一種提高多元鋁硅合金摩擦磨損性能的工藝方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明一種提高多元鋁硅合金摩擦磨損性能的工藝方法，屬于鋁硅合金制備【技術(shù)領(lǐng)域】，材料為鑄造鋁硅合金，澆注時(shí)將金屬型鑄型放在振動(dòng)臺(tái)上，振動(dòng)裝置的頻率50Hz，振幅5-20mm，邊振動(dòng)邊澆鑄，澆注完成后關(guān)閉振動(dòng)臺(tái)。最后進(jìn)行兩種處理：（a）T6處理：先進(jìn)行固溶處理，485±5℃保溫5h后，立即水冷，隨后進(jìn)行時(shí)效處理，160±5℃保溫5h后，立即水冷，得到T6態(tài)合金；（b）鑄淬時(shí)效處理：澆注完成等待3分鐘后，將鑄型直接淬入室溫水中至室溫，隨后進(jìn)行時(shí)效處理，185±5℃保溫6h后，立即水冷，得到鑄淬時(shí)效態(tài)合金。將兩種狀態(tài)的鑄造鋁硅合金采用線切割的方法進(jìn)行取樣進(jìn)行油潤(rùn)滑-邊界摩擦-滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)，摩擦副轉(zhuǎn)速為200r/min。兩種狀態(tài)合金的耐磨性能得到了極大的提升。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種提高多元鋁硅合金摩擦磨損性能的工藝方法
[0001]

【技術(shù)領(lǐng)域】
本發(fā)明屬于鋁硅合金制備【技術(shù)領(lǐng)域】，特指一種提高多元鋁硅合金摩擦磨損性能的工藝方法。
[0002]

【背景技術(shù)】
據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界大約有1/3?1/2的能源消耗在各種形式的摩擦上，約有80%的零件失效是各種形式的磨損引起的。以汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)為例:發(fā)動(dòng)機(jī)本身是一個(gè)高集成化、多系統(tǒng)化、高速運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械裝置，在它內(nèi)部存在多種類(lèi)型的摩擦部件，其摩擦損失能量約占發(fā)動(dòng)機(jī)總功率的20%。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體作為發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的部件，鑄件質(zhì)量重、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚分布不均勻，而且在高溫、高壓及可能出現(xiàn)潤(rùn)滑條件不良或伴有固體微粒甚至腐蝕介質(zhì)工況的條件下承受內(nèi)部零件相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦磨損。這些摩擦副的摩擦學(xué)行為，既會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能和運(yùn)行效率，更會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)缸體乃至其他部件的使用壽命。隨著汽車(chē)工業(yè)的迅猛發(fā)展，為了滿足汽車(chē)傳動(dòng)裝置高速、高負(fù)荷、大功率傳遞的發(fā)展需求，以及降低汽車(chē)油耗、提高節(jié)能環(huán)保性能的發(fā)展趨勢(shì)，降低汽車(chē)重量的壓力越來(lái)越大。
