CN103911530B - 一种自动挡变速器用高性能铝合金材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高性能铝合金材料，所述材料为Al-Si-Cu铝合金，其中还含有质量百分比为0.25%-0.45%的稀土元素RE。本发明所述铝合金材料通过稀土元素的净化、变质和微合金化的作用，大大降低了材料的气孔率，并改善材料的机械性能，采用所得材料制备的变速器机油泵、阀板组件、阀芯组件或发动机水泵的气密性和机械性能较现有产品均具有显著提高。

Description

一种自动挡变速器用高性能铝合金材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种自动挡变速器用高性能铝合金材料及其制备方法，属于合金材料领域。

技术背景

Al-Si-Cu铝合金具有结晶温度间隔小、线性收缩系数小、充型能力好、热裂及缩松倾向较小的特点，是目前应用最为广泛的压铸铝合金。具有1.压铸范围广；2.铸件尺寸精度高，表面粗糙度低；3.生产率高；4.金属利用率高；5.铸件强度和表面硬度高等优点。

但是铝合金冶炼时，回炉料、残余油料、有机物等物质会与铝锭发生反应，生成H等有害物质；当氢含量超过溶解饱和度时，会在坯件中形成小于1毫米椭圆形气孔，导致工件加工后气密性不良。AT自动挡变速器利用机油泵、油路阀板、阀芯组成换挡油路，实现档位切换。油路工作条件为：油温150-180℃、油压2-2.5mpA。变速器油泵、阀板、阀芯均不允许有气孔、冷隔、穿透性缺陷，否者会出现油路串通、油压波动，导致变速器换挡困难、反应速度慢等致命缺陷，影响驾驶安全性、舒适性。

发明内容

本发明针对上述问题，提供了一种高性能铝合金材料。

本发明通过以下技术方案来实现：

一种高性能铝合金材料，所述材料为Al-Si-Cu铝合金，其中还含有质量百分比为0.25％-0.45％的稀土元素RE。稀土元素加入到铝合金中具有净化、变质和微合金化的作用。

硅铝合金的主要夹杂物为Al₂O₃，其熔点约2000℃，具有极高的化学稳定性，在熔体中很难分解，其表面具有很多孔洞，可吸附大量气体，增加合金材料的孔隙。稀土与Al₂O₃反应能大量吸附和溶解氢，稀土与氢的化合物熔点较高，并且弥散分布于铝液中，以化合物形成的氢不会聚集形成气泡，大大降低铝的含氢量和针孔率。稀土与Al2O3及H的反应方程式为：

2RE+Al₂O₃＝2Al+RE₂O₃；RE+2H＝REH₂；

稀土的脱硫能力也相当强，可以生成RES或RE₂S₃；稀土元素在金属液中还可以与氧和硫同时发生反应生成RE₂O₂S型硫化物。稀土元素还能与P、Sn、As等低熔点金属元素化合，生成REP、RESn、REAs等化合物。这些稀土化合物都具有熔点高、比重轻，当它们的熔点高于金属冶炼温度时，能上浮一部分成渣，它们微小的质点则成为铝结晶过程的异质晶核，而留在固态金属内的部分则能降低其危害性。

稀土元素的原子半径为0.174～0.204mm，大于铝原子半径(0.143mm)。且稀土元素比较活泼，它熔于铝液中，极易填补合金相的表面缺陷，同时还在晶粒与合金液之间形成表面活性膜，阻止生成的晶粒长大，使合金的组织细化。此外，铝与稀土形成的化合物在金属液结晶时作为外来的结晶晶核，因晶核数的大量增加而使合金的组织细化。因此稀土对铝合金具有良好的变质效果。

稀土还能与合金中的其他元素形成中间化合物，这些中间化合物一方面可以为合金提高丰富的晶核，有利于晶粒细化，同时这些粒子化、球化和细化的中间化合物还能改善合金组织，强化合金的机械性能。

