ZY－WR14耐磨铝合金的研究与开发

文/ 广州致远新材料科技有限公司 陈苏坚

ZY－WR14耐磨铝合金的研究与开发

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

文/ 广州致远新材料科技有限公司 陈苏坚

众所周知，基于发动机零件、自动和手动变速器零件、动力转向液压泵零件、空调压缩机零件、活塞等的使用要求，通常使用的是耐磨性能良好的过共晶铝合金ADC14。

ZY-WR14是在研究了ADC14材质特性的基础上，进行改进和提高，通过实验开发出的一种对比ADC14耐磨性能更好、偏析小、成本更低的新型耐磨铝合金。

1 主要元素的作用和特点

表1列出了ADC14的主要成分。

表1 ADC14的主要成分

ADC14的主要强化元素为Si、Cu、Mg。

为了能达到改进和提高性能，我们还增加了对Mn、Cr、Ti元素的作用和特点的分析。

1.1 硅在耐磨合金中是主要的合金元素，它的密度和线胀系数都比铝小，可提高流动性，降低铝合金的收缩量和热裂倾向，还能和镁形成Mg2Si强化相。但是，随着过共晶铝合金中Si含量的增加，粗大的初晶硅会降低和恶化加工性能和使用性能。含硅越高，初晶硅越难细化。随着硅含量的增加，初晶硅晶粒数增加，强度和塑性都降低。同时，结晶温度范围变大，液相温度也升高，合金的疏松倾向加大，气密性降低，铸造性能下降。随着硅含量的增加，也容易增大Si的成分偏析。

1.2 铜原子固溶于铝基体中，具有较大的固溶强化作用。铜在高温时的溶解度和常温时的溶解度相差很大，当铜含量超过在铝中的溶解度时，在固溶体的基体上和晶粒边界上析出金属化合物Al2Cu，起到沉淀强化的作用。铜可提高铝硅合金的常温和高温强度。但降低了抗腐蚀性和塑性，热裂倾向增大，伸长率下降，线胀系数增加，铸造性能变坏。因此，对于过共晶铝硅合金，在保证强度条件下，应尽量降低Cu的含量。

1.3 镁可改善铝合金的室温与高温性能。

1.4 锰能抑制铝硅合金中铁元素的部分有害作用；能提高再结晶温度并细化再结晶晶粒；能提高铝固溶体的稳定性。在含硅及含铜的铝硅合金中，可改善高温强度。当锰含量达到一定值时，会生成Al-Si-Fe-Mn四元化合物硬质点，提高合金的耐磨性。但过高的含锰量也会增加元素的偏析倾向，并形成粗大的复杂初晶。

1.5 铬在铝合金中能与Fe、Al、Si等元素发生化学反应生成多种金属间化合物，抑制针、片状富铁相的产生，阻碍再结晶的形核和长大过程，对合金有一定的强化作用，还能改善和提高铝合金的韧性和降低应力腐蚀开裂敏感性。但会增加淬火敏感性。

1.6 钛在铝合金中可形成细小的不溶的Al3Ti金属间化合物，其质点与Al有相同的点阵类型和相近的点阵常数，可作为Al固溶体的结晶核心而起到细化晶粒的作用，提高力学性能。钛溶解在固溶体中，还可提高固溶体在高温下的稳定性，对改善铝合金的高温性能有利。同时，钛还能与氢生成稳定的TiH化合物，有利于对气孔的消除。但过量的钛使Al3Ti质点快速聚集长大，对合金的力学性能不利。

2 ZY-WR14对性能的改进提高

综合比较了各主要元素的作用和特点，通过与ADC14的对比实验和优化，将Si控制在15%，Cu控制在3%，结合增加了适量的Mn、Cr、Ti等合金元素，组成了新型的九元耐磨铝合金——ZY-WR14。

这种铝合金与ADC14相比，具有以下的特点：

2.1 良好的耐磨性能。

由于Mn、Cr、Ti等合金元素的合理加入，微细硬质粒子分布均匀，达到了良好的耐磨性能。与ADC14对比如下表2：

表2 磨损测试对比

ZY-WR14热处理前后磨损测试对比如下表3：

表3 热处理前后耐磨测试对比

磨损检测委托机械工业材料质量检测中心、上海材料研究所检测中心进行检测。磨损检测是在同一种条件下进行：负荷196N，线速度0.42m/s，干摩擦2小时，对磨轮45钢，半径20mm，42-45HRC，粗糙度为Ra0.4um。以下图1-图4是检测报告：

