，令产品更加适合重力铸造的汽车发动机活塞、汽车制动盘、齿轮箱等耐磨零部件生产及理化性能需求，提供了一种效果更佳的耐磨铝硅合金。
22.其二，在背景技术中涉及的“变质剂对硅晶体的细化作用逐渐减弱，趋于饱和后将很难进一步促进硅晶体的细化”的情况下，本发明的耐磨铝硅合金及其制备方法通过控制mn与fe元素的质量比使得铝硅合金中初生硅和共晶硅的形状为细小的颗粒状，在外力作用下铝硅合金组织内不容易出现应力集中，特别是针对本发明的高硅配方，该mn：fe的质量比为1.14-1.48方案可以有效提升产品理化性能。
23.其三，本发明通过mg、cu等元素与al形成强化相（mg2si、al2cu、al5cu2mg8si6）强化合金基体硬度，其中特别是v的加入，实现的对铝硅合金强化相种类及数量等的有效调控，进而实现对铝硅合金整体硬度和耐磨性的调控。此外，本发明添加一定质量分数的sic颗粒，进一步实现对铝硅合金整体硬度和耐磨性的调控。
24.其四，经过申请人研究发现，sic颗粒在熔炼过程中的分散性和与熔体的润湿性影响了sic颗粒在合金中的分布以及sic颗粒与铝硅合金基体之间的界面结合性。由于sic颗粒与基体的界面结合性差，又在熔液中容易出现团聚现象，其对铝硅合金的强化作用无法充分发挥，限制了铝硅合金耐磨零部件的使用寿命、造成铝硅合金成品质量稳定性等。通过sic颗粒与al粉经高能球磨，形成sic-al预制粉，达到了原子尺度的结合。在向熔液中添加预制粉时，有利于sic-al预制粉体的分散，使得最终熔液中sic颗粒分布均匀和sic颗粒与基体界面的润湿性，进而提高材料的耐磨性。再者，本发明通过sic-al预制粉的制作以及对sic-al预制粉末的粒度的控制，进一步增强上述效果。具体如该sic-al预制粉末粒度控制，现有如0.01μm级别粒度的应用，制备成本高同时在本发明的耐磨铝硅合金生产中效果更差，并不具备参考意义。
附图说明
25.图1为实施例1中本发明的耐磨铝硅合金的微观组织图。
具体实施方式
26.下面参照附图说明本发明的具体实施方式。
27.一种耐磨铝硅合金及其制备方法，该耐磨铝硅合金具体为耐磨性较zl109铝合金的耐磨性提高了1.4-1.8倍的用于重力铸造生产耐磨零部件使用的耐磨铝硅合金，该耐磨零部件如汽车发动机活塞、汽车制动盘和齿轮箱等。
28.该耐磨铝硅合金包括按重量百分数计的如下元素：si 17-30%、mg 0.7-1.2%、cu 2.0-4.0%、mn 0.24-0.9%、fe 0.2-0.6%、zn 0.1-0.4%、sr 0.005-0.04%、ti 0.06-0.2%、v 0.1-0.3%、p 0.01-0.3%，余量为al。上述的mn元素与fe元素的质量比为1.14-1.48。该耐磨铝硅合金中sic颗粒的质量分数为5-25%。
29.一种上述耐磨铝硅合金的制备方法，包括以下步骤：s1、sic-al预制粉的制备：将sic颗粒与纯al粉末进行配粉，然后在无水乙醇介质中对混合粉末进行高能球磨，球磨之后进行干燥和筛分处理备用。
30.其中，sic颗粒与纯al粉末的质量比为3:1，高能球磨所用磨球为氮化硅球，球料比为(6:1)-(4:1)，球磨时间为30-60h。
31.该球磨后的筛分处理采用筛网进行，所得sic-al预制粉末的粒度为40-80μm。
32.s2、炉料烘干：将原材料纯铝锭、纯镁、纯锌和其它中间合金进行烘干处理。
33.s3、熔炼：将纯铝锭加热到700-720℃使其完全熔化。随后依次加入al-si中间合金、al-cu中间合金、al-fe中间合金、al-mn中间合金、al-v中间合金，升温至740-760℃待中间合金完全熔化。继续升温到一定温度后加入al-p中间合金。之后降温到680-700℃加入纯镁块和纯锌块。
34.其中，al-p中间合金的加入温度在820-840℃之间。
35.s4、变质处理和精炼除气：将熔液升温到一定温度时加入al-sr合金、al-ti合金，保温20-50分钟待合金完全熔化且混合均匀。之后精炼除渣除气后静置20-35分钟。
