本發(fā)明屬于鋁合金領(lǐng)域,特別是一種高強度鋁合金銷軸的制備方法。
背景技術(shù):
銷軸在工作中承受較高的剪切和彎曲載荷,其常以磨損和疲勞的形式失效。目前,工程機械領(lǐng)域采用40cr、42crmo、35cmo等合金鋼材料為原料,經(jīng)由調(diào)質(zhì)→車削→磨削→表面鍍鉻的方法制備銷軸。其中,調(diào)質(zhì)處理的方法生產(chǎn)周期長,能耗大,成本高,環(huán)境污染嚴(yán)重。
另外,為了進(jìn)一步提高銷軸的耐磨性能和強度,在采用調(diào)質(zhì)鋼基礎(chǔ)上,現(xiàn)有技術(shù)還采用表面淬火和表面滲碳等工藝代替表面鍍鉻。該方法在提高銷軸表面硬度的同時,還能消除其徑向性能的突變,提升使用壽命。但表面淬火和表面滲碳的工藝流程復(fù)雜、成本高、污染大。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
鑒于現(xiàn)有技術(shù)中存在的一個或多個問題,本發(fā)明的一個目的是提供一種鋁合金零件(例如銷軸)的制備方法,本發(fā)明的再一個目的是提供一種高強度鋁合金零件(例如銷軸)的制備方法,本發(fā)明的再一個目的是提供一種高強度鋁合金零件(例如銷軸)。
發(fā)明人發(fā)現(xiàn),采用特定的鋁合金成分,配合本發(fā)明特有的工藝,可制備得到特定性能的鋁合金材料,該鋁合金材料特別適合用于制備鋁合金零件,尤其是鋁合金銷軸。本發(fā)明鋁合金銷軸具有較好的綜合性能,尤其是具有較好的抗疲勞性能和強度。
基于發(fā)明人的上述發(fā)現(xiàn),本發(fā)明提供如下幾方面的內(nèi)容:
本發(fā)明第一方面提供一種鋁合金零件的制備方法,該方法包含以 下步驟:
i)擠壓鋁合金坯料,獲得鋁合金零件毛坯;
ii)對鋁合金零件毛坯進(jìn)行固溶和時效處理;
固溶的溫度為450℃~500℃;
固溶的時間為0.5小時~3小時;
時效的溫度為100℃~160℃;
時效的時間為20小時~30小時。
在一個優(yōu)選的實施方案中,本發(fā)明前述任一項的方法,其中,固溶的溫度為460℃~480℃,優(yōu)選465℃~475℃,例如470℃~480℃。
在一個優(yōu)選的實施方案中,本發(fā)明前述任一項的方法,其中,固溶的時間為1小時~2.5小時,例如1.5~2小時。
在一個優(yōu)選的實施方案中,本發(fā)明前述任一項的方法,其中,時效的溫度為110℃~150℃,例如120℃~130℃,再例如145℃~155℃。
在一個優(yōu)選的實施方案中,本發(fā)明前述任一項的方法,其中,時效的時間為20小時~30小時,例如22小時~30小時,例如22~26小時、再例如23、24或25小時。
在一個優(yōu)選的實施方案中,本發(fā)明前述任一項的方法,鋁合金坯料中各元素的質(zhì)量百分比為:
si:0.3%~0.5%(例如0.35%~0.45%,再例如0.4%);
fe:0.4%~0.6%(例如0.45%~0.55%,再例如0.5%);
cu:1.0%~2.2%(例如1.2%~2.0%,再例如1.7%~2.0%);
mg:2.0%~3.0%(例如2.1%~2.9%,再例如2.4%~2.7%);
mn:0.25%~0.4%(例如0.25%~0.35%,再例如0.3%~0.4%,);
cr:0.15%~0.3%(例如0.15%~0.25%,再例如0.22%~0.3%);
zn:5.0%~6.5%(例如5.1%~6.0%,再例如5.5%~6.0%);
ti:0.1%~0.3%(例如0.15%~0.25%,再例如0.2%);
al:余量;
可選地,其中還包含其它雜質(zhì)元素,其它雜質(zhì)元素的質(zhì)量百分比為:每種雜質(zhì)元素≤0.05%,總量≤0.15%。
在一個優(yōu)選的實施方案中,本發(fā)明前述任一項的方法,其中,擠壓的參數(shù)選自以下的一項或多項:
a)擠壓比為6~30(例如10~25,再例如15~20,再例如7.2、9.0或25);
