阅读说明：本技术 一种高韧性耐磨铝合金及其加工工艺 (High-toughness wear-resistant aluminum alloy and processing technology thereof ) 是由 杨金德 于 2020-07-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高韧性耐磨铝合金及其加工工艺,涉及金属材料技术领域。本发明先利用溶胶-凝胶法制备四钛酸钾,然后利用微波反应在四钛酸钾表面接枝烷基双胺,制得预处理四钛酸钾,将预处理四钛酸钾与大豆分离蛋白混合反应后,制得改性四钛酸钾,随即将改性四钛酸钾与正硅酸乙酯混合,采用溶胶-凝胶法在四钛酸钾表面包覆一层二氧化硅,制得复合添加剂,最后,将复合添加剂与铝合金坯料混合,并加入精炼剂,熔融混合后,浇筑,制得高韧性耐磨铝合金。本发明制备的高韧性耐磨铝合金具有优异的耐磨性能,且力学性能较好。(The invention discloses a high-toughness wear-resistant aluminum alloy and a processing technology thereof, and relates to the technical field of metal materials. The method comprises the steps of firstly preparing potassium tetratitanate by a sol-gel method, then grafting alkyl diamine on the surface of the potassium tetratitanate by a microwave reaction to prepare pretreated potassium tetratitanate, mixing the pretreated potassium tetratitanate and soy protein isolate for reaction to prepare modified potassium tetratitanate, then mixing the modified potassium tetratitanate and tetraethoxysilane, coating a layer of silicon dioxide on the surface of the potassium tetratitanate by the sol-gel method to prepare a composite additive, finally mixing the composite additive and an aluminum alloy blank, adding a refining agent, melting and mixing, and pouring to prepare the high-toughness wear-resistant aluminum alloy. The high-toughness wear-resistant aluminum alloy prepared by the invention has excellent wear resistance and better mechanical property.)

一种高韧性耐磨铝合金及其加工工艺

技术领域

本发明涉及金属材料技术领域，具体是一种高韧性耐磨铝合金及其加工工艺。

背景技术

铝合金中的典型高强硬铝合金，由于其成份比较合理，综合性能优良，是铝合金中用量较大系列之一；该合金的特点是：比强度高，韧性好，有一定的耐热性，可用作150℃以下的工作零件，其中2124合金的强度在125℃以上时比7075合金的还高，一直是航空航天、推进和武器系统的重要材料。广泛用于飞机结构、铆钉、卡车轮毂、螺旋桨元件及其他中高强度结构件；此外，在汽车、IT工业设备、以及办公室设备等应用也非常广泛，很多工业发达国家都生产这种合金。随着航空航天技术的飞速发展，对铝合金的性能提出越来越高的要求，除了追求较高的抗拉强度以外，还要求合金具有优良的耐磨性能，尤其是高温耐磨性能，如涡轮发动机叶片，发电机机叶轮窝壳，球磨机内衬以及高速焊接机械使用的焊丝喂丝机构等，他们工作温度高，每秒钟需要高速运转多次，因此对轻质、高强尤其是高温耐磨材料需求十分迫切。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高韧性耐磨铝合金及其加工工艺，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高韧性耐磨铝合金，其特征在于，主要包括以下重量份数的原料组分：40～60份铝合金坯料和0.2～0.8份精炼剂。

一种高韧性耐磨铝合金，其特征在于，所述高韧性耐磨铝合金还包括以下重量份数的原料组分：0.5～1.2份复合添加剂。

作为优化，所述铝合金坯料中各元素组分为：硅的含量为14.5％～15.5％，铁的含量为0.7％～0.9％，铜的含量为2.8％～3.2％，锰的含量为0.7％～0.9％，镁的含量为0.45％～0.65％，锌的含量为1％～1.5％，铬的含量为0.25％～0.35％，钛的含量为0.1％～0.2％，镍的含量≤0.1％，铅的含量≤0.1％，锡的含量≤0.2％，镉的含量≤0.01％，其余含量为铝和无法去除的杂质，其中，各成分的含量均为质量含量。

