本发明涉及铝合金加工
技术领域：
，具体涉及一种高强度耐磨铝合金材料及其制备方法。
背景技术：
：铝合金的重量与其他合金相比来说比较小，可广泛应用于很多行业，尤其是对重量有要求的场合。但与其他合金相比，铝合金的硬度比较低，因此一般的铝合金不耐磨。由于铝合金不耐磨，在很多情况下，只能选择重量大但耐磨的合金来替代铝合金。不耐磨的特点大大限制了铝合金的应用。经过对经过对现有技术进行了检索，在中国发明专利申请200810231204.0（公开日2008年12月4日）公开了一种耐磨高强铝合金材料及其制造工艺。通过以下技术方案来实现:一种耐磨高强铝合金材料，所述的材料的化学成分以重量来计算，其构成为7.6-8.3%硅、2.5-3.5%铜、1.2-1.4%铁、0.3-0.5%镁、0.1-0.05%稀土余量为铝。所述的汽缸体的化学成分以重量来计算，其杂质的含量不大于：0.3%锌、0.2%铅、0.2%铬、0.1%锡、0.1%镍、0.1%钛。还通过配料、精炼、变质、浇注、淬火而成，采用本发明后，由于材料的内部化学成分及制造工艺的变化、改进，使其内部组织致密，韧性好，其铸造成型性，加工性优良，耐磨性好，成本低的优点。而在中国发明专利申请200610165341.x（公开日2006年12月18日）公开了一种高强耐磨铝合金及其制备方法，该高强耐磨铝合金是在al-zn-mg-cu合金熔体中，置入ti-c-al预制块，通过原位反应在该al-zn-mg-cu合金熔体中生成tic颗粒，再进行雾化喷射成形而成，其中，ti-c-al预制块的tic置入量为al-zn-mg-cu合金的3.15~10.5%重量%。其制备方法是：（1）按ti粉，石墨粉和铝粉压制成ti-c-al预制块备用；（2）将al-zn-mg-cu合金熔融；（3）将ti-c-al预制块置于al-zn-mg-cu合金熔体中，进行原位反应；（4）进行雾化喷射成形，得到高强耐磨铝合金。本发明的铝合金是利用原位反应喷射成形工艺制备高强铝合金，实现了材料耐磨性能的改善。该合金具有高的强度，及良好的韧性和耐磨性能。以上检索的现有技术，由于添加的合金元素及制备过程中的不足，制得的铝合金的强度及耐磨性能仍不能满足要求。基于此，有必要提供一种高强度耐磨铝合金材料及其制备方法，以解决现有技术中存在的问题。技术实现要素：本发明的目的是针对现有技术的问题，提供一种高强度耐磨铝合金材料及其制备方法，能够提高铝合金的强度、耐磨性和抗拉强度。为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：一种高强度耐磨铝合金材料，所述高强度高强度耐磨铝合金材料的成分按重量百分比计含有：cu6.50-10.50％、zn2.50-4.50％、mn0.21-0.25％、b0.40-0.60%、ni0.34-0.38％、zr0.08-0.12％、ti0.11-0.15％、mo0.02-0.05%、w0.22-0.26%、稀土元素0.05-0.09%，其它杂质元素单个含量不大于0.05%，总和不大于0.15%，其余为al。作为优选方案，所述高强度耐磨铝合金材料的成分按重量百分比计含有：cu7.50-9.50％、zn3.00-4.00％、mn0.22-0.24％、b0.45-0.55%、ni0.35-0.37％、zr0.09-0.11％、ti0.12-0.14％、mo0.03-0.05%、w0.23-0.25%、稀土元素0.06-0.08%，其它杂质元素单个含量不大于0.05%，总和不大于0.15%，其余为al。作为优选方案，所述高强度耐磨铝合金材料的成分按重量百分比计含有：cu8.50％、zn3.50％、mn0.23％、b0.50%、ni0.36％、zr0.10％、ti0.13％、mo0.04%、w0.24%、稀土元素0.07%，其它杂质元素单个含量不大于0.05%，总和不大于0.15%，其余为al。