作为可选方式，在上述高性能铝合金材料中，所述稀土元素可以是单一的稀土元素，也可以是混合稀土。

作为可选方式，在上述高性能铝合金材料中，稀土元素同时以固溶体、偏聚态和化合物晶核三种形式存在与所述合金组织中。稀土在铝合金中的强化作用主要有细晶强化、有限固溶强化和稀土化合物的第二相强化等。稀土在铝合金中主要以三种形式存在：固熔在基体α(Al)中；偏聚在相界、晶界和枝晶界固熔在化合物中或以化合物形式存在。当稀土含量较低时(低于0.1％)，稀土主要以前两种形式分布。第一种形式起到了有限固溶强化的作用，第二种形式增加了变形阻力，促进位错增殖，使强度提高。加入稀土后合金的铸态组织中合金晶粒明显减少，二次枝晶间距有可能细化，稀土与Al、Mg、Si等元素形成的金属间化合物呈球状和短棒状分布在晶界或界内，组织中有大量位错分布。当稀土含量大于0.3％时，后一种存在形式开始占主导地位。这时，稀土与合金中的其他元素开始形成许多含稀土元素的新相，同时使第二相的形状、尺寸发生变化，可能使得第二相从长条状等形状转变成短棒状粒子出现，粒子的尺寸也变得比较细小，且呈弥散分布。大部分含稀土元素的第二相都出现了粒子化、球化和细化的特征，这种变化在一定程度上都强化了铝合金。随着稀土元素加入量的增加，铝合金的强度、塑性均有所提高。这主要得益于稀土元素对合金组织的改善以及弥散的稀土化合物强烈的沉淀强化效应等。添加稀土元素可以导致合金断裂过程中裂纹萌生位置与扩展途径发生改变，有利于合金的韧化。同时铝合金中随稀土含量的增加，抗拉强度、硬度提高，而延伸率略有下降。由此可见，伴随稀土的加入，合金的机械性能大有改善。

作为可选方式，在上述高性能铝合金材料中，所述合金中各元素的质量百分含量如下：

Si：7.5％～12％；Cu：1.5％～3.5％；Fe≤0.8％；Mn≤0.5％；Mg≤0.3％；Zn≤1.0％；Cr≤0.5％；Ni≤0.5％；Pb≤0.1％；RE：0.25％～0.45％；Sn≤0.1％，其余为Al。采用该配方可获得综合性能优越的合金材料。

作为可选方式，在上述高性能铝合金材料中，所述合金中还含有质量百分比为0.1％-0.2％的B。B的加入可以细化晶粒，更重要的是可以与稀土元素和铁形成RE-Fe-B化合物晶粒，既能为合金体系提供大量细小晶核，促进合金晶粒细化，还能改善合金组织和机械性能，同时降低铁的不利影响，提高铝合金的铸造性能。另外，部分RE-Fe-B化合物晶粒由于具有一定的磁性，相互之间会产生一定的吸引或排斥作用力，使组织内部产生相互挤压，从而有利于排出内部的气泡，进一步降低材料的孔隙率，提高气密性。

作为可选方式，在上述高性能铝合金材料中，所述合金中弥散分布有稀土-铁-硼的合金化合物晶核。

本发明还提供了一种制备上述的高性能铝合金材料的方法，包括熔炼、保温和压铸成型，其中所述稀土元素分两次加入，分别在熔炼阶段和保温阶段加入。

作为可选方式，在上述高性能铝合金材料的制备方法中，具体包括以下步骤：

A对炉料和熔炼工具进行充分预热、烘烤，去除水分、油污等杂质；

B根据配方配料并加入熔炼炉，进行熔炼，其中稀土仅占稀土总投料量的1/3～1/2；

C去渣、净化，铝液转入保温炉；

D将剩余的稀土预热加入到保温炉铝液中，充分搅拌并静置20分钟；

E压机模具抽真空处理；

F坯件压铸成型。

通过分步加入稀土元素，既充分发挥其除氢、净化作用，有充分发挥其变质和微合金化作用，保证合金在晶粒生长阶段有更多的细小晶核存在。

作为可选方式，在上述高性能铝合金材料的制备方法中，在熔炼步骤中采用新料和回炉料混合投料的方式，且新料的质量占总投料量的70％以上。

作为可选方式，在上述高性能铝合金材料的制备方法中，所述步骤B的温度控制在700-740℃、步骤C的温度控制在700-720℃、步骤D的温度控制在680-700℃。

作为可选方式，在上述高性能铝合金材料的制备方法中，当原料中含硼时，硼元素也分两次加入：分别在熔炼阶段和保温阶段加入。

作为可选方式，在上述高性能铝合金材料的制备方法中，Mg元素在实际配料时多加炉料质量的0.02％-0.03％。可以缓解熔炼过程中Mg烧损对合金性能的影响。

本发明还提供了一种上述述的高性能铝合金材料的应用，即将其用于制做变速器机油泵、阀板组件、阀芯组件或发动机水泵。所得产品的气密性和机械性能较现有产品均具有显著提高。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本发明的有益效果：