[0003]鋁及其合金由于具有質(zhì)輕，耐磨，耐腐蝕，彈性好，比強(qiáng)度和比剛度高，抗沖擊性能好，易表面著色，良好的加工成形性以及極高的再回收、再生性等一系列優(yōu)良特性而成為汽車(chē)輕量化最理想的材料。其中，輔助添加CiuMg等元素的鑄造Al-Si合金，不但比重比傳統(tǒng)鋁合金更輕，且具有良好的高溫強(qiáng)度、耐磨性、耐熱性和較低的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，是代替鐵基材料制造汽車(chē)，尤其是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的理想材料。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外鋁合金材料用于復(fù)雜、特殊工況下的摩擦磨損行為方面的研究主要集中在過(guò)共晶鋁硅合金、鑄造A356合金、2系、6系和7系變形鋁合金、鋁基復(fù)合材料以及表面經(jīng)過(guò)特殊處理的鋁合金，如仿生表面、表面薄膜、表面沉積、表面激光沖擊處理等。關(guān)于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)用鑄造鋁硅合金摩擦磨損方面的研究還處于初級(jí)階段，要想進(jìn)一步擴(kuò)大鑄造鋁合金在汽車(chē)行業(yè)的應(yīng)用范圍，對(duì)鑄造鋁合金的力學(xué)性能尤其是摩擦磨損方面提出了更高的要求。基于此，本發(fā)明開(kāi)發(fā)出一種提高多元鋁硅合金摩擦磨損性能的工藝方法。
[0004]


【發(fā)明內(nèi)容】

本發(fā)明開(kāi)發(fā)出一種提高多元鋁硅合金摩擦磨損性能的工藝方法，按照下述步驟進(jìn)行:
(I)材料為鑄造鋁硅合金，采用電磁感應(yīng)石墨坩堝熔鋁爐進(jìn)行熔煉。除了 Mg和Zn以外，其他原材料加入石墨坩堝內(nèi)，在770°C下待所有原料熔化后降溫至740°C并加入Mg和Zn。
[0005](2)熔化后，再加入復(fù)合細(xì)化變質(zhì)劑，其加入量為合金液總質(zhì)量的0.40-0.60%ο隨后采用市售的HGJ-2鋁合金無(wú)鈉精煉清渣除氣劑進(jìn)行處理，加入量為合金液總質(zhì)量的0.5%。
[0006](3)完成后靜置1min進(jìn)行澆注，澆注溫度710_720°C。鑄造工藝為:采用普通金屬型鑄造方法，不同的是施加鑄型整體振動(dòng)。振動(dòng)裝置采用機(jī)械激振(頻率50Hz，振幅5-20mm)裝置。將金屬型鑄型放在振動(dòng)臺(tái)上，邊振動(dòng)邊澆鑄，澆注完成后關(guān)閉振動(dòng)臺(tái)。
[0007](4)冷卻后將鑄造鋁硅合金采用線切割的方法進(jìn)行取樣，進(jìn)行兩種處理:(a)T6處理:先進(jìn)行固溶處理，485 土 5 V保溫5h后，立即水冷(室溫)，隨后進(jìn)行時(shí)效處理，160 ± 5°C保溫5h后，立即水冷(室溫)，得到T6態(tài)合金；(b)鑄淬時(shí)效處理:澆注完成等待3分鐘后，將鑄型直接淬入室溫水中至室溫，隨后進(jìn)行時(shí)效處理，185±5°C保溫6h后，立即水冷(室溫)，得到鑄淬時(shí)效態(tài)合金。
[0008]其中步驟(I)中所述的鑄造鋁硅合金具體化學(xué)成分(質(zhì)量百分比)為:Si 7-8%, Cu3-4%, Mg 0.3-0.4%, Mn 0.2-0.3%, Zn 0.4-0.5%, Fe ( 0.35%，余為 Al。
[0009]其中步驟(2)中所述的復(fù)合細(xì)化變質(zhì)劑的化學(xué)成分按質(zhì)量百分比計(jì)算，具體為:Ti 為 ll-13%、Cr 為 8-9%,Ni 為 9-10%,Sr 為 8-9%,Ce 為 6-7%,La 為 6-7%,Nb 為 5-6%,Pr 為
3.5-4%、Er 為 3.5-4%, Eu 為 3.5-4%, Y 為 3-3.5%、Ba 為 3-3.5%、B 為 2.5-3%, Na 為 2-2.5%、V 為 1.5-2%、余為 Al。
[0010]

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
圖1磨損時(shí)間為3h時(shí)，載荷對(duì)不同處理后的多元鋁硅合金質(zhì)量磨損率的影響。
[0011]圖2磨損時(shí)間對(duì)不同處理后的多元鋁硅合金質(zhì)量磨損率的影響:(a)載荷為500N ;(b)載荷為 100N0

【具體實(shí)施方式】
