专利名称：一种制备喷射成形过共晶铝硅合金方法
技术领域：
本发明提供了一种利用喷射成形技术改善过共晶铝硅合金耐磨性的新方法， 适用于材料制备技术领域。
背景技术：
过共晶铝硅合金因其具有低的热膨胀系数和良好的耐磨性在机械工业、汽车 工业和电子工业中得到了广泛的应用。然而，采用普通铸造工艺生产过共晶铝硅 合金时，缓慢的冷却速度导致合金中形成了粗大的板块状硅相，这些板状初晶硅 相是由一些极薄的板状晶重叠而成，板块之间结合力很低，在磨损时一般在板块 中间断裂，严重地恶化了合金的磨损性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用喷射成形技术制备过共晶铝硅合金的方 法，实现合金组织和耐磨性能的改善，避免了利用普通铸造技术制备过共晶铝硅 合金时板块状初晶硅相的出现。
为了实现上述目，本发明采取下述技术方案
一种制备喷射成形过共晶铝硅合金方法，采用喷射成形方法制备过共晶
Al-(16 45%)Si-X合金时，其中，该合金的成分和含量为Si 16~45wt%、X0~5wt%、 其余为A1， X为Cu和域Mg，将该合金预制锭熔化后流经中间包、导流管，通 过气流雾化喷嘴喷射出的雾化气体对导流管流出的合金熔体进行喷射成形，并沉 积到接收装置的接收盘上，喷射成形的工艺参数为雾化气体为氮气；雾化压力 为0.6~0.8 MPa，合金熔体温度为1073 K ~1173K，中间包、导流管的温度均为 1073 K 1173K，导流管的出口到接收盘的沉积距离为400mm 500mm，在接收 盘得到圆锭，采用车削工艺，车削圆锭的外圆和端面，通过热挤压变形加工，再 进行热处理，即得到高耐磨性喷射成形过共晶铝硅合金。
一种高耐磨性喷射成形过共晶铝硅合金，所述的过共晶铝硅合金为 Al-(16 45。/。)Si-X合金，其中，该合金的成分和含量为Si 16 45wt%、 X0~5wt%、
其余为A1， X为Cu和/或Mg，并采用喷射成形方法制成。
本发明是采用喷射成形技术制备过共晶Al-(16~45%)Si-X合金，快速凝固方法可以有效地改变过共晶铝硅合金中初晶硅的形态和尺寸，显著改善了合金的磨 损性能。喷射沉积是一种新型的快速凝固方法，它是将金属液流雾化成液态微滴， 在高速惰性气体的作用下，液滴迅速冷却，随后沉积在接收基板上，形成了一定 形状的沉积坯件。对铝硅合金而言，当其硅含量低于16wt。/。时，利用喷射成形 方法制备合金时，形成的颗粒状硅相数量不足，对合金的耐磨性影响不大；当其 硅含量大于45wt。/。时，合金的塑韧性大幅度降低，材料在工程中失去应用价值， 因此，硅含量为16~45wt%。
喷射成形过共晶铝硅合金具有良好的耐磨性主要是由于在合金组织中形成 了颗粒状的初晶硅相，与铸态组织中的板块状初晶硅相比，这些颗粒状的硅相尺 寸较小，它们均匀分布在基体组织中，形成了硬质点分布于软基体中的理想的耐 磨体系。利用普通铸造法生产的过共晶铝硅合金，粗大的硅相本身强度很低，且 内部存在着裂纹，硅相尖角与基体结合处形成了严重的应力集中，磨损过程中在 剪切应力的作用下，容易折断的硅相从合金基体上脱落，导致合金的耐磨性下降； 喷射沉积过共晶铝硅合金组织中存在着大量的颗粒状硅相，硅相颗粒与基体之间 形成了光滑的边缘，与基体之间的结合十分紧密，硅相尖角的消失有效地降低了 应力集中的程度，在剪应力的作用下初晶硅相的断裂和剥落倾向减弱，合金的耐 磨性得以提高。
在2003年3月14日北京有色金属研究总院申请名为"一种超高强度高韧 性铝合金材料及其制备方法"专利申请并授予专利权(专利号为03119605.5)。 在该专利中，详细记载了关于喷射成形方法和所使用的设备的问题。喷射成形方 法为(1)按合金成分，配制预制合金锭；(2)升温将合金预制锭熔化后，采用 惰性气体并通过雾化喷嘴进行雾化，雾化喷嘴以l 5Hz的频率高速扫描，雾化 气体为高纯惰性气体，雾化压力为0. 5 1.0MPa; (3)在气雾化的同时，将雾 化液沉积在接收装置上，即得到所需的铝合金材料。喷射成形设备采用非真空喷 射成形设备，该非真空喷射成形设备包括有感应加热熔炉、感应加热或电阻加 热的中间包、导流管、气流雾化喷嘴，接收罐体，在接收罐体中安装接收装置。 因此，喷射成形技术是一个很成熟的技术。
