一種含硅的耐磨鋅基合金及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種含硅的耐磨鋅基合金及其制備方法，其成分質(zhì)量百分比為：20.0～35.0％Al、0.8～5.5％Cu、1.5～5.5％Si、0.005～0.03％Mg、0.05～0.20％Sr、0.02～0.10％Ti、0.002～0.01％C，余為鋅及不可避免的雜質(zhì)。首先熔化電解鋁、電解銅、鋅錠及Al-Si中間合金，然后除渣除氣；再加入預(yù)熱的Mg-Al中間合金/金屬鎂、Al-Sr中間合金、Al-Ti-C中間合金；全部熔化后攪勻，靜置后澆注成型。本發(fā)明通過添加Sr使合金鑄態(tài)組織中Si相呈里細(xì)小的粒狀、球狀均勻分布，通過添加Ti、C元素，細(xì)化合金的基體組織，進(jìn)一步促進(jìn)Si相組織均勻分布，提高合金的耐磨性能和綜合力學(xué)性能。
【專利說明】一種含硅的耐磨鋅基合金及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種滑動軸承材料，提供了一種含硅的耐磨鋅基合金及其制備方法。【背景技術(shù)】
[0002]含鋁20~40%的高鋁鋅基合金具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能、軸承性能、無火花、非磁性、減震降噪和阻尼性能等。與銅合金相比，原材料成本低、資源豐富，熔化能耗少，密度小(4.3~5.2g/cm3)。用于代替錫青銅、鋁青銅等銅合金，制造軸瓦、軸套、蝸輪、螺母、軸承保持架、導(dǎo)板等部件，在機(jī)械制造領(lǐng)域應(yīng)用，表現(xiàn)出良好的使用性能。
[0003]許多研究已表明，在高鋁鋅基合金中添加適量的硅，顯著提高合金的耐磨性。由于硅在鋁和鋅中的溶解度很小，硅主要以初生硅相的形式存在于組織中。硅相的顯微硬度為757HV，因此合金的耐磨性顯著提高。但是，硅相的形狀、尺寸大小及分布對合金的力學(xué)性能、耐磨性能有很大影響。硅相呈粗大的板塊狀，對合金的基體組織具有割裂作用，對力學(xué)性能和耐磨性能都有不利影響。硅相呈細(xì)小的粒狀、團(tuán)球狀有利于提高合金的耐磨性和力學(xué)性能。
[0004]嚴(yán)彪等發(fā)明了一種高耐磨鋅鋁合金及其制備方法(CN101280376A)，成分質(zhì)量百分比為:25~40% Al、l~5% Cu、l~10% Si，余為鋅。通過噴射成型和多道次累積變形熱擠壓法，來實(shí)現(xiàn)普通鑄造無法達(dá)到的硅顆粒的細(xì)小均勻分布。該制備方法雖然通過多道次累積變形熱擠壓法細(xì)化了硅相，但無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的成型。施忠良等發(fā)明了高體積分?jǐn)?shù)硅(5~30vol% )的耐磨鋅鋁合金半固態(tài)共凝法(CN1328167A)，即將含鋁量低的鋅鋁合金或純鋅熔體與處于半固態(tài)下的過共晶鋁硅合金熔體混合，其中過共晶鋁硅合金輔以磷變質(zhì)或/和機(jī)械攪拌，實(shí)現(xiàn)硅相的破碎和均勻性。趙浩峰等發(fā)明了含硅3~6%的鋅基合金(CN1289855A)，成分質(zhì)量百分比為:25 ~40% A1、0 ~5% Cu、3 ~6% Si，O ~0.l%Mg、余為鋅。該發(fā)明采用鈉鹽、鉀鹽、鈣鹽及稀土混合物細(xì)化硅相。韓富銀等研究了鈉鹽變質(zhì)及振動對Zn-27% A1-3~4% Si (質(zhì)量百分比)的合金中硅相的影響(《材料科學(xué)與工藝》2005年第13卷第2期)，鈉鹽變質(zhì)可以細(xì)化初生硅相。