作为优选方案，所述稀土元素的化学成分的质量百分比为：la22-28%、ce31-35%、nd5-10%，其余为y。作为优选方案，本发明还提供了上述高强度耐磨铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：（1）往熔炼炉中加入适量的铝锭或熔融铝液，然后将炉腔抽真空至1×10-4pa，再向炉腔内通入惰性气体，使炉内气压达到40-50pa，加热使之完全融化并在720-760℃下保温；（2）用除渣器将铝溶液上的渣和杂质去除，清理铝溶液中的表面氧化物和夹杂物；（3）将步骤（2）铝溶液升温至750-780℃，按配方比例先加入mn、ni、zr、ti、mo、w纯金属或al-mn、al-ni、al-zr、al-ti、al-mo、al-w中间合金，搅拌均匀后再加入cu、zn纯金属或al-cu、al-zn中间合金，再加入b和稀土元素，搅拌均匀；（4）然后对上述合金熔体进行炉内精炼，调整熔融铝合金液温度在730-750℃，并往合金熔体中加入精炼剂，进行5-10min均匀搅动，熔体精炼是在封闭环境下操作；（5）精炼后打渣、静置、调温至680-720℃，合金液倾倒出炉，在线除气、除渣处理；（6）将步骤（5）铝合金液浇铸成铝合金铸锭；（7）对步骤（6）中的铝合金铸锭进行热处理，得到高强度耐磨铝合金材料；（8）将步骤（7）中的高强度耐磨铝合金材料进行探伤处理、机械性能的测定分析，最终制备得到合格产品。作为优选方案，所述步骤（1）中的惰性气体是指氮气或氩气。作为优选方案，所述步骤（4）中的精炼剂为氯气、六氯乙烷、氯化锰或硼盐变质剂。作为优选方案，所述步骤（6）中铝合金液浇铸成铸锭具体工艺为：将铝合金溶液铸造温度710-730℃、铸造速度70-80毫米/分钟、冷却水压力0.5-0.7mpa条件下半连续铸造成铝合金铸锭。作为优选方案，所述步骤（7）热处理具体工艺为：固溶温度为520-540℃，保温1-3小时，冷却转移时间不大于15秒，时效工艺在淬火后5小时内进行，时效温度温190-210℃，时间为5-8小时。作为优选方案，所述步骤（7）热处理具体工艺为：固溶温度为530℃，保温2小时，冷却转移时间不大于15秒，时效工艺在淬火后5小时内进行，时效温度温200℃，时间为6.5小时。与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：（1）本发明通过设计特定的合金成分组成，解决了铝合金材料的耐磨性和强度不足问题，使铝合金材料同时具有高强度、高耐磨和优异的抗拉强度，具体为：通过选用cu、zn、mn和以ni、w、mo为特征微合金化元素的组合配方，利于合金的培育和细化，使得生成的合金更加的致密，从而提高合金的强度和耐磨性能。（2）本发明通过严格控制铸造工艺和热处理工艺，使得铝合金晶粒度能够达到一级晶粒（按照gb/t3246.2标准检验，晶粒平均面积≤0.026mm2），从而使得本发明铝合金具有高强度、高耐磨和优异的抗拉强度。（3）本发明通过mo、w、ti元素可以抑制再结晶和晶粒长大，并在其后再加入稀土元素，可以进一步细化晶粒、提高合金力学性能，严格控制铝合金的均匀化和挤压工艺，从而使得本发明铝合金的强度、耐磨性和抗拉强度得到大幅提高。具体实施方式以下结合具体实施例对发明作进一步详细的描述。实施例1本实施例的高强度耐磨铝合金材料成分按重量百分比计含有：cu6.50％、zn2.50％、mn0.21％、ni0.34％、zr0.08％、ti0.11％、mo0.02%、w0.22%、稀土元素0.05%，余量为铝和不可避免的其他杂质。所述稀土元素的化学成分的质量百分比为：la22%、ce31%、nd5%、y42%。