[發明專利]鋁硅合金

有效

• 申請號: 201210313325.6
• 申請日: 2012-08-30
• 公開（公告）號: CN102787261A
• 公開（公告）日: 2012-11-21
• 發明（設計）人: 郭道強;林高用;唐安杰;滕世政;雷玉霞;王莉;何柳
• 申請（專利權）人: 郴州市強旺新金屬材料有限公司
• 主分類號: C22C21/02
• 分類號: C22C21/02;C22C21/14
• 代理公司: 長沙永星專利商標事務所 43001
• 代理人: 周詠;林毓俊

技術領域

本發明涉及金屬材料領域，具體涉及一種鋁硅合金。

背景技術

壓縮機是空調的心臟。滑片式壓縮機由于具有性能良好、比功率高；外圍控制管路少、便于維護；具有良好的設計結構，齒輪及軸承基本不產生磨損，無軸向壓力，低噪音；供氣純度高、品質好；可靠性高等優點，在空調壓縮機領域占據著不可取代的地位。在滑片式壓縮機中，轉子是唯一連續運行的部件，轉子在氣缸的定子中旋轉。轉子上有若干個沿徑向切割的槽，其中嵌有可滑動的滑片。在旋轉期間，離心力將滑片從槽中甩出，形成一個個單獨的壓縮室，旋轉使壓縮室的體積不斷減小，空氣壓力不斷增大。工作時，滑片緊貼著氣缸內壁高速滑行，由此會產生很大的摩擦與磨損。因此，滑片是決定滑片式壓縮機性能和效率的關鍵部件，高性能、高效率的空調必然要求滑片在高強、耐熱的同時必須具備良好的耐磨性能。市場上常用的滑片，主要是用高速工具鋼和高鉻不銹鋼（如W6Mo5Cr4V2、42CrMo、2Cr13等）材料通過適當的表面處理和機加工制得，由于高速工具鋼和高鉻不銹鋼材料中加入了高含量的Cr、Mo、V、W等金屬以及采用了適當的表面處理，使其具有較高的表層硬度和良好的耐磨性。但由于高含量的Cr、Mo、V、W等金屬的使用，導致其成本高、制造工藝復雜；且產品密度大、質量重，在一定程度上加大了空調工作時滑片對氣缸內壁的壓力，從而加劇了摩擦磨損，并使壓縮機整體重量增加。?

發明內容

本發明針對上述不足，提供一種耐磨性能優良、易成形且可熱處理強化的輕質鋁硅合金。

本發明的鋁硅合金，成分由下述重量百分比的組分組成：硅8.0～12.0%、銅5.0～8.0%、鎂0.5～1.5%、鈦0.2～0.5%、鈧0.06～0.25%、鈰0.02～0.07%；余量為鋁及含量≤0.05%的雜質。

作為優選，鋁硅合金成分的重量百分比為：硅9.0～11.0%、銅6.0～7.2%、鎂0.6～1.1%、鈦0.25～0.35%、鈧0.06～0.?15%、鈰0.03～0.05%；余量為鋁及含量≤0.05%的雜質。