[0005]采用鹽類化合物細(xì)化鋅基合金組織中的硅相容易產(chǎn)生夾渣，工藝不穩(wěn)定。鹽類化合物在高溫下分解會產(chǎn)生有毒氣體，對環(huán)境和操作工人健康不利。另外，鹽類細(xì)化劑對坩堝有腐蝕作用，會縮短坩堝的使用壽命。
[0006] 司松海等發(fā)明了一種新型耐磨多元鋅基合金(CN101386934A)，成分質(zhì)量百分比為
2.5 ~3.5% Si，0.1 ~0.27% RE, 0.1 ~0.2% N1-Ti 合金(50% N1、50% Ti)、0.I ~0.2%Cr,27 ~29% Al,2.0 ~2.5% Cu,0.01 ~0.02% Mg，余為鋅。N1-Ti 合金(50% Ni,50%Ti)熔點(diǎn)高，在熔體中熔化速度慢。專利CN1046563A公開了一種高鋁鋅基耐磨合金，用于機(jī)械行業(yè)不同工況條件下工作的軸瓦、軸套、蝸輪等耐磨零件。該合金的最佳成分配比為(質(zhì)量百分比):43% Al、3.5% Cu、0.8% S1、0.03% Mg，余為鋅。合金組織為軟基體上分布著硬質(zhì)點(diǎn)，使合金的耐磨性能大大提高，并且具有較高的強(qiáng)度和硬度。但都沒有說明硅相的細(xì)化方法。[0007]夏蘭廷等(《鑄造設(shè)備與工藝》2009年第5期)研究了添加Bi對含硅2.4~6%的ZA40合金硅相形態(tài)及時效尺寸變化率的影響，Bi對含40% Al的高鋁鋅基合金組織的初生硅相具有細(xì)化作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)不足，而提供一種含硅的耐磨鋅基合金及其制備方法。本發(fā)明優(yōu)化設(shè)計了合金的成分、組織結(jié)構(gòu)。通過采用中間合金的形式，加入可細(xì)化鋅基合金組織中的硅相的元素鍶，避免用鈉、鉀等鹽類變質(zhì)劑的缺點(diǎn)，改善含硅耐磨鋅基合金的硅相組織分布，提高鋅基合金的耐磨性以及綜合性能。關(guān)于采用鍶細(xì)化鋅基合金組織中的娃相未見有關(guān)研究報道。
[0009]本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:[0010]一種含硅的耐磨鋅基合金，其成分質(zhì)量百分比為:20.0~35.0% A1、0.8~5.5%CuU.5 ~5.5 % Si,0.005 ~0.03 % Mg,0.05 ~0.20 % Sr,0.02 ~0.10 % Ti,0.002 ~
0.01% C，雜質(zhì)元素含量控制范圍為:≤0.1% Fe、≤0.004% Pb、≤0.002% Sn、≤0.003%Cd，余量為鋅。
[0011]所述的含硅的耐磨鋅基合金，其成分質(zhì)量百分比優(yōu)選范圍為:25.0~30.0% Al、
1.8 ~3.0% Cu,2.0 ~3.0% Si,0.01 ~0.02% Mg,0.08 ~0.15% Sr,0.04 ~0.06% T1、
0.004~0.006% C，雜質(zhì)元素含量控制范圍為:≤0.1% 0.004% Pb、≤0.002% Sn、(0.003% Cd，余量為鋅。
[0012]所述的含娃的耐磨鋅基合金，其最佳成分質(zhì)量百分比為:26.5 % Al、2.3 % Cu、
2.5% Si,0.015% Mg,0.12% Sr,0.05% Ti,0.005% C，雜質(zhì)元素含量控制范圍為:≤ 0.1%Fe、≤ 0.004% Pb、≤ 0.002% Sn、≤ 0.003% Cd，余量為鋅。
[0013]上述含硅的耐磨鋅基合金的制備方法，包括步驟如下:
[0014](I)在坩堝中同時加入電解鋁、電解銅、鋅錠、Al-Si中間合金，升溫熔化，熔化控制溫度670--730°C，待全部熔化后，用精煉劑進(jìn)行除渣除氣處理，靜置后扒渣；
