本发明属于汽车材料及制备技术领域,具体涉及一种汽车空调压缩机用铝基叶片材料及制备方法。
背景技术:
汽车空调压缩机是汽车空调系统的核心部件,其功能是借助外力维持制冷剂在制冷系统内的循环,吸入来自蒸发器的低温、低压的制冷剂蒸汽,压缩制冷剂蒸汽使其温度和压力升高,并将制冷剂蒸汽送往冷凝器,在热量吸收和释放的过程中,实现热交换。目前我国汽车空调压缩机主要分为斜盘式、涡旋式以及旋叶式三大类。旋叶式空调压缩机的核心部件之一是旋转叶片(每个压缩机转子上配置5-10片叶片),并且转子上的旋转叶片将压缩机气缸分成若干个个空间(根据叶片数量),当主轴带动转子旋转一周时,这些空间的容积不断发生变化,制冷剂蒸汽在这些空间内也发生体积和温度上的变化,从而实现空调制冷。
目前汽车空调压缩机的叶片材料主要包括钢铁材质叶片、塑料材质叶片,以及铝合金材质叶片。钢铁叶片由于其比重大、服役过程中噪音和震动大,较难满足压缩机轻量化、低噪音的使用要求;塑料叶片则由于存在强度相对较低、易老化、不易回收等问题,也限制了该类型叶片的使用。铝合金叶片则具有比重低,强度高、容易塑性加工,热膨胀系数小(有利于保持尺寸稳定)、震动小等综合性能,已经在旋叶式汽车空调压缩机中获得了很大的应用。这类铝合金在设计时,考虑要保证叶片材料高的强度、低热膨胀系数,同时具有较好的耐冲击性能,常在纯铝中添加Cu、Mg等合金元素来达到提高叶片力学性能的目的,同时添加入一定含量的Si,起到降低材料热膨胀系数的效果,即Al-Cu-Mg-Si成分的铝合金可在一定程度上满足叶片的性能要求。例如目前已经有采用铸造法制备Al-Cu-Mg-(11~13)Si系合金叶片材料的报道。然而,Al-Cu-Mg-(11~13)Si系合金叶片材料的室温强度仅能达到300~400MPa,热膨胀系数为21~22×10-6K-1(25~200℃),高温强度200MPa左右,在实际应用过程中会出现以下问题:①因强度偏低导致叶片容易变形、磨损;②因热膨胀系数偏大导致叶片尺寸变形、卡死在压缩机转子槽内;③在压缩机长时间高温(200℃)工作环境下,由于叶片高温强度低,会出现叶片软化失效情况。为了解决上述问题,现阶段需要开发一种等新型的铝合金叶片材料,该材料要求具有高的室温强度和硬度、高的高温强度、更低的热膨胀系数、耐摩擦磨损等综合性能。
本发明在上述技术背景下,开发一种新型的汽车空调压缩机用铝合金叶片材料,该材料在Al-Cu-Mg-Si系合金基础上,通过添加Fe、Ni或Ag等元素来提高Al-Cu-Mg-Si合金的高温耐热性能(形成AlFe、AlFeNi、Ω等耐热相);添加更高含量(达到16~25%)的Si来降低材料的热膨胀系数;添加具有优异减磨润滑作用,超高硬度的Si3N4第二相颗粒来提高材料的强度硬度、降低材料的摩擦系数和磨损量,增加耐磨性。在上述思路下,本发明的新型叶片材料成分为Si3N4/Al-Cu-Mg-Si-X(Fe,Ni,Ag)。
分析Si3N4/Al-Cu-Mg-Si-X(Fe,Ni,Ag)成分,并结合材料学的相关理论知识可知:①要保证叶片材料具有较高的力学性能,材料中的Si颗粒尺寸必须细小,不能出现铸造方法中的大尺寸、板条状过共晶Si(16~25%Si属于过共晶Si,铸造方法的Si组织粗大)。因此,叶片材料不能采用传统的铸造方法制备,只能采用快速凝固(如粉末冶金气雾化快速冷却)进行制备,以便抑制Si颗粒的异常长大。②要保证叶片材料具有高的高温性能,例如在压缩机200℃左右的工作环境下仍具有较高的高温强度,必须要求材料中的AlFe、AlFeNi、Ω等耐热相尺寸细小,不能出现类似鋳造法中出现的大尺寸耐热相出现(割裂基体),造成高温强度低的现象。而细小的耐热相组织只能采用快速凝固方法(例如粉末冶金气雾化快冷工艺)进行制备。③要保证减磨强化作用的Si3N4颗粒在铝合金基体中均匀分散,必须采用合理的制备工艺,如粉末冶金工艺来实现细小颗粒的均匀分散(搅拌鋳造法虽也可实现Si3N4颗粒分散,但过高的制备温度易造成合金中Si颗粒和耐热相异常长大,降低力学性能)。综合考虑上述因素,本发明采用粉末冶金工艺制备新型Si3N4/Al-Cu-Mg-Si-X(Fe,Ni,Ag)材料,获得具有细小尺寸的Si颗粒和耐热相组织、优异的室温和高温强度、高硬度、低热膨胀系数综合性能的材料,并最终实现在汽车空调压缩机叶片上的应用。
技术实现要素:
本发明针对现有汽车空调压缩机用叶片材料的不足,提供了一种汽车空调压缩机用铝基叶片材料及制备方法,其特征在于,该材料由Al-Cu-Mg-Si-X合金和Si3N4组成,其中,Al-Cu-Mg-Si-X的体积分数为90%~100%,Si3N4体积百分数为0~10%;所述材料中Si颗粒和耐热相尺寸不大于5μm,材料密度为2.72~2.85g/cm3,硬度90~98HRB,拉伸强度475~560MPa,延伸率1.0~3.0%,200℃时强度230~300MPa,摩擦系数0.20~0.36,磨损量14.5~23.6mg,热膨胀系数为17.0~18.0×10-6K-1。
