一種提高多元鋁硅合金摩擦磨損性能的復(fù)合細(xì)化變質(zhì)劑的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明一種提高多元鋁硅合金合金摩擦磨損性能的復(fù)合細(xì)化變質(zhì)劑，屬于鋁硅合金【技術(shù)領(lǐng)域】，成分按質(zhì)量百分比計(jì)算，Ti為10～14%、Cr為8～10%、Ni為8～10%、Sr為8～10%、Ce為5～7%、La為5～7%、Nb為5～7%、Pr為3～4%、Er為3～4%、Eu為3～4%、Y為3～4%、Ba為3～4%、B為2～3%、Na為2～3%、V為1～2%、余為Al。所述復(fù)合細(xì)化變質(zhì)劑為塊狀灰白色合金，粒度范圍0.1~20mm，熔點(diǎn)范圍850~1150℃，有效加入量范圍為0.2-0.8%。采用本發(fā)明復(fù)合細(xì)化變質(zhì)劑，能明顯提高多元鋁硅合金的摩擦磨損性能。
【專利說明】一種提高多元鋁硅合金摩擦磨損性能的復(fù)合細(xì)化變質(zhì)劑

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于鑄造鋁硅合金制備【技術(shù)領(lǐng)域】，特指一種提高多元鋁硅合金摩擦磨損性 能的復(fù)合細(xì)化變質(zhì)劑。

【背景技術(shù)】
[0002] 高速、節(jié)能、環(huán)保、安全、舒適是汽車工業(yè)發(fā)展的永恒主題，而輕量化是實(shí)現(xiàn)上訴目 標(biāo)的最直接最有效的途徑。鋁合金作為一種新型材料，在汽車輕量化建設(shè)中得到了廣泛的 運(yùn)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，最近20年來，全球鋁合金鑄件的總產(chǎn)量平均每年以約3%的速度遞增，而總 產(chǎn)量的60%?70%是用于汽車工業(yè)。這是因?yàn)殍T造鋁合金具有優(yōu)良的鑄造性能，可根據(jù)使 用目的、零件形狀、尺寸精度、數(shù)量、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、機(jī)械性能等各方面要求和經(jīng)濟(jì)效益選擇適宜 的合金和鑄造方法。鑄造鋁合金大多是采用重力鑄造、壓力鑄造和其他特種鑄造法，其生產(chǎn) 效率高、制造成本低且可以實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。目前，汽車用鋁約四分之三為鑄造鋁合金。鑄 造鋁合金具有優(yōu)異的鑄造性能，能夠近終成型、良好的耐腐蝕性能，鑄件制造成本低、強(qiáng)重 比高，易回收循環(huán)利用等優(yōu)勢，是制造汽車發(fā)動機(jī)構(gòu)件的首選材料。
[0003] 眾所周知，發(fā)動機(jī)是汽車的"心臟"，通常發(fā)動機(jī)的質(zhì)量占整車重量的20?30%。 而缸體又是發(fā)動機(jī)中最大的鑄件，其質(zhì)量占發(fā)動機(jī)總重量的25?35%。研究表明：車重每 減少l〇kg，油耗下降1% ;轎車發(fā)動機(jī)重量約180kg，使用鋁制缸體后重量減少45kg左右，則 油耗可下降4. 5%左右。因此，采用鋁合金缸體對降低汽車發(fā)動機(jī)乃至整車重量，推進(jìn)我國 汽車工業(yè)節(jié)能減排進(jìn)程都具有重要意義。發(fā)動機(jī)在工作尤其是啟動或停止過程中，零部件 處于高溫、高壓，有時(shí)潤滑條件不良，甚至伴隨固體微粒和腐蝕介質(zhì)的環(huán)境下作高速相對運(yùn) 動，使得零件內(nèi)部要承受極高的變化劇烈的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力，有時(shí)會促使發(fā)動機(jī)構(gòu)件局 部材料變形進(jìn)入塑性狀態(tài)，在長期工作累積下造成零部件材料出現(xiàn)摩擦磨損損傷甚至失效 破壞。摩擦磨損屬于較嚴(yán)重的材料失效形式，普遍存在于發(fā)動機(jī)內(nèi)部眾多重要鑄件中，如缸 體、缸蓋和活塞等。因此，想要延長發(fā)動機(jī)的使用壽命，進(jìn)一步拓展鋁合金材料在汽車發(fā)動 機(jī)上的應(yīng)用，研究全鋁發(fā)動機(jī)用新型鑄造鋁合金材料及其摩擦磨損性能具有重要意義。