[0015](2)加入預(yù)熱溫度200-300 V的Mg-Al中間合金或金屬鎂，再加入預(yù)熱溫度200-300°C的Al-Sr中間合金，然后再加入預(yù)熱溫度200-300°C的Al-T1-C中間合金；
[0016]或者同時加入預(yù)熱溫度均為200-300°C的Mg-Al中間合金、Al-Sr中間合金和Al-T1-C中間合金。
[0017](3)待中間合金全部熔化后，將金屬液攪拌均勻，靜置10至15分鐘，在620_650°C澆注成型。
[0018]上述制備方法中所述的的Al-Sr中間合金優(yōu)選Al-5% Sr中間合金或Al_10% Sr中間合金。所述的Al-T1-C-B中間合金優(yōu)選Al-5T1-0.5C中間合金。所述的Mg-Al中間合金優(yōu)選Mg-1O % Al中間合金。
[0019]上述熔化合金的設(shè)備包括感應(yīng)熔煉爐、電阻坩堝爐、焦炭坩堝爐、燃?xì)廑釄鍫t等熔煉設(shè)備。采用金屬型重力鑄造、砂型鑄造、低壓鑄造、擠壓鑄造等方法，可鑄造成型軸瓦、軸套、蝸輪、螺母、導(dǎo)板等零部件。
[0020]各組元在合金中的作用如下:鋁在合金中的主要作用是提高合金的強(qiáng)度、硬度和塑性。銅主要是細(xì)化合金的組織，提高合金的強(qiáng)度、硬度，耐磨性。硅提高合金的強(qiáng)度、硬度，特別是耐磨性。鎂提高合金的強(qiáng)度、硬度。鍶主要是細(xì)化合金組織中的初生硅相。加入鍶后，初生硅相得到細(xì)化，呈粗大的條狀、板塊狀的初生硅相(最大可達(dá)50 μ m)消失，隨著鍶加入量增加，硅相逐漸細(xì)化、?；?，有些硅相呈球狀，分布更加均勻細(xì)小，在最佳鍶含量范圍內(nèi)，娃相尺寸在10 μ m以下。隨著合金中娃含量的增加,銀加入量也應(yīng)相應(yīng)增加。T1、C主要是細(xì)化合金的基體組織富鋁α相。合金中加入T1、C后，形成TiA13相、TiC相、等粒子，這些粒子作為富鋁α相的晶核，促使基體組織富鋁α相細(xì)化，形成等軸晶組織，合金的塑韌性提高。富鋁α相的細(xì)化也促進(jìn)了硅相的分布更加均勻。關(guān)于鍶對硅相的影響見圖1至圖3，合金的基礎(chǔ)成分質(zhì)量百分比為:27.5% Al,2.41% Cu,2.41% Si,0.015% Mg,0.05%T1、0.005% C，余為鋅。圖1未加Sr，初生硅相呈大塊狀，有些成條狀或板塊狀。圖2加入
0.093% Sr,圖3加入0.12% Sr。加入鍶后，粗大的塊狀、條狀的初生硅相消失，初生硅相尺寸減小，呈細(xì)小的粒狀，有些呈球狀，分布均勻。
[0021]在所述的成分范圍內(nèi)，合金的力學(xué)性能如下:抗拉強(qiáng)度為340~400MPa，延伸率I~4%，布氏硬度HBllO~135。合金的耐磨性比ZA27鋅基合金提高3倍以上。
[0022]本發(fā)明通過加入適量的Si，提高合金的耐磨性，通過添加Sr使合金鑄態(tài)組織中Si相分布細(xì)小均勻，通過添加T1、C元素，細(xì)化合金的基體組織，提高鋅基合金的耐磨性以及綜合性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為基礎(chǔ)合金未加Sr時按實(shí)施例4的制備方法得到的產(chǎn)品的硅相分布圖；
[0024]圖2為基礎(chǔ)合金加入0.093% Sr時按實(shí)施例4的制備方法得到的產(chǎn)品的硅相分布圖；
[0025]圖3為基礎(chǔ)合金加入0.12% Sr時按實(shí)施例4的制備方法得到的產(chǎn)品的硅相分布圖。
