具有復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)的耐磨合金的制作方法
【專(zhuān)利摘要】提供一種具有復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)的耐磨合金，其可以包括約28～38wt％范圍的鋅(Zn)、約1～3wt％范圍的錫(Sn)、約0.4～1.4wt％范圍的鐵(Fe)和余量的鋁(Al)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】具有復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)的耐磨合金

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于可能需要耐磨性和自潤(rùn)滑性的車(chē)輛部件中的鋁合金以及制 造該鋁合金的方法。特別地，提供一種具有復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)的鋁合金，其可以包括耐磨硬顆粒 和自潤(rùn)滑軟顆粒。

【背景技術(shù)】
[0002] 用于車(chē)輛部件的耐磨鋁合金可以包括過(guò)共晶Al-Fe合金，其含有約13. 5wt%至約 18wt%、或特別地約12wt%或更高的娃（Si)以及約2wt%至約4wt%的銅（Cu)。過(guò)共晶 Al-Fe合金可以具有包括大小為約30 μ m至約50 μ m的初生Si顆粒的微觀結(jié)構(gòu)，并且相比 于純Al-Fe合金可以具有增強(qiáng)的耐磨性。因此，該過(guò)共晶Al-Fe合金可以最廣泛地用于需 要耐磨性的車(chē)輛部件中，例如換擋叉、后蓋、防波板（swash plate)等。
[0003] 典型的商用合金的例子包括R14合金（Ryobi，Japan)、與R14類(lèi)似的K14、以及用 于整塊或者鋁襯里的A390合金。
[0004] 然而，具有高Si含量的這種過(guò)共晶合金可能具有降低的可鑄性，并且控制Si顆粒 的尺寸和分布可能較困難。另外，該合金可能具有較低的耐沖擊性，并且被特別地開(kāi)發(fā)，因 而與常規(guī)鋁合金相比可能花費(fèi)更多。
[0005] 另外，用于車(chē)輛部件的自潤(rùn)滑鋁合金的例子可以包括Al-Sn合金。該Al-Sn合金 可以包含約8wt%至約15wt%的錫（Sn)，因而可以在微觀結(jié)構(gòu)中生成自潤(rùn)滑Sn軟顆粒，從 而降低摩擦。因此，該合金已被用作高摩擦接觸界面中金屬軸承的基材。雖然強(qiáng)度可以通過(guò) 添加 Si而增強(qiáng)，但是該合金可能具有約150MPa或更低的低強(qiáng)度，可能不能用于結(jié)構(gòu)部件。
[0006] 以上提供為本發(fā)明的相關(guān)技術(shù)的描述僅用于幫助理解本發(fā)明的背景，而不應(yīng)該被 理解為包括在本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的相關(guān)技術(shù)中。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 因此，本發(fā)明可以提供用于解決上述問(wèn)題的技術(shù)方案。具體地，本發(fā)明提供一種具 有復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)的新型合金，其可以同時(shí)包括硬顆粒和軟顆粒。因此，該新型合金可以是同 時(shí)具有來(lái)自于過(guò)共晶Al-Fe合金的耐磨性和來(lái)自于Al-Sn合金的自潤(rùn)滑性的自潤(rùn)滑高強(qiáng)度 耐磨合金。
[0008] 在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施方式中，具有復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)的耐磨合金可以包括：約 28?38wt%范圍的鋅（Zn)、約1?3wt%范圍的錫（Sn)、約0· 4?L 4wt%范圍的鐵（Fe) 和余量的鋁（A1)。該耐磨合金還可以包括約1?3wt%范圍的銅（Cu)。該耐磨合金還可以 包括約〇. 3?0. 8wt %范圍的鎂（Mg)。另外，該耐磨合金可以包括約1?3wt %范圍的銅 (Cu)和約0· 3?0· 8wt%范圍的鎂（Mg)。
