[发明专利]铝硅合金

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料领域，具体涉及一种铝硅合金。

背景技术

压缩机是空调的心脏。滑片式压缩机由于具有性能良好、比功率高；外围控制管路少、便于维护；具有良好的设计结构，齿轮及轴承基本不产生磨损，无轴向压力，低噪音；供气纯度高、品质好；可靠性高等优点，在空调压缩机领域占据着不可取代的地位。在滑片式压缩机中，转子是唯一连续运行的部件，转子在气缸的定子中旋转。转子上有若干个沿径向切割的槽，其中嵌有可滑动的滑片。在旋转期间，离心力将滑片从槽中甩出，形成一个个单独的压缩室，旋转使压缩室的体积不断减小，空气压力不断增大。工作时，滑片紧贴着气缸内壁高速滑行，由此会产生很大的摩擦与磨损。因此，滑片是决定滑片式压缩机性能和效率的关键部件，高性能、高效率的空调必然要求滑片在高强、耐热的同时必须具备良好的耐磨性能。市场上常用的滑片，主要是用高速工具钢和高铬不锈钢（如W6Mo5Cr4V2、42CrMo、2Cr13等）材料通过适当的表面处理和机加工制得，由于高速工具钢和高铬不锈钢材料中加入了高含量的Cr、Mo、V、W等金属以及采用了适当的表面处理，使其具有较高的表层硬度和良好的耐磨性。但由于高含量的Cr、Mo、V、W等金属的使用，导致其成本高、制造工艺复杂；且产品密度大、质量重，在一定程度上加大了空调工作时滑片对气缸内壁的压力，从而加剧了摩擦磨损，并使压缩机整体重量增加。 

发明内容

本发明针对上述不足，提供一种耐磨性能优良、易成形且可热处理强化的轻质铝硅合金。

本发明的铝硅合金，成分由下述重量百分比的组分组成：硅8.0～12.0%、铜5.0～8.0%、镁0.5～1.5%、钛0.2～0.5%、钪0.06～0.25%、铈0.02～0.07%；余量为铝及含量≤0.05%的杂质。

作为优选，铝硅合金成分的重量百分比为：硅9.0～11.0%、铜6.0～7.2%、镁0.6～1.1%、钛0.25～0.35%、钪0.06～0. 15%、铈0.03～0.05%；余量为铝及含量≤0.05%的杂质。

本发明在常用的耐磨耐热的铝硅合金基础上，以优化合金成分为出发点，添加适量的Cu和Mg、并添加少量Ti和Sc及Ce，结合工程试验、显微组织分析、力学性能测试等技术手段，确定各合金元素的最佳百分比含量，使研制出的合金兼具铝硅合金优良的耐磨性、耐热性和铝铜合金高强、高韧、易成形等优点，最终得到一种成形性能良好并可热处理强化的耐磨铝硅合金，符合滑片式压缩机滑片材料的要求，并可将其应用于其它类似领域。本发明的铝硅合金在Al-Si合金基础上提高Si的含量，从而充分利用Si在Al中的弥散性，进一步提高合金的强度及耐磨性能，并提高合金铸造时熔体的流动性。Al-Si合金具有良好的热稳定性，线膨胀系数低，能适应高温工况，但Si含量过高会影响到合金的综合力学性能。因此，在Al-Si合金的基础上加入改善其塑性的合金元素Cu，并加以第二相强化效果较优的合金元素Mg，同时严格控制两者在铝硅合金中的比例，一方面使铝硅合金的塑性及韧性有所提升，另一方面可使铝硅合金中相组成多样化，通过控制热处理过程中析出相的类型、分布和数量等，得到良好的综合性能，使不可热处理强化的Al-Si合金在某些方面产生质的变化。该铝硅合金中，Mg与Si形成深灰色骨骼状Mg₂Si相，Cu与Al形成细小θ(CuAl₂)相，还会生成S(CuMgAl₂)相及ω(Al_xMg₅Si₄Cu₄) 相等，前两者为该铝硅合金主要的强化相，对铝硅合金的硬度、强度、耐磨及耐热性能起决定作用。随着Cu和Mg含量的增加，铝硅合金在时效过程中析出的强化相数量增多，因而合金的强度和硬度均随两者含量的增多而增大，从而耐磨性能提高，但伸长率有所下降。在室温下，Mg₂Si相的强化效果大于θ(CuAl₂)相，因而Mg含量对合金的力学性能的影响大于Cu。但在高温下（500℃平衡条件时），Mg在α固溶体中的溶解度仅为0.5~0.6%，溶解度有限，当其含量过高时，基体中会残留Mg₂Si相，它不但不能提高合金强度，反而会使铝硅合金的塑性大幅度下降；而Cu在524℃的最大溶解度为4.9%，远远超过Mg在Al-Si合金中的最大溶解度，在高温下CuAl₂的强化作用大于Mg₂Si。换而言之，室温下Mg在该铝硅合金中的影响作用较为显著，含Mg相的强化起主要作用，但在高温下则由含Cu相的强化为主，两者在合金中相辅相成，因此必须控制两种元素的在合金中的含量及比例，根据实际生产经验，Mg含量应小于2.0%，Cu与Mg的含量比控制在（5~10）：1，以保证得到性能最优的合金。Ti在铝合金中是非常有效的晶粒细化剂。当铝合金中加入少量钛时，基体中出现Al₃Ti粒子，成为第二相的非均匀形核中心，提高形核率，且Ti能提高熔体的过冷度，进一步细化晶粒。但当Ti加入量大于0.5%时，在合金凝固组织中会出现粗大的Al₃Ti粒子，晶粒粗大，合金的抗拉强度和塑性明显降低。因此Ti元素的加入量必须得到严格的控制。Sc是铝合金最有效的变质剂和强化剂，在铝合金中添加0.05~0.25%的Sc就可以使合金的结构和性能产生明显的变化，大幅度提高铝合金的强度、塑性及高温性能。通过大量实验表明，该铝硅合金中添加少量的Sc对其强度有明显的提高作用，并提高合金的时效敏感性，有利于合金后续的热处理。加入少量的稀土Ce可起到以下作用：由于Ce原子半径较Al和Cu等原子半径大，不能与其形成间隙式或置换式固溶体，因此在基体中的溶解度较小，可以成为第二相的形核质点，增加形核率达到细化晶粒的效果；另外，Ce的化学活性强，可与熔体中的多种杂质形成稀土杂物或稀土金属间化合物，这些稀土杂物或稀土金属间化合物一般熔点高、密度小，其中一部分由扒渣除去，达到除杂、净化熔体的作用，另一部分在熔体凝固的过程中成为非均匀形核的晶核，同样可达到细化晶粒的效果。加入少量Ti和Sc，提高了合金的非均匀形核率，达到细化晶粒的效果，且能提高合金的耐热性能；添加少量Ce，以细化晶粒，减少合金中的脆性相，进一步提高铸锭质量及其挤压等加工性能。本发明的铝硅合金具有铝硅合金和铝铜合金各有的优良性能，并充分发挥其它金属在铝硅合金中的有利作用，使得该铝硅合金成形性能优异、可热处理强化且耐磨性能优良。本发明的铝硅合金抗拉强度可达450～500MPa、布氏硬度可达130～150、伸长率可达4～8%、磨损率为1.2×10^-9~1.5×10^-7g﹒mm^-1﹒N^-1，符合滑片式压缩机滑片材料的要求。