一种耐磨铝合金销轴的制备方法与流程

本发明属于铝合金领域，特别是一种耐磨铝合金销轴的制备方法。

背景技术：

销轴在工作中承受较高的剪切和弯曲载荷，其常以磨损和疲劳的形式失效。目前，工程机械领域采用40Cr、42CrMo、35CMo等合金钢材料为原料，经由调质→车削→磨削→表面镀铬的方法制备销轴。其中，调质处理的方法生产周期长，能耗大，成本高，环境污染严重。

另外，为了进一步提高销轴的耐磨性能和强度，在采用调质钢基础上，现有技术还采用表面淬火和表面渗碳等工艺代替表面镀铬。该方法在提高销轴表面硬度的同时，还能消除其径向性能的突变，提升使用寿命。但表面淬火和表面渗碳的工艺流程复杂、成本高、污染大。

技术实现要素：

鉴于现有技术中存在的一个或多个问题，本发明的一个目的是提供一种铝合金零件(例如销轴)的制备方法，本发明的再一个目的是提供一种耐磨铝合金零件(例如销轴)的制备方法，本发明的再一个目的是提供一种耐磨铝合金零件(例如销轴)。

发明人发现，采用特定的铝合金成分，配合本发明特有的工艺，可制备得到特定性能的铝合金材料，该铝合金材料特别适合用于制备铝合金零件，尤其是铝合金销轴。本发明铝合金销轴具有较好的综合性能，尤其是具有较高的硬度和耐磨性。

基于发明人的上述发现，本发明提供如下几方面的内容：

本发明第一方面提供一种铝合金零件的制备方法，该方法包含以下步骤：

i)挤压铝合金坯料，获得铝合金零件毛坯；

ii)对铝合金零件毛坯进行固溶和时效处理；

固溶的温度为480℃～560℃；

固溶的时间为2小时～6小时；

时效的温度为140℃～185℃；

时效的时间为2小时～7小时。

在一个优选的实施方案中，本发明前述任一项的方法，其中，固溶的温度为500℃～540℃，优选520℃～540℃，例如510℃、520℃或530℃。

在一个优选的实施方案中，本发明前述任一项的方法，其中，固溶的时间为2.5小时～5.5小时，例如3小时～4小时，例如3.5小时、4.5小时或5小时。

在一个优选的实施方案中，本发明前述任一项的方法，其中，时效的温度为150℃～180℃，例如160℃～175℃，例如155℃、165℃或170℃。

在一个优选的实施方案中，本发明前述任一项的方法，其中，时效的时间为3小时～6小时，例如3小时～5小时，例如4小时、4.5小时或5.5小时。

在一个优选的实施方案中，本发明前述任一项的方法，铝合金坯料中各元素的质量百分比为：

Si：10.0％～15.0％(例如11％～13.5％，再例如13％～14％)；

Cu：0.5％～2.0％(例如0.5％～1.5％，再例如1％～1.5％)；

Mg：0.8％～1.5％(例如0.8％～1.3％，再例如1％～1.4％)；

Ni：0.50％～2.0％(例如0.5％～1.2％，再例如1％～1.2％)；

Zn：≤0.3％(例如Zn≤0.25％)；

Fe：≤1.0％；

Al：余量；

可选地，其中还包含其它杂质元素，其它杂质元素的质量百分比为：每种杂质元素≤0.05％，总量≤0.15％。

在一个优选的实施方案中，本发明前述任一项的方法，其中，挤压的参数选自以下的一项或多项：

a)挤压比为4～30(例如5～20，再例如5～10)；

b)挤压温度为400℃～500℃(例如420℃～480℃，再例如440℃～480℃)；

c)挤压速度为1.5m/min～20m/min(例如2m/min～6m/min，再例如4m/min～6m/min)。

在一个优选的实施方案中，本发明前述任一项的方法，该方法还包括：超声判断挤压废区并去除挤压废区的步骤。超声判断挤压废区并去除挤压废区的步骤优选在步骤i)和ii)之间进行。例如，超声判断铝合金零件毛坯的挤压废区并去除挤压废区。优选采用超声探伤仪判断挤压废区。

在一个优选的实施方案中，本发明前述任一项的方法，该方法还包括：机械加工的步骤。机械加工的步骤优选在步骤ii)之后进行。例如，根据实际需要，对固溶和时效处理后的铝合金零件毛坯进行机械加工，获得所需尺寸的机械加工件。

在一个优选的实施方案中，本发明前述任一项的方法，该方法还包括表面处理的步骤，所述表面处理优选为微弧氧化或阳极氧化。表面处理的步骤优选在机械加工的步骤之后进行。例如，对机械加工件进行表面处理。表面处理可以增加零件表面的耐磨性。

