一种耐磨Er/Zr复合微合金化铝锡轴瓦合金的制作方法

本发明属于金属合金材料
技术领域：
，尤其涉及一种耐磨Er/Zr复合微合金化铝锡轴瓦合金。
背景技术：
：目前被广泛应用的金属类轴瓦合金有三大类：巴氏合金、铜基合金、铝基合金。铝基合金具有良好的耐腐蚀性、耐磨减摩性、抗粘咬性、顺应性和嵌入性等综合性能，同时又具有密度小、承载能力大、疲劳强度高、导热性好等优越性，且价格低廉、资源丰富，因而应用愈来愈多，以代替传统的锡青铜和巴氏合金。目前，常见的铝基轴瓦合金包括Al-Sn、Al-Zn和Al-Pb基等。Al-Zn基合金的硬度高，顺应性和嵌入性差，应用范围较小；随着现代工业无铅化的推广，Al-Pb基合金逐渐被淘汰。Al-Sn基合金中的Sn含量是影响合金摩擦学性能、力学性能的重要因素。Al-Sn基合金是指Sn含量5～50％的铝合金。通常Sn含量为15～40％的称为高锡铝合金，Sn含量为11～14％的称为中锡铝合金，Sn含量为5～10％的称为低锡铝合金。近年来随着汽车工业的飞速发展，要求发动机轻量化、大功率输出和小型化，对轴瓦材料提出了更高的耐磨耐高温、承载和环保要求，使得Al-Sn轴瓦材料得到发展。现有的铝合金轴瓦材料由于强度较低，往往满足不了这种要求，需要不断改善铝锡轴瓦合金的综合性能。为了进一步提升铝锡合金轴瓦材料的综合性能，许多研究人员都在尝试在铝锡合金中加入不同种类的元素。通常加入的元素主要有Cu、Si等，加入一定含量的这些元素，再经过一定的工序可以改善铝锡合金轴瓦材料的微观组织，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颗粒，有益于提高铝合金的嵌入性、耐磨性能、抗疲劳强度和抗胶合性，降低合金的线膨胀系数，随着Si含量的增加，合金的轧制性能变差。Cu作为强化相加入，固溶到铝中或与铝生成化合物，可提高合金的力学性能及抗疲劳强度，但Cu含量过高，合金的耐腐蚀性和塑性下降。一定量的Cu、Si等合金元素，都能明显地提高铝锡合金的力学、物理性能，改善铝合金的耐腐蚀性和摩擦相容性。大量研究表明，某些元素少量的存在会显著影响铝合金的微观组织和综合性能，因此，微合金化是挖掘合金潜力、改善合金性能并进一步开发新型铝合金的重要途径。微合金化元素种类繁多，其所能起的作用和机理也不尽相同，控制微量元素的种类和数量、充分发挥微量元素的作用是发展铝合金不懈努力的目标，也是当前铝合金研究的主要方向之一。微合金化是提高铝合金性能的主要手段。前期研究表明，Er、Zr是常见的微合金化元素，Er在铝合金中可形成纳米级Al3Er强化相，通过与Zr复合作用形成Al3(ZrxEr1-x)复合相，可以改善铝合金组织，提高铝合金的塑性或强度、抑制铝合金的再结晶，改善其综合性能。技术实现要素：本发明目的主要是在传统铝锡轴瓦材料中加入微量的Er、Zr元素，通过Er/Zr复合微合金化改善轴瓦合金的摩擦磨损性能，提高轴瓦合金的强度和耐磨减磨性，并通过热处理工艺，改善轴瓦合金的加工性能，从而避免冷轧过程中轴瓦合金出现轧裂现象。一种耐磨Er/Zr复合微合金化铝锡轴瓦合金，其特征在于，其各组分重量百分比为：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％，余量为Al和不可避免的杂质.其制备过程及热处理工艺如下：把纯铝、纯锡、Al-12Si(wt.％)、Al-50Cu(wt.％)、Al-6Er(wt.％)和Al-4Zr(wt.％)中间合金按设计的各组分重量百分比称重配好，在熔炼炉中熔炼，经除渣后搅拌、浇注，浇注温度760℃～820℃温度区间，水冷，对其进行热处理，热处理工序分为两种：一种是先将铝锡轴瓦合金在280℃～320℃温度范围内保温3.5～4.5小时，然后将铝锡轴瓦合金冷轧至变形量45～55％，再将其在280℃～320℃温度范围内保温3.5～4.5小时，然后将其冷轧至1.5～2.5mm厚；或另外一种热处理方式是先将轴瓦合金在350℃～400℃温度范围内保温90～110小时，将铝锡轴瓦合金冷轧至变形量45～55％，再将其在280℃～320℃温度范围内保温3.5～4.5小时，然后将其冷轧至1.5～2.5mm厚。观察合金的微观组织和测量其摩擦性能，对轴瓦合金做拉伸试验。加入微量的Er、Zr元素，利用Er/Zr复合微合金化，可以使铝锡轴瓦合金的拉伸强度提升了大约8％，屈服强度提升了大约17％，摩擦学性能提升了大约29％。