具有復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)的耐磨合金的制作方法
【專利摘要】提供了一種具有復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)的耐磨合金，微觀結(jié)構(gòu)包括約19wt％至約27wt％范圍的鋅(Zn)、約3wt％至約5wt％范圍的錫(Sn)、約7.6wt％至約11wt％范圍的硅(Si)和余量的鋁(Al)。
【專利說明】具有復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)的耐磨合金

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于可能需要耐磨性和自潤滑性的車輛部件的鋁合金以及制備該鋁 合金的方法。具體地，本發(fā)明提供具有復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)的鋁合金，其可包含耐磨性顆粒和自潤 滑性軟顆粒。

【背景技術(shù)】
[0002] 作為鋁合金，通常在車輛工業(yè)中使用含有約13. 5wt%至約18wt%范圍或約 12wt%的硅（Si)和約2wt%至約4wt%范圍的銅（Cu)的過共晶鋁-鐵（Al-Fe)合金。由 于這種常規(guī)的Al-Fe合金具有以下微觀結(jié)構(gòu)，即其中具有尺寸范圍為約30 μ m至約50 μ m 的初生硅（Si)顆粒，因此其相對于純Al-Fe合金可以具有改善的耐磨性，因而，其一般可 用于可能需要耐磨性的車輛部件，例如掛擋叉、后蓋、防波板等等。商業(yè)合金的實例可包 括：R14合金（由日本Ryobi Corporation生產(chǎn)）、與R14合金類似的K14合金、用于整體 (monoblock)或者錯內(nèi)襯的A390合金等等。
[0003] 然而，這些過共晶合金由于其硅含量高可能具有下述問題，例如，可鑄性低、耐沖 擊性低等等。另外，可能難以調(diào)整硅（Si)顆粒的尺寸和分布，并且制造過共晶合金由于特 別開發(fā)的工序可能比其它鋁合金耗費更高。
[0004] 同時，Al-Sn合金可以是用于車輛部件的自潤滑鋁合金的另一個實例。該Al-Sn合 金可包括約8wt%至約15wt%范圍的錫（Sn)，還包括可以降低摩擦的自潤滑性錫（Sn)軟顆 粒的微觀結(jié)構(gòu)。因此，該Al-Sn合金可以用作在高摩擦接觸面中使用的金屬軸承的基礎(chǔ)材 料。然而，該Al-Sn合金由于約150MPa或更低的較低強度可能并不適用于結(jié)構(gòu)車輛部件， 盡管強度可以通過硅（Si)含量增強。
[0005] 以上作為本發(fā)明的相關(guān)技術(shù)提供的說明僅僅是為了幫助理解本發(fā)明的背景，而不 應(yīng)理解為包含在本領(lǐng)域技術(shù)人員已經(jīng)知曉的相關(guān)技術(shù)內(nèi)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明可提供解決上述問題的技術(shù)方案。因此，在一方面，本發(fā)明提供具有可從其 硬顆粒和軟顆粒得到的微觀結(jié)構(gòu)的新型的高強度耐磨合金。具體地，該新型合金可以具有 來自過共晶Al-Si的耐磨性和來自Al-Sn合金的自潤滑性。
[0007] 在本發(fā)明的一個示例性實施方式中，提供一種具有復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)的耐磨合金，其 可以包括：約19wt%至約27wt%范圍的鋅（Zn);約3wt%至約5wt%范圍的錫（Sn);約 7. 6wt%至約llwt%的娃（Si);和余量的錯（A1)。該耐磨合金可以進一步包括約lwt%至 約3wt%的銅（Cu)。該耐磨合金還可以包括約0. 3wt%至約0. 8wt%的鎂（Mg)。另夕卜，該耐 磨合金可以包括約lwt%至約3wt%的銅（Cu)和約0· 3wt%至約0· 8wt%的鎂（Mg)。
[0008] 在另一個示例性實施方式中，本發(fā)明提供一種具有復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)的耐磨合金，其 可以包括：約19wt%至約27wt%范圍的鋅（Zn);約3wt%至約5wt%范圍的秘（Bi);約 7.6界1: (%至約11￥1:(%的娃（5;〇;和余量的錯（八1)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009] 根據(jù)以下詳細描述并結(jié)合附圖，將更清楚地理解本發(fā)明的以上和其它目的、特征 和優(yōu)點，其中：