在喷射成形过程中选用完全非限制式气雾化喷嘴，在工作过程中导流管与 喷嘴之间采用的是分离配合方式，以便实现喷嘴高频扫描，其中，可以采用"双层非限制式气流雾化喷嘴"，在专利号98201214.4名为"双层非限制式气流雾化 喷嘴"专利文献中，记载了有关非限制式气流雾化喷嘴的技术内容，非限制式雾 化喷嘴中的导流管和气流雾化喷嘴是采取分离配合方式。
本发明喷射成形工艺参数如下雾化气体釆用氮气；雾化压力为(0.6~0.8) MPa;熔体温度控制为(1073-1173) K，即在感应加热熔炉中的熔体温度，流 经中间包、导流管的熔体温度都控制为(1073~1173) K;导流管温度控制为 (1073-1173) K;雾化器即雾化喷嘴扫描的频率(1~5) Hz;导流管的出口到接 收盘的沉积距离为400mm 500mm;在气雾化的同时，接收系统在变频电机的牵 引下高速旋转，并以30°的角度和30mm/min的速度下降，在接收盘得到圆锭。
然后，采用公知的后处理的方法，即采用车削工艺，车削圆锭的外圆和端面、 热挤压变形加工，加工成所需的部件；将该部件进行热处理，即得到高耐磨性喷 射成形过共晶铝硅合金。喷射成形过共晶铝硅合金的热挤压变形工艺制度为在 415t:下挤压成O20mm的棒材，挤压比为39:1，挤压后棒材空冷。喷射成形过 共晶铝硅合金的热处理制度为465。C 475'C固溶处理1.8 2.2小时后，115 'C 125'C人工时效23小时 25小时。
本发明的优点在于在保证过共晶铝硅合金具有低的热膨胀系数，高的弹性 摸量和良好的力学性能的同时，釆用喷射成形快速凝固技术，细化了合金组织中 的初晶硅相，改善了合金的耐磨性能，消除了普通铸造过共晶铝硅合金中粗大的 硅相。
图1是过共晶铝硅合金微观组织图像，其中(a)为利用普通铸造方法制备的 合金，(b)为利用喷射成形技术制备的合金。
图2是利用普通铸造和喷射成形方法制备的过共晶铝硅合金在不同载荷下 磨损率的对比图。
图3是利用普通铸造和喷射成形方法制备的过共晶铝硅合金的磨损表面形 貌的对比图。
具体实施例方式
关于下述实施例中的喷射成形过程和所使用的设备与都与专利03119605.5 中描述的相同。实施例1
利用喷射成形快速凝固技术制备Al-25Si-3Cu合金(该合金的成分和含量为 Si25wt%、 Cu 3wt%、其余为Al)时，合金在感应加热熔炉中融化到1073K时，并 流经中间包、导流管，该熔体温度也都控制为1073K，导流管温度也控制为 1073K;采用氮气作为雾化气体，雾化压力为0.6 0.8MPa，雾化喷嘴扫描的频 率(1~5) Hz，沉积距离为400mm，接收系统在变频电机的牵引下高速旋转，并 以30°的角度和30mm/min的速度下降，制成圆锭，利用喷射成形快速凝固方 法制备的合金组织中形成了细小的颗粒状硅相，从而消除了普通铸造合金中板块 状的硅相对合金耐磨性能的不利影响。再采用车削工艺，车削圆锭的外圆和端面、 热挤压变形加工，加工成所需的部件，挤压工艺为415'C下挤压成0)20mm的棒 材，挤压比为39:1，挤压后棒材空冷；将该部件进行热处理，即得到高耐磨性喷 射成形过共晶铝硅合金，热处理制度为47(TC固溶处理2小时后，12(TC人工 时效24小时。图1是利用普通铸造和喷射成形技术制备的Al-25Si-3Cu合金的 微观组织。
