一種耐磨Er/Zr復(fù)合微合金化鋁錫軸瓦合金的制作方法

本發(fā)明屬于金屬合金材料
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及一種耐磨Er/Zr復(fù)合微合金化鋁錫軸瓦合金。
背景技術(shù)：
：目前被廣泛應(yīng)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(yīng)性和嵌入性等綜合性能，同時(shí)又具有密度小、承載能力大、疲勞強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性好等優(yōu)越性，且價(jià)格低廉、資源豐富，因而應(yīng)用愈來愈多，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)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(yīng)性和嵌入性差，應(yīng)用范圍較小；隨著現(xiàn)代工業(yè)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(xué)性能、力學(xué)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(yè)的飛速發(fā)展，要求發(fā)動(dòng)機(jī)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(huán)保要求，使得Al-Sn軸瓦材料得到發(fā)展?，F(xiàn)有的鋁合金軸瓦材料由于強(qiáng)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(jìn)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(jīng)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，有益于提高鋁合金的嵌入性、耐磨性能、抗疲勞強(qiáng)度和抗膠合性，降低合金的線膨脹系數(shù)，隨著Si含量的增加，合金的軋制性能變差。Cu作為強(qiáng)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(xué)性能及抗疲勞強(qiáng)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(xué)、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(huì)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、改善合金性能并進(jìn)一步開發(fā)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(jī)理也不盡相同，控制微量元素的種類和數(shù)量、充分發(fā)揮微量元素的作用是發(fā)展鋁合金不懈努力的目標(biāo)，也是當(dāng)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(qiáng)化相，通過與Zr復(fù)合作用形成Al3(ZrxEr1-x)復(fù)合相，可以改善鋁合金組織，提高鋁合金的塑性或強(qiáng)度、抑制鋁合金的再結(jié)晶，改善其綜合性能。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明目的主要是在傳統(tǒng)鋁錫軸瓦材料中加入微量的Er、Zr元素，通過Er/Zr復(fù)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(qiáng)度和耐磨減磨性，并通過熱處理工藝，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(xiàn)軋裂現(xiàn)象。一種耐磨Er/Zr復(fù)合微合金化鋁錫軸瓦合金，其特征在于，其各組分重量百分比為：Sn占9～12％，Si占3～4％，Cu占0.5～2％，Er占0.3～0.5％，Zr占0.1～0.3％，余量為Al和不可避免的雜質(zhì).其制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(shè)計(jì)的各組分重量百分比稱重配好，在熔煉爐中熔煉，經(jīng)除渣后攪拌、澆注，澆注溫度760℃～820℃溫度區(qū)間，水冷，對其進(jìn)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℃溫度范圍內(nèi)保溫3.5～4.5小時(shí)，然后將鋁錫軸瓦合金冷軋至變形量45～55％，再將其在280℃～320℃溫度范圍內(nèi)保溫3.5～4.5小時(shí)，然后將其冷軋至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℃溫度范圍內(nèi)保溫90～110小時(shí)，將鋁錫軸瓦合金冷軋至變形量45～55％，再將其在280℃～320℃溫度范圍內(nèi)保溫3.5～4.5小時(shí)，然后將其冷軋至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(yàn)。加入微量的Er、Zr元素，利用Er/Zr復(fù)合微合金化，可以使鋁錫軸瓦合金的拉伸強(qiáng)度提升了大約8％，屈服強(qiáng)度提升了大約17％，摩擦學(xué)性能提升了大約29％。本發(fā)明技術(shù)方案突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步主要體現(xiàn)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復(fù)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(qiáng)度和耐磨減摩性。2.在軸瓦合金冷軋前對其進(jìn)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(xiàn)軋裂的現(xiàn)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(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。附圖說明圖1為實(shí)施例1中Al-10Sn-4Si-1Cu-0.3Er-0.25Zr(wt.％)合金經(jīng)過300℃保溫4小時(shí)的熱處理后冷軋前的微觀金相組織形態(tài)；圖2為實(shí)施例2中Al-10Sn-4Si-1Cu-0.3Er-0.25Zr(wt.％)合金經(jīng)過375℃保溫100小時(shí)的熱處理后冷軋前的微觀金相組織形態(tài)；圖3為實(shí)施例1中Al-10Sn-4Si-1Cu(wt.％)合金經(jīng)過300℃保溫4小時(shí)的熱處理后冷軋前的微觀金相組織形態(tài)；圖4為實(shí)施例2中Al-10Sn-4Si-1Cu(wt.％)合金經(jīng)過375℃保溫100小時(shí)的熱處理后冷軋前的微觀金相組織形態(tài)；圖5為兩種鋁錫軸瓦合金的摩擦實(shí)驗(yàn)的磨損量對比。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，但本發(fā)明并不限于以下實(shí)施例。實(shí)施例1鋁錫軸瓦合金各組分重量百分比為：Sn占10％，Si占4％，Cu占1％，Er占0.3％，Zr占0.25％，余量為Al和不可避免的雜質(zhì)。(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(guān)閉爐門，熔煉的軸瓦合金各組分實(shí)際重量百分比為：Sn占10.2％，Si占3.2％，Cu占1％，Er占0.3％，Zr占0.2％，余量為Al和不可避免的雜質(zhì)。