文/ 廣州致遠(yuǎn)新材料科技有限公司 陳蘇堅(jiān)

ZY－WR14耐磨鋁合金的研究與開(kāi)發(fā)

Research and development of ZY-WR14 wear-resistant aluminum alloy

文/ 廣州致遠(yuǎn)新材料科技有限公司 陳蘇堅(jiān)

眾所周知，基于發(fā)動(dòng)機(jī)零件、自動(dòng)和手動(dòng)變速器零件、動(dòng)力轉(zhuǎn)向液壓泵零件、空調(diào)壓縮機(jī)零件、活塞等的使用要求，通常使用的是耐磨性能良好的過(guò)共晶鋁合金ADC14。

ZY-WR14是在研究了ADC14材質(zhì)特性的基礎(chǔ)上，進(jìn)行改進(jìn)和提高，通過(guò)實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)出的一種對(duì)比ADC14耐磨性能更好、偏析小、成本更低的新型耐磨鋁合金。

1 主要元素的作用和特點(diǎn)

表1列出了ADC14的主要成分。

表1 ADC14的主要成分

ADC14的主要強(qiáng)化元素為Si、Cu、Mg。

為了能達(dá)到改進(jìn)和提高性能，我們還增加了對(duì)Mn、Cr、Ti元素的作用和特點(diǎn)的分析。

1.1 硅在耐磨合金中是主要的合金元素，它的密度和線脹系數(shù)都比鋁小，可提高流動(dòng)性，降低鋁合金的收縮量和熱裂傾向，還能和鎂形成Mg2Si強(qiáng)化相。但是，隨著過(guò)共晶鋁合金中Si含量的增加，粗大的初晶硅會(huì)降低和惡化加工性能和使用性能。含硅越高，初晶硅越難細(xì)化。隨著硅含量的增加，初晶硅晶粒數(shù)增加，強(qiáng)度和塑性都降低。同時(shí)，結(jié)晶溫度范圍變大，液相溫度也升高，合金的疏松傾向加大，氣密性降低，鑄造性能下降。隨著硅含量的增加，也容易增大Si的成分偏析。

1.2 銅原子固溶于鋁基體中，具有較大的固溶強(qiáng)化作用。銅在高溫時(shí)的溶解度和常溫時(shí)的溶解度相差很大，當(dāng)銅含量超過(guò)在鋁中的溶解度時(shí)，在固溶體的基體上和晶粒邊界上析出金屬化合物Al2Cu，起到沉淀強(qiáng)化的作用。銅可提高鋁硅合金的常溫和高溫強(qiáng)度。但降低了抗腐蝕性和塑性，熱裂傾向增大，伸長(zhǎng)率下降，線脹系數(shù)增加，鑄造性能變壞。因此，對(duì)于過(guò)共晶鋁硅合金，在保證強(qiáng)度條件下，應(yīng)盡量降低Cu的含量。

1.3 鎂可改善鋁合金的室溫與高溫性能。

1.4 錳能抑制鋁硅合金中鐵元素的部分有害作用；能提高再結(jié)晶溫度并細(xì)化再結(jié)晶晶粒；能提高鋁固溶體的穩(wěn)定性。在含硅及含銅的鋁硅合金中，可改善高溫強(qiáng)度。當(dāng)錳含量達(dá)到一定值時(shí)，會(huì)生成Al-Si-Fe-Mn四元化合物硬質(zhì)點(diǎn)，提高合金的耐磨性。但過(guò)高的含錳量也會(huì)增加元素的偏析傾向，并形成粗大的復(fù)雜初晶。

1.5 鉻在鋁合金中能與Fe、Al、Si等元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成多種金屬間化合物，抑制針、片狀富鐵相的產(chǎn)生，阻礙再結(jié)晶的形核和長(zhǎng)大過(guò)程，對(duì)合金有一定的強(qiáng)化作用，還能改善和提高鋁合金的韌性和降低應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性。但會(huì)增加淬火敏感性。

1.6 鈦在鋁合金中可形成細(xì)小的不溶的Al3Ti金屬間化合物，其質(zhì)點(diǎn)與Al有相同的點(diǎn)陣類(lèi)型和相近的點(diǎn)陣常數(shù)，可作為Al固溶體的結(jié)晶核心而起到細(xì)化晶粒的作用，提高力學(xué)性能。鈦溶解在固溶體中，還可提高固溶體在高溫下的穩(wěn)定性，對(duì)改善鋁合金的高溫性能有利。同時(shí)，鈦還能與氫生成穩(wěn)定的TiH化合物，有利于對(duì)氣孔的消除。但過(guò)量的鈦使Al3Ti質(zhì)點(diǎn)快速聚集長(zhǎng)大，對(duì)合金的力學(xué)性能不利。

2 ZY-WR14對(duì)性能的改進(jìn)提高

綜合比較了各主要元素的作用和特點(diǎn)，通過(guò)與ADC14的對(duì)比實(shí)驗(yàn)和優(yōu)化，將Si控制在15%，Cu控制在3%，結(jié)合增加了適量的Mn、Cr、Ti等合金元素，組成了新型的九元耐磨鋁合金——ZY-WR14。

這種鋁合金與ADC14相比，具有以下的特點(diǎn)：

2.1 良好的耐磨性能。

由于Mn、Cr、Ti等合金元素的合理加入，微細(xì)硬質(zhì)粒子分布均勻，達(dá)到了良好的耐磨性能。與ADC14對(duì)比如下表2：

表2 磨損測(cè)試對(duì)比

ZY-WR14熱處理前后磨損測(cè)試對(duì)比如下表3：

表3 熱處理前后耐磨測(cè)試對(duì)比

磨損檢測(cè)委托機(jī)械工業(yè)材料質(zhì)量檢測(cè)中心、上海材料研究所檢測(cè)中心進(jìn)行檢測(cè)。磨損檢測(cè)是在同一種條件下進(jìn)行：負(fù)荷196N，線速度0.42m/s，干摩擦2小時(shí)，對(duì)磨輪45鋼，半徑20mm，42-45HRC，粗糙度為Ra0.4um。以下圖1-圖4是檢測(cè)報(bào)告：