作为优化，所述复合添加剂由四钛酸钾，二氧化硅和烷基双胺制备而成。

作为优化，所述高韧性耐磨铝合金主要包括以下重量份数的原料组分：50份铝合金坯料，0.5份精炼剂和1份复合添加剂。

作为优化，一种高韧性耐磨铝合金的加工工艺，主要包括以下制备步骤：

(1)将钛酸四丁酯与无水乙醇混合，并加入乙酰丙酮和硝酸钾溶液，搅拌反应后，煅烧，得四钛酸钾；

(2)将步骤(1)所得四钛酸钾用盐酸洗涤后，加入烷基双胺溶液中，于微波条件下反应，过滤，干燥，得预处理四钛酸钾，将预处理四钛酸钾与缓冲溶液混合，并加入大豆分离蛋白、1-(3-二甲氨基丙基-3)-乙基碳二亚胺盐酸盐、N-羟基琥珀酰亚胺，搅拌反应后，过滤，干燥，得改性四钛酸钾，将改性四钛酸钾与乙醇溶液混合，并加入正硅酸乙酯，调节pH后，搅拌反应，过滤，干燥，得复合添加剂；

(3)将铝合金坯料加热熔融，并加入精炼剂和步骤(2)所得复合添加剂，于氮气氛围中混合，浇筑，得高韧性耐磨铝合金；

(4)对步骤(3)所得高韧性耐磨铝合金进行质量检测。

作为优化，一种高韧性耐磨铝合金的加工工艺，主要包括以下制备步骤：

(1)将钛酸四丁酯与无水乙醇按质量比1：10混合，并加入钛酸四丁酯质量1～2倍的乙酰丙酮和钛酸四丁酯质量1～2倍的质量分数为10％的硝酸钾溶液，搅拌反应后，过滤，得四钛酸钾坯料，将四钛酸钾坯料粉碎后于温度为700～850℃的条件下煅烧2～5h后，得四钛酸钾；

(2)将步骤(1)所得四钛酸钾用质量分数为10％的盐酸洗涤2～6次后，将洗涤后的四钛酸钾与质量分数为烷基双胺溶液按质量比1：8混合，并于功率为480W的微波条件下反应2～4h后，过滤，得滤饼，将滤饼于温度为80℃的条件下干燥30min后，得预处理四钛酸钾，将预处理四钛酸钾与缓冲溶液按质量比1：12混合，并加入预处理四钛酸钾质量0.2～0.6倍的大豆分离蛋白、预处理四钛酸钾质量0.3～0.5倍的1-(3-二甲氨基丙基-3)-乙基碳二亚胺盐酸盐、预处理四钛酸钾质量0.3～0.8倍的N-羟基琥珀酰亚胺，搅拌反应后，过滤，干燥，得改性四钛酸钾，将改性四钛酸钾与质量分数为60％的乙醇溶液按质量比1：20混合于烧瓶中，并向烧瓶中加入改性四钛酸钾质量1～4倍的正硅酸乙酯，调节烧瓶内物料的pH至10～11后，于温度为40℃的条件下搅拌反应6h后，过滤，得复合添加剂坯料，将复合添加剂坯料于温度为65℃的条件下干燥5h，得复合添加剂；

(3)将铝合金坯料加热至熔融，并向熔融的铝合金坯料中加入铝合金坯料质量0.01精炼剂和铝合金坯料质量0.02倍的步骤(2)所得复合添加剂，于氮气氛围加热至1200～1500℃，混合1～2h后，降温至750～850℃，并浇筑，得高韧性耐磨铝合金。

作为优化，步骤(3)所述精炼剂为氯化钠、氟硅化钠、氟化钙、氟铝化钠和氟化钠中的至少一种。

作为优化，步骤(2)所述缓冲溶液为将2-(N-***林)乙醇磺酸与水按质量比1：12混合，调节pH至5.5，得缓冲溶液。

作为优化，步骤(2)所述烷基双胺溶液为质量分数为8％的1,4-丁二胺乙醇溶液或质量分数为10％的1,8-辛二胺乙醇溶液。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明在制备高韧性耐磨铝合金时加入复合添加剂，首先，复合添加剂中含有四钛酸钾，四钛酸钾为片层结构，在加入产品中后，可保护铝合金，从而提高产品的耐磨性能，且四钛酸钾具有高温亚稳态性能，即在高温状态下，四钛酸钾分子可发生聚合，从而形成六钛酸钾，进而在加入铝合金中后可提高浇筑后铝合金内的结合力，进而提高产品的韧性，其次，四钛酸钾层间接枝有烷基双胺和大豆分离蛋白，并且在大豆分离蛋白外侧还包覆有一层二氧化硅，在加入产品中后，二氧化硅可在高温状态下保护烷基双胺和大豆分离蛋白，使其发生碳化形成细小碳粒，并且，在氮气通入后，二氧化硅可与碳粒发生碳热还原反应，从而在四钛酸钾表面形成氮化硅，进而提高铝合金的耐磨性，同时，在碳热还原反应过程中会形成一定量一氧化碳气体，从而可促进复合添加剂的均匀分布，进而进一步提高产品的力学性能和耐磨性；最后由于在反应后，二氧化硅含量降低，从而使得产品内部有其他杂质含量也随之降低，进而使得产品的力学性能得到提高。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了更清楚的说明本发明提供的方法通过以下实施例进行详细说明，在以下实施例中制作的高韧性耐磨铝合金的各指标测试方法如下：