[0012]磨損試驗(yàn)在M-2000型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試樣尺寸:長(zhǎng)19.5mmX寬1mmX高8mm,摩擦副尺寸:qp40mmX 1mm的GCrl5圓環(huán)。磨損性能用質(zhì)量磨損率來(lái)表達(dá)。每個(gè)試樣進(jìn)行磨損試驗(yàn)前和后都要在超聲波清洗機(jī)中進(jìn)行清洗，清洗液是濃度為20%的丙酮水溶液，清洗時(shí)間為30min。然后在60°C保溫爐中進(jìn)行烘干2h，最大程度的降低試樣的表面污染程度。最后待試樣冷卻至室溫后及時(shí)進(jìn)行稱重。稱重采用MAllO型電子天平，其精度為0.1mg0試驗(yàn)開(kāi)始前，先進(jìn)行30min的磨合試驗(yàn)，磨合完畢后測(cè)定磨損前試樣的質(zhì)量，然后加載至預(yù)定的載荷進(jìn)行相應(yīng)時(shí)間的磨損試驗(yàn)。磨損試驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)定試樣的質(zhì)量，并計(jì)算出試樣的質(zhì)量磨損率。為保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程中試樣處在連續(xù)油潤(rùn)滑狀態(tài)，潤(rùn)滑油選擇30#機(jī)油，每分鐘滴定25滴油。試驗(yàn)中，上面的摩擦磨損試樣固定不動(dòng)，下面的摩擦副試樣轉(zhuǎn)動(dòng)，即試樣進(jìn)行的是油潤(rùn)滑-邊界摩擦-滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)，摩擦副轉(zhuǎn)速為200 r/min。
[0013]實(shí)施例1
材料為鑄造鋁硅合金，原材料均為市售，具體化學(xué)成分(質(zhì)量百分比)為:Si 7-8%，Cu3-4%, Mg 0.3-0.4%, Mn 0.2-0.3%, Zn 0.4-0.5%, Fe ( 0.35%，余為 Al。采用電磁感應(yīng)石墨坩堝熔鋁爐進(jìn)行熔煉。除了 Mg和Zn以外，其他原材料加入石墨坩堝內(nèi)，在770°C下待所有原料熔化后降溫至740°C并加入Mg和Zn。熔化后，再加入復(fù)合細(xì)化變質(zhì)劑(化學(xué)成分按質(zhì)量百分比計(jì)算，具體為:Ti為11%、Cr為8%、Ni為9%、Sr為8%、Ce為6%、La為6%、Nb為5%、Pr 為 3.5%、Er 為 3.5%、Eu 為 3.5%、Y 為 3%、Ba 為 3%、B 為 2.5%、Na 為 2%、V 為 1.5%、余為Al)，加入量為合金液總質(zhì)量的0.40%。隨后采用市售的HGJ-2鋁合金無(wú)鈉精煉清渣除氣劑進(jìn)行除氣處理，加入量為合金液總質(zhì)量的0.5%。完成后靜置1min進(jìn)行澆注，澆注溫度710-720°C。鑄造工藝為:采用普通金屬型鑄造方法，不同的是施加鑄型整體振動(dòng)。振動(dòng)裝置采用機(jī)械激振(頻率50Hz，振幅5-20mm)裝置。將金屬型鑄型放在振動(dòng)臺(tái)上，邊振動(dòng)邊澆鑄，澆注完成后關(guān)閉振動(dòng)臺(tái)。冷卻后將鑄造鋁硅合金采用線切割的方法進(jìn)行取樣。然后對(duì)試樣先進(jìn)行固溶處理，485±5°C保溫5h后，立即水冷(室溫)，隨后進(jìn)行時(shí)效處理，160±5°C保溫5h后，立即水冷(室溫)，從而得到T6態(tài)合金。對(duì)上述工藝方法制備的T6態(tài)鑄造鋁硅合金進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，方法詳見(jiàn)【具體實(shí)施方式】，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1和圖2所示。
[0014]實(shí)施例2