2.2 良好的力学性能。

元素的优化组合及熔炼工艺的控制保障，使得ZYWR14对比ADC14具有更好的力学性能。表4是对比检测：

2.3 晶粒更加细小且微观硬质粒子更多。

采用同样的无钠精炼和磷铜变质工艺，ZY－WR14的晶粒细化效果明显要比ADC14好。图5、图6是铸态断口的晶粒组织对比：

图1 ZY－WR14铸态检测

图2 ZY－WR14 T6态检测

图3 ADC14铸态检测

图4 ADC14 T6态检测

表4 主要力学性能对比

图5 ZY-WR14断口晶粒

图6 ADC14断口晶粒

从断口晶粒图可以看出，ZY-WR14晶粒细小，分布均匀，而ADC14晶粒粗大，分布不均匀。图7、图8是400倍的金相组织图。

从金相图的对比中可以看出，ZY-WR14中的硬质粒子较多，呈现分散均匀分布，而ADC14的硬质粒子较少。这也是ZY-WR14的耐磨性能优于ADC14的关键所在。

图7 ZY-WR14金相组织

图8 ADC14金相组织

2.4 硅的偏析减少。

由于ZY-WR14比ADC14 的Si含量低，Si的偏析也相对较小。分别对同一个试样检验5个点，ZY-WR14的Si元素含量极差只有0.59%，而ADC14的Si元素含量极差达到了1.73%。表5是Si成分偏析的对比。

表5 Si成分偏析对比

Si成分偏析的减少，使得ZY-WR14材料的基体组织更加均匀，性能更加稳定。

2.5 针孔现象基本消除。

相对较低的熔炼温度和铸造温度，可以减少高温氧化和吸气的程度。同时，添加的Ti可与氢生成稳定的TiH化合物，有利于对气体的消除作用，使产品的质量得以稳定和提高。对比实验中，在相同的除气操作工艺条件下（包括相同的气源、相同的气压、相同的除气时间），ZYWR14的铸件针孔为1级，密度为2.77g/cm3，而ADC14的铸件针孔为5级，密度为2.75g/cm3。试样对比如图9、图10。

图9 ZY－WR14针孔试样

图10 ADC14针孔试样

由图可见，ZY-WR14的针孔现象基本得到消除，材料品质提高了4个级别。

2.6 ZY-WR14具有更好的熔铸工艺优势。

根据元素的组成，计算得出液相温度和固相温度如表6，其中ZY-WR14的液相温度比ADC14低20℃。

表6 液固相温度对比

根据材料的熔炼工艺和实验的结果，ZY－WR14的熔炼温度和铸造温度均可比ADC14低30℃，如表7所示。

表7 熔炼温度和铸造温度对比

相对较低的熔炼温度和铸造温度的优势，有利于能耗的降低，天然气消耗约可降低2m3/吨。

2.7 较低的生产材料成本。

由于Cu的减少，在抵减了Mn、Cr、Ti等合金元素的加入后，材料成本仍可降低约101元/吨。

2.8 再生环保。

在材料的选用中完全可以采用再生资源。在整个开发的实验过程中，基本采用再生铝配料。符合循环经济、绿色环保、节能低碳的原则。

3 结论

3.1 ZY-WR14具有比ADC14更好的耐磨性能和力学性能，更优质的产品铸造质量，更低的熔炼能耗和材料成本。

3.2 可代替ADC14应用于发动机、变速器、液压泵、压缩机、活塞等需要耐磨的零部件中。

4 研究团队

本公司在2015年成立了金属材料研究所，致力于创造出符合客户需要、符合社会现实需要和未来需要的研究成果和产品。我们和多所大学建立了产学研的实验基地。近几年来，还同时在高导热、高强韧、耐高温等铝合金材料的研发中取得了一定的进展。欢迎同行及客户和我们一起进行交流、探讨，并提出新的研究课题，也期望能与客户一起共同合作开发，为行业新材料的创新与发展，为材料的应用革新做出努力。