[0009] 在本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施方式中，具有復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)的耐磨合金可以包括： 約28?38wt%范圍的鋅（Zn)、約1?3wt%范圍的鉍（Bi)、約0.4?1.4wt%范圍的鐵 (Fe)和余量的鋁（A1)。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010] 根據(jù)以下詳細(xì)說(shuō)明并結(jié)合附圖，將更加清楚地理解本發(fā)明的上述和其它目的、特 征和優(yōu)點(diǎn)，其中：
[0011] 圖1示出示例性圖，其顯示摩擦系數(shù)與Sn或Zn的量之間的相關(guān)性，其中Sn或Zn 可以在根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式的具有復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)的耐磨合金的實(shí)施例和比較例 中形成軟顆粒。

【具體實(shí)施方式】
[0012] 應(yīng)理解，本文使用的術(shù)語(yǔ)"車(chē)輛"或"車(chē)輛的"或其它類(lèi)似術(shù)語(yǔ)包括通常的機(jī)動(dòng)車(chē)， 例如，包括多功能運(yùn)動(dòng)車(chē)（SUV)、公共汽車(chē)、卡車(chē)、各種商務(wù)車(chē)的客車(chē)，包括各種船只和船舶 的水運(yùn)工具，飛行器等等，并且包括混合動(dòng)力車(chē)、電動(dòng)車(chē)、插入式混合電動(dòng)車(chē)、氫動(dòng)力車(chē)和其 它代用燃料車(chē)（例如，來(lái)源于石油以外的資源的燃料）。如本文所提到的，混合動(dòng)力車(chē)是具 有兩種或多種動(dòng)力源的車(chē)輛，例如，具有汽油動(dòng)力和電動(dòng)力的車(chē)輛。
[0013] 本文使用的術(shù)語(yǔ)僅僅是為了說(shuō)明【具體實(shí)施方式】的目的而不是意在限制本發(fā)明。如 本文所使用的，單數(shù)形式"一個(gè)、一種"和"該"也意在包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文中清楚指 明。還可以理解的是，在說(shuō)明書(shū)中使用的術(shù)語(yǔ)"包括"和/或"包含"是指存在所述特征、整 數(shù)、步驟、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或添加一個(gè)或多個(gè)其它特征、整數(shù)、步驟、 操作、元件、部件和/或其群組。如本文所使用的，術(shù)語(yǔ)"和/或"包括一個(gè)或多個(gè)相關(guān)所列 項(xiàng)目的任何和所有組合。
[0014] 除非特別說(shuō)明或從上下文明顯得到，否則本文所用的術(shù)語(yǔ)"約"理解為在本領(lǐng)域的 正常容許范圍內(nèi)，例如在均值的2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差內(nèi)。"約"可以理解為在所述數(shù)值的10%、9%、 8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%、1%、0· 5%、0· 1%、0· 05%或0· 01% 內(nèi)。除非另外從上下文 清楚得到，本文提供的所有數(shù)值都由術(shù)語(yǔ)"約"修飾。
[0015] 下文將詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)示例性實(shí)施方式的具有復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)的耐磨 合金。
[0016] 本發(fā)明提供具有復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)的新型鋁合金，該復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)可以同時(shí)包括硬顆 粒和軟顆粒。
