具有复杂微观结构的耐磨合金的制作方法

具有复杂微观结构的耐磨合金的制作方法
【专利摘要】提供了一种具有复杂微观结构的耐磨合金，微观结构包括约19wt％至约27wt％范围的锌(Zn)、约3wt％至约5wt％范围的锡(Sn)、约7.6wt％至约11wt％范围的硅(Si)和余量的铝(Al)。
【专利说明】具有复杂微观结构的耐磨合金

【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于可能需要耐磨性和自润滑性的车辆部件的铝合金以及制备该铝 合金的方法。具体地，本发明提供具有复杂微观结构的铝合金，其可包含耐磨性颗粒和自润 滑性软颗粒。

【背景技术】
[0002] 作为铝合金，通常在车辆工业中使用含有约13. 5wt%至约18wt%范围或约 12wt%的硅（Si)和约2wt%至约4wt%范围的铜（Cu)的过共晶铝-铁（Al-Fe)合金。由 于这种常规的Al-Fe合金具有以下微观结构，即其中具有尺寸范围为约30 μ m至约50 μ m 的初生硅（Si)颗粒，因此其相对于纯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车辆部件，例如挂挡叉、后盖、防波板等等。商业合金的实例可包 括：R14合金（由日本Ryobi Corporation生产）、与R14合金类似的K14合金、用于整体 (monoblock)或者错内衬的A390合金等等。
[0003] 然而，这些过共晶合金由于其硅含量高可能具有下述问题，例如，可铸性低、耐冲 击性低等等。另外，可能难以调整硅（Si)颗粒的尺寸和分布，并且制造过共晶合金由于特 别开发的工序可能比其它铝合金耗费更高。
[0004] 同时，Al-Sn合金可以是用于车辆部件的自润滑铝合金的另一个实例。该Al-Sn合 金可包括约8wt%至约15wt%范围的锡（Sn)，还包括可以降低摩擦的自润滑性锡（Sn)软颗 粒的微观结构。因此，该Al-Sn合金可以用作在高摩擦接触面中使用的金属轴承的基础材 料。然而，该Al-Sn合金由于约150MPa或更低的较低强度可能并不适用于结构车辆部件， 尽管强度可以通过硅（Si)含量增强。
[0005] 以上作为本发明的相关技术提供的说明仅仅是为了帮助理解本发明的背景，而不 应理解为包含在本领域技术人员已经知晓的相关技术内。


【发明内容】

[0006] 本发明可提供解决上述问题的技术方案。因此，在一方面，本发明提供具有可从其 硬颗粒和软颗粒得到的微观结构的新型的高强度耐磨合金。具体地，该新型合金可以具有 来自过共晶Al-Si的耐磨性和来自Al-Sn合金的自润滑性。
[0007] 在本发明的一个示例性实施方式中，提供一种具有复杂微观结构的耐磨合金，其 可以包括：约19wt%至约27wt%范围的锌（Zn);约3wt%至约5wt%范围的锡（Sn);约 7. 6wt%至约llwt%的娃（Si);和余量的错（A1)。该耐磨合金可以进一步包括约lwt%至 约3wt%的铜（Cu)。该耐磨合金还可以包括约0. 3wt%至约0. 8wt%的镁（Mg)。另夕卜，该耐 磨合金可以包括约lwt%至约3wt%的铜（Cu)和约0· 3wt%至约0· 8wt%的镁（Mg)。
[0008] 在另一个示例性实施方式中，本发明提供一种具有复杂微观结构的耐磨合金，其 可以包括：约19wt%至约27wt%范围的锌（Zn);约3wt%至约5wt%范围的秘（Bi);约 7.6界1: (%至约11￥1:(%的娃（5;〇;和余量的错（八1)。

【专利附图】

【附图说明】
[0009] 根据以下详细描述并结合附图，将更清楚地理解本发明的以上和其它目的、特征 和优点，其中：
[0010] 图1是示出针对软颗粒在根据实施例和比较例的示例性实施方式的具有复杂微 观结构的耐磨合金中摩擦系数与锡（Sn)含量（wt% )或锌（Zn)含量（wt% )之间的关联 的示例图。