本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：1.在铝锡轴瓦合金材料中加入了微量的Er、Zr元素，利用Er/Zr复合微合金化改善轴瓦合金的摩擦磨损性能，提高了铝锡轴瓦合金的强度和耐磨减摩性。2.在轴瓦合金冷轧前对其进行两种方式的热处理，都能成功避免在铝锡轴瓦合金冷轧过程中出现轧裂的现象，改善了铝锡轴瓦合金的加工性能，热处理工艺较简单，方便应用于工业生产中。附图说明图1为实施例1中Al-10Sn-4Si-1Cu-0.3Er-0.25Zr(wt.％)合金经过300℃保温4小时的热处理后冷轧前的微观金相组织形态；图2为实施例2中Al-10Sn-4Si-1Cu-0.3Er-0.25Zr(wt.％)合金经过375℃保温100小时的热处理后冷轧前的微观金相组织形态；图3为实施例1中Al-10Sn-4Si-1Cu(wt.％)合金经过300℃保温4小时的热处理后冷轧前的微观金相组织形态；图4为实施例2中Al-10Sn-4Si-1Cu(wt.％)合金经过375℃保温100小时的热处理后冷轧前的微观金相组织形态；图5为两种铝锡轴瓦合金的摩擦实验的磨损量对比。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明并不限于以下实施例。实施例1铝锡轴瓦合金各组分重量百分比为：Sn占10％，Si占4％，Cu占1％，Er占0.3％，Zr占0.25％，余量为Al和不可避免的杂质。(1)将称量配比好的高纯铝、纯锡、Al-12Si(wt.％)、Al-50Cu(wt.％)、Al-6Er(wt.％)和Al-4Zr(wt.％)中间合金放入石墨坩锅中，将其放在熔炼炉中，关闭炉门，熔炼的轴瓦合金各组分实际重量百分比为：Sn占10.2％，Si占3.2％，Cu占1％，Er占0.3％，Zr占0.2％，余量为Al和不可避免的杂质。(2)将炉温升至780℃，保温，观察熔化后，除渣、搅拌，将金属液倒入铁模浇注，水冷。(3)将浇注好的轴瓦合金在300℃保温4小时，将轴瓦合金冷轧至变形量50％，再将其在300℃保温4小时，然后将其冷轧至2mm厚。(4)对冷轧好的轴瓦合金做摩擦实验，摩擦实验采用的仪器是CFT-Ⅰ型材料表面性能综合测试仪。摩擦副是直径为5mm的GCr15轴承钢钢球，摩擦实验条件是：载荷30N、50N、70N，运行速度是300t/m，滑动长度是5mm，时间15min，室温，无润滑油，摩擦实验的磨损量见图5。实施例2铝锡轴瓦合金各组分重量百分比为：Sn占10％，Si占4％，Cu占1％，Er占0.3％，Zr占0.25％，余量为Al和不可避免的杂质。(1)将称量配比好的高纯铝、纯锡、Al-12Si(wt.％)、Al-50Cu(wt.％)、Al-6Er(wt.％)和Al-4Zr(wt.％)中间合金放入石墨坩锅中，将其放在熔炼炉中，关闭炉门，熔炼的轴瓦合金各组分实际重量百分比为：Sn占10.2％，Si占3.2％，Cu占1％，Er占0.3％，Zr占0.2％，余量为Al和不可避免的杂质。(2)将炉温升至780℃，保温，观察熔化后，除渣、搅拌，将金属液倒入铁模浇注，水冷。(3)将浇注好的轴瓦合金在375℃保温100小时，将轴瓦合金冷轧至变形量50％，再将其在300℃保温4小时，然后将其冷轧至2mm厚。(4)对冷轧好的轴瓦合金做摩擦实验，摩擦实验采用的仪器是CFT-Ⅰ型材料表面性能综合测试仪。摩擦副是直径为5mm的GCr15轴承钢钢球，摩擦实验条件是：载荷30N、50N、70N，运行速度是300t/m，滑动长度是5mm，时间15min，室温，无润滑油，摩擦实验的磨损量见图5。对比例1铝锡轴瓦合金各组分重量百分比为：Sn占10％，Si占4％，Cu占1％，余量为Al和不可避免的杂质。(1)将称量配比好的高纯铝、纯锡、Al-12Si(wt.％)、Al-50Cu(wt.％)、Al-6Er(wt.％)和Al-4Zr(wt.％)中间合金放入石墨坩锅中，将其放在熔炼炉中，关闭炉门，熔炼的轴瓦合金各组分实际重量百分比为：Sn占11％，Si占3.8％，Cu占1％，余量为Al和不可避免的杂质。(2)将炉温升至780℃，保温，观察熔化后，除渣、搅拌，将金属液倒入铁模浇注，水冷。(3)将浇注好的轴瓦合金在300℃保温4小时，将轴瓦合金冷轧至变形量50％，再将其在300℃保温4小时，然后将其冷轧至2mm厚。