[0010] 圖1是示出針對軟顆粒在根據(jù)實施例和比較例的示例性實施方式的具有復(fù)雜微 觀結(jié)構(gòu)的耐磨合金中摩擦系數(shù)與錫（Sn)含量（wt% )或鋅（Zn)含量（wt% )之間的關(guān)聯(lián) 的示例圖。

【具體實施方式】
[0011] 應(yīng)理解，本文使用的術(shù)語"車輛"或"車輛的"或其它類似術(shù)語包括通常的機動車， 例如，包括多功能運動車（SUV)、公共汽車、卡車、各種商務(wù)車的客車，包括各種船只和船舶 的水運工具，飛行器等等，并且包括混合動力車、電動車、插入式混合電動車、氫動力車和其 它代用燃料車（例如，來源于石油以外的資源的燃料）。如本文所提到的，混合動力車是具 有兩種或多種動力源的車輛，例如，具有汽油動力和電動力的車輛。
[0012] 本文使用的術(shù)語僅僅是為了說明【具體實施方式】，而不是意在限制本發(fā)明。如本文 所使用的，單數(shù)形式"一個、一種、該（a、an、the)"也意在包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文中另外 清楚指明。還應(yīng)當(dāng)理解的是，在說明書中使用的術(shù)語"包括（compri ses和/或compri s ing) " 是指存在所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或添加一個或多個 其它特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、部件和/或其群組。如本文所使用的，術(shù)語"和/或"包 括一個或多個相關(guān)所列項的任何和所有組合。
[0013] 除非具體說明或從上下文明顯得到，否則本文所用的術(shù)語"約"理解為在本領(lǐng)域的 正常容許范圍內(nèi)，例如在均值的2個標(biāo)準(zhǔn)差范圍內(nèi)。"約"可以理解為在所述數(shù)值的10%、 9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%、1%、0· 5%、0· 1%、0· 05%或0· 01% 內(nèi)。除非另外從上 下文清楚得到，本文提供的所有數(shù)值都由術(shù)語"約"修飾。
[0014] 下文中，將詳細描述本發(fā)明的各個示例性實施方式。本發(fā)明涉及具有復(fù)雜微觀結(jié) 構(gòu)的新型合金，其可以同時包含硬顆粒和軟顆粒。
[0015] 在常規(guī)鋁合金的某些實施例中，用于形成自潤滑顆粒的合金元素可以包括錫 (Sn)、鉛（Pb)、鉍（Bi)、鋅（Zn)等。由于這些合金元素并不會與鋁反應(yīng)，因此不會形成金屬 間化合物，且可以分離出它們的相。另外，這些合金元素可具有相對低的熔點，且在嚴(yán)重摩 擦狀態(tài)下部分熔化時具有自潤滑性以形成潤滑膜。
[0016] 在上述的四種合金元素中，當(dāng)同時考慮自潤滑性和成本時，鉛（Pb)可能是用于形 成自潤滑顆粒的最合適元素。但是，鉛被禁止用于車輛工業(yè)中，因為其被歸類為有害金屬元 素。在這方面，可能最廣泛使用錫（Sn)代替Pb，同時鉍（Bi)可以偶爾代替Sn使用。相比 之下，由于相比于Sn和Bi具有相當(dāng)高的熔點和相當(dāng)?shù)偷淖詽櫥?，鋅（Zn)可能是不利的。 然而，基于其較低的成本，鋅可以為相對高的量。因此，考慮到成本競爭力，Zn可以用于形 成軟顆粒和部分代替昂貴的Sn或Bi。
[0017] 另外，Si或Fe可以是用于形成硬顆粒的合金元素。Si或Fe可導(dǎo)致與A1的共晶 反應(yīng)，并且當(dāng)其以預(yù)定量或更大的量添加時形成角形硬顆粒。在鋁合金的一個實例中，Si可 以形成硬顆粒，并且形成初生硅顆粒。此外，當(dāng)以約12. 6wt%或更高的量加至Al-Si二元合 金中時，Si可以提供耐磨性。然而，當(dāng)Si與用于形成軟顆粒的元素 Zn -起添加時，Si含量 可以依據(jù)Zn含量變化從而形成硬顆粒。例如，當(dāng)Zn含量為約10wt%時，Si含量可以為最 小約7wt%至最大約14wt%。當(dāng)Si含量小于7wt%的最小量時，可能不能形成硬顆粒；當(dāng) Si含量大于約14wt%的最大量時，硬顆粒的尺寸可能顯著增加，由此對機械性能和耐磨性 產(chǎn)生負面影響。
[0018] 在Al-Fe合金中，F(xiàn)e可以為雜質(zhì)。然而，當(dāng)Al-Fe二元合金不含（例如最低量）Si 且Fe以約0. 5wt%或更小的量添加時，可以形成耐磨性Al-Fe金屬間化合物顆粒，由此對 Al-Fe合金提供耐磨性。相比之下，當(dāng)Fe以約3wt%或更大的量添加時，可能過度形成金屬 間化合物顆粒，由此使機械性能劣化并使熔點升高。