36.其中，变质处理的温度为720-740℃。
37.s5、sic-al预制粉的加入：向熔液中加入按质量分数计为6.7-33.3%的sic-al预制粉，同时超声振荡5-10分钟。
38.s6、浇注：升温到一定温度下，扒渣出炉浇注。
39.其中，熔液的浇注温度为760-780℃。
40.该耐磨铝硅合金铸造成品硬度为120-146hb。
41.参考表1、表2，以下通过四个实施例对本发明的具体实施方式进行更进一步描述。其中，表1为各实施例制备耐磨铝硅合金包括的元素成分（成分按重量百分数计）；表2为各实施例制得的耐磨铝硅合金与对比例（zl109铝合金）在硬度和耐磨性测试结果的对比。
42.表1：
表2：实施例1：本实施例提供一种耐磨铝硅合金，其包括按重量百分数计的如下元素：si 17.2%、mg 1.20%、cu 2.01%、mn 0.62%、fe 0.47%、zn 0.10%、sr 0.005%、ti 0.06%、v 0.18%、p 0.25%，余量为al。
43.参考图1，本实施例提供的耐磨铝硅合金的制备方法为：1）将sic颗粒与纯al粉末按质量比为3:1进行配粉，然后在无水乙醇介质中对混合粉末进行高能球磨，所用磨球为氮化硅球，球料比为6:1，球磨时间为60h，球磨之后进行干燥和筛网筛分处理，获得40-80μm的sic-al预制粉末备用。
44.2）将原材料纯铝锭、纯镁、纯锌和其它中间合金进行烘干处理；3）将纯铝锭加热到700℃使其完全熔化；随后依次加入al-si中间合金、al-cu中间合金、al-fe中间合金、al-mn中间合金、al-v中间合金，在740℃待中间合金完全熔化；继续升温到830℃后加入al-p中间合金；之后降温到680℃加入纯镁块和纯锌块。
45.4）将熔液升温到730℃时加入al-sr合金、al-ti合金，保温40分钟待合金完全熔化且混合均匀；之后精炼除渣除气后静置30分钟。
46.5）向熔液中加入按质量分数计6.7%的sic-al预制粉，同时超声振荡10分钟。
47.6）升温到770℃温度下，扒渣出炉浇注。
48.对本实施例制得耐磨铝硅合金进行观察和测试，说明其性能的优越性。
49.用光学显微镜观察熔炼后获得的耐磨铝硅合金试样组织，结果见图1。从图中可以看出，本发明制备的耐磨铝硅合金中硅晶粒为颗粒状，晶粒明显细化。另外，sic颗粒镶嵌在
0.30%，余量为al。
65.本实施例提供的耐磨铝硅合金的制备方法为：1）将sic颗粒与纯al粉末按质量比为3:1进行配粉，然后在无水乙醇介质中对混合粉末进行高能球磨，所用磨球为氮化硅球，球料比为5:1，球磨时间为60h，球磨之后进行干燥和筛网筛分处理，获得40-80μm的sic-al预制粉末备用。
66.2）将原材料纯铝锭、纯镁、纯锌和其它中间合金进行烘干处理；3）将纯铝锭加热到720℃使其完全熔化；随后依次加入al-si中间合金、al-cu中间合金、al-fe中间合金、al-mn中间合金、al-v中间合金，在750℃待中间合金完全熔化；继续升温到840℃后加入al-p中间合金；之后降温到680℃加入纯镁块和纯锌块。
67.4）将熔液升温到740℃时加入al-sr合金、al-ti合金，保温30分钟待合金完全熔化且混合均匀；之后精炼除渣除气后静置35分钟。
68.5）向熔液中加入按质量分数计33.3%的sic-al预制粉，同时超声振荡10分钟。
69.6）升温到780℃温度下，扒渣出炉浇注。
70.对本实施例制得的耐磨铝硅合金进行测试，结果见表2。
71.从表2可以看出，各实施例所得耐磨铝硅合金的硬度为120-146hb，其体积磨损率较zl109铝合金有了明显降低，耐磨性较zl109铝合金提高了1.4-1.8倍。
72.上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。