本发明所述铝合金材料通过稀土元素的净化、变质和微合金化的作用，大大降低了材料的气孔率，并改善材料的机械性能，采用所得材料制备的变速器机油泵、阀板组件、阀芯组件或发动机水泵的气密性和机械性能较现有产品均具有显著提高。

具体实施方式：

以下通过实施例的具体实施方式再对本发明的上述内容作进一步的详细说明。但不应当将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明的精神和原则之内做的任何修改，以及根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的等同替换或者改进，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

一种高性能铝合金材料，所述材料为Al-Si-Cu铝合金，所述合金中含有如下质量百分含量的元素：Si：12％；Cu：3.5％，稀土元素RE：0.25％，其余为Al。按照以下具体步骤制备铝合金材料：

A对炉料和熔炼工具进行充分预热、烘烤，去除水分、油污等杂质；

B根据配方配料并加入熔炼炉，进行熔炼，其中稀土仅占稀土总投料量的1/2；

C去渣、净化，铝液转入保温炉；

D将剩余的稀土预热加入到保温炉铝液中，充分搅拌并静置20分钟；

E压机模具抽真空处理；

F坯件压铸成型。

采用上述材料分别制作变速器机油泵、阀板组件、阀芯组件或发动机水泵。按照现有的技术进行配件加工、组装和测试。

作为可选方式，在上述高性能铝合金材料的制备方法中，所述步骤B的温度控制在700-740℃、步骤C的温度控制在700-720℃、步骤D的温度控制在680-700℃。通过对温度的严格控制，可获得高质量的合金液，避免过热。若温度过高，会加大合金中各种元素的氧化烧损，引起合金中化学成分的变化。温度过低，会使合金的化学成分不均匀，合金中的氧化夹杂物、气体等不易排出，合金的理化性能下降，影响铸造性能。

作为可选方式，在上述高性能铝合金材料的制备方法中，在熔炼步骤中采用新料和回炉料混合投料的方式，且新料的质量占总投料量的70％以上。可以对回炉料进行充分利用，并保证材料的综合性能。

作为可选方式，在上述高性能铝合金材料的制备方法中，Mg元素在实际配料时多加炉料质量的0.02％-0.03％。可以缓解熔炼过程中Mg烧损对合金性能的影响。

作为可选方式，在上述高性能铝合金材料中，采用单一的稀土元素或混合稀土元素，如采用镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)钪(Sc)和钇(Y)等稀土元素中的任意一种或几种，所得的材料和产品性能基本相同。

