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一种高耐磨性的铝合金及其制备方法

发明公布  在审
申请(专利)号:CN201811517895.0国省代码:江苏 32
申请(专利权)人:徐州一宁铝业科技有限公司
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摘要:
一种高耐磨性的铝合金及其制备方法,其中,铝合金的成分以重量百分比表示,包括Si 13~45,Mg 0.5~5,Mn 0.05~0.20,Cu 0.1~0.4,Cr 0.10~0.20,Zn 0.1~0.3,Fe 0.1~0.6,稀土RE 0.1~1,其余成分为铝。所述铝合金的制备方法中采用脉冲电流结合稀土变质技术,来控制金属凝固组织,解决铝硅合金中随着硅含量的提高产生的初生硅细化的瓶颈问题,得到一种高耐磨性的铝合金。

主权项:
1.一种高耐磨性的铝合金,其特征在于,所述铝合金的成分以重量百分比表示,包括Si 13~45,Mg 0.5~5,Mn 0.05~0.20,Cu 0.1~0.4,Cr 0.10~0.20,Zn 0.1~0.3,Fe 0.1~0.6,稀土RE 0.1~1,其余成分为铝。


说明书

一种高耐磨性的铝合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及铝合金型材的熔炼领域,尤其是涉及一种高耐磨性的铝合金及其制备
方法。

背景技术

目前汽车的轻量化是未来汽车行业发展的趋势,选择轻型的材料是实现这一目标
的有效途径,铝及铝合金就是首选的材料,铝具有一系列比其他有色金属、钢铁、塑料和木
材等更为优良的特性,如密度小,仅为2.72g/cm3,相当于铁的35%,铜的30%;良好的耐蚀
性和耐候性;良好的塑性和加工能力;良好的导热性和导电性;良好的耐低温性能;良好的
力学性能;优良的铸造性能和焊接性能;良好的抗撞击性,但是其力学性能与钢铁材料还是
有一定的差距,因此在铝中添加合金元素制备成铝合金,可以显著改善合金的力学性能。

铝硅合金属于铸造铝合金的一种,由于其铸造性良好、焊接性优越、耐磨性高、优
异的耐腐蚀性等特点,广泛应用于航空航天、汽车等领域,特别是在汽车和摩托车活塞的实
际应用上,占有相当大的分量。特别是针对过共晶铝硅合金,经常作为汽车和摩托车的活塞
来使用,合金不仅在高温力学性能、耐磨性方面都有所提高,而且尺寸稳定性和抗咬合性能
方面也得到了相应的改善。但是由于过共晶铝硅合金中存在粗大的初生硅,通常初生硅相
呈现花瓣状、板片状或者不规则形状,棱角鲜明,而且棱角易产生局部应力集中,割裂基体
并破坏其连续性,进而恶化了合金的整体性能,如加工性能、力学拉伸性能以及机械耐磨性
能。因此,有必要对过共晶铝硅合金中初生硅组织进行细化。

现有技术中常规的初生硅细化方式有化学变质处理、熔体处理法、动力学细化法
以及快速凝固法。其中化学变质处理是成本较低的方法,可以采用磷、钠、锶、稀土RE以及它
们之间的复配进行变质处理,其中稀土RE是一种绿色环保、长效、重熔性好的变质剂,变质
处理以后,可以显著细化初生硅,变质时间可以持续30min以上而保持初生硅细化,重熔次
数在20次以上也不改变初生硅细化形貌。但是随着硅含量的提高,耐磨性也会显著提高,但
是带来的问题是一旦硅含量超过30wt.%,初生硅细化并不显著,因此变质遇到了瓶颈,问
题有待解决。

脉冲电流技术是一种优异的金属凝固控制技术,在金属熔体凝固过程中或于凝固
点以上的熔体中施加脉冲电流,利用电磁搅拌可以打碎铝合金中的树枝晶以及阻止硅原子
团簇进一步聚集而达到晶粒细化的效果,该技术明显优于化学变质技术。通过将该技术与
稀土变质相结合可以获得双重变质效果,即使提高硅的含量,也能保持很高的抗拉强度与
耐磨性。