(2)將爐溫升至780℃，保溫，觀察熔化后，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(shí)，將軸瓦合金冷軋至變形量50％，再將其在300℃保溫4小時(shí)，然后將其冷軋至2mm厚。(4)對冷軋好的軸瓦合金做摩擦實(shí)驗(yàn)，摩擦實(shí)驗(yàn)采用的儀器是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(shí)驗(yàn)條件是：載荷30N、50N、70N，運(yùn)行速度是300t/m，滑動(dòng)長度是5mm，時(shí)間15min，室溫，無潤滑油，摩擦實(shí)驗(yàn)的磨損量見圖5。實(shí)施例2鋁錫軸瓦合金各組分重量百分比為：Sn占10％，Si占4％，Cu占1％，Er占0.3％，Zr占0.25％，余量為Al和不可避免的雜質(zhì)。(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(guān)閉爐門，熔煉的軸瓦合金各組分實(shí)際重量百分比為：Sn占10.2％，Si占3.2％，Cu占1％，Er占0.3％，Zr占0.2％，余量為Al和不可避免的雜質(zhì)。(2)將爐溫升至780℃，保溫，觀察熔化后，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(shí)，將軸瓦合金冷軋至變形量50％，再將其在300℃保溫4小時(shí)，然后將其冷軋至2mm厚。(4)對冷軋好的軸瓦合金做摩擦實(shí)驗(yàn)，摩擦實(shí)驗(yàn)采用的儀器是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(shí)驗(yàn)條件是：載荷30N、50N、70N，運(yùn)行速度是300t/m，滑動(dòng)長度是5mm，時(shí)間15min，室溫，無潤滑油，摩擦實(shí)驗(yàn)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占10％，Si占4％，Cu占1％，余量為Al和不可避免的雜質(zhì)。(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(guān)閉爐門，熔煉的軸瓦合金各組分實(shí)際重量百分比為：Sn占11％，Si占3.8％，Cu占1％，余量為Al和不可避免的雜質(zhì)。(2)將爐溫升至780℃，保溫，觀察熔化后，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(shí)，將軸瓦合金冷軋至變形量50％，再將其在300℃保溫4小時(shí)，然后將其冷軋至2mm厚。(4)對冷軋好的軸瓦合金做摩擦實(shí)驗(yàn)，摩擦實(shí)驗(yàn)采用的儀器是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(shí)驗(yàn)條件是：載荷30N、50N、70N，運(yùn)行速度是300t/m，滑動(dòng)長度是5mm，時(shí)間15min，室溫，無潤滑油，摩擦實(shí)驗(yàn)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占10％，Si占4％，Cu占1％，余量為Al和不可避免的雜質(zhì)。(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(guān)閉爐門，熔煉的軸瓦合金各組分實(shí)際重量百分比為：Sn占11％，Si占3.8％，Cu占1％，余量為Al和不可避免的雜質(zhì)。(2)將爐溫升至780℃，保溫，觀察熔化后，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(shí)，將軸瓦合金冷軋至變形量50％，再將其在300℃保溫4小時(shí)，然后將其冷軋至2mm厚。(4)對冷軋好的軸瓦合金做摩擦實(shí)驗(yàn)，摩擦實(shí)驗(yàn)采用的儀器是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(shí)驗(yàn)條件是：載荷30N、50N、70N，運(yùn)行速度是300t/m，滑動(dòng)長度是5mm，時(shí)間15min，室溫，無潤滑油，摩擦實(shí)驗(yàn)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(qū)域?qū)?yīng)的的是原子序數(shù)較小的Al相，灰色區(qū)域?qū)?yīng)的是原子序數(shù)較大的Sn相，灰色區(qū)域中同時(shí)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(qū)域?qū)?yīng)的的是原子序數(shù)較小的Al相，灰色區(qū)域?qū)?yīng)的是原子序數(shù)較大的Sn相，灰色區(qū)域中同時(shí)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(xì)小，說明在軸瓦合金中加入微量的Er、Zr可以起到細(xì)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(jié)果。對比圖1和圖2的金相顯微組織可以看出，圖2經(jīng)過375℃100小時(shí)熱處理后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(jié)果。圖5為兩種鋁錫軸瓦合金的摩擦實(shí)驗(yàn)的磨損量對比。對比實(shí)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(shí)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(shí)施例2和對比例2也可以得出上述結(jié)論。表1為兩種鋁錫軸瓦合金都經(jīng)過兩種不同方式熱處理冷軋后的硬度對比。對比實(shí)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復(fù)合微合金化可以增加合金的硬度。同樣，對比實(shí)施例2和對比例2也可以得出上述結(jié)論。表2為兩種鋁錫軸瓦合金都經(jīng)過兩種不同方式熱處理冷軋后的拉伸試驗(yàn)結(jié)果。對比實(shí)施例1和對比例1可以得出：在同一種熱處理方式下，相對于Al-10Sn-4Si-1Cu(wt.％)合金，Al-10Sn-4Si-1Cu-0.3Er-0.25Zr(wt.％)合金的拉伸強(qiáng)度大約提升了6％，屈服強(qiáng)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復(fù)合微合金化可以增加軸瓦合金的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。同樣，對比實(shí)施例2和對比例2也可以得出上述結(jié)論。表1為兩種鋁錫軸瓦合金都經(jīng)過兩種不同方式熱處理冷軋后的硬度對比；試樣硬度值/HV實(shí)施例172±2實(shí)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(jīng)過兩種不同方式熱處理冷軋后的拉伸試驗(yàn)結(jié)果。試樣拉伸強(qiáng)度(MPa)屈服強(qiáng)度(MPa)實(shí)施例1224±1203±4實(shí)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(qiáng)度和摩擦磨損性能。上面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行了示例性描述，顯然本發(fā)明具體實(shí)現(xiàn)并不受上述方式的限制，只要采用了本發(fā)明的方法構(gòu)思和技術(shù)方案進(jìn)行的各種非實(shí)質(zhì)性改進(jìn)，或未經(jīng)改進(jìn)將本發(fā)明的構(gòu)思和技術(shù)方案直接應(yīng)用于其他場合的，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3