韧性测试：用万能拉力仪测试各实施例所得高韧性耐磨铝合金与对比例产品的抗拉强度和断裂伸长率。

耐磨性测试：将各实施例所得高韧性耐磨铝合金与对比例产品在温度为220℃，压力为150N的条件下摩擦24h后，测量各铝合金的磨损量。

实施例1

一种高韧性耐磨铝合金，按重量份数计，主要包括：50份铝合金坯料，0.5份精炼剂和1份复合添加剂。

一种高韧性耐磨铝合金的加工工艺，所述高韧性耐磨铝合金的加工工艺主要包括以下制备步骤：

(1)将钛酸四丁酯与无水乙醇按质量比1：10混合，并向钛酸四丁酯与无水乙醇的混合物中加入钛酸四丁酯质量1倍的乙酰丙酮和钛酸四丁酯质量1.5倍的质量分数为10％的硝酸钾溶液，于温度为55℃，转速为300r/min的条件下搅拌反应6h后，过滤，得四钛酸钾坯料，将四钛酸钾坯料粉碎后并于温度为720℃的条件下煅烧4h后，出料，得四钛酸钾；

(2)将步骤(1)所得四钛酸钾用质量分数为10％的盐酸洗涤5次后，将洗涤后的四钛酸钾与质量分数为烷基双胺溶液按质量比1：8混合，并于功率为480W的微波条件下反应3h后，过滤，得滤饼，将滤饼于温度为80℃的条件下干燥30min，得预处理四钛酸钾，将预处理四钛酸钾与缓冲溶液按质量比1：12混合，并加入预处理四钛酸钾质量0.5倍的大豆分离蛋白、预处理四钛酸钾质量0.3倍的1-(3-二甲氨基丙基-3)-乙基碳二亚胺盐酸盐、预处理四钛酸钾质量0.6倍的N-羟基琥珀酰亚胺，于温度为30℃，转速为350r/min的条件下搅拌反应后4h后，过滤，得改性四钛酸钾坯料，将改性四钛酸钾坯料于温度为80℃的条件下干燥2h，得改性四钛酸钾，将改性四钛酸钾与质量分数为60％的乙醇溶液按质量比1：20混合于烧瓶中，并向烧瓶中加入改性四钛酸钾质量3倍的正硅酸乙酯，调节烧瓶内物料的pH至11后，于温度为40℃的条件下搅拌反应6h，过滤，得复合添加剂坯料，将复合添加剂坯料于温度为65℃的条件下干燥5h，得复合添加剂；

(3)将铝合金坯料加热至熔融，并向熔融的铝合金坯料中加入铝合金坯料质量0.01精炼剂和铝合金坯料质量0.02倍的步骤(2)所得复合添加剂，于氮气氛围加热至1350℃，混合1h后，降温至850℃，并浇筑，得高韧性耐磨铝合金。

作为优化，步骤(3)所述精炼剂为氯化钠和氟硅化钠按质量比1：1混合所得。

作为优化，步骤(3)所述铝合金坯料中各元素含量为：硅的含量为14.5％，铁的含量为0.7％，铜的含量为2.8％，锰的含量为0.7％，镁的含量为0.45％，锌的含量为1％，铬的含量为0.25％，钛的含量为0.1％，镍的含量≤0.1％，铅的含量≤0.1％，锡的含量≤0.2％，镉的含量≤0.01％，其余含量为铝和无法去除的杂质。

作为优化，步骤(2)所述缓冲溶液为将2-(N-***林)乙醇磺酸与水按质量比1：12混合，调节pH至5.5，得缓冲溶液。

作为优化，步骤(2)所述烷基双胺溶液为质量分数为8％的1,4-丁二胺乙醇溶液

实施例2

一种高韧性耐磨铝合金，按重量份数计，主要包括：50份铝合金坯料，0.5份精炼剂和1份复合添加剂。

一种高韧性耐磨铝合金的加工工艺，所述高韧性耐磨铝合金的加工工艺主要包括以下制备步骤：

(1)将钛酸四丁酯与无水乙醇按质量比1：10混合，并向钛酸四丁酯与无水乙醇的混合物中加入钛酸四丁酯质量1倍的乙酰丙酮和钛酸四丁酯质量1.5倍的质量分数为10％的硝酸钾溶液，于温度为55℃，转速为300r/min的条件下搅拌反应6h后，过滤，得四钛酸钾坯料，将四钛酸钾坯料粉碎后并于温度为720℃的条件下煅烧4h后，出料，得四钛酸钾；