[0019] 另外，用于強化示例性鋁合金強度的合金元素可以包括Cu和Mg。Cu可以通過Cu 與A1的化學(xué)反應(yīng)而有效形成金屬間化合物并提高強度。Cu的作用會基于Cu含量、鑄造/ 冷卻條件或熱處理條件而變化。Mg可以通過Mg與Si或Zn的化學(xué)反應(yīng)而有效形成金屬間 化合物并提高強度。Mg的作用也會基于Mg含量、鑄造/冷卻條件或熱處理條件而變化。
[0020] 下文中，將會在詳細的示例性實施方式中描述本發(fā)明。
[0021] 在一個示例性實施方式中，鋁合金可以包含作為主要組分的鋁（A1)，還包括約 19wt%至約27wt%范圍的鋅（Zn);約3wt%至約5wt%范圍的錫（Sn);約lwt%至約3wt% 范圍的銅（Cu);約0· 3wt%至約0· 8wt%范圍的鎂（Mg);和約7. 6wt%至約llwt%的娃（Si) 用于形成硬顆粒。當(dāng)以低于約19wt%的量添加鋅（Zn)時，可能不能形成足量的Zn軟顆粒， 從而可能難以獲得充分的自潤滑性。當(dāng)以大于約27wt%的量添加鋅（Zn)時，鋁合金的固相 線可能變得很低，從而使鑄造條件劣化。
[0022] 另外，錫（Sn)可以具有比鋅（Zn)更高的自潤滑性。當(dāng)以低于約3wt%的量添加錫 (Sn)時，可能不能形成足量的Sn軟顆粒，因而可能難以補償Zn軟顆粒不足的自潤滑性。當(dāng) 以大于約5wt%的量添加錫（Sn)時，在駕駛條件下可能不能得到鋁合金的摩擦降低作用， 由此就效率而言可以使Sn的量最小化。
[0023] 娃（Si)可以形成硬顆粒。當(dāng)以低于約7. 6wt %的量添加娃（Si)時，可能不能充分 形成初生Si硬顆粒，例如，低于約0. 5wt %，可能難以確保耐磨性。當(dāng)以大于約llwt %的量 添加娃（Si)時，可能過度形成初生Si硬顆粒，例如，大于約5wt %，從而使硬顆粒粗化，并對 耐磨性和機械性能產(chǎn)生負面影響。
[0024] 銅（Cu)可以改善機械性能，且銅（Cu)可以以約lwt%或更高的量添加以確保充 足的機械性能。然而，當(dāng)以大于約3wt%的量添加銅（Cu)時，可能形成其它元素和金屬間 化合物，使得鋁合金的機械性能劣化，因此，可以對銅（Cu)的量進行限制?；蛘?，可以以約 0. 3wt%或更高的量添加鎂（Mg)代替銅（Cu)，也可以額外改善錯合金的機械性能。然而，當(dāng) 以約0.8wt%或更大的量添加鎂（Mg)時，可能形成使鋁合金的機械特性劣化的化合物，因 此可以對鎂（Mg)的量進行限制。
[0025] 已經(jīng)針對軟顆粒對根據(jù)本發(fā)明示例性實施方式的Al-Zn-Sn合金的低摩擦特性進 行評價。如圖1所示，在改變Zn和Sn量的同時制備實施例和比較例的示例性合金，然后測 量合金的摩擦系數(shù)變化。結(jié)果，在約3wt% Sn的條件下，實施例的示例性3Sn-19Zn合金可 以獲得期望的低摩擦特性，例如，約〇. 150或更低的摩擦系數(shù)，而比較例的示例性3Sn-17Zn 合金可能得到不期望的結(jié)果。因此，當(dāng)基于約3wt%或更多的Sn，以約19wt%或更大的量添 加 Zn時，可以獲得期望的低摩擦特性。另外，當(dāng)Sn和Zn的量增加時，可以獲得令人滿意的 低摩擦特性。在下面的表1中給出了實施例和比較例的示例性Al-25Zn-3Sn-xSi合金的耐 磨性和機械特性評價結(jié)果。
[0026] 表 1
[0027]

【權(quán)利要求】
1. 一種具有復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)的耐磨合金，包括： 約19wt%至約27wt%范圍的鋅（Zn); 約3wt%至約5wt%范圍的錫（Sn); 約7.6wt%至約llwt%范圍的娃（Si);和 余量的鋁（A1)。
2. 如權(quán)利要求1所述的耐磨合金，還包括： 約lwt %至約3wt %范圍的銅（Cu)。
3. 如權(quán)利要求1所述的耐磨合金，還包括： 約0· 3wt%至約0· 8wt%范圍的鎂（Mg)。
4. 如權(quán)利要求1所述的耐磨合金，還包括： 約lwt%至約3wt%范圍的銅（Cu)和約0· 3wt%至約0· 8wt%范圍的鎂（Mg)。
5. -種具有復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)的耐磨合金，包括： 約19wt%至約27wt%范圍的鋅（Zn); 約3wt%至約5wt%范圍的秘（Bi); 約7.6wt%至約llwt%范圍的娃（Si);和 余量的鋁（A1)。
【文檔編號】C22C21/10GK104141078SQ201410269995
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年5月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月7日
【發(fā)明者】姜熙三 申請人:現(xiàn)代自動車株式會社