材料為鑄造鋁硅合金，原材料均為市售，具體化學(xué)成分(質(zhì)量百分比)為:Si 7-8%，Cu3-4%, Mg 0.3-0.4%, Mn 0.2-0.3%, Zn 0.4-0.5%, Fe ( 0.35%，余為 Al。采用電磁感應(yīng)石墨坩堝熔鋁爐進(jìn)行熔煉。除了 Mg和Zn以外，其他原材料加入石墨坩堝內(nèi)，在770°C下待所有原料熔化后降溫至740°C并加入Mg和Zn。熔化后，再加入復(fù)合細(xì)化變質(zhì)劑(化學(xué)成分按質(zhì)量百分比計(jì)算，具體為:Ti為13%、Cr為9%、Ni為10%、Sr為9%、Ce為7%、La為7%、Nb為6%、Pr 為 4%、Er 為 4%、Eu 為 4%、Y 為 3.5%、Ba 為 3.5%、B 為 3%、Na 為 2.5%、V 為 2%、余為 Al)，加入量為合金液總質(zhì)量的0.60%。隨后采用市售的HGJ-2鋁合金無(wú)鈉精煉清渣除氣劑進(jìn)行除氣處理，加入量為合金液總質(zhì)量的0.5%。完成后靜置1min進(jìn)行澆注，澆注溫度710_720°C。鑄造工藝為:采用普通金屬型鑄造方法，不同的是施加鑄型整體振動(dòng)。振動(dòng)裝置采用機(jī)械激振(頻率50Hz，振幅5-20mm)裝置。將金屬型鑄型放在振動(dòng)臺(tái)上，邊振動(dòng)邊澆鑄，澆注完成后關(guān)閉振動(dòng)臺(tái)。燒注完成等待3分鐘后，將鑄型直接洋入室溫水中至室溫，冷卻后將鑄造招娃合金采用線切割的方法進(jìn)行取樣。然后對(duì)試樣進(jìn)行時(shí)效處理，185±5°C保溫6h后，立即水冷(室溫)，從而得到鑄淬時(shí)效態(tài)合金。對(duì)上述工藝方法制備的鑄淬時(shí)效態(tài)鑄造鋁硅合金進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，方法詳見(jiàn)【具體實(shí)施方式】。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1和圖2所示。
[0015]對(duì)比例
材料為鑄造鋁硅合金，原材料均為市售，具體化學(xué)成分(質(zhì)量百分比)為:Si 7-8%，Cu3-4%, Mg 0.3-0.4%, Mn 0.2-0.3%, Zn 0.4-0.5%, Fe ( 0.35%，余為 Al。采用電磁感應(yīng)石墨坩堝熔鋁爐進(jìn)行熔煉。除了 Mg和Zn以外，其他原材料加入石墨坩堝內(nèi)，在770°C下待所有原料熔化后降溫至740°C并加入Mg和Zn。熔化后，再加入復(fù)合細(xì)化變質(zhì)劑(化學(xué)成分按質(zhì)量百分比計(jì)算，具體為:Ti為12%、Cr為8%、Ni為10%、Sr為9%、Ce為6%、La為6%、Nb為6%、Pr 為 4%、Er 為 4%、Eu 為 4%、Y 為 3%、Ba 為 3%、B 為 3%、Na 為 2%、V 為 2%、余為 Al )，加入量為合金液總質(zhì)量的0.50%。隨后采用市售的HGJ-2鋁合金無(wú)鈉精煉清渣除氣劑進(jìn)行除氣處理，加入量為合金液總質(zhì)量的0.5%。完成后靜置1min進(jìn)行澆注，澆注溫度710-720°C。鑄造工藝為:采用普通金屬型鑄造方法，不同的是施加鑄型整體振動(dòng)。振動(dòng)裝置采用機(jī)械激振(頻率50Hz，振幅5-20mm)裝置。將金屬型鑄型放在振動(dòng)臺(tái)上，邊振動(dòng)邊澆鑄，澆注完成后關(guān)閉振動(dòng)臺(tái)。冷卻后將鑄造鋁硅合金采用線切割的方法進(jìn)行取樣，得到的試樣即為鑄態(tài)合金。對(duì)上述工藝方法制備的鑄態(tài)鑄造鋁硅合金進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，方法詳見(jiàn)【具體實(shí)施方式】。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1和圖2所示。
[0016]實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖所示，其中圖1是磨損時(shí)間為3h時(shí)，載荷對(duì)不同處理后的多元鋁硅合金質(zhì)量磨損率的影響，從中可以發(fā)現(xiàn):T6態(tài)合金的摩擦磨損性能最好；當(dāng)載荷小于500Ν時(shí)，Τ6態(tài)和鑄淬時(shí)效態(tài)合金的質(zhì)量磨損率相差不大，摩擦磨損性能相當(dāng)。圖2是載荷分別為(a)載荷為500N;(b)載荷為1000N時(shí)，磨損時(shí)間對(duì)不同處理后的多元鋁硅合金質(zhì)量磨損率的影響，從中可以發(fā)現(xiàn):還是T6態(tài)合金的摩擦磨損性能最好；當(dāng)磨損時(shí)間小于3h時(shí)，T6態(tài)和鑄淬時(shí)效態(tài)合金的質(zhì)量磨損率比較接近，兩種狀態(tài)合金的摩擦磨損性能差不多?？傊?，與鑄態(tài)合金相比，T6態(tài)合金和鑄淬時(shí)效態(tài)合金的耐磨性能均得到極大地提高,而T6態(tài)合金的耐磨性能更好。當(dāng)鑄造鋁硅合金應(yīng)用在載荷較小且連續(xù)工作時(shí)間不長(zhǎng)的環(huán)境中時(shí)，可以采用鑄淬時(shí)效態(tài)合金可以代替T6態(tài)合金，以節(jié)約能源、提高生產(chǎn)效率。