图1是利用普通铸造和喷射成形方法制备的Al-25Si-3Cu过共晶铝硅合金的 微观组织，其中(a)为利用普通铸造方法制备的合金，(b)为利用实施例1的喷射 成形方法制备的合金。如图l(b)所示，利用实施例1的喷射成形方法制备的合 金组织中形成了颗粒状的初晶硅相，与铸态组织(图l(b)所示)中的板块状初 晶硅相比，这些颗粒状的硅相尺寸较小，它们均匀分布在基体组织中，形成了硬 质点分布于软基体中的理想的耐磨体系。如图l(a)所示，利用普通铸造法生产 的过共晶铝硅合金，粗大的硅相本身强度很低，且内部存在着裂纹，硅相尖角与 基体结合处形成了严重的应力集中，磨损过程中在剪切应力的作用下，容易折断 的硅相从合金基体上脱落，导致合金的耐磨性下降。而图l(b)所示的喷射沉积 过共晶铝硅合金组织中存在着大量的颗粒状硅相，硅相颗粒与基体之间形成了光 滑的边缘，与基体之间的结合十分紧密，硅相尖角的消失有效地降低了应力集中 的程度，在剪应力的作用下初晶硅相的断裂和剥落倾向减弱，合金的耐磨性得以 提高。 实施例2
利用喷射成形快速凝固技术制备Al-20Si-3Cu-lMg合金(该合金的成分和含量为Si20wt°/。、 Cu 3wt%、 Mg 1 wt%、其余为Al)时，采用和实施例1相同的 喷射成形快速凝固方法及后处理工艺，制备了 Al-20Si-3Cu-lMg合金。将普通铸 造和上述喷射成形技术制备的Al-20Si-3Cu-lMg合金在Falex-6型摩擦磨损试验 机上进行干摩擦实验，载荷为4.45， 8.9, 13.35,和17. 8 N。结果表明，和普 通铸造合金相比，利用喷射成形技术制备的Al-20Si-3Cu-lMg合金具有低的磨损 率。由此可见，喷射成形技术改善了过共晶铝硅合金的耐磨性能。 实施例3
利用喷射成形快速凝固技术制备Al-30Si合金(该合金的成分和含量为 Si30wt。/。其余为Al)时，采用和实施例1相同的喷射成形快速凝固方法及后处理 工艺，制备了 Al-30Si合金。将普通铸造和上述喷射成形技术制备的Al-30Si合 金在Falex-6型摩擦磨损试验机上进行千摩擦实验，载荷为8.9N。图3是二种 合金的磨损表面的扫描电子图象，结果表明，如图3中的(b)所示，利用喷射 成形制备的合金的磨损表面平滑，未发现明显的材料脱落；如图3中的(a)所 示，普通铸造合金的磨损表面出现了大面积的磨坑。由此可见，喷射成形技术改 善了过共晶铝硅合金的磨损性能。
权利要求
1、一种制备高耐磨性喷射成形过共晶铝硅合金方法，其特征在于采用喷射成形方法制备过共晶Al-(16～45％)Si-X合金时，其中，该合金的成分和含量为Si16～45wt％、X0～5wt％、其余为Al，X为Cu和/或Mg，将该合金预制锭熔化后流经中间包、导流管，通过气流雾化喷嘴喷射出的雾化气体对导流管流出的合金熔体进行喷射成形，并沉积到接收装置的接收盘上，喷射成形的工艺参数为雾化气体为氮气；雾化压力为0.6～0.8MPa，合金熔体温度为1073K～1173K，中间包、导流管的温度均为1073K～1173K，导流管的出口到接收盘的沉积距离为400mm～500mm，在接收盘得到圆锭，采用车削工艺，车削圆锭的外圆和端面，通过热挤压变形加工，再进行热处理，即得到高耐磨性喷射成形过共晶铝硅合金。
2、 一种高耐磨性喷射成形过共晶铝硅合金，其特征在于所述的过共晶铝 硅合金为过共晶Al-(16~45%)Si-X合金，其中，该合金的成分和含量为Si 16 45wt%、 X0~5wt%、其余为A1， X为Cu和/或Mg，并采用喷射成形方法制 成。
全文摘要
本发明提供了一种制备高耐磨性喷射成形过共晶铝硅合金的方法及其过共晶铝硅合金，适用于材料制备技术领域，涉及喷射成形过共晶铝硅合金的制备工艺。采用喷射成形技术制备过共晶Al-(16～45％)Si-X合金时，其中，该合金的成分和含量为Si 16～45wt％、X 0～5wt％、其余为Al，X为Cu和/或Mg，喷射成形方法有效地改变了过共晶铝硅合金中初晶硅的形态和尺寸，避免了普通铸造合金中板块状初晶硅相的出现，合金的耐磨性能得以改善。
文档编号B22F3/00GK101462166SQ20071030366
公开日2009年6月24日 申请日期2007年12月20日 优先权日2007年12月20日
发明者刘红伟, 张永安, 朱宝宏, 熊柏青, 锋 王 申请人:北京有色金属研究总院