本發明在常用的耐磨耐熱的鋁硅合金基礎上，以優化合金成分為出發點，添加適量的Cu和Mg、并添加少量Ti和Sc及Ce，結合工程試驗、顯微組織分析、力學性能測試等技術手段，確定各合金元素的最佳百分比含量，使研制出的合金兼具鋁硅合金優良的耐磨性、耐熱性和鋁銅合金高強、高韌、易成形等優點，最終得到一種成形性能良好并可熱處理強化的耐磨鋁硅合金，符合滑片式壓縮機滑片材料的要求，并可將其應用于其它類似領域。本發明的鋁硅合金在Al-Si合金基礎上提高Si的含量，從而充分利用Si在Al中的彌散性，進一步提高合金的強度及耐磨性能，并提高合金鑄造時熔體的流動性。Al-Si合金具有良好的熱穩定性，線膨脹系數低，能適應高溫工況，但Si含量過高會影響到合金的綜合力學性能。因此，在Al-Si合金的基礎上加入改善其塑性的合金元素Cu，并加以第二相強化效果較優的合金元素Mg，同時嚴格控制兩者在鋁硅合金中的比例，一方面使鋁硅合金的塑性及韌性有所提升，另一方面可使鋁硅合金中相組成多樣化，通過控制熱處理過程中析出相的類型、分布和數量等，得到良好的綜合性能，使不可熱處理強化的Al-Si合金在某些方面產生質的變化。該鋁硅合金中，Mg與Si形成深灰色骨骼狀Mg₂Si相，Cu與Al形成細小θ(CuAl₂)相，還會生成S(CuMgAl₂)相及ω(Al_xMg₅Si₄Cu₄)?相等，前兩者為該鋁硅合金主要的強化相，對鋁硅合金的硬度、強度、耐磨及耐熱性能起決定作用。隨著Cu和Mg含量的增加，鋁硅合金在時效過程中析出的強化相數量增多，因而合金的強度和硬度均隨兩者含量的增多而增大，從而耐磨性能提高，但伸長率有所下降。在室溫下，Mg₂Si相的強化效果大于θ(CuAl₂)相，因而Mg含量對合金的力學性能的影響大于Cu。但在高溫下（500℃平衡條件時），Mg在α固溶體中的溶解度僅為0.5~0.6%，溶解度有限，當其含量過高時，基體中會殘留Mg₂Si相，它不但不能提高合金強度，反而會使鋁硅合金的塑性大幅度下降；而Cu在524℃的最大溶解度為4.9%，遠遠超過Mg在Al-Si合金中的最大溶解度，在高溫下CuAl₂的強化作用大于Mg₂Si。換而言之，室溫下Mg在該鋁硅合金中的影響作用較為顯著，含Mg相的強化起主要作用，但在高溫下則由含Cu相的強化為主，兩者在合金中相輔相成，因此必須控制兩種元素的在合金中的含量及比例，根據實際生產經驗，Mg含量應小于2.0%，Cu與Mg的含量比控制在（5~10）：1，以保證得到性能最優的合金。Ti在鋁合金中是非常有效的晶粒細化劑。當鋁合金中加入少量鈦時，基體中出現Al₃Ti粒子，成為第二相的非均勻形核中心，提高形核率，且Ti能提高熔體的過冷度，進一步細化晶粒。但當Ti加入量大于0.5%時，在合金凝固組織中會出現粗大的Al₃Ti粒子，晶粒粗大，合金的抗拉強度和塑性明顯降低。因此Ti元素的加入量必須得到嚴格的控制。Sc是鋁合金最有效的變質劑和強化劑，在鋁合金中添加0.05~0.25%的Sc就可以使合金的結構和性能產生明顯的變化，大幅度提高鋁合金的強度、塑性及高溫性能。通過大量實驗表明，該鋁硅合金中添加少量的Sc對其強度有明顯的提高作用，并提高合金的時效敏感性，有利于合金后續的熱處理。加入少量的稀土Ce可起到以下作用：由于Ce原子半徑較Al和Cu等原子半徑大，不能與其形成間隙式或置換式固溶體，因此在基體中的溶解度較小，可以成為第二相的形核質點，增加形核率達到細化晶粒的效果；另外，Ce的化學活性強，可與熔體中的多種雜質形成稀土雜物或稀土金屬間化合物，這些稀土雜物或稀土金屬間化合物一般熔點高、密度小，其中一部分由扒渣除去，達到除雜、凈化熔體的作用，另一部分在熔體凝固的過程中成為非均勻形核的晶核，同樣可達到細化晶粒的效果。加入少量Ti和Sc，提高了合金的非均勻形核率，達到細化晶粒的效果，且能提高合金的耐熱性能；添加少量Ce，以細化晶粒，減少合金中的脆性相，進一步提高鑄錠質量及其擠壓等加工性能。本發明的鋁硅合金具有鋁硅合金和鋁銅合金各有的優良性能，并充分發揮其它金屬在鋁硅合金中的有利作用，使得該鋁硅合金成形性能優異、可熱處理強化且耐磨性能優良。本發明的鋁硅合金抗拉強度可達450～500MPa、布氏硬度可達130～150、伸長率可達4～8%、磨損率為1.2×10^-9~1.5×10^-7g﹒mm^-1﹒N^-1，符合滑片式壓縮機滑片材料的要求。