本发明还提供了上述高强度耐磨铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：（1）往熔炼炉中加入适量的铝锭或熔融铝液，然后将炉腔抽真空至1×10-4pa，再向炉腔内通入惰性气体，使炉内气压达到40pa，加热使之完全融化并在720℃下保温；（2）用除渣器将铝溶液上的渣和杂质去除，清理铝溶液中的表面氧化物和夹杂物；（3）将步骤（2）铝溶液升温至750℃，按配方比例先加入mn、ni、zr、ti、mo、w纯金属或al-mn、al-ni、al-zr、al-ti、al-mo、al-w中间合金，搅拌均匀后再加入cu、zn纯金属或al-cu、al-zn中间合金，再加入b和稀土元素，搅拌均匀；（4）然后对上述合金熔体进行炉内精炼，调整熔融铝合金液温度在730℃，并往合金熔体中加入精炼剂，进行5min均匀搅动，熔体精炼是在封闭环境下操作；（5）精炼后打渣、静置、调温至680℃，合金液倾倒出炉，在线除气、除渣处理；（6）将步骤（5）铝合金液浇铸成铝合金铸锭；（7）对步骤（6）中的铝合金铸锭进行热处理，得到高强度耐磨铝合金材料；（8）将步骤（7）中的高强度耐磨铝合金材料进行探伤处理、机械性能的测定分析，最终制备得到合格产品。所述步骤（1）中的惰性气体是指氮气或氩气。所述步骤（4）中的精炼剂为氯气、六氯乙烷、氯化锰或硼盐变质剂。所述步骤（6）中铝合金液浇铸成铸锭具体工艺为：将铝合金溶液铸造温度710℃、铸造速度70毫米/分钟、冷却水压力0.5mpa条件下半连续铸造成铝合金铸锭。所述步骤（7）热处理具体工艺为：固溶温度为520℃，保温1小时，冷却转移时间不大于15秒，时效工艺在淬火后5小时内进行，时效温度温190℃，时间为5小时。实施例2本实施例的高强度耐磨铝合金材料成分按重量百分比计含有：cu10.50％、zn4.50％、mn0.25％、ni0.38％、zr0.12％、ti0.15％、mo0.05%、w0.26%、稀土元素0.09%，余量为铝和不可避免的其他杂质。所述稀土元素的化学成分的质量百分比为：la28%、ce35%、nd10%，y27%。本发明还提供了上述高强度耐磨铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：（1）往熔炼炉中加入适量的铝锭或熔融铝液，然后将炉腔抽真空至1×10-4pa，再向炉腔内通入惰性气体，使炉内气压达到50pa，加热使之完全融化并在760℃下保温；（2）用除渣器将铝溶液上的渣和杂质去除，清理铝溶液中的表面氧化物和夹杂物；（3）将步骤（2）铝溶液升温至780℃，按配方比例先加入mn、ni、zr、ti、mo、w纯金属或al-mn、al-ni、al-zr、al-ti、al-mo、al-w中间合金，搅拌均匀后再加入cu、zn纯金属或al-cu、al-zn中间合金，再加入b和稀土元素，搅拌均匀；（4）然后对上述合金熔体进行炉内精炼，调整熔融铝合金液温度在750℃，并往合金熔体中加入精炼剂，进行10min均匀搅动，熔体精炼是在封闭环境下操作；（5）精炼后打渣、静置、调温至720℃，合金液倾倒出炉，在线除气、除渣处理；（6）将步骤（5）铝合金液浇铸成铝合金铸锭；（7）对步骤（6）中的铝合金铸锭进行热处理，得到高强度耐磨铝合金材料；（8）将步骤（7）中的高强度耐磨铝合金材料进行探伤处理、机械性能的测定分析，最终制备得到合格产品。所述步骤（1）中的惰性气体是指氮气或氩气。所述步骤（4）中的精炼剂为氯气、六氯乙烷、氯化锰或硼盐变质剂。所述步骤（6）中铝合金液浇铸成铸锭具体工艺为：将铝合金溶液铸造温度730℃、铸造速度80毫米/分钟、冷却水压力0.7mpa条件下半连续铸造成铝合金铸锭。所述步骤（7）热处理具体工艺为：固溶温度为540℃，保温3小时，冷却转移时间不大于15秒，时效工艺在淬火后5小时内进行，时效温度温210℃，时间为8小时。实施例3本实施例的高强度耐磨铝合金材料成分按重量百分比计含有：cu8.50％、zn3.50％、mn0.23％、ni0.36％、zr0.10％、ti0.13％、mo0.04%、w0.24%、稀土元素0.07%，余量为铝和不可避免的其他杂质。