b)擠壓溫度為350℃~500℃(例如360℃~460℃,再例如400℃~500℃,再例如450℃);
c)擠壓速度為1.5m/min~10m/min(例如2m/min~8m/min,再例如4m/min~6m/min,再例如2.5m/min或3m/min)。
擠壓比可以是指:擠壓前的坯料的橫截面積與擠壓后制品的橫截面積之比。
在一個優(yōu)選的實施方案中,本發(fā)明前述任一項的方法,該方法還包括:超聲判斷擠壓廢區(qū)并去除擠壓廢區(qū)的步驟。超聲判斷擠壓廢區(qū)并去除擠壓廢區(qū)的步驟優(yōu)選在步驟i)和ii)之間進(jìn)行。例如,超聲判斷鋁合金零件毛坯的擠壓廢區(qū)并去除擠壓廢區(qū)。優(yōu)選采用超聲探傷儀判斷擠壓廢區(qū)。
在一個優(yōu)選的實施方案中,本發(fā)明前述任一項的方法,該方法還包括:機械加工的步驟。機械加工的步驟優(yōu)選在步驟ii)之后進(jìn)行。例如,根據(jù)實際需要,對固溶和時效處理后的鋁合金零件毛坯進(jìn)行機械加工,獲得所需尺寸的機械加工件。
在一個優(yōu)選的實施方案中,本發(fā)明前述任一項的方法,該方法還包括表面處理的步驟,所述表面處理優(yōu)選為微弧氧化或陽極氧化。表面處理的步驟優(yōu)選在機械加工的步驟之后進(jìn)行。例如,對機械加工件進(jìn)行表面處理。表面處理可以增加零件表面的耐磨性。
在一個優(yōu)選的實施方案中,本發(fā)明前述任一項的方法,其中,微弧氧化的參數(shù)為選自以下的一項或多項:
d)電解液選自naoh溶液、na3po4溶液、na2sio3溶液或其組合;
e)電解液的ph值為8~9(例如8.3~8.7);
f)電解液的溫度為20℃~80℃(例如40℃~60℃,再例如 45~55℃);
g)氧化時間為2小時~6小時(例如2.5小時~4小時,再例如3小時~3.5小時)。
h)微弧氧化電壓485v~510v(例如490v~500v),陽極電流為5a~6a(例如5.5a)。
在一個優(yōu)選的實施方案中,本發(fā)明前述任一項的方法,鋁合金坯料或鋁合金零件毛坯為棒狀。
在一個優(yōu)選的實施方案中,本發(fā)明前述任一項的方法,鋁合金坯料通過半連續(xù)或連續(xù)鑄造的方法獲得。
在一個優(yōu)選的實施方案中,本發(fā)明前述任一項的方法,在半連續(xù)或連續(xù)鑄造中,結(jié)晶器的口徑為所制備鋁合金零件直徑的2.5倍~5.5倍(例如2.7倍~5倍,再例如3倍、4倍或4.5倍)。
在一個優(yōu)選的實施方案中,本發(fā)明前述任一項的方法,鋁合金坯料的直徑為鋁合金零件直徑的2.5倍~5.5倍(例如2.7倍~5倍,再例如3倍、4倍或4.5倍)。
在一個優(yōu)選的實施方案中,本發(fā)明前述任一項的方法,所述鋁合金坯料是半固態(tài)坯料。
在一個優(yōu)選的實施方案中,本發(fā)明前述任一項的方法,該方法包括以下步驟的一步或多步:
1)采用半連續(xù)或連續(xù)鑄造獲得鋁合金坯料;
2)擠壓所述鋁合金坯料,獲得鋁合金零件毛坯;
3)超聲判斷擠壓廢區(qū),并去除擠壓廢區(qū);
4)對鋁合金零件毛坯進(jìn)行固溶和時效處理;
5)機械加工;
6)表面處理。
在一個優(yōu)選的實施方案中,本發(fā)明前述任一項的方法,該方法按照由1)到6)的順序進(jìn)行。
在一個優(yōu)選的實施方案中,本發(fā)明前述任一項的方法,該方法包括以下步驟的一步或多步:
1)采用半連續(xù)鑄造制得直徑優(yōu)選為135mm~250mm的鋁合金坯錠坯料,按重量計,鋁合金成分可以為:si:0.35%~0.45%、fe:0.45%~0.5%、cu:1.2%~2.0%、mg:2.1%~2.7%、mn:0.25%~0.35%、cr:0.2%~0.3%、zn:5.1%~6%、ti:0.15%~0.25%、al:余量;
2)擠壓鋁合金坯料,擠壓比可以為7.2~25,擠壓溫度可以為360℃~450℃,擠壓速度可以為2.5m/min~4.0m/min,獲得擠壓毛坯件;