[0017] 在常規(guī)合金的某些實(shí)施例中，用于生成自潤(rùn)滑顆粒的合金元素可以包括錫（Sn)、 鉛（Pb)、鉍（Bi)、鋅（Zn)等。由于這些元素不與A1進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，因此不會(huì)生成金屬間化 合物且不會(huì)發(fā)生相分離。另外，這些元素可能具有很低的熔融溫度，其在嚴(yán)苛摩擦條件下部 分熔融的同時(shí)可以具有用于形成潤(rùn)滑膜的自潤(rùn)滑性。
[0018] 在前述的四種化學(xué)元素中，在考慮自潤(rùn)滑性和成本時(shí)，鉛（Pb)可以是用于生成自 潤(rùn)滑顆粒的最合適元素。然而，鉛為有害金屬元素，且禁止用于車(chē)輛工業(yè)中。
[0019] 因此，在示例性實(shí)施方式中，可以廣泛地使用錫（Sn)代替Pb，或者可以使用鉍 (Bi)代替Pb。另外，相比于Sn和Bi，鋅（Zn)可以具有相當(dāng)高的熔融溫度，且可能具有相當(dāng) 低的自潤(rùn)滑性。因此，Zn因其低成本可以以相當(dāng)大的量添加，并且考慮到材料的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng) 力，其可以用作用于生成軟顆粒且代替部分量的昂貴Sn或Bi的元素。
[0020] 在示例性實(shí)施方式中，用于生成硬顆粒的合金元素可以包括硅（Si)和鐵（Fe)。Si 或Fe可以具有與A1的共晶反應(yīng)性，并且在以等于或高于預(yù)定量的量添加時(shí)可以生成角形 硬顆粒。在鋁合金中，Si可以生成硬顆粒，并可以提供耐磨性。具體地，當(dāng)在Al-Fe二元合 金中以約12. 6wt%或更大的量添加 Si時(shí),可以生成初生Si顆粒。然而，當(dāng)Si與用于生成 軟顆粒的Zn -起添加時(shí)，Si的量可以根據(jù)Zn的量變化從而生成硬顆粒。例如，當(dāng)Zn的量 為約10wt%時(shí)，Si可以以約7wt%至約14wt%范圍的量添加。當(dāng)Si以低于約7wt%的量 添加時(shí)，可能不會(huì)生成硬顆粒。相反，當(dāng)Si以大于約14wt%的量添加時(shí)，硬顆?？赡茉龃?， 從而不利地影響機(jī)械特性和耐磨性。
[0021] 在示例性實(shí)施方式中，鐵（Fe)可以為Al-Fe合金中的雜質(zhì)。然而，當(dāng)在沒(méi)有Si的 Al-Fe二元合金中以約0. 5wt%或更高的量添加 Fe時(shí)，可以形成耐磨Al-Fe金屬間化合物 顆粒，并且可以增強(qiáng)耐磨性。在另一方面，當(dāng)以約3wt%或更高的量添加 Fe時(shí)，可能過(guò)量地 形成金屬間化合物，從而使機(jī)械特性劣化并提高熔融溫度。
[0022] 在示例性實(shí)施方式中，用于增強(qiáng)基礎(chǔ)強(qiáng)度的合金元素可以包括銅（Cu)和鎂（Mg)。 Cu可以通過(guò)與A1的化學(xué)反應(yīng)形成金屬間化合物，并可以大大增強(qiáng)鋁合金的機(jī)械強(qiáng)度。Cu 的作用可以根據(jù)合金的Cu量以及鑄造/冷卻條件和熱處理?xiàng)l件而變化。另外，Mg可以通 過(guò)與Si或Zn的化學(xué)反應(yīng)形成金屬間化合物，并可以大大增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度。類(lèi)似于Cu，Mg的 作用也可以根據(jù)合金的Mg量以及鑄造/冷卻條件和熱處理?xiàng)l件而變化。
[0023] 下文中，將會(huì)在更加詳細(xì)的示例性實(shí)施方式中描述本發(fā)明。
[0024] 在示例性實(shí)施方式中，鋁合金可以包括：主要的鋁，約28?38wt%范圍的Zn，約 1?3wt %范圍的Sn，約1?3wt %范圍的Cu,約0· 3?0· 8wt %范圍的Mg，和約0· 4? 1. 4wt%范圍的Fe用于生成硬顆粒。特別地，當(dāng)Zn以低于約28wt%的量添加時(shí)，與軟顆粒 相應(yīng)的Zn相的生成可能會(huì)相當(dāng)?shù)?，并且可能不?huì)獲得足夠的自潤(rùn)滑性。相反，當(dāng)Zn以大于 約38wt%的量添加時(shí)，合金的固相線可能會(huì)相當(dāng)?shù)?，因此可能?dǎo)致不利的鑄造條件。