[0004] 目前，國內(nèi)外對鑄造鋁合金的研究主要集中在熔煉工藝、鑄造工藝優(yōu)化和熱處理 工藝3個方面，對鑄造鋁合金成分、組織和力學(xué)性能之間的相互關(guān)系和作用機(jī)理進(jìn)行了大 量的研究，取得了較高的成果和應(yīng)用理論基礎(chǔ)。受汽車發(fā)動機(jī)輕量化和功率系數(shù)大型化發(fā) 展主流的影響，迫切需要高品質(zhì)高性能的鑄造鋁合金，尤其是對鑄造鋁合金的摩擦磨損性 能提出了更高的要求。然而，目前鑄造鋁合金相關(guān)方面的研究和應(yīng)用還存在不足。
[0005] 本發(fā)明開發(fā)出一種提高多元鋁硅合金摩擦磨損性能的復(fù)合細(xì)化變質(zhì)劑。
[0006]


【發(fā)明內(nèi)容】
本發(fā)明開發(fā)出一種提高多元鋁硅合金摩擦磨損性能的復(fù)合細(xì)化變質(zhì)劑，其特征為：化 學(xué)成分按質(zhì)量百分比計(jì)算，Ti為10?14%、Cr為8?10%、Ni為8?10%、Sr為8?10%、Ce 為5?7%、La為5?7%、Nb為5?7%、Pr為3?4%、Er為3?4%、Eu為3?4%、Y為3? 4%、Ba為3?4%、Β為2?3%、Na為2?3%、V為1?2%、余為Α1。所述復(fù)合細(xì)化變質(zhì)劑為 塊狀灰白色合金，粒度范圍0. l?20mm，熔點(diǎn)范圍85(Tll50°C，有效加入量范圍為0. 2-0. 8% (注：該加入量是指占熔煉鋁合金爐料總質(zhì)量的百分比，下文出現(xiàn)加入量含義相同）。
[0007] 本發(fā)明復(fù)合細(xì)化變質(zhì)劑輔以多種合金元素，一方面避免了單一細(xì)化變質(zhì)劑對鑄造 鋁硅合金綜合性能提高不明顯不全面的不足，另一方面改善了同時(shí)添加多種細(xì)化變質(zhì)劑工 藝較為復(fù)雜，控制困難的缺點(diǎn)。加入后，復(fù)合細(xì)化變質(zhì)劑中的元素會與鑄造鋁硅合金發(fā)生交 互、細(xì)化和變質(zhì)作用，能夠充分凈化熔體、細(xì)化晶粒和強(qiáng)化基體，可顯著提高材料的沖擊韌 性、強(qiáng)度和耐磨性，全面提高鑄造鋁硅合金材料的使用性能。
[0008] 上述用于多元鋁硅合金材料的復(fù)合細(xì)化變質(zhì)劑，化學(xué)成分按質(zhì)量百分比計(jì)算優(yōu)選 范圍為：Ti 為 11-13%、Cr 為 8-9%、Ni 為 9-10%、Sr 為 8-9%、Ce 為 6-7%、La 為 6-7%、Nb 為 5-6%、Pr 為 3. 5-4%、Er 為 3. 5-4%、Eu 為 3. 5-4%、Y 為 3-3. 5%、Ba 為 3-3. 5%、B 為 2. 5-3%、 Na為2-2. 5%、V為1. 5-2%、余為Al。復(fù)合細(xì)化變質(zhì)劑加入量的優(yōu)選范圍：0. 4-0. 6%。

【具體實(shí)施方式】
[0009] 本發(fā)明磨損試驗(yàn)在M-2000型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試樣尺寸：長19. 5mmX寬 IOmmX高8mm，摩擦副尺寸：qp40mmX10mm的GCrl5圓環(huán)。磨損性能用質(zhì)量磨損率來表達(dá)。 每個試樣進(jìn)行磨損試驗(yàn)前和后都要在超聲波清洗機(jī)中進(jìn)行清洗，清洗液是濃度為20%的丙 酮水溶液，清洗時(shí)間為30min。然后在60°C保溫爐中進(jìn)行烘干2h，最大程度的降低試樣的表 面污染程度。最后待試樣冷卻至室溫后及時(shí)進(jìn)行稱重。