所述稀土元素的化学成分的质量百分比为：la25%、ce33%、nd7%，y35%。本发明还提供了上述高强度耐磨铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：（1）往熔炼炉中加入适量的铝锭或熔融铝液，然后将炉腔抽真空至1×10-4pa，再向炉腔内通入惰性气体，使炉内气压达到45pa，加热使之完全融化并在740℃下保温；（2）用除渣器将铝溶液上的渣和杂质去除，清理铝溶液中的表面氧化物和夹杂物；（3）将步骤（2）铝溶液升温至765℃，按配方比例先加入mn、ni、zr、ti、mo、w纯金属或al-mn、al-ni、al-zr、al-ti、al-mo、al-w中间合金，搅拌均匀后再加入cu、zn纯金属或al-cu、al-zn中间合金，再加入b和稀土元素，搅拌均匀；（4）然后对上述合金熔体进行炉内精炼，调整熔融铝合金液温度在740℃，并往合金熔体中加入精炼剂，进行7.5min均匀搅动，熔体精炼是在封闭环境下操作；（5）精炼后打渣、静置、调温至700℃，合金液倾倒出炉，在线除气、除渣处理；（6）将步骤（5）铝合金液浇铸成铝合金铸锭；（7）对步骤（6）中的铝合金铸锭进行热处理，得到高强度耐磨铝合金材料；（8）将步骤（7）中的高强度耐磨铝合金材料进行探伤处理、机械性能的测定分析，最终制备得到合格产品。所述步骤（1）中的惰性气体是指氮气或氩气。所述步骤（4）中的精炼剂为氯气、六氯乙烷、氯化锰或硼盐变质剂。所述步骤（6）中铝合金液浇铸成铸锭具体工艺为：将铝合金溶液铸造温度720℃、铸造速度70-80毫米/分钟、冷却水压力0.6mpa条件下半连续铸造成铝合金铸锭。所述步骤（7）热处理具体工艺为：固溶温度为530℃，保温2小时，冷却转移时间不大于15秒，时效工艺在淬火后5小时内进行，时效温度温200℃，时间为6.5小时。实施例4本实施例的高强度耐磨铝合金材料成分按重量百分比计含有：cu7.50％、zn3.00％、mn0.22％、b0.45%、ni0.35％、zr0.09％、ti0.12％、mo0.03%、w0.23%、稀土元素0.06%，余量为铝和不可避免的其他杂质。所述稀土元素的化学成分的质量百分比为：la23%、ce32%、nd6%，y39%。本发明还提供上述高强度耐磨铝合金材料的制备工艺，包括以下步骤：（1）往熔炼炉中加入适量的铝锭或熔融铝液，然后将炉腔抽真空至1×10-4pa，再向炉腔内通入惰性气体，使炉内气压达到43pa，加热使之完全融化并在730℃下保温；（2）用除渣器将铝溶液上的渣和杂质去除，清理铝溶液中的表面氧化物和夹杂物；（3）将步骤（2）铝溶液升温至760℃，按配方比例先加入mn、ni、zr、ti、mo、w纯金属或al-mn、al-ni、al-zr、al-ti、al-mo、al-w中间合金，搅拌均匀后再加入cu、zn纯金属或al-cu、al-zn中间合金，再加入b和稀土元素，搅拌均匀；（4）然后对上述合金熔体进行炉内精炼，调整熔融铝合金液温度在735℃，并往合金熔体中加入精炼剂，进行6min均匀搅动，熔体精炼是在封闭环境下操作；（5）精炼后打渣、静置、调温至690℃，合金液倾倒出炉，在线除气、除渣处理；（6）将步骤（5）铝合金液浇铸成铝合金铸锭；（7）对步骤（6）中的铝合金铸锭进行热处理，得到高强度耐磨铝合金材料；（8）将步骤（7）中的高强度耐磨铝合金材料进行探伤处理、机械性能的测定分析，最终制备得到合格产品。所述步骤（1）中的惰性气体是指氮气或氩气。所述步骤（4）中的精炼剂为氯气、六氯乙烷、氯化锰或硼盐变质剂。所述步骤（6）中铝合金液浇铸成铸锭具体工艺为：将铝合金溶液铸造温度715℃、铸造速度73毫米/分钟、冷却水压力0.6mpa条件下半连续铸造成铝合金铸锭。所述步骤（7）热处理具体工艺为：固溶温度为525℃，保温1.5小时，冷却转移时间不大于15秒，时效工艺在淬火后5小时内进行，时效温度温195℃，时间为6小时。