【具体实施方式】
[0011] 应理解，本文使用的术语"车辆"或"车辆的"或其它类似术语包括通常的机动车， 例如，包括多功能运动车（SUV)、公共汽车、卡车、各种商务车的客车，包括各种船只和船舶 的水运工具，飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、插入式混合电动车、氢动力车和其 它代用燃料车（例如，来源于石油以外的资源的燃料）。如本文所提到的，混合动力车是具 有两种或多种动力源的车辆，例如，具有汽油动力和电动力的车辆。
[0012] 本文使用的术语仅仅是为了说明【具体实施方式】，而不是意在限制本发明。如本文 所使用的，单数形式"一个、一种、该（a、an、the)"也意在包括复数形式，除非上下文中另外 清楚指明。还应当理解的是，在说明书中使用的术语"包括（compri ses和/或compri s ing) " 是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个 其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。如本文所使用的，术语"和/或"包 括一个或多个相关所列项的任何和所有组合。
[0013] 除非具体说明或从上下文明显得到，否则本文所用的术语"约"理解为在本领域的 正常容许范围内，例如在均值的2个标准差范围内。"约"可以理解为在所述数值的10%、 9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%、1%、0· 5%、0· 1%、0· 05%或0· 01% 内。除非另外从上 下文清楚得到，本文提供的所有数值都由术语"约"修饰。
[0014] 下文中，将详细描述本发明的各个示例性实施方式。本发明涉及具有复杂微观结 构的新型合金，其可以同时包含硬颗粒和软颗粒。
[0015] 在常规铝合金的某些实施例中，用于形成自润滑颗粒的合金元素可以包括锡 (Sn)、铅（Pb)、铋（Bi)、锌（Zn)等。由于这些合金元素并不会与铝反应，因此不会形成金属 间化合物，且可以分离出它们的相。另外，这些合金元素可具有相对低的熔点，且在严重摩 擦状态下部分熔化时具有自润滑性以形成润滑膜。
[0016] 在上述的四种合金元素中，当同时考虑自润滑性和成本时，铅（Pb)可能是用于形 成自润滑颗粒的最合适元素。但是，铅被禁止用于车辆工业中，因为其被归类为有害金属元 素。在这方面，可能最广泛使用锡（Sn)代替Pb，同时铋（Bi)可以偶尔代替Sn使用。相比 之下，由于相比于Sn和Bi具有相当高的熔点和相当低的自润滑性，锌（Zn)可能是不利的。 然而，基于其较低的成本，锌可以为相对高的量。因此，考虑到成本竞争力，Zn可以用于形 成软颗粒和部分代替昂贵的Sn或Bi。
[0017] 另外，Si或Fe可以是用于形成硬颗粒的合金元素。Si或Fe可导致与A1的共晶 反应，并且当其以预定量或更大的量添加时形成角形硬颗粒。在铝合金的一个实例中，Si可 以形成硬颗粒，并且形成初生硅颗粒。此外，当以约12. 6wt%或更高的量加至Al-Si二元合 金中时，Si可以提供耐磨性。然而，当Si与用于形成软颗粒的元素 Zn -起添加时，Si含量 可以依据Zn含量变化从而形成硬颗粒。例如，当Zn含量为约10wt%时，Si含量可以为最 小约7wt%至最大约14wt%。当Si含量小于7wt%的最小量时，可能不能形成硬颗粒；当 Si含量大于约14wt%的最大量时，硬颗粒的尺寸可能显著增加，由此对机械性能和耐磨性 产生负面影响。
[0018] 在Al-Fe合金中，Fe可以为杂质。然而，当Al-Fe二元合金不含（例如最低量）Si 且Fe以约0. 5wt%或更小的量添加时，可以形成耐磨性Al-Fe金属间化合物颗粒，由此对 Al-Fe合金提供耐磨性。相比之下，当Fe以约3wt%或更大的量添加时，可能过度形成金属 间化合物颗粒，由此使机械性能劣化并使熔点升高。
[0019] 另外，用于强化示例性铝合金强度的合金元素可以包括Cu和Mg。Cu可以通过Cu 与A1的化学反应而有效形成金属间化合物并提高强度。Cu的作用会基于Cu含量、铸造/ 冷却条件或热处理条件而变化。Mg可以通过Mg与Si或Zn的化学反应而有效形成金属间 化合物并提高强度。Mg的作用也会基于Mg含量、铸造/冷却条件或热处理条件而变化。