[0026]圖4為實(shí)施例1得到的產(chǎn)品的硅相分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合具體實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)一步具體說明。
[0028]實(shí)施例1
[0029]按照成分配比(質(zhì)量百分比)，26.5% Al,2.3% Cu,2.5% Si,0.015% Mg,0.12%Sr,0.05% Ti,0.005% C，雜質(zhì)元素控制范圍為 S 0.1% Fe、≤ 0.004% Pb、≤ 0.002% Sn、(0.003% Cd，余量為 Zn。
[0030]制備方法如下:稱取電解鋁、電解銅、鋅錠、Al-20% Si中間合金，放入預(yù)熱的坩堝中，電阻爐熔化控制溫度700°C。待全部熔化后，用精煉劑進(jìn)行除渣除氣處理，然后靜置扒渣。加入預(yù)熱溫度均為260°C的Mg-10% Al中間合金、A1-10% Sr中間合金、Al_5Ti_0.5C中間合金，待全部熔化后，將金屬液攪拌均勻，靜置10分鐘，采用金屬型鑄造，澆注溫度630°C。合金的力學(xué)性能為:抗拉強(qiáng)度為385MPa，延伸率2.0%，布氏硬度HB120~125。
[0031]實(shí)施例2
[0032]按照成分配比(質(zhì)量百分比)，25.0%Al、2.0% Cu,2.0% Si,0.01% Mg,0.08%Sr,0.05% Ti,0.005% C，雜質(zhì)元素控制范圍為:≤ 0.1% Fe、≤ 0.004% Pb、≤ 0.002% Sn、(0.003% Cd，余量為 Zn。
[0033]制備方法如下:稱取電解鋁、電解銅、鋅錠、Al-20% Si中間合金，放入預(yù)熱的坩堝中，電阻爐熔化控制溫度700°C。待全部熔化后，用精煉劑進(jìn)行除渣除氣處理，然后靜置扒渣。加入預(yù)熱溫度均為260°C的Mg-10% Al中間合金、A1-10% Sr中間合金、Al_5Ti_0.5C中間合金，待全部熔化后，將金屬液攪拌均勻，靜置10分鐘，采用金屬型鑄造，澆注溫度630°C。合金的力學(xué)性能為:抗拉強(qiáng)度為366MPa，延伸率2.5%，布氏硬度HB115~122。
[0034]實(shí)施例3
[0035]按照成分配比(質(zhì)量百分比)，30.0%Al,3.0% Cu,3.0% Si,0.02% Mg,0.012%Sr,0.05% Ti,0.005% C，雜質(zhì)元素控制范圍為 S 0.1% Fe、≤ 0.004% Pb、≤ 0.002% Sn、(0.003% Cd，余量為 Zn。
[0036]制備方法如下:稱取電解鋁、電解銅、鋅錠、Al-20% Si中間合金，放入預(yù)熱的坩堝中，電阻爐熔化控制溫度700°C。待全部熔化后，用精煉劑進(jìn)行除渣除氣處理，然后靜置扒渣。加入預(yù)熱溫度均為260°C的Mg-10% Al中間合金、A1-10% Sr中間合金、Al_5Ti_0.5C中間合金，待全部熔化后，將金屬液攪拌均勻，靜置10分鐘，采用金屬型鑄造，澆注溫度630°C。合金的力學(xué)性能為:抗拉強(qiáng)度為387MPa，延伸率2.0%，布氏硬度HB125~130。
[0037]實(shí)施例4
[0038]按照成分配比(質(zhì)量百分比)，27.5 % Al,2.41 % Cu,2.41 % Si,0.015 % Mg、
0.012 % Sr,0.05% Ti,0.005 % C，雜質(zhì)元素控制范圍為:≤ 0.1 % Fe、≤ 0.004 % Pb、≤0.002% Sn、≤ 0.003% Cd，余量為 Zn。