实施例5本实施例的高强度耐磨铝合金材料成分按重量百分比计含有：cu9.50％、zn4.00％、mn0.24％、b0.55%、ni0.37％、zr0.11％、ti0.14％、mo0.04%、w0.25%、稀土元素0.08%，余量为铝和不可避免的其他杂质。所述稀土元素的化学成分的质量百分比为：la27%、ce34%、nd9%，y30%。本发明还提供上述高强度耐磨铝合金材料的制备工艺，包括以下步骤：（1）往熔炼炉中加入适量的铝锭或熔融铝液，然后将炉腔抽真空至1×10-4pa，再向炉腔内通入惰性气体，使炉内气压达到48pa，加热使之完全融化并在750℃下保温；（2）用除渣器将铝溶液上的渣和杂质去除，清理铝溶液中的表面氧化物和夹杂物；（3）将步骤（2）铝溶液升温至770℃，按配方比例先加入mn、ni、zr、ti、mo、w纯金属或al-mn、al-ni、al-zr、al-ti、al-mo、al-w中间合金，搅拌均匀后再加入cu、zn纯金属或al-cu、al-zn中间合金，再加入b和稀土元素，搅拌均匀；（4）然后对上述合金熔体进行炉内精炼，调整熔融铝合金液温度在745℃，并往合金熔体中加入精炼剂，进行9min均匀搅动，熔体精炼是在封闭环境下操作；（5）精炼后打渣、静置、调温至710℃，合金液倾倒出炉，在线除气、除渣处理；（6）将步骤（5）铝合金液浇铸成铝合金铸锭；（7）对步骤（6）中的铝合金铸锭进行热处理，得到高强度耐磨铝合金材料；（8）将步骤（7）中的高强度耐磨铝合金材料进行探伤处理、机械性能的测定分析，最终制备得到合格产品。所述步骤（1）中的惰性气体是指氮气或氩气。所述步骤（4）中的精炼剂为氯气、六氯乙烷、氯化锰或硼盐变质剂。所述步骤（6）中铝合金液浇铸成铸锭具体工艺为：将铝合金溶液铸造温度725℃、铸造速度78毫米/分钟、冷却水压力0.7mpa条件下半连续铸造成铝合金铸锭。所述步骤（7）热处理具体工艺为：固溶温度为535℃，保温2.5小时，冷却转移时间不大于15秒，时效工艺在淬火后5小时内进行，时效温度温205℃，时间为7小时。对比例1采用中国发明专利申请200810231204.0的方法制备的耐磨高强铝合金材料。对比例2采用中国发明专利申请200610165341.x的方法制备的高强耐磨铝合金。试验例将实施例1-5及对比例1、对比例2制得的铝合金进行试验，相关性能测试结果如下表1所示：表1测试项目布氏硬度（hb）磨损量（mg）抗拉强度/mpa实施例11555.3346实施例21594.9351实施例31644.4355实施例41614.6352实施例51524.8349对比例11357.8325对比例21128.7228由表1可知，本发明制得的铝合金材料的硬度、耐磨性及抗拉强度均优于对比例，并且实施例3的制得的铝合金材料的硬度、耐磨性及抗拉强度最好。综上所述，本发明的创造性主要体现在以下几点：（1）本发明通过设计特定的合金成分组成，解决了铝合金材料的耐磨性和强度不足问题，使铝合金材料同时具有高强度、高耐磨和优异的抗拉强度，具体为：通过选用cu、zn、mn和以ni、w、mo为特征微合金化元素的组合配方，利于合金的培育和细化，使得生成的合金更加的致密，从而提高合金的强度和耐磨性能。（2）本发明通过严格控制铸造工艺和热处理工艺，使得铝合金晶粒度能够达到一级晶粒（按照gb/t3246.2标准检验，晶粒平均面积≤0.026mm2），从而使得本发明铝合金具有高强度、高耐磨和优异的抗拉强度。（3）本发明通过mo、w、ti元素可以抑制再结晶和晶粒长大，并在其后再加入稀土元素，可以进一步细化晶粒、提高合金力学性能，严格控制铝合金的均匀化和挤压工艺，从而使得本发明铝合金的强度、耐磨性和抗拉强度得到大幅提高。以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。当前第1页12