[0025] 在示例性實(shí)施方式中，Sn與Zn相比可以具有更高的自潤(rùn)滑性，但是更昂貴。當(dāng)Sn 以低于約lwt%的量添加時(shí),軟顆粒形式的Sn相的生成可能會(huì)相當(dāng)?shù)?，因此Zn相的低自潤(rùn) 滑性可能不會(huì)得到補(bǔ)償。相反，當(dāng)Sn以大于3wt%的量添加時(shí)，與成本增加相比，額外的自 潤(rùn)滑效果可能不顯著。因此，可以如上對(duì)Sn的量進(jìn)行限制。
[0026] 在示例性實(shí)施方式中，當(dāng)用于生成硬顆粒的Fe以低于約0. 4wt %的量添加時(shí)，可 能不會(huì)充足地生成硬顆粒形式的Al-Fe金屬間化合物，例如，低于約0. 5%，因而可能不能 保證耐磨性。相反，當(dāng)Fe的量大于約1. 4wt %時(shí)，生成Al-Fe硬顆粒的液相線溫度可能會(huì)大 大提高，例如，高于750°C，從而降低可鑄性，并由于金屬間化合物的粗化導(dǎo)致負(fù)面效果。
[0027] 另夕卜，當(dāng)添加 Cu以提高機(jī)械特性時(shí)，Cu的量可以為約lwt%或更高從而確保合適 的機(jī)械特性。然而，當(dāng)Cu以大于3wt%的量添加時(shí)，可能與其它元素生成金屬間化合物，并 且機(jī)械特性可能劣化。因此，可以如上對(duì)Cu的量進(jìn)行限制?；蛘?，當(dāng)Mg以約0.3wt%或更 高的量添加時(shí)，可以獲得機(jī)械特性的額外改善。然而，當(dāng)Mg以大于約0. 8wt%的量添加時(shí)， Mg還可能形成使機(jī)械特性劣化的化合物。因此，可以如上對(duì)Mg的量進(jìn)行限制。
[0028] 如圖1所示，在改變Zn和Sn的量的同時(shí)制造用于評(píng)價(jià)軟顆粒的低摩擦特性的實(shí) 施例和比較例的示例性鋁合金，并且測(cè)量每個(gè)合金的摩擦系數(shù)的變化。結(jié)果，可以在示例性 lSn-28Zn合金中在約lwt% Sn的條件下獲得所需的低摩擦特性，例如，約0. 150或更低的 摩擦系數(shù)，雖然在lSn-26Zn合金的比較例中會(huì)獲得不令人滿(mǎn)意的結(jié)果。因而，當(dāng)在Sn的最 小量為約lwt%的條件下以約28wt%的量添加 Zn時(shí)，可以獲得所需的低摩擦特性，例如，約 〇. 150或更低的摩擦系數(shù)。另外，當(dāng)Sn和Zn的量增加時(shí)，可以獲得相當(dāng)?shù)偷哪Σ撂匦浴?br> [0029] 在表1中，根據(jù)比較例和實(shí)施例，制造示例性的Al-35Zn-lSn_yFe合金，并且評(píng)價(jià) 其耐磨性和機(jī)械特性。
[0030] 表 1
[0031]

【權(quán)利要求】
1. 一種具有復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)的耐磨合金，包括約28?38wt %范圍的鋅（Zn)、約1? 3wt%范圍的錫（Sn)、約0. 4?1. 4wt%范圍的鐵（Fe)和余量的鋁（A1)。
2. 如權(quán)利要求1所述的耐磨合金，還包括約1?3wt%范圍的銅（Cu)。
3. 如權(quán)利要求1所述的耐磨合金，還包括約0. 3?0. 8wt%范圍的鎂（Mg)。
4. 如權(quán)利要求1所述的耐磨合金，還包括約1?3wt %范圍的銅（Cu)和約0. 3? 0· 8wt%范圍的鎂（Mg)。
5. -種具有復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)的耐磨合金，包括約28?38wt %范圍的鋅（Zn)、約1? 3wt%范圍的鉍（Bi)、約0. 4?1. 4wt%范圍的鐵（Fe)和余量的鋁（A1)。
【文檔編號(hào)】C22C21/10GK104141081SQ201410271203
【公開(kāi)日】2014年11月12日 申請(qǐng)日期:2014年5月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月7日
【發(fā)明者】姜熙三 申請(qǐng)人:現(xiàn)代自動(dòng)車(chē)株式會(huì)社