金相显微镜检测结果显示：在所得材料中稀土元素同时以固溶体、偏聚态和化合物晶核三种形式存在与材料的合金组织中。

对比例：

一种传统的Al-Si-Cu铝合金，各元素的质量百分含量如下：

Si：7.5％～12％；Cu：1.5％～3.5％；其余为Al。

按照以下具体步骤制备铝合金材料：

A对炉料和熔炼工具进行充分预热、烘烤，去除水分、油污等杂质；

B根据配方配料并加入熔炼炉，进行熔炼，温度控制在700-740℃；

C去渣、净化，铝液转入保温炉，温度控制在700-720℃；

D在保温炉中，保温静置20分钟，温度控制在680-700℃；

E压机模具抽真空处理；

F坯件压铸成型。

采用上述材料分别制作变速器机油泵、阀板组件、阀芯组件或发动机水泵。按照现有的技术进行配件加工、组装和测试。

实施例1所得材料相对于对比例所得材料的孔隙率明显降低，机械性能显著提高。

实施例1所得材料与对比例所得材料的部分性能比较如下表：

相对于对比例，采用实施例1中所得材料制作的自动挡变速器机油泵的耐磨性明显增加，使用寿命延长35％；

相对于对比例，采用实施例1中所得材料制作的自动挡变速器阀板组件中的阀板油路孔隙不良率比例由15％降低至3.5％。

相对于对比例，采用实施例1中所得材料制作的变速器阀芯组件的阀芯孔隙率明显降低，产品不良率由13.5％降低至2.5％。

相对于对比例，采用实施例1中所得材料制作的发动机铝合金水泵气密测试不良率由3％降低至1.2％。

实施例2：

一种高性能铝合金材料，所述合金中各元素的质量百分含量如下：

Si：7.5％；Cu：1.5％；Fe：0.8％；Mn：0.5％；Mg：0.3％；Zn:1.0％；Cr:0.5％；Ni:0.5％；Pb:0.1％；RE：0.3％；Sn:0.1％，其余为Al。按照实施例1所述方法制备合金材料及变速器机油泵、阀板组件、阀芯组件或发动机水泵等产品。所得材料抗拉强度σ_b≥290Mpa，伸长率δ≥2.8％，硬度HB≥100，孔隙率小于0.1％，且热稳定性优于实施例1中制得的材料；对应产品的耐磨性、气密性和使用寿命相对于实施例1也明显提高。

实施例3：

在实施例2所述配方中分别单独调整各合金元素含量，并考察其对应的合金材料的性能。结果显示：

硅是大多数压铸铝合金的主要元素。它能改善合金的铸造性能。硅与铝能组成固溶体。硅与铝形成共晶体能提高合金的高温造型性，减少收缩率，无热裂倾向，有高的耐蚀性。但是当合金中含硅量超过共晶成分，而铜、铁等杂质又多时，即出现游离硅的硬质点，使切削加工困难，高硅铝合金对铸件坩埚的熔蚀作用严重。

铜和铝组成固溶体，具有固溶强化和时效强化的作用。增加含铜量，能提高合金的流动性，抗拉强度和硬度，但降低了耐蚀性和塑性，热裂倾向增大。

铁是在所有铝合金中都含有的有害杂质。因铝合金中含铁量太高时，铁以FeAl₃、Fe₂Al₇和Al－Si－Fe的片状或针状组织存在于合金中，降低机械性能，这种组织还会使合金的流动性减低，热裂性增大，但铁的存在又能减轻铝合金对模具的粘附作用。

锰在铝合金中能减少铁的有害影响，能使铝合金中由铁形成的片状或针状组织变为细密的晶体组织，但含锰量过高时，会引起偏析。

在高硅铝合金中加入少量的镁，可提高强度和屈服极限，提高了合金的切削加工性。含镁高的铝合金具有优良的耐蚀性，但其铸造性能差，在高温下的强度和塑性都低，冷却时收缩大，故易产生热裂和形成疏松。

锌在铝合金中能提高流动性，但会增加热脆性，降低耐蚀性。

铬在铝中形成(CrFe)Al₇和(CrMn)Al₁₂等金属间化合物，阻碍再结晶的形核和长大过程，对合金有一定的强化作用，还能改善合金韧性和降低应力腐蚀开裂敏感性。但会场增加淬火敏感性。

镍能提高合金的强度和硬度，能减少合金对模具的熔蚀，同时又能中和铁的有害影响，提高合金的焊接性能。但会降低耐蚀性，且由于镍的来源缺乏。

铅、锡是低熔点金属，它们在铝中固溶度不大，略降低合金强度，但能改善切削性能。

实验证明当所述合金中各元素的质量百分含量如下：

Si：7.5％～12％；Cu：1.5％～3.5％；Fe≤0.8％；Mn≤0.5％；Mg≤0.3％；Zn≤1.0％；Cr≤0.5％；Ni≤0.5％；Pb≤0.1％；RE：0.25％～0.45％；Sn≤0.1％，其余为Al。所得的合金材料具有良好的综合性能，能够很好的适应应用要求，保证对应产品的品质。

其中当合金采用如下配方时：Si：9.8％；Cu：2.7％；Fe：0.7％；Mn：0.45％；Mg：0.26％；Zn：1.0％；Cr：0.4％；Ni：0.2％；Pb：0.1％；RE：0.45％；Sn：0.05％，其余为Al。所得材料的综合性能最优。

实施例4：

一种高性能铝合金材料，所述合金中各元素的质量百分含量如下：

Si：7.5％；Cu：1.5％；Fe：0.8％；Mn：0.5％；Mg：0.3％；Zn:1.0％；Cr:0.5％；Ni:0.5％；Pb:0.1％；Nd：0.3％；Sn:0.1％，B：0.1％-0.2％，其余为Al。按照以下具体步骤制备铝合金材料：