稱重采用MAllO型電子天平，其精 度為0. lmg。試驗(yàn)開始前，先進(jìn)行30min的磨合試驗(yàn)，磨合完畢后測定磨損前試樣的質(zhì)量，然 后加載至預(yù)定的載荷進(jìn)行相應(yīng)時(shí)間的磨損試驗(yàn)。磨損試驗(yàn)結(jié)束后，測定試樣的質(zhì)量，并計(jì)算 出試樣的質(zhì)量磨損率。為保證實(shí)驗(yàn)過程中試樣處在連續(xù)油潤滑狀態(tài)，潤滑油選擇30 #機(jī)油， 每分鐘滴定25滴油。試驗(yàn)中，上面的摩擦磨損試樣固定不動，下面的摩擦副試樣轉(zhuǎn)動，即試 樣進(jìn)行的是油潤滑-邊界摩擦-滑動摩擦磨損試驗(yàn)，摩擦副轉(zhuǎn)速為200 r/min。
[0010] 實(shí)施例1 材料為鑄造鋁硅合金，原材料均為市售，具體化學(xué)成分(質(zhì)量百分比）為：Si 7-8%，Cu 3-4%，Mg 0· 3-0. 4%，Mn 0· 2-0. 3%，Zn 0· 4-0. 5%，F(xiàn)e 彡 0· 35%，余為 Al。采用電磁感應(yīng)石墨 坩堝熔鋁爐進(jìn)行熔煉。除了 Mg、Zn和復(fù)合細(xì)化變質(zhì)劑以外，其他原材料加入石墨坩堝內(nèi)，在 775°C下熔化后降溫至735°C并加入Mg和Zn,然后加入復(fù)合細(xì)化變質(zhì)劑(化學(xué)成分按質(zhì)量百 分比計(jì)算，Ti 為 10%、Cr 為 8%、Ni 為 8%、Sr 為 8%、Ce 為 5%、La 為 5%、Nb 為 5%、Pr 為 3%、Er 為3%、Eu為3%、Y為3%、Ba為3%、B為2%、Na為2%、V為1%、余為Al )，加入量為0· 2%。隨 后采用市售的HGJ-2鋁合金無鈉精煉清渣除氣劑進(jìn)行除氣處理，加入量為合金液總質(zhì)量的 〇. 5%，完成后靜置IOmin進(jìn)行澆注，澆注溫度715-725°C。冷卻后將鑄造鋁硅合金采用線切 割的方法進(jìn)行取樣，試樣尺寸：長19. 5_X寬10_X高8_。磨損試驗(yàn)設(shè)定載荷為500N， 進(jìn)行不同磨損試驗(yàn)時(shí)間后試樣的質(zhì)量磨損率如表1所示。磨損試驗(yàn)設(shè)定載荷為1000N，進(jìn)行 不同磨損試驗(yàn)時(shí)間后試樣的質(zhì)量磨損率如表2所示。
[0011] 實(shí)施例2 材料為鑄造鋁硅合金，原材料均為市售，具體化學(xué)成分(質(zhì)量百分比）為：Si 7-8%，Cu 3-4%，Mg 0· 3-0. 4%，Mn 0· 2-0. 3%，Zn 0· 4-0. 5%，F(xiàn)e 彡 0· 35%，余為 Al。采用電磁感應(yīng)石墨 坩堝熔鋁爐進(jìn)行熔煉。除了 Mg、Zn和復(fù)合細(xì)化變質(zhì)劑以外，其他原材料加入石墨坩堝內(nèi)， 在775°C下熔化后降溫至735°C并加入Mg和Zn,然后加入復(fù)合細(xì)化變質(zhì)劑(化學(xué)成分按質(zhì) 量百分比計(jì)算，Ti 為 14%、Cr 為 10%、Ni 為 10%、Sr 為 10%、Ce 為 7%、La 為 7%、Nb 為 7%、Pr 為4%、Er為4%、Eu為4%、Y為4%、Ba為4%、B為3%、Na為3%、V為2%、余為Al )，加入量為 0. 8%。隨后采用市售的HGJ-2鋁合金無鈉精煉清渣除氣劑進(jìn)行除氣處理，加入量為合金液 總質(zhì)量的〇. 5%，完成后靜置IOmin進(jìn)行澆注，澆注溫度715-725°C。冷卻后將鑄造鋁硅合 金采用線切割的方法進(jìn)行取樣，試樣尺寸：長19. 5_X寬10_X高8_。磨損試驗(yàn)設(shè)定載 荷為500N，進(jìn)行不同磨損試驗(yàn)時(shí)間后試樣的質(zhì)量磨損率如表1所示。磨損試驗(yàn)設(shè)定載荷為 1000N，進(jìn)行不同磨損試驗(yàn)時(shí)間后試樣的質(zhì)量磨損率如表2所示。