3)采用超聲探傷儀判斷擠壓毛坯件擠壓廢區(qū)的尺寸,去除擠壓廢區(qū);
4)對鋁合金毛坯件進(jìn)行固溶和時效處理,固溶溫度可以為465℃~475℃,固溶時間可以為1小時~2.5小時,時效溫度可以為110℃~150℃,時效時間可以為22小時~26小時。
5)將固溶時效處理后的鋁合金毛坯件機械加工至所需零件(銷軸)的尺寸,獲得機械加工毛坯件。
6)對機械加工毛坯件進(jìn)行表面微弧氧化處理,電解液可以為na3po4、naoh或na2sio3溶液,電解液的ph值可以為8~9,電解液溫度可以為40℃~55℃,微弧氧化的時間可以為2.5小時~3.5小時。
圖2示出本發(fā)明的一種高強度鋁合金銷軸制備方法的流程圖,如圖所示,在一個優(yōu)選的實施方案中,本發(fā)明前述任一項的方法,該方法可以依次包括以下的一步或多步:熔煉合金鑄造半固態(tài)坯錠、擠壓獲得擠壓料棒、超聲判定擠壓廢料區(qū)、固溶時效處理、機加工、表面微弧氧化,進(jìn)而獲得高強度鋁合金銷軸。
在一個優(yōu)選的實施方案中,本發(fā)明前述任一項的方法,所述鋁合金零件是鋁合金銷軸。
本發(fā)明第二方面提供一種鋁合金零件,其本發(fā)明前述任一項的方法制備而成。
在一個優(yōu)選的實施方案中,本發(fā)明前述任一項的鋁合金零件,其具有以下一項或多項特征:
i)表面硬度為170hv~210hv(例如為180hv~200hv,再例如為190hv~200hv,再例如為194hv~190hv);
j)疲勞載荷:在最大載荷為50噸的疲勞載荷實驗中,至少50萬次不斷裂,優(yōu)選至少100萬次不斷裂,再優(yōu)選至少120萬次不斷裂,再優(yōu)選至少150萬次不斷裂。
在一個優(yōu)選的實施方案中,本發(fā)明疲勞載荷試驗為三點彎曲疲勞試驗,采用正弦加載方式,最大載荷為50噸(或255mpa),最小載荷為40噸(或204mpa),循環(huán)周期為3s。
本發(fā)明第三方面提供一種鋁合金零件,其具有以下一項或多項特征:
i)表面硬度為160hv~210hv(例如為170hv~200hv,再例如為180hv~200hv,再例如為190hv~200hv);
j)疲勞載荷:在50噸載荷下至少50萬次不斷裂,優(yōu)選至少100萬次不斷裂,再優(yōu)選至少120萬次不斷裂,再優(yōu)選至少150萬次不斷裂。
在一個優(yōu)選的實施方案中,本發(fā)明前述任一項的鋁合金零件,所述鋁合金零件為鋁合金銷軸。
在一個優(yōu)選的實施方案中,本發(fā)明的鋁合金銷軸的直徑優(yōu)選為30mm~70mm(例如40mm~60mm,再例如50mm),鋁合金銷軸的長度優(yōu)選為100mm~300mm(例如200mm~250mm)。
本發(fā)明中,表面硬度和疲勞試驗采用下述方法測試:
表面硬度測試:采用顯微維氏硬度試驗機測試,具體步驟可以參照gb/t4340.1-2009。
疲勞試驗方法:本試驗采用成型及加工后的銷軸成品進(jìn)行疲勞測試。如圖3所示,在專用的疲勞試驗機上進(jìn)行三點彎曲疲勞試驗,將銷軸整件安裝在相應(yīng)的實驗工裝上,然后將相應(yīng)噸位的力值加載到工裝上。具體地,銷軸1固定于兩個支撐3上,以加載2對銷軸施加載荷。加載2的長度d1為約110mm,支撐3的長度d2為約55mm。采用正弦加載方式,最大載荷(即正弦波的波峰)為50噸,最小載荷(即正弦波的波谷)為40噸,循環(huán)周期為3s。使銷軸經(jīng)受循環(huán)載荷作用,記錄其疲勞斷裂時的次數(shù)。
除非特別說明,本發(fā)明中所述溶液均可以為水溶液;本發(fā)明中所述%均可以為質(zhì)量%。
本發(fā)明中“≤”表示小于或等于,“≥”表示大于或等于。