(2)将步骤(1)所得四钛酸钾用质量分数为10％的盐酸洗涤5次后，将洗涤后的四钛酸钾与缓冲溶液按质量比1：12混合，并加入预处理四钛酸钾质量0.5倍的大豆分离蛋白、预处理四钛酸钾质量0.3倍的1-(3-二甲氨基丙基-3)-乙基碳二亚胺盐酸盐、预处理四钛酸钾质量0.6倍的N-羟基琥珀酰亚胺，于温度为30℃，转速为350r/min的条件下搅拌反应后4h后，过滤，得改性四钛酸钾坯料，将改性四钛酸钾坯料于温度为80℃的条件下干燥2h，得改性四钛酸钾，将改性四钛酸钾与质量分数为60％的乙醇溶液按质量比1：20混合于烧瓶中，并向烧瓶中加入四钛酸钾质量3倍的正硅酸乙酯，调节烧瓶内物料的pH至11后，于温度为40℃的条件下搅拌反应6h，过滤，得复合添加剂坯料，将复合添加剂坯料于温度为65℃的条件下干燥5h，得复合添加剂；

(3)将铝合金坯料加热至熔融，并向熔融的铝合金坯料中加入铝合金坯料质量0.01精炼剂和铝合金坯料质量0.02倍的步骤(2)所得复合添加剂，于氮气氛围加热至1350℃，混合1h后，降温至850℃，并浇筑，得高韧性耐磨铝合金。

作为优化，步骤(3)所述精炼剂为氯化钠和氟硅化钠按质量比1：1混合所得。

作为优化，步骤(3)所述铝合金坯料中各元素含量为：硅的含量为14.5％，铁的含量为0.7％，铜的含量为2.8％，锰的含量为0.7％，镁的含量为0.45％，锌的含量为1％，铬的含量为0.25％，钛的含量为0.1％，镍的含量≤0.1％，铅的含量≤0.1％，锡的含量≤0.2％，镉的含量≤0.01％，其余含量为铝和无法去除的杂质。

作为优化，步骤(2)所述缓冲溶液为将2-(N-***林)乙醇磺酸与水按质量比1：12混合，调节pH至5.5，得缓冲溶液。

实施例3

一种高韧性耐磨铝合金，按重量份数计，主要包括：50份铝合金坯料，0.5份精炼剂和1份复合添加剂。

一种高韧性耐磨铝合金的加工工艺，所述高韧性耐磨铝合金的加工工艺主要包括以下制备步骤：

(1)将钛酸四丁酯与无水乙醇按质量比1：10混合，并向钛酸四丁酯与无水乙醇的混合物中加入钛酸四丁酯质量1倍的乙酰丙酮和钛酸四丁酯质量1.5倍的质量分数为10％的硝酸钾溶液，于温度为55℃，转速为300r/min的条件下搅拌反应6h后，过滤，得四钛酸钾坯料，将四钛酸钾坯料粉碎后并于温度为720℃的条件下煅烧4h后，出料，得四钛酸钾；

(2)将步骤(1)所得四钛酸钾用质量分数为10％的盐酸洗涤5次后，将洗涤后的四钛酸钾与质量分数为烷基双胺溶液按质量比1：8混合，并于功率为480W的微波条件下反应3h后，过滤，得滤饼，将滤饼于温度为80℃的条件下干燥30min，得预处理四钛酸钾，将预处理四钛酸钾与缓冲溶液按质量比1：12混合，并加入预处理四钛酸钾质量0.5倍的大豆分离蛋白、预处理四钛酸钾质量0.3倍的1-(3-二甲氨基丙基-3)-乙基碳二亚胺盐酸盐、预处理四钛酸钾质量0.6倍的N-羟基琥珀酰亚胺，于温度为30℃，转速为350r/min的条件下搅拌反应后4h后，过滤，得改性四钛酸钾坯料，将改性四钛酸钾坯料于温度为80℃的条件下干燥2h，得改性四钛酸钾，将正硅酸乙酯与质量分数为60％的乙醇溶液按质量比3：20混合于烧瓶中，调节烧瓶内物料的pH至11后，于温度为40℃的条件下搅拌反应6h，过滤，得二氧化硅，将二氧化硅与改性四钛酸钾按质量比2：1混合，得复合添加剂；