[0039]制備方法如下:稱取電解鋁、電解銅、鋅錠、Al-20% Si中間合金，放入預(yù)熱的坩堝中，電阻爐熔化控制溫度700°C。待全部熔化后，用精煉劑進(jìn)行除渣除氣處理，然后靜置扒渣。加入預(yù)熱溫度均為260°C的Mg-10% Al中間合金、A1-10% Sr中間合金、Al_5Ti_0.5C中間合金，待全部熔化后，將金屬液攪拌均勻，靜置10分鐘，采用金屬型鑄造，澆注溫度630°C。合金的力學(xué)性能為:抗拉強(qiáng)度為392MPa，延伸率2.2%，布氏硬度HB125~130。
【權(quán)利要求】
1.一種含硅的耐磨鋅基合金，其特征是，其成分質(zhì)量百分比為:20.0~35.0 % Al、0.8 ~5.5% Cu、l.5 ~5.5% Si,0.005 ~0.03% Mg,0.05 ~0.20% Sr,0.02 ~0.10% T1、0.002~0.01% C，雜質(zhì)元素含量控制范圍為..( 0.1% Fe、≤0.004% Pb、≤0.002% Sn、(0.003% Cd，余量為鋅。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含硅的耐磨鋅基合金，其特征是，其成分質(zhì)量百分比為:25.0 ~30.0% Α1、1.8 ~3.0% Cu,2.0 ~3.0% Si,0.010 ~0.02% Mg,0.08 ~0.15% Sr、0.04~0.06% Ti,0.004~0.006% C，雜質(zhì)元素含量控制范圍為 .( 0.1% Fe、≤0.004%Pb、≤ 0.002% Sn、≤ 0.003% Cd，余量為鋅。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種含硅的耐磨鋅基合金，其特征是，其成分質(zhì)量百分比為:26.5% Al,2.3% Cu,2.5% Si,0.015% Mg,0.12% Sr,0.05% Ti,0.01% B, 0.005% C，雜質(zhì)元素含量控制范圍為:≤0.1% Fe、≤0.004% Pb、≤0.002% Sn、≤0.003% Cd，余量為鋅。
4.權(quán)利要求1-3任一項所述的一種含硅的耐磨鋅基合金的制備方法，其特征是，包括步驟如下: (1)在坩堝中加入電解鋁、電解銅、鋅錠、Al-Si中間合金，升溫熔化，熔化控制溫度670-730°C，待全部熔化后，用精煉劑進(jìn)行除渣除氣處理，靜置后扒渣； (2)加入預(yù)熱溫度200-300°C的Mg-Al中間合金或金屬鎂，再加入預(yù)熱溫度200_300°C的Al-Sr中間合金，然后加入預(yù)熱溫度200-300°C的Al-T1-C中間合金； 或者同時加入預(yù)熱溫度均為200-300°C的Mg-Al中間合金、Al-Sr中間合金和Al-T1-C中間合金； (3)待中間合金全部熔化后，將金屬液攪拌均勻，靜置，在620-650°C澆注成型。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種含硅的耐磨鋅基合金的制備方法，其特征是，所述Al-Si中間合金選A1-10~20% Si中間合金，所述的Mg-Al中間合金選Mg-1O% Al中間合金。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種含硅的耐磨鋅基合金的制備方法，其特征是，所述的Al-Sr中間合金選Al-5% Sr中間合金或A1-10 % Sr中間合金；所述的Al-T1-C中間合金選Al-5T1-0.5C中間合金。
【文檔編號】C22C18/04GK103993200SQ201410180169
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年4月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月30日
【發(fā)明者】田長文, 張新恩, 徐明賢, 榮曉宇 申請人:山東省科學(xué)院新材料研究所