在說明書和權(quán)利要求書中所有表示成分的量、反應(yīng)條件等的數(shù)字在所有的情況下應(yīng)被理解為由術(shù)語“約”修飾,除非另有指定。相應(yīng)地,以下的說明書和所附權(quán)利要求書中給出的數(shù)值參數(shù)是近似值,其可根據(jù)本發(fā)明試圖得到的所希望的性質(zhì)而變化,除非有相反的指示。至少,且不打算限制等同原則在權(quán)利要求范圍上的應(yīng)用,每個數(shù)值參數(shù)應(yīng)該至少按照所報道的有效數(shù)字的位數(shù)并按照通常的四舍五入技術(shù)來解釋。
本發(fā)明的有益效果
本發(fā)明采用特定的鋁合金成分和特定的工藝步驟,制備得到了高性能鋁合金銷軸,該鋁合金銷軸具有以下一項或多項優(yōu)點:
(1)本發(fā)明鋁合金銷軸的耐磨性較好,表面硬度較高;
(2)本發(fā)明鋁合金銷軸的疲勞性能較好,例如疲勞強度高,或者再例如疲勞壽命長;
(4)本發(fā)明鋁合金銷軸的質(zhì)量輕;
(5)本發(fā)明鋁合金銷軸的制備方法具有步驟簡單、成本低、環(huán)境友好、耗時短等一項或多項優(yōu)點。
附圖說明
此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解,構(gòu)成本申請的一部分,本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明,并不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。在附圖中:
圖1為本發(fā)明實施例1的銷軸的示意圖;
圖2為本發(fā)明的一種高強度鋁合金銷軸制備方法的流程圖;
圖3為本發(fā)明疲勞試驗裝置的示意圖。
具體實施方式
下面通過附圖和實施例,對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
實施例1
采用半連續(xù)鑄造制得直徑為135mm的鋁合金坯錠坯料,按重量計,鋁合金成分為:si:0.4,fe:0.45,cu:1.7,mg:2.4,mn:0.3,cr:0.2,zn:5.5,ti:0.2,al:余量。采用臥式擠壓機正向擠壓鋁合金坯料,擠壓比為7.2,擠壓溫度為360℃,擠壓速度為4m/min,獲得擠壓毛坯件。采用超聲探傷儀判斷擠壓毛坯件擠壓廢區(qū)的尺寸,測得擠壓廢區(qū)為鋁合金毛坯件的頭部420mm和尾部450mm,去除擠壓廢區(qū)。對鋁合金毛坯件進(jìn)行固溶和時效處理,固溶溫度為465℃,固溶時間為2.5小時,時效溫度為110℃,時效時間為26小時。將固溶時效處理后的鋁合金毛坯件機械加工至所需零件(銷軸)的尺寸,獲得機械加工毛坯件。對機械加工毛坯件進(jìn)行表面微弧氧化處理,電解液為na3po4水溶液,電解液的ph值為8.3,電解液溫度為40℃,微弧氧化的時間3小時,微弧氧化電壓500v,陽極電流為5.5a。獲得實施例1的鋁合金銷軸成品。
圖1示出實施例1的鋁合金銷軸的示意圖,如圖1所示,該鋁合金銷軸的尺寸為直徑φ50mm,長度220mm。
經(jīng)檢測,該鋁合金銷軸的表面硬度為190hv。在本發(fā)明的彎曲疲勞載荷實驗中,該鋁合金銷軸在50噸(相當(dāng)于255mpa,下同)的最大應(yīng)力下循環(huán)150萬次,未發(fā)生斷裂。
實施例2
采用半連續(xù)鑄造制得直徑為150mm的鋁合金坯錠坯料,按重量計,鋁合金成分為:si:0.4,fe:0.5,cu:1.2,mg:2.1,mn:0.3,cr:0.22,zn:5.1,ti:0.2,al:余量。采用臥式擠壓機正向擠壓鋁合金坯料,擠壓比為9.0,擠壓溫度為400℃,擠壓速度為3.0m/min,獲得擠壓毛坯件。采用超聲探傷儀判斷擠壓毛坯件擠壓廢區(qū)的尺寸,測得擠壓廢區(qū)為鋁合金毛坯件的頭部510mm和尾部460mm,去除擠壓廢區(qū)。對鋁 合金毛坯件進(jìn)行固溶和時效處理,固溶溫度為470℃,固溶時間為2小時,時效溫度為120℃,時效時間為24小時。將固溶時效處理后的鋁合金毛坯件機械加工至所需零件(銷軸)的尺寸,獲得機械加工毛坯件。對機械加工毛坯件進(jìn)行表面微弧氧化處理,電解液為naoh水溶液,電解液的ph值為8.7,電解液溫度為55℃,微弧氧化的時間2.5小時,微弧氧化電壓485v,陽極電流為5a。獲得實施例2的鋁合金銷軸成品,該鋁合金銷軸的尺寸為直徑φ50mm,長度220mm。