在一个优选的实施方案中，本发明前述任一项的方法，其中，微弧氧化的参数为选自以下的一项或多项：

d)电解液选自NaOH溶液、Na₃PO₄溶液、Na₂SiO₃溶液或其组合；

e)电解液的pH值为8～9(例如8.3～8.7)；

f)电解液的温度为20℃～70℃(例如40℃～70℃，再例如55℃～70℃)；

g)氧化时间为1小时～5小时(例如1.5小时～3小时，再例如1.5小时～2小时)。

h)微弧氧化电压485V～510V(例如500V)，阳极电流为5A～6A(例如5.5A)。

在一个优选的实施方案中，本发明前述任一项的方法，铝合金坯料通过半连续或连续铸造的方法获得。

在一个优选的实施方案中，本发明前述任一项的方法，铝合金坯料为棒状。

在一个优选的实施方案中，本发明前述任一项的方法，在半连续或连续铸造中，结晶器的口径为所制备铝合金零件直径的2.5倍～7.5倍(例如2倍～3倍，再例如2.25倍、2.5倍或3倍)。

在一个优选的实施方案中，本发明前述任一项的方法，铝合金坯料的直径为铝合金零件直径的2.5倍～7.5倍(例如2倍～3倍，再例如2.25倍、2.5倍或3倍)。

在一个优选的实施方案中，本发明前述任一项的方法，所述铝合金坯料是半固态坯料。

在一个优选的实施方案中，本发明前述任一项的方法，该方法包括以下步骤的一步或多步：

1)采用半连续或连续铸造获得铝合金坯料；

2)挤压所述铝合金坯料，获得铝合金零件毛坯；

3)超声判断挤压废区，并去除挤压废区；

4)对铝合金零件毛坯进行固溶和时效处理；

5)机械加工；

6)表面处理。

在一个优选的实施方案中，本发明前述任一项的方法，该方法按照由1)到6)的顺序进行。

在一个优选的实施方案中，本发明前述任一项的方法，该方法包括以下步骤：

1)采用半连续铸造制得直径优选为90mm～120mm的铝合金坯锭坯料，按重量计，铝合金成分可以为：Si:11.0％～13.5％、Cu:0.5％～1.5％、Mg:0.8％～1.3％、Ni:0.50％～1.2％、Zn:≤0.25％、Fe:≤1.0％、Al:余量；

2)挤压铝合金坯料，挤压比可以为5.0～9.0，挤压温度可以为420℃～480℃，挤压速度可以为2.0m/min～6.0m/min，获得挤压毛坯件；

3)采用超声探伤仪判断挤压毛坯件挤压废区的尺寸，去除挤压废区；

4)对铝合金毛坯件进行固溶和时效处理，固溶温度可以为500℃～540℃，固溶时间可以为3小时～4小时，时效温度可以为150℃～175℃，时效时间可以为3小时～6小时。

5)将固溶时效处理后的铝合金毛坯件机械加工至所需零件(销轴)的尺寸，获得机械加工毛坯件。

6)对机械加工毛坯件进行表面微弧氧化处理，电解液可以为Na₃PO₄、NaOH或Na₂SiO₃溶液，电解液的pH值可以为8～9，电解液温度可以为40℃～70℃，微弧氧化的时间可以为1.5小时～3小时。

图2示出本发明的一种耐磨铝合金销轴制备方法的流程图，如图所示，在一个优选的实施方案中，本发明前述任一项的方法，该方法可以依次包括以下的一步或多步：熔炼合金铸造半固态坯锭、挤压获得挤压料棒、超声判定挤压废料区、固溶时效处理、机加工、表面微弧氧化，进而获得高耐磨铝合金销轴。

在一个优选的实施方案中，本发明前述任一项的方法，所述铝合金零件是铝合金销轴。

本发明第二方面提供一种铝合金零件，其本发明前述任一项的方法制备而成。

在一个优选的实施方案中，本发明前述任一项的铝合金零件，其具有以下一项或多项特征：

i)表面粗糙度≤2.5微米(例如≤2.4微米，再例如为2.1～2.4微米)；

j)表面硬度为160HV～210HV(例如为170HV～200HV，再例如为180HV～200HV，再例如为190HV～200HV)；

k)疲劳载荷：在最大载荷为27吨的疲劳载荷实验中，至少60万次不断裂，优选至少80万次不断裂，再优选至少100万次不断裂。

在一个优选的实施方案中，本发明疲劳载荷试验为三点弯曲疲劳试验，采用正弦加载方式，最大载荷为27吨(或215MPa)，最小载荷为21.6吨(或172MPa)，循环周期为3s。