【權(quán)利要求】
1.一種提高多元鋁硅合金摩擦磨損性能的工藝方法，其特征在于按照下述步驟進(jìn)行: (1)材料為鑄造鋁硅合金，采用電磁感應(yīng)石墨坩堝熔鋁爐進(jìn)行熔煉； 除了 Mg和Zn以外，其他原材料加入石墨坩堝內(nèi)，在770°C下待所有原料熔化后降溫至740°C并加入Mg和Zn ； (2)熔化后，再加入復(fù)合細(xì)化變質(zhì)劑，其加入量為合金液總質(zhì)量的0.40-0.60%2.； 隨后采用除氣劑進(jìn)行處理，加入量為合金液總質(zhì)量的0.5% ； (3)完成后靜置1min進(jìn)行澆注，澆注溫度710-720°C； 鑄造工藝為:采用普通金屬型鑄造方法，不同的是施加鑄型整體振動(dòng)； 振動(dòng)裝置采用機(jī)械激振裝置； 將金屬型鑄型放在振動(dòng)臺(tái)上，邊振動(dòng)邊燒鑄，燒注完成后關(guān)閉振動(dòng)臺(tái)； (4)冷卻后將鑄造鋁硅合金采用線切割的方法進(jìn)行取樣，進(jìn)行兩種處理:(a)T6處理:先進(jìn)行固溶處理，485±5°C保溫5h后，立即水冷(室溫)，隨后進(jìn)行時(shí)效處理，160±5°C保溫5h后，立即水冷(室溫)，得到T6態(tài)合金；(b)鑄淬時(shí)效處理:澆注完成等待3分鐘后，將鑄型直接淬入室溫水中至室溫，隨后進(jìn)行時(shí)效處理，185±5°C保溫6h后，立即水冷(室溫)，得到鑄淬時(shí)效態(tài)合金。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高多元鋁硅合金摩擦磨損性能的工藝方法，其特征在于其中步驟(I)中所述的鑄造鋁硅合金具體化學(xué)成分以質(zhì)量百分比計(jì)為:Si 7-8%，Cu3-4%, Mg 0.3-0.4%, Mn 0.2-0.3%, Zn 0.4-0.5%, Fe ( 0.35%，余為 Al。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高多元鋁硅合金摩擦磨損性能的工藝方法，其特征在于其中步驟(2)中所述的復(fù)合細(xì)化變質(zhì)劑的化學(xué)成分按質(zhì)量百分比計(jì)算，具體為:Ti為11-13%、Cr 為 8-9%、Ni 為 9-10%, Sr 為 8-9%, Ce 為 6-7%, La 為 6-7%, Nb 為 5-6%, Pr 為3.5-4%、Er 為 3.5-4%, Eu 為 3.5-4%, Y 為 3-3.5%、Ba 為 3-3.5%、B 為 2.5-3%, Na 為 2-2.5%、V 為 1.5-2%、余為 Al。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高多元鋁硅合金摩擦磨損性能的工藝方法，其特征在于其中步驟(2)中所述的除氣劑為HGJ-2鋁合金無(wú)鈉精煉清渣。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高多元鋁硅合金摩擦磨損性能的工藝方法，其特征在于其中步驟(3)中振動(dòng)裝置采用機(jī)械激振裝置，其頻率50Hz，振幅5-20mm。
【文檔編號(hào)】C22F1/043GK104328315SQ201410567657
【公開(kāi)日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2014年10月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月22日
【發(fā)明者】劉光磊, 司乃潮, 萬(wàn)浩, 王宏健, 丁冉, 王正軍 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)