ZY－WR14耐磨鋁合金的研究與開發

文/ 廣州致遠新材料科技有限公司 陳蘇堅

ZY－WR14耐磨鋁合金的研究與開發

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

文/ 廣州致遠新材料科技有限公司 陳蘇堅

眾所周知，基于發動機零件、自動和手動變速器零件、動力轉向液壓泵零件、空調壓縮機零件、活塞等的使用要求，通常使用的是耐磨性能良好的過共晶鋁合金ADC14。

ZY-WR14是在研究了ADC14材質特性的基礎上，進行改進和提高，通過實驗開發出的一種對比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

表1列出了ADC14的主要成分。

表1 ADC14的主要成分

ADC14的主要強化元素為Si、Cu、Mg。

為了能達到改進和提高性能，我們還增加了對Mn、Cr、Ti元素的作用和特點的分析。

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都比鋁小，可提高流動性，降低鋁合金的收縮量和熱裂傾向，還能和鎂形成Mg2Si強化相。但是，隨著過共晶鋁合金中Si含量的增加，粗大的初晶硅會降低和惡化加工性能和使用性能。含硅越高，初晶硅越難細化。隨著硅含量的增加，初晶硅晶粒數增加，強度和塑性都降低。同時，結晶溫度范圍變大，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，具有較大的固溶強化作用。銅在高溫時的溶解度和常溫時的溶解度相差很大，當銅含量超過在鋁中的溶解度時，在固溶體的基體上和晶粒邊界上析出金屬化合物Al2Cu，起到沉淀強化的作用。銅可提高鋁硅合金的常溫和高溫強度。但降低了抗腐蝕性和塑性，熱裂傾向增大，伸長率下降，線脹系數增加，鑄造性能變壞。因此，對于過共晶鋁硅合金，在保證強度條件下，應盡量降低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；能提高再結晶溫度并細化再結晶晶粒；能提高鋁固溶體的穩定性。在含硅及含銅的鋁硅合金中，可改善高溫強度。當錳含量達到一定值時，會生成Al-Si-Fe-Mn四元化合物硬質點，提高合金的耐磨性。但過高的含錳量也會增加元素的偏析傾向，并形成粗大的復雜初晶。

1.5 鉻在鋁合金中能與Fe、Al、Si等元素發生化學反應生成多種金屬間化合物，抑制針、片狀富鐵相的產生，阻礙再結晶的形核和長大過程，對合金有一定的強化作用，還能改善和提高鋁合金的韌性和降低應力腐蝕開裂敏感性。但會增加淬火敏感性。

1.6 鈦在鋁合金中可形成細小的不溶的Al3Ti金屬間化合物，其質點與Al有相同的點陣類型和相近的點陣常數，可作為Al固溶體的結晶核心而起到細化晶粒的作用，提高力學性能。鈦溶解在固溶體中，還可提高固溶體在高溫下的穩定性，對改善鋁合金的高溫性能有利。同時，鈦還能與氫生成穩定的TiH化合物，有利于對氣孔的消除。但過量的鈦使Al3Ti質點快速聚集長大，對合金的力學性能不利。

2 ZY-WR14對性能的改進提高

綜合比較了各主要元素的作用和特點，通過與ADC14的對比實驗和優化，將Si控制在15%，Cu控制在3%，結合增加了適量的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：

2.1 良好的耐磨性能。

由于Mn、Cr、Ti等合金元素的合理加入，微細硬質粒子分布均勻，達到了良好的耐磨性能。與ADC14對比如下表2：

表2 磨損測試對比

ZY-WR14熱處理前后磨損測試對比如下表3：

表3 熱處理前后耐磨測試對比

磨損檢測委托機械工業材料質量檢測中心、上海材料研究所檢測中心進行檢測。磨損檢測是在同一種條件下進行：負荷196N，線速度0.42m/s，干摩擦2小時，對磨輪45鋼，半徑20mm，42-45HRC，粗糙度為Ra0.4um。以下圖1-圖4是檢測報告：

2.2 良好的力學性能。

元素的優化組合及熔煉工藝的控制保障，使得ZYWR14對比ADC14具有更好的力學性能。表4是對比檢測：

2.3 晶粒更加細小且微觀硬質粒子更多。

采用同樣的無鈉精煉和磷銅變質工藝，ZY－WR14的晶粒細化效果明顯要比ADC14好。圖5、圖6是鑄態斷口的晶粒組織對比：

圖1 ZY－WR14鑄態檢測

圖2 ZY－WR14 T6態檢測

圖3 ADC14鑄態檢測

圖4 ADC14 T6態檢測

表4 主要力學性能對比

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。

從金相圖的對比中可以看出，ZY-WR14中的硬質粒子較多，呈現分散均勻分布，而ADC14的硬質粒子較少。這也是ZY-WR14的耐磨性能優于ADC14的關鍵所在。

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的偏析也相對較小。分別對同一個試樣檢驗5個點，ZY-WR14的Si元素含量極差只有0.59%，而ADC14的Si元素含量極差達到了1.73%。表5是Si成分偏析的對比。

表5 Si成分偏析對比

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

2.5 針孔現象基本消除。

相對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，添加的Ti可與氫生成穩定的TiH化合物，有利于對氣體的消除作用，使產品的質量得以穩定和提高。對比實驗中，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、相同的除氣時間），ZYWR14的鑄件針孔為1級，密度為2.77g/cm3，而ADC14的鑄件針孔為5級，密度為2.75g/cm3。試樣對比如圖9、圖10。

圖9 ZY－WR14針孔試樣

圖10 ADC14針孔試樣

由圖可見，ZY-WR14的針孔現象基本得到消除，材料品質提高了4個級別。

2.6 ZY-WR14具有更好的熔鑄工藝優勢。

根據元素的組成，計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 液固相溫度對比

根據材料的熔煉工藝和實驗的結果，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比

相對較低的熔煉溫度和鑄造溫度的優勢，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 再生環保。

在材料的選用中完全可以采用再生資源。在整個開發的實驗過程中，基本采用再生鋁配料。符合循環經濟、綠色環保、節能低碳的原則。

3 結論

3.1 ZY-WR14具有比ADC14更好的耐磨性能和力學性能，更優質的產品鑄造質量，更低的熔煉能耗和材料成本。

3.2 可代替ADC14應用于發動機、變速器、液壓泵、壓縮機、活塞等需要耐磨的零部件中。

4 研究團隊

本公司在2015年成立了金屬材料研究所，致力于創造出符合客戶需要、符合社會現實需要和未來需要的研究成果和產品。我們和多所大學建立了產學研的實驗基地。近幾年來，還同時在高導熱、高強韌、耐高溫等鋁合金材料的研發中取得了一定的進展。歡迎同行及客戶和我們一起進行交流、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發，為行業新材料的創新與發展，為材料的應用革新做出努力。