經(jīng)檢測,該鋁合金銷軸的表面硬度為194hv。在本發(fā)明的彎曲疲勞載荷實驗中,該鋁合金銷軸在50噸的最大應(yīng)力下循環(huán)150萬次,未發(fā)生斷裂。
實施例3
采用半連續(xù)鑄造制得直徑為250mm的鋁合金坯錠坯料,按重量計,鋁合金成分為:si:0.4,fe:0.5,cu:2.0,mg:2.7,mn:0.3,cr:0.3,zn:6.0,ti:0.2,al:余量。采用臥式擠壓機正向擠壓鋁合金坯料,擠壓比為25,擠壓溫度為450℃,擠壓速度為2.5m/min,獲得擠壓毛坯件。采用超聲探傷儀判斷擠壓毛坯件擠壓廢區(qū)的尺寸,測得擠壓廢區(qū)為鋁合金毛坯件的頭部320mm和尾部460mm,去除擠壓廢區(qū)。對鋁合金毛坯件進(jìn)行固溶和時效處理,固溶溫度為475℃,固溶時間為1小時,時效溫度為150℃,時效時間為22小時。將固溶時效處理后的鋁合金毛坯件機械加工至所需零件(銷軸)的尺寸,獲得機械加工毛坯件。對機械加工毛坯件進(jìn)行表面微弧氧化處理,電解液為na2sio3水溶液,電解液的ph值為8.7,電解液溫度為40℃,微弧氧化的時間3.5小時,微弧氧化電壓500v,陽極電流為5.5a。獲得實施例3的鋁合金銷軸成品,該鋁合金銷軸的尺寸為直徑φ50mm,長度220mm。
經(jīng)檢測,該鋁合金銷軸的表面硬度為198hv。在本發(fā)明的彎曲疲勞載荷實驗中,該鋁合金銷軸在50噸的最大應(yīng)力下循環(huán)150萬次,未發(fā)生斷裂。
對比例1:
采用半連續(xù)鑄造制得直徑為100mm的鋁合金坯錠坯料,鋁合金成分為:si:0.4,fe:0.5,cu:1.8,mg:2.5,mn:0.3,cr:0.3,zn:6.0,ti:0.2,al:余量。采用臥式擠壓機正向擠壓鋁合金坯料,擠壓比為4,擠壓溫度為520℃,擠壓速度為8.0m/min,獲得擠壓毛坯件。采用超聲探傷儀判斷擠壓毛坯件擠壓廢區(qū)的尺寸,測得擠壓廢區(qū)為鋁合金毛坯件的頭部400mm和尾部560mm,去除擠壓廢區(qū)。對鋁合金毛坯件進(jìn)行固溶和時效處理,固溶溫度為420℃,固溶時間為3.5小時,時效溫度為180℃,時效時間為10小時。將固溶時效處理后的鋁合金毛坯件機械加工至所需零件(銷軸)的尺寸,獲得機械加工毛坯件。對機械加工毛坯件進(jìn)行表面微弧氧化處理,電解液為na2sio3水溶液,電解液的ph值為8,電解液溫度為40℃,微弧氧化的時間3小時,微弧氧化電壓510v,陽極電流為6a。獲得對比例1的鋁合金銷軸成品,該鋁合金銷軸的尺寸為直徑φ50mm,長度220mm。
經(jīng)檢測,該鋁合金銷軸的表面硬度為158hv。在本發(fā)明的彎曲疲勞載荷實驗中,該鋁合金銷軸在50噸的最大應(yīng)力下循環(huán)15.3萬次,發(fā)生斷裂。
可見,本發(fā)明鋁合金銷軸的表面硬度較高,疲勞性能也較好,疲勞強度高,疲勞壽命長。本發(fā)明鋁合金銷軸具有較好的綜合性能。
最后應(yīng)當(dāng)說明的是:以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其限制;盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明,所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:依然可以對本發(fā)明的具體實施方式進(jìn)行修改或者對部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換;而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神,其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明請求保護的技術(shù)方案范圍當(dāng)中。