[0012] 實(shí)施例3 材料為鑄造鋁硅合金，原材料均為市售，具體化學(xué)成分(質(zhì)量百分比）為：Si 7-8%，Cu 3-4%，Mg 0· 3-0. 4%，Mn 0· 2-0. 3%，Zn 0· 4-0. 5%，F(xiàn)e 彡 0· 35%，余為 Al。采用電磁感應(yīng)石墨 坩堝熔鋁爐進(jìn)行熔煉。除了 Mg、Zn和復(fù)合細(xì)化變質(zhì)劑以外，其他原材料加入石墨坩堝內(nèi)，在 775°C下熔化后降溫至735°C并加入Mg和Zn,然后加入復(fù)合細(xì)化變質(zhì)劑(化學(xué)成分按質(zhì)量百 分比計(jì)算，Ti 為 11%、Cr 為 8%、Ni 為 9%、Sr 為 8%、Ce 為 6%、La 為 6%、Nb 為 5%、Pr 為 3. 5%、 Er 為 3. 5%、Eu 為 3. 5%、Y 為 3%、Ba 為 3%、B 為 2. 5%、Na 為 2%、V 為 L 5%、余為 Al )，加入量 為合金液總質(zhì)量的〇. 4%。隨后采用市售的除氣劑進(jìn)行除氣處理，加入量為合金液總質(zhì)量的 〇. 5%，完成后靜置IOmin進(jìn)行澆注，澆注溫度715-725°C。冷卻后將鑄造鋁硅合金采用線切 割的方法進(jìn)行取樣，試樣尺寸：長19. 5mmX寬IOmmX高8mm。磨損試驗(yàn)設(shè)定載荷為500N， 進(jìn)行不同磨損試驗(yàn)時(shí)間后試樣的質(zhì)量磨損率如表1所示。磨損試驗(yàn)設(shè)定載荷為1000N，進(jìn)行 不同磨損試驗(yàn)時(shí)間后試樣的質(zhì)量磨損率如表2所示。
[0013] 實(shí)施例4 材料為鑄造鋁硅合金，原材料均為市售，具體化學(xué)成分(質(zhì)量百分比）為：Si 7-8%，Cu 3-4%，Mg 0· 3-0. 4%，Mn 0· 2-0. 3%，Zn 0· 4-0. 5%，F(xiàn)e 彡 0· 35%，余為 Al。采用電磁感應(yīng)石墨 坩堝熔鋁爐進(jìn)行熔煉。除了 Mg、Zn和復(fù)合細(xì)化變質(zhì)劑以外，其他原材料加入石墨坩堝內(nèi)，在 775°C下熔化后降溫至735°C并加入Mg和Zn,然后加入復(fù)合細(xì)化變質(zhì)劑(化學(xué)成分按質(zhì)量百 分比計(jì)算，Ti 為 13%、Cr 為 9%、Ni 為 10%、Sr 為 9%、Ce 為 7%、La 為 7%、Nb 為 6%、Pr 為 4%、 Er 為 4%、Eu 為 4%、Y 為 3. 5%、Ba 為 3. 5%、B 為 3%、Na 為 2. 5%、V 為 2%、余為 Al )，加入量為 合金液總質(zhì)量的〇. 6%，隨后采用市售的HGJ-2鋁合金無鈉精煉清渣除氣劑進(jìn)行除氣處理， 加入量為合金液總質(zhì)量的〇. 5%，完成后靜置IOmin進(jìn)行澆注，澆注溫度715-725°C。冷卻后 將鑄造錯娃合金采用線切割的方法進(jìn)行取樣，試樣尺寸：長19. 5_X寬10_X高8_。磨 損試驗(yàn)設(shè)定載荷為500N，進(jìn)行不同磨損試驗(yàn)時(shí)間后試樣的質(zhì)量磨損率如表1所示。磨損試 驗(yàn)設(shè)定載荷為1000N，進(jìn)行不同磨損試驗(yàn)時(shí)間后試樣的質(zhì)量磨損率如表2所示。
[0014] 對比例 材料為鑄造鋁硅合金，原材料均為市售，具體化學(xué)成分(質(zhì)量百分比）為：Si 7-8%，Cu 3-4%，Mg 0· 3-0. 4%，Mn 0· 2-0. 3%，Zn 0· 4-0. 5%，F(xiàn)e 彡 0· 35%，余為 Al。采用電磁感應(yīng)石墨 坩堝熔鋁爐進(jìn)行熔煉。除了 Mg和Zn以外，其他原材料加入石墨坩堝內(nèi)，在775°C下熔化后 降溫至735°C并加入Mg和Zn,然后加入市售的HGJ-2鋁合金無鈉精煉清渣除氣劑進(jìn)行除氣 處理，加入量為合金液總質(zhì)量的0. 5%，完成后靜置IOmin進(jìn)行澆注，澆注溫度715-725°C。 冷卻后將鑄造錯娃合金采用線切割的方法進(jìn)行取樣，試樣尺寸：長19. 5_X寬10_X高 8mm。磨損試驗(yàn)設(shè)定載荷為500N，進(jìn)行不同磨損試驗(yàn)時(shí)間后試樣的質(zhì)量磨損率如表1所示。 磨損試驗(yàn)設(shè)定載荷為1000N，進(jìn)行不同磨損試驗(yàn)時(shí)間后試樣的質(zhì)量磨損率如表2所示。