(3)将铝合金坯料加热至熔融，并向熔融的铝合金坯料中加入铝合金坯料质量0.01精炼剂和铝合金坯料质量0.02倍的步骤(2)所得复合添加剂，于氮气氛围加热至1350℃，混合1h后，降温至850℃，并浇筑，得高韧性耐磨铝合金。

作为优化，步骤(3)所述精炼剂为氯化钠和氟硅化钠按质量比1：1混合所得。

作为优化，步骤(3)所述铝合金坯料中各元素含量为：硅的含量为14.5％，铁的含量为0.7％，铜的含量为2.8％，锰的含量为0.7％，镁的含量为0.45％，锌的含量为1％，铬的含量为0.25％，钛的含量为0.1％，镍的含量≤0.1％，铅的含量≤0.1％，锡的含量≤0.2％，镉的含量≤0.01％，其余含量为铝和无法去除的杂质。

作为优化，步骤(2)所述烷基双胺溶液为质量分数为8％的1,4-丁二胺乙醇溶液

对比例

一种高韧性耐磨铝合金，按重量份数计，主要包括：50份铝合金坯料，0.5份精炼剂和1份复合添加剂。

一种高韧性耐磨铝合金的加工工艺，所述高韧性耐磨铝合金的加工工艺主要包括以下制备步骤：

(1)将钛酸四丁酯与无水乙醇按质量比1：10混合，并向钛酸四丁酯与无水乙醇的混合物中加入钛酸四丁酯质量1倍的乙酰丙酮和钛酸四丁酯质量1.5倍的质量分数为10％的硝酸钾溶液，于温度为55℃，转速为300r/min的条件下搅拌反应6h后，过滤，得四钛酸钾坯料，将四钛酸钾坯料粉碎后并于温度为720℃的条件下煅烧4h后，出料，得四钛酸钾；

(2)将步骤(1)所得四钛酸钾用质量分数为10％的盐酸洗涤5次后，得预处理四钛酸钾，将预处理四钛酸钾与缓冲溶液按质量比1：12混合，并加入预处理四钛酸钾质量0.5倍的大豆分离蛋白、预处理四钛酸钾质量0.3倍的1-(3-二甲氨基丙基-3)-乙基碳二亚胺盐酸盐、预处理四钛酸钾质量0.6倍的N-羟基琥珀酰亚胺，于温度为30℃，转速为350r/min的条件下搅拌反应后4h后，过滤，得改性四钛酸钾坯料，将改性四钛酸钾坯料于温度为80℃的条件下干燥2h，得改性四钛酸钾，将正硅酸乙酯与质量分数为60％的乙醇溶液按质量比3：20混合于烧瓶中，调节烧瓶内物料的pH至11后，于温度为40℃的条件下搅拌反应6h，过滤，得二氧化硅，将二氧化硅与改性四钛酸钾按质量比2：1混合，得复合添加剂；

(3)将铝合金坯料加热至熔融，并向熔融的铝合金坯料中加入铝合金坯料质量0.01精炼剂和铝合金坯料质量0.02倍的步骤(2)所得复合添加剂，于氮气氛围加热至1350℃，混合1h后，降温至850℃，并浇筑，得高韧性耐磨铝合金。

作为优化，步骤(3)所述精炼剂为氯化钠和氟硅化钠按质量比1：1混合所得。

作为优化，步骤(3)所述铝合金坯料中各元素含量为：硅的含量为14.5％，铁的含量为0.7％，铜的含量为2.8％，锰的含量为0.7％，镁的含量为0.45％，锌的含量为1％，铬的含量为0.25％，钛的含量为0.1％，镍的含量≤0.1％，铅的含量≤0.1％，锡的含量≤0.2％，镉的含量≤0.01％，其余含量为铝和无法去除的杂质。

效果例

下表1给出了采用本发明实施例1至3与对比例的高韧性耐磨铝合金的性能分析结果。

表1

从表1中实施例1与对比例的实验数据比较可发现，在制备高韧性耐磨铝合金时加入复合添加剂可有效提高铝合金的韧性和耐磨性能，从实施例1与实施例2的实验数据比较可发现，当在产品中加入的复合添加剂中不含有烷基双胺时，在产品制备过程中大豆分离蛋白无法吸附于四钛酸钾表面，因此无法形成碳单质，从而无法在铝合金熔融混合过程中形成碳化硅，从而影响产品的耐磨性，并且，由于二氧化硅杂质含量较高，从而降低铝合金的力学性能；从实施例1与实施例3的实验数据比较可发现，当在产品中加入的复合添加剂中二氧化硅与预处理四钛酸只是简单共混时，复合添加剂在加入铝合金中后无法有效形成碳化硅，进而影响产品的性能。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何标记视为限制所涉及的权利要求。