本发明第三方面提供一种铝合金零件，其具有以下一项或多项特征：

i)表面粗糙度≤2.5微米(例如≤2.4微米，再例如为2.1微米～2.4微米)；

j)表面硬度为160HV～210HV(例如为170HV～200HV，再例如为180HV～200HV，再例如为190HV～200HV)；

k)疲劳载荷：在27吨载荷下至少60万次不断裂，优选至少80万次不断裂，再优选至少100万次不断裂。

在一个优选的实施方案中，本发明前述任一项的铝合金零件，所述铝合金零件为铝合金销轴。

在一个优选的实施方案中，本发明的铝合金销轴的直径优选为20mm～60mm(例如30mm～50mm)，铝合金销轴的长度优选为100mm～200mm(例如140mm～180mm)。

本发明的挤压比可以是指：挤压前的坯料的横截面积与挤压后制品的横截面积之比。

本发明中，表面硬度和疲劳试验采用下述方法测试：

表面硬度测试：采用显微维氏硬度试验机测试，具体步骤可以参照GB/T 4340.1-2009。

疲劳试验方法：本试验采用成型及加工后的销轴成品进行疲劳测试。如图3所示，在专用的疲劳试验机上进行三点弯曲疲劳试验，将销轴整件安装在相应的实验工装上，然后将相应吨位的力值加载到工装上。具体地，销轴1固定于两个支撑3上，以加载2对销轴施加载荷。加载2的长度d1为约80mm，支撑3的长度d2为约40mm。采用正弦加载方式，最大载荷(即正弦波的波峰)为27吨，最小载荷(即正弦波的波谷)为21.6吨，循环周期为3s。使销轴经受循环载荷作用，记录其疲劳断裂时的次数。

除非特别说明，本发明中所述溶液均可以为水溶液；本发明中所述％均可以为质量％。

本发明中“≤”表示小于或等于，“≥”表示大于或等于。

在说明书和权利要求书中所有表示成分的量、反应条件等的数字在所有的情况下应被理解为由术语“约”修饰，除非另有指定。相应地，以下的说明书和所附权利要求书中给出的数值参数是近似值，其可根据本发明试图得到的所希望的性质而变化，除非有相反的指示。至少，且不打算限制等同原则在权利要求范围上的应用，每个数值参数应该至少按照所报道的有效数字的位数并按照通常的四舍五入技术来解释。

本发明的有益效果

本发明采用特定的铝合金成分和特定的工艺步骤，制备得到了高性能铝合金销轴，该铝合金销轴具有以下一项或多项优点：

(1)本发明铝合金销轴的耐磨性较好，例如粗糙度较低，或者再例如表面硬度较高；

(2)本发明铝合金销轴的疲劳性能较好，例如疲劳强度高，或者再例如疲劳寿命长；

(4)本发明铝合金销轴的质量轻；

(5)本发明铝合金销轴的制备方法具有步骤简单、成本低、环境友好、耗时短等一项或多项优点。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为本发明实施例1的销轴的示意图；

图2为本发明的一种耐磨铝合金销轴制备方法的流程图；

图3为本发明疲劳试验装置的示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

实施例1

采用半连续铸造制得直径为90mm的铝合金坯锭坯料，按重量计，铝合金成分为：Si:11.0、Cu:0.5、Mg:0.8、Ni:0.50、Zn:≤0.25、Fe:≤1.0、Al:余量。采用卧式挤压机正向挤压铝合金坯料，挤压比为5.0，挤压温度为420℃，挤压速度为6.0m/min，获得挤压毛坯件。采用超声探伤仪判断挤压毛坯件挤压废区的尺寸，测得挤压废区为铝合金毛坯件的头部450mm和尾部500mm，去除挤压废区。对铝合金毛坯件进行固溶和时效处理，固溶温度为500℃，固溶时间为4小时，时效温度为150℃，时效时间为6小时。将固溶时效处理后的铝合金毛坯件机械加工至所需零件(销轴)的尺寸，获得机械加工毛坯件。对机械加工毛坯件进行表面微弧氧化处理，电解液为Na₃PO₄水溶液，电解液的pH值为8.3，电解液温度为40℃，微弧氧化的时间3小时，微弧氧化电压500V，阳极电流为5.5A。获得实施例1的铝合金销轴成品。

图1示出实施例1的铝合金销轴的示意图，如图1所示，该铝合金销轴的尺寸为直径φ40mm，长度158mm。

经检测，该铝合金销轴的表面粗糙度为2.2μm，表面硬度170HV。在本发明的弯曲疲劳载荷实验中，该铝合金销轴在27吨(相当于215MPa，下同)的最大应力下循环100万次，未发生断裂。