[0015] 通過表1和表2可以看出，與常規(guī)處理工藝得到的對比例相比，經(jīng)過本發(fā)明的復(fù)合 細(xì)化變質(zhì)劑處理的鑄造鋁硅合金的摩擦磨損性能得到大幅度提高。其中，復(fù)合細(xì)化變質(zhì)劑 采用優(yōu)選成分進(jìn)行處理的實(shí)施例3和4合金的摩擦磨損性能比添加不同含量的非優(yōu)選成分 復(fù)合細(xì)化變質(zhì)劑進(jìn)行處理的實(shí)施例還有進(jìn)一步的提高。
[0016] 表1載荷500N時(shí)不同磨損試驗(yàn)時(shí)間質(zhì)量磨損率數(shù)據(jù)

【權(quán)利要求】
1. 一種提高多元鋁硅合金摩擦磨損性能的復(fù)合細(xì)化變質(zhì)劑，其特征為：成分按質(zhì)量百 分比計(jì)算，Ti為10?14%、Cr為8?10%、Ni為8?10%、Sr為8?10%、Ce為5?7%、La 為5?7%、Nb為5?7%、Pr為3?4%、Er為3?4%、Eu為3?4%、Y為3?4%、Ba為3? 4%、B為2?3%、Na為2?3%、V為1?2%、余為A1 ; 所述復(fù)合細(xì)化變質(zhì)劑為塊狀灰白色合金，粒度范圍〇. l~20mm，熔點(diǎn)范圍85(Tll50°C， 有效加入量范圍為〇. 2-0. 8%。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種提高多元鋁硅合金摩擦磨損性能的復(fù)合細(xì)化變質(zhì)劑，Ti的 優(yōu)選成分為11?13%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種提高多元鋁硅合金摩擦磨損性能的復(fù)合細(xì)化變質(zhì)劑，Cr的 優(yōu)選成分為8?9%。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種提高多元鋁硅合金摩擦磨損性能的復(fù)合細(xì)化變質(zhì)劑，Ni的 優(yōu)選成分為9?10%。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種提高多元鋁硅合金摩擦磨損性能的復(fù)合細(xì)化變質(zhì)劑，Sr的 優(yōu)選成分為8?9%。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種提高多元鋁硅合金摩擦磨損性能的復(fù)合細(xì)化變質(zhì)劑，稀土 元素的優(yōu)選成分為Ce為6?7%、La為6?7%、Nb為5?6%、Pr為3. 5?4%、Er為3. 5? 4%、Eu 為 3. 5 ?4%、Y 為 3 ?3. 5%。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種提高多元鋁硅合金摩擦磨損性能的復(fù)合細(xì)化變質(zhì)劑，其他 元素的優(yōu)選成分為Ba為3?3. 5%、B為2. 5?3%、Na為2?2. 5%、V為1. 5?2%。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種提高多元鋁硅合金摩擦磨損性能的復(fù)合細(xì)化變質(zhì)劑，復(fù)合 細(xì)化變質(zhì)劑加入量的優(yōu)選范圍是：〇. 4?0. 6%。
【文檔編號】C22C1/02GK104328292SQ201410562649
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月22日
【發(fā)明者】劉光磊, 司乃潮, 萬浩, 丁冉, 王宏健, 王正軍 申請人:江蘇大學(xué)