(4)对冷轧好的轴瓦合金做摩擦实验，摩擦实验采用的仪器是CFT-Ⅰ型材料表面性能综合测试仪。摩擦副是直径为5mm的GCr15轴承钢钢球，摩擦实验条件是：载荷30N、50N、70N，运行速度是300t/m，滑动长度是5mm，时间15min，室温，无润滑油，摩擦实验的磨损量见图5。对比例2铝锡轴瓦合金各组分重量百分比为：Sn占10％，Si占4％，Cu占1％，余量为Al和不可避免的杂质。(1)将称量配比好的高纯铝、纯锡、Al-12Si(wt.％)、Al-50Cu(wt.％)、Al-6Er(wt.％)和Al-4Zr(wt.％)中间合金放入石墨坩锅中，将其放在熔炼炉中，关闭炉门，熔炼的轴瓦合金各组分实际重量百分比为：Sn占11％，Si占3.8％，Cu占1％，余量为Al和不可避免的杂质。(2)将炉温升至780℃，保温，观察熔化后，除渣、搅拌，将金属液倒入铁模浇注，水冷。(3)将浇注好的轴瓦合金在375℃保温100小时，将轴瓦合金冷轧至变形量50％，再将其在300℃保温4小时，然后将其冷轧至2mm厚。(4)对冷轧好的轴瓦合金做摩擦实验，摩擦实验采用的仪器是CFT-Ⅰ型材料表面性能综合测试仪。摩擦副是直径为5mm的GCr15轴承钢钢球，摩擦实验条件是：载荷30N、50N、70N，运行速度是300t/m，滑动长度是5mm，时间15min，室温，无润滑油，摩擦实验的磨损量见图5。由图1、2的金相显微组织分析得出：白色较亮区域对应的的是原子序数较小的Al相，灰色区域对应的是原子序数较大的Sn相，灰色区域中同时含有Si相和少量的Er、Zr。由图3、4的金相显微组织分析得出：白色较亮区域对应的的是原子序数较小的Al相，灰色区域对应的是原子序数较大的Sn相，灰色区域中同时含有Si相。对比图1和图3的金相显微组织可以看出，图1的显微组织晶粒尺寸明显比图3的显微组织尺寸细小，说明在轴瓦合金中加入微量的Er、Zr可以起到细化晶粒的作用。对比图2和图4的金相显微组织也可以得到以上结果。对比图1和图2的金相显微组织可以看出，图2经过375℃100小时热处理后均匀化效果更加明显，晶界处的组织更加弥散分布。对比图3和图4的金相显微组织也可以得到以上结果。图5为两种铝锡轴瓦合金的摩擦实验的磨损量对比。对比实施例1和对比例1的轴瓦合金的磨损量可以得出：在相同载荷下，实施例1的轴瓦合金的磨损量总是比对比例1的轴瓦合金的磨损量小，说明在轴瓦合金中加入微量的Er、Zr元素可以提升其摩擦磨损性能。对比实施例2和对比例2也可以得出上述结论。表1为两种铝锡轴瓦合金都经过两种不同方式热处理冷轧后的硬度对比。对比实施例1和对比例1可以得出：在同一种热处理方式下，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约6％。说明在铝锡轴瓦合金中加入微量的Er、Zr元素，通过Er/Zr复合微合金化可以增加合金的硬度。同样，对比实施例2和对比例2也可以得出上述结论。表2为两种铝锡轴瓦合金都经过两种不同方式热处理冷轧后的拉伸试验结果。对比实施例1和对比例1可以得出：在同一种热处理方式下，相对于Al-10Sn-4Si-1Cu(wt.％)合金，Al-10Sn-4Si-1Cu-0.3Er-0.25Zr(wt.％)合金的拉伸强度大约提升了6％，屈服强度大约提升了16％。说明在铝锡轴瓦合金中加入微量的Er、Zr元素，通过Er/Zr复合微合金化可以增加轴瓦合金的拉伸强度和屈服强度。同样，对比实施例2和对比例2也可以得出上述结论。表1为两种铝锡轴瓦合金都经过两种不同方式热处理冷轧后的硬度对比；试样硬度值/HV实施例172±2实施例276±1对比例168±2对比例267±1表2为两种铝锡轴瓦合金都经过两种不同方式热处理冷轧后的拉伸试验结果。试样拉伸强度(MPa)屈服强度(MPa)实施例1224±1203±4实施例2227±1207±1对比例1212±1175±19对比例2206±4177±11综上所述，在相同热处理方式下，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减磨性，在铝锡轴瓦合金材料中加入微量的Er、Zr元素可以提升合金的强度和摩擦磨损性能。上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3