实施例2

采用半连续铸造制得直径为100mm的铝合金坯锭坯料，按重量计，铝合金成分为：Si:13.0、Fe:≤1.0、Cu:1.0、Mg:1.0、Ni:1.0、Zn:≤0.25、Al:余量。采用卧式挤压机正向挤压铝合金坯料，挤压比为6.3，挤压温度为440℃，挤压速度为4.0m/min，获得挤压毛坯件。采用超声探伤仪判断挤压毛坯件挤压废区的尺寸，测得挤压废区为铝合金毛坯件的头部550mm和尾部600mm，去除挤压废区。对铝合金毛坯件进行固溶和时效处理，固溶温度为520℃，固溶时间为4小时，时效温度为160℃，时效时间为5小时。将固溶时效处理后的铝合金毛坯件机械加工至所需零件(销轴)的尺寸，获得机械加工毛坯件。对机械加工毛坯件进行表面微弧氧化处理，电解液为NaOH水溶液，电解液的pH值为8.7，电解液温度为55℃，微弧氧化的时间2.0小时，微弧氧化电压485V，阳极电流为5A。获得实施例2的铝合金销轴成品，该铝合金销轴的尺寸为直径φ40mm，长度158mm。

经检测，该铝合金销轴的表面粗糙度为2.1μm，表面硬度193HV。在弯曲疲劳载荷实验中，该铝合金销轴在27吨的最大应力下循环100万次，未发生断裂。

实施例3

采用半连续铸造制得直径为120mm的铝合金坯锭坯料，按重量计，铝合金成分为：Si:13.5、Fe:≤1.0、Cu:1.5、Mg:1.3、Ni:1.2、Zn:≤0.3、Al:余量。采用卧式挤压机正向挤压铝合金坯料，挤压比为5.0，挤压温度为420℃，挤压速度为2.0m/min，获得挤压毛坯件。采用超声探伤仪判断挤压毛坯件挤压废区的尺寸，测得挤压废区为铝合金毛坯件的头部300mm和尾部600mm，去除挤压废区。对铝合金毛坯件进行固溶和时效处理，固溶温度为540℃，固溶时间为3小时，时效温度为175℃，时效时间为3小时。将固溶时效处理后的铝合金毛坯件机械加工至所需零件(销轴)的尺寸，获得机械加工毛坯件。对机械加工毛坯件进行表面微弧氧化处理，电解液为Na₂SiO₃水溶液，电解液的pH值为8.7，电解液温度为70℃，微弧氧化的时间1.5小时，微弧氧化电压500V，阳极电流为5.5A。获得实施例3的铝合金销轴成品，该铝合金销轴的尺寸为直径φ40mm，长度158mm。

经检测，该铝合金销轴的表面粗糙度为2.4μm，表面硬度198HV。在本发明的弯曲疲劳载荷实验中，该铝合金销轴在27吨的最大应力下循环100万次，未发生断裂。

对比例1：

采用半连续铸造制得直径为60mm的铝合金坯锭坯料，铝合金成分为：Si:13.5、Fe:≤1.0、Cu:1.5、Mg:1.3、Ni:1.2、Zn:≤0.3、Al:余量。采用卧式挤压机正向挤压铝合金坯料，挤压比为2.25，挤压温度为550℃，挤压速度为2.0m/min，获得挤压毛坯件。采用超声探伤仪判断挤压毛坯件挤压废区的尺寸，测得挤压废区为铝合金毛坯件的头部500mm和尾部600mm，去除挤压废区。对铝合金毛坯件进行固溶和时效处理，固溶温度为460℃，固溶时间为1小时，时效温度为120℃，时效时间为10小时。将固溶时效处理后的铝合金毛坯件机械加工至所需零件(销轴)的尺寸，获得机械加工毛坯件。对机械加工毛坯件进行表面微弧氧化处理，电解液为Na₂SiO₃水溶液，电解液的pH值为8.5，电解液温度为50℃，微弧氧化的时间1.5小时，微弧氧化电压510V，阳极电流为6A。获得对比例1的铝合金销轴成品，该铝合金销轴的尺寸为直径φ40mm，长度158mm。

经检测，该铝合金销轴的表面粗糙度为2.6μm，表面硬度158HV。在本发明的弯曲疲劳载荷实验中，该铝合金销轴在27吨的最大应力下循环10万次，发生断裂。

可见，本发明铝合金销轴表面粗糙度较低，表面硬度较高，耐磨性好，且本发明铝合金销轴的疲劳性能也较好，疲劳强度高，疲劳寿命长。本发明铝合金销轴具有较好的综合性能。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。