2.2 良好的力學(xué)性能。

元素的優(yōu)化組合及熔煉工藝的控制保障，使得ZYWR14對(duì)比ADC14具有更好的力學(xué)性能。表4是對(duì)比檢測(cè)：

2.3 晶粒更加細(xì)小且微觀硬質(zhì)粒子更多。

采用同樣的無(wú)鈉精煉和磷銅變質(zhì)工藝，ZY－WR14的晶粒細(xì)化效果明顯要比ADC14好。圖5、圖6是鑄態(tài)斷口的晶粒組織對(duì)比：

圖1 ZY－WR14鑄態(tài)檢測(cè)

圖2 ZY－WR14 T6態(tài)檢測(cè)

圖3 ADC14鑄態(tài)檢測(cè)

圖4 ADC14 T6態(tài)檢測(cè)

表4 主要力學(xué)性能對(duì)比

圖5 ZY-WR14斷口晶粒

圖6 ADC14斷口晶粒

從斷口晶粒圖可以看出，ZY-WR14晶粒細(xì)小，分布均勻，而ADC14晶粒粗大，分布不均勻。圖7、圖8是400倍的金相組織圖。

從金相圖的對(duì)比中可以看出，ZY-WR14中的硬質(zhì)粒子較多，呈現(xiàn)分散均勻分布，而ADC14的硬質(zhì)粒子較少。這也是ZY-WR14的耐磨性能優(yōu)于ADC14的關(guān)鍵所在。

圖7 ZY-WR14金相組織

圖8 ADC14金相組織

2.4 硅的偏析減少。

由于ZY-WR14比ADC14 的Si含量低，Si的偏析也相對(duì)較小。分別對(duì)同一個(gè)試樣檢驗(yàn)5個(gè)點(diǎn)，ZY-WR14的Si元素含量極差只有0.59%，而ADC14的Si元素含量極差達(dá)到了1.73%。表5是Si成分偏析的對(duì)比。

表5 Si成分偏析對(duì)比

Si成分偏析的減少，使得ZY-WR14材料的基體組織更加均勻，性能更加穩(wěn)定。

2.5 針孔現(xiàn)象基本消除。

相對(duì)較低的熔煉溫度和鑄造溫度，可以減少高溫氧化和吸氣的程度。同時(shí)，添加的Ti可與氫生成穩(wěn)定的TiH化合物，有利于對(duì)氣體的消除作用，使產(chǎn)品的質(zhì)量得以穩(wěn)定和提高。對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，在相同的除氣操作工藝條件下（包括相同的氣源、相同的氣壓、相同的除氣時(shí)間），ZYWR14的鑄件針孔為1級(jí)，密度為2.77g/cm3，而ADC14的鑄件針孔為5級(jí)，密度為2.75g/cm3。試樣對(duì)比如圖9、圖10。

圖9 ZY－WR14針孔試樣

圖10 ADC14針孔試樣

由圖可見(jiàn)，ZY-WR14的針孔現(xiàn)象基本得到消除，材料品質(zhì)提高了4個(gè)級(jí)別。

2.6 ZY-WR14具有更好的熔鑄工藝優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)元素的組成，計(jì)算得出液相溫度和固相溫度如表6，其中ZY-WR14的液相溫度比ADC14低20℃。

表6 液固相溫度對(duì)比

根據(jù)材料的熔煉工藝和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，ZY－WR14的熔煉溫度和鑄造溫度均可比ADC14低30℃，如表7所示。

表7 熔煉溫度和鑄造溫度對(duì)比

相對(duì)較低的熔煉溫度和鑄造溫度的優(yōu)勢(shì)，有利于能耗的降低，天然氣消耗約可降低2m3/噸。

2.7 較低的生產(chǎn)材料成本。

由于Cu的減少，在抵減了Mn、Cr、Ti等合金元素的加入后，材料成本仍可降低約101元/噸。

2.8 再生環(huán)保。

在材料的選用中完全可以采用再生資源。在整個(gè)開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，基本采用再生鋁配料。符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)、綠色環(huán)保、節(jié)能低碳的原則。

3 結(jié)論

3.1 ZY-WR14具有比ADC14更好的耐磨性能和力學(xué)性能，更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品鑄造質(zhì)量，更低的熔煉能耗和材料成本。

3.2 可代替ADC14應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、液壓泵、壓縮機(jī)、活塞等需要耐磨的零部件中。

4 研究團(tuán)隊(duì)

本公司在2015年成立了金屬材料研究所，致力于創(chuàng)造出符合客戶需要、符合社會(huì)現(xiàn)實(shí)需要和未來(lái)需要的研究成果和產(chǎn)品。我們和多所大學(xué)建立了產(chǎn)學(xué)研的實(shí)驗(yàn)基地。近幾年來(lái)，還同時(shí)在高導(dǎo)熱、高強(qiáng)韌、耐高溫等鋁合金材料的研發(fā)中取得了一定的進(jìn)展。歡迎同行及客戶和我們一起進(jìn)行交流、探討，并提出新的研究課題，也期望能與客戶一起共同合作開(kāi)發(fā)，為行業(yè)新材料的創(chuàng)新與發(fā)展，為材料的應(yīng)用革新做出努力。