A对炉料和熔炼工具进行充分预热、烘烤，去除水分、油污等杂质；

B根据配方配料并加入熔炼炉，进行熔炼，其中稀土和硼仅投入1/3；

C去渣、净化，铝液转入保温炉；

D将剩余的稀土和硼预热后加入到保温炉铝液中，充分搅拌并静置20分钟；

E压机模具抽真空处理；

F坯件压铸成型。

采用上述材料分别制作变速器机油泵、阀板组件、阀芯组件或发动机水泵等产品。按照现有的技术进行配件加工、组装和测试。

相对于实施例2，本实施例中所得材料的金相组织更均匀，晶粒细化更明显，组织中含有大量100-200nm左右的RE-Fe-B化合物晶核。

所得材料抗拉强度σ_b≥300Mpa，伸长率δ≥3％，硬度HB≥110，孔隙率小于0.6％；对应产品的耐磨性、气密性和使用寿命相对于实施例2也进一步提高。

以上所述仅为本发明的优选实施例，对本发明而言仅是说明性的，而非限制性的；本领域普通技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效变更，但都将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高性能铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述高性能铝合金材料为Al-Si-Cu铝合金，所述合金中各元素的质量百分含量如下：

Si：7.5%~12%；Cu：1.5%~3.5%；Fe≤0.8%；Mn≤0.5%；Mg≤0.3%；Zn≤1.0%；Cr≤0.5%；Ni≤0.5%；Pb≤0.1%；RE：0.25%~0.45%；Sn≤0.1%，其余为Al，所述稀土元素RE采用镧(La）、铈(Ce）、镨(Pr）、钕(Nd）、钷(Pm）、钐(Sm）、铕(Eu）、钆(Gd）、铽(Tb）、镝(Dy）、钬(Ho）、铒(Er）、铥(Tm）、镱(Yb）、镥(Lu）、钪(Sc)和钇(Y)中的任意一种或几种；所述制备方法包括熔炼、保温和压铸成型，其中所述稀土元素分两次加入，分别在熔炼阶段和保温阶段加入，具体包括以下步骤：

A对炉料和熔炼工具进行充分预热、烘烤，去除水分、油污；

B根据配方配料并加入熔炼炉，进行熔炼，其中稀土仅占稀土总投料量的1/3~1/2，温度控制在700-740℃；

C去渣、净化，铝液转入保温炉，温度控制在700-720℃；

D将剩余的稀土预热加入到保温炉铝液中，充分搅拌并静置20分钟，温度控制在680-700℃；

E压机模具抽真空处理；

F坯件压铸成型。

2.根据权利要求1所述的高性能铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述合金中各元素的质量百分含量如下：Si：7.5%；Cu：1.5%；Fe：0.8%；Mn：0.5%；Mg：0.3%；Zn:1.0%；Cr:0.5%；Ni:0.5%；Pb:0.1%；Nd：0.3%；Sn:0.1%，B：0.1%-0.2%，其余为Al。

3.根据权利要求1所述的高性能铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述合金中各元素的质量百分含量如下：

Si：7.5%；Cu：1.5%；Fe：0.8%；Mn：0.5%；Mg：0.3%；Zn:1.0%；Cr:0.5%；Ni:0.5%；Pb:0.1%；RE：0.3%；Sn:0.1%，其余为Al。

4.根据权利要求1所述的高性能铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述合金中还含有质量百分比为0.1%-0.2%的硼。

5.根据权利要求1所述的高性能铝合金材料的制备方法，其特征在于，

所述合金中弥散分布有稀土-铁-硼的合金化合物晶核。

6.根据权利要求1所述的高性能铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述合金中各元素的质量百分含量如下：

Si：9.8%；Cu：2.7%；Fe：0.7%；Mn：0.45%；Mg：0.26%；Zn：1.0%；Cr：0.4%；Ni：0.2%；Pb：0.1%；RE：0.45%；Sn：0.05%，其余为Al。

7.根据权利要求1所述的高性能铝合金材料的制备方法，其特征在于，在熔炼步骤中采用新料和回炉料混合投料的方式，且新料的质量占总投料量的70%以上。

8.根据权利要求1所述的高性能铝合金材料的制备方法，其特征在于，当原料中含B时，B元素也分两次加入：分别在熔炼阶段和保温阶段加入。

9.根据权利要求1所述的高性能铝合金材料的制备方法，其特征在于，

当原料中含Mg时，Mg元素在实际配料时多加炉料质量的0.02%-0.03%。

10.如权利要求1所述的高性能铝合金材料的应用，其特征在于，将其用于制做变速器机油泵、阀板组件、阀芯组件或发动机水泵。