随着合金中硅含量的提高,稀土变质过共晶铝硅合金会遇到明显的瓶颈,初生硅
细化不明显,花瓣状、五瓣星状初生硅的形貌不会消失,会严重影响合金的耐磨性,因此需
要新的技术来解决这一问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种脉冲电流结合稀土变质技术,来控制金属凝固组织,
解决铝硅合金中随着硅含量的提高,而产生的初生硅细化的瓶颈问题,制备一种高耐磨性
的铝合金。

本发明的技术方案:一种高耐磨性的铝合金,所述铝合金的成分以重量百分比表
示,包括Si 13~45,Mg 0.5~5,Mn 0.05~0.20,Cu 0.1~0.4,Cr 0.10~0.20,Zn 0.1~
0.3,Fe 0.1~0.6,稀土RE 0.1~1,其余成分为铝。

优选地,所述稀土RE为镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇、钪
中任意一种及其任意两种以上复配的混合物。

上述高耐磨性的铝合金的制备方法包括以下步骤:

1)利用锯床将各个原料切成小块,按照铝合金各成分的重量配比,称取原料,然后
在石墨坩埚中装入小型铝块;

2)熔炼合金之前,利用热处理炉预热模具,预热温度150±10℃,然后打开电阻炉
和控温仪,对坩埚中的铝块进行预热处理,保温时间为30±5min;

3)预热完毕后,将温度升至700±5℃,将铝块熔解,熔解后保温10min,然后升温至
800±5℃,加入2202#工业硅,待硅块熔解后,依次加入切割好并预热的镁锭、锌锭、电解铜,
熔解后,保温20±5min,然后将温度升至900±5℃,再依次加入纯铁、锰块以及铬块,待全部
熔解过后,准备稀土变质处理;

4)稀土金属以Al-RE中间合金的形式加入,用石墨钟罩将预热好的稀土中间合金
加入到铝合金熔体中,温度为800±5℃,变质时间为10±5min,然后加入精炼剂进行除氢处
理,接着捞渣,等待下一步处理;

5)关闭电阻炉电源,熔体开始缓慢凝固,同时对熔体施加电脉冲处理,处理时间15
±5min;

6)停止电脉冲处理,将坩埚取出,并将熔体浇铸于不锈钢模具中,待合金熔体完全
凝固后,打开模具取出铝合金铸锭。

优选地,上述的高耐磨性的铝合金的制备方法,所述电脉冲处理的工艺参数为电
流密度为20~50mA/cm2、电压为25~35V,频率为1.5~5.0Hz,脉宽为60μs。上述高耐磨性的
铝合金的制备方法,所述精炼剂由下列重量份原料制得:氯化钾7-10份、树木灰5-8份、镁粒
7-10份、氟化钙4-10份、硝酸钠4-8份、石粉7-10份、氟硅酸钠9-15份、硫酸钠4-8份、氯化铝
6-10份、碳酸钾4-10份、海泡石9-15份、NaBF4 6-16份、氯化钠4-10份、Na2TiF6 9-15份、NaF
7-9份。

优选地,所述精炼剂由下列重量份原料制得:氯化钾7份、树木灰5份、镁粒7份、氟
化钙4份、硝酸钠4份、石粉7份、氟硅酸钠9份、硫酸钠4份、氯化铝6份、碳酸钾4份、海泡石9
份、NaBF4 6份、氯化钠4份、Na2TiF6 9份、NaF 7份。

与现有技术相比,本发明具有以下技术效果:将电脉冲凝固处理技术与稀土变质
处理技术相结合,细化了过共晶铝硅合金的初生硅相,使得合金中硅的含量即使超过
30wt.%,也能够获得低硅含量的细小初生硅相,达到了电脉冲结合稀土变质的双重变质功
效。

具体实施方式

一种高耐磨性的铝合金,所述铝合金的成分以重量百分比表示,包括Si 13~45,
Mg 0.5~5,Mn 0.05~0.20,Cu 0.1~0.4,Cr 0.10~0.20,Zn 0.1~0.3,Fe 0.1~0.6,稀
土RE 0.1~1,其余成分为铝。