[0020] 下文中，将会在详细的示例性实施方式中描述本发明。
[0021] 在一个示例性实施方式中，铝合金可以包含作为主要组分的铝（A1)，还包括约 19wt%至约27wt%范围的锌（Zn);约3wt%至约5wt%范围的锡（Sn);约lwt%至约3wt% 范围的铜（Cu);约0· 3wt%至约0· 8wt%范围的镁（Mg);和约7. 6wt%至约llwt%的娃（Si) 用于形成硬颗粒。当以低于约19wt%的量添加锌（Zn)时，可能不能形成足量的Zn软颗粒， 从而可能难以获得充分的自润滑性。当以大于约27wt%的量添加锌（Zn)时，铝合金的固相 线可能变得很低，从而使铸造条件劣化。
[0022] 另外，锡（Sn)可以具有比锌（Zn)更高的自润滑性。当以低于约3wt%的量添加锡 (Sn)时，可能不能形成足量的Sn软颗粒，因而可能难以补偿Zn软颗粒不足的自润滑性。当 以大于约5wt%的量添加锡（Sn)时，在驾驶条件下可能不能得到铝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)可以形成硬颗粒。当以低于约7. 6wt %的量添加娃（Si)时，可能不能充分 形成初生Si硬颗粒，例如，低于约0. 5wt %，可能难以确保耐磨性。当以大于约llwt %的量 添加娃（Si)时，可能过度形成初生Si硬颗粒，例如，大于约5wt %，从而使硬颗粒粗化，并对 耐磨性和机械性能产生负面影响。
[0024] 铜（Cu)可以改善机械性能，且铜（Cu)可以以约lwt%或更高的量添加以确保充 足的机械性能。然而，当以大于约3wt%的量添加铜（Cu)时，可能形成其它元素和金属间 化合物，使得铝合金的机械性能劣化，因此，可以对铜（Cu)的量进行限制。或者，可以以约 0. 3wt%或更高的量添加镁（Mg)代替铜（Cu)，也可以额外改善错合金的机械性能。然而，当 以约0.8wt%或更大的量添加镁（Mg)时，可能形成使铝合金的机械特性劣化的化合物，因 此可以对镁（Mg)的量进行限制。
[0025] 已经针对软颗粒对根据本发明示例性实施方式的Al-Zn-Sn合金的低摩擦特性进 行评价。如图1所示，在改变Zn和Sn量的同时制备实施例和比较例的示例性合金，然后测 量合金的摩擦系数变化。结果，在约3wt% Sn的条件下，实施例的示例性3Sn-19Zn合金可 以获得期望的低摩擦特性，例如，约〇. 150或更低的摩擦系数，而比较例的示例性3Sn-17Zn 合金可能得到不期望的结果。因此，当基于约3wt%或更多的Sn，以约19wt%或更大的量添 加 Zn时，可以获得期望的低摩擦特性。另外，当Sn和Zn的量增加时，可以获得令人满意的 低摩擦特性。在下面的表1中给出了实施例和比较例的示例性Al-25Zn-3Sn-xSi合金的耐 磨性和机械特性评价结果。
[0026] 表 1
[0027]

【权利要求】
1. 一种具有复杂微观结构的耐磨合金，包括： 约19wt%至约27wt%范围的锌（Zn); 约3wt%至约5wt%范围的锡（Sn); 约7.6wt%至约llwt%范围的娃（Si);和 余量的铝（A1)。
2. 如权利要求1所述的耐磨合金，还包括： 约lwt %至约3wt %范围的铜（Cu)。
3. 如权利要求1所述的耐磨合金，还包括： 约0· 3wt%至约0· 8wt%范围的镁（Mg)。
4. 如权利要求1所述的耐磨合金，还包括： 约lwt%至约3wt%范围的铜（Cu)和约0· 3wt%至约0· 8wt%范围的镁（Mg)。
5. -种具有复杂微观结构的耐磨合金，包括： 约19wt%至约27wt%范围的锌（Zn); 约3wt%至约5wt%范围的秘（Bi); 约7.6wt%至约llwt%范围的娃（Si);和 余量的铝（A1)。
【文档编号】C22C21/10GK104141078SQ201410269995
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年5月7日 优先权日:2013年5月7日
【发明者】姜熙三 申请人:现代自动车株式会社