根据需要,所述稀土RE为镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇、
钪中任意一种及其任意两种以上复配的混合物。

上述高耐磨性的铝合金的制备方法包括以下步骤:

1)利用锯床将各个原料切成小块,按照铝合金各成分的重量配比,称取原料,然后
在石墨坩埚中装入小型铝块;

2)熔炼合金之前,利用热处理炉预热模具,预热温度150±10℃,然后打开电阻炉
和控温仪,对坩埚中的铝块进行预热处理,保温时间为30±5min;

3)预热完毕后,将温度升至700±5℃,将铝块熔解,熔解后保温10min,然后升温至
800±5℃,加入2202#工业硅,待硅块熔解后,依次加入切割好并预热的镁锭、锌锭、电解铜,
熔解后,保温20±5min,然后将温度升至900±5℃,再依次加入纯铁、锰块以及铬块,待全部
熔解过后,准备稀土变质处理;

4)稀土金属以Al-RE中间合金的形式加入,用石墨钟罩将预热好的稀土中间合金
加入到铝合金熔体中,温度为800±5℃,变质时间为10±5min,然后加入精炼剂进行除氢处
理,接着捞渣,等待下一步处理;

5)关闭电阻炉电源,熔体开始缓慢凝固,同时对熔体施加电脉冲处理,处理时间15
±5min;

6)停止电脉冲处理,将坩埚取出,并将熔体浇铸于不锈钢模具中,待合金熔体完全
凝固后,打开模具取出铝合金铸锭。

这高耐磨性的铝合金的制备方法,所述电脉冲处理的工艺参数为电流密度为20~
50mA/cm2、电压为25~35V,频率为1.5~5.0Hz,脉宽为60μs。

上述高耐磨性的铝合金的制备方法,所述精炼剂由下列重量份原料制得:氯化钾
7-10份、树木灰5-8份、镁粒7-10份、氟化钙4-10份、硝酸钠4-8份、石粉7-10份、氟硅酸钠9-
15份、硫酸钠4-8份、氯化铝6-10份、碳酸钾4-10份、海泡石9-15份、NaBF4 6-16份、氯化钠4-
10份、Na2TiF6 9-15份、NaF 7-9份。

实施例1:

一种高耐磨性铝合金,该合金的成分以重量百分比来表示,包括Si 13,Mg 0.5,Mn
0.05,Cu 0.1,Cr 0.1,Zn 0.1,Fe 0.1,稀土Ce 0.5,Al 85.55。

其中高耐磨性铝合金制备方法如上步骤。

实施例2:

一种高耐磨性铝合金,该合金的成分以重量百分比来表示,包括Si 45,Mg 5,Mn
0.20,Cu 0.4,Cr 0.2,Zn 0.3,Fe 0.6,稀土Ce 0.5,稀土Pr 0.5,Al 47.3。

实施例3

一种高耐磨性铝合金,该合金的成分以重量百分比来表示,包括Si 35,Mg 2.8,Mn
0.13,Cu 0.25,Cr 0.15,Zn 0.2,Fe 0.35,稀土Ce 0.5,稀土Pr 0.3,稀土Nd 0.2,Al
60.12。

对比例1

与实施例1的区别在于,不施加电脉冲处理,而合金成分与实施例1一样;

对比例2:与实施例2的区别在于,不施加电脉冲处理,而合金成分与实施例2一样;

对比例3:与实施例3的区别在于,不施加电脉冲处理,而合金成分与实施例3一样。

表1实施例1-3和对比例1-3所制备铝合金的抗拉强度、延伸率以及耐磨性数据列

案例
抗拉强度(MPa)
延伸率(%)
磨损量(g)
实施例1
265
30
0.1456
实施例2
255
20
0.0933
实施例3
225
27
0.0578
对比例1
195
15
0.2553
对比例2
177
19
0.2738
对比例3
169
17
0.3028

从该表容易得出,施加电脉冲搅拌和稀土变质,铝基体和初生硅晶粒显著细化,抗
...

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图1
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