所述Al-Cu-Mg-Si-X合金中的X组元为Fe、Ni、Ag、Fe-Ni、Fe-Ag、Ni-Ag、Fe-Al、Ni-Al中的一种。
所述Al-Cu-Mg-Si-X合金中,按重量百分比计,各金属成分的含量为:Cu含量为3.0~6.0%,Mg含量为0.8~1.8%,Si含量为16~25%,X含量为0~7%,余量为Al。
一种汽车空调压缩机用铝基叶片材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将Al锭、Cu锭、Mg锭、Si块,X组分按比例进行配置,在真空炉内加热进行熔炼制备Al-Cu-Mg-Si-X合金坯锭;
(2)对真空熔炼制备的Al-Cu-Mg-Si-X合金坯锭进行气雾化制粉;
(3)将Al-Cu-Mg-Si-X雾化粉末、Si3N4粉末按比例装入球磨机中进行混粉;
(4)将球磨混合后的Si3N4/Al-Cu-Mg-Si-X粉末进行冷等静压成型,将冷等静压后的坯锭装入金属包套进行真空除气,然后对真空除气后的坯锭进行挤压成型;
(5)对挤压后的坯料进行固溶时效处理强化。
步骤(1)中所述Al锭、Cu锭、Mg锭、Si块纯度均>99.9%,X组元纯度>99.5%;Al-Cu-Mg-Si-X坯锭真空熔炼温度750~950℃,真空度≤10-2Pa。
步骤(2)中Al-Cu-Mg-Si-X合金坯锭化料温度750~950℃,保温时间10-15min;气雾化浇注温度750~950℃,雾化保护气氛为氮气、氩气或氦气中的一种,气体纯度≥99.5%。
步骤(3)中所述的Si3N4粉末的平均粒径为1.0~10μm,纯度>99.5%。
步骤(3)中所述的Si3N4粉末表面涂覆一层Cu或Ni金属薄膜,薄膜的厚度为2nm~20nm,涂覆方式为电镀、化学镀、化学气相沉积工艺中的一种。
步骤(4)所述冷等静压压力为100~200MPa,保压时间为10~30min,冷压坯相对致密度为60%~80%。
步骤(4)所述真空除气用金属包套材质为纯Al或6061Al中的一种,包套厚度为2~6mm。
步骤(4)所述的真空除气的温度为420~560℃,保温时间为30~90min。
步骤(4)所述的挤压坯料加热温度420-520℃,挤压模具温度400~500℃,挤压比为10:1~30:1。
步骤(5)中所述固溶温度450~520℃,保温时间1~3h;水冷,水温20~30℃;时效温度160~220℃,保温时间2~10h。
本发明的优点在于:
通过在Al-Cu-Mg-Si中加入特定含量、特定粒径的Si3N4颗粒,进一步增强了铝合金基体的强度外,还提高了材料的耐磨性;在Al-Cu-Mg-Si中添加Fe、Ni、Ag元素形成耐热相,提高了材料的高温强度;在Al-Cu-Mg-Si中将Si含量进一步增加到16~25%的程度,进一步降低了材料的热膨胀系数,利于材料尺寸稳定。本发明的新型叶片材料具有密度低、高温强度高、线膨胀系数低、耐磨损的综合性能,能够满足汽车空调压缩机叶片轻质、高强、耐磨、长使用寿命的综合要求。
传统铸造工艺由于制备温度高(高于合金液相线),合金中的Si颗粒和耐热相(例如AlFe相)尺寸粗大,容易割裂基体,材料力学性能较差;本发明叶片的制备工艺为粉末冶金工艺,通过粉末气雾化过程中的氮气(氩气、氦气)等气体的快速凝固作用,合金容易获得尺寸细小的Si颗粒和耐热相,有利于材料力学性能的提高;本发明采用的粉末冶金工艺为典型的固相工艺,烧结温度低,在将气雾化粉末制备成坯锭过程中,Si颗粒和耐热相长大程度较小,保持了细小颗粒组织,维持材料高的力学性能。
附图说明
图1为5%Si3N4/Al-Cu-Mg-Si-Fe材料光学显微照片;
图2是汽车空调压缩机用铝基叶片材料的制备工艺流程图。
具体实施方式
本发明提供了一种汽车空调压缩机用铝基叶片材料及制备方法,以下结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述,但本发明的实施方式不仅限于此。
如图2所示,本发明叶片材料的制备工艺为:Al-Cu-Mg-Si-X(Fe,Ni,Ag)合金坯锭真空熔炼、气雾制粉、Al-Cu-Mg-Si-X雾化粉末与Si3N4颗粒混合、冷等静压成型、冷压坯锭装包套、真空除气、坯锭挤压成型、固溶时效处理最后获得叶片材料。
实施例1
本实施例所制备的叶片材料为Al-4.5Cu-1.0Mg-20Si-6.0Fe(4.5,1.0,20和6.0表示Cu、Mg、Si、Fe的质量百分数分别为4.5%,1.0%,20%,6.0%)。
首先将Al锭(纯度>99.9%)、Cu锭(纯度>99.9%)、Mg锭(纯度>99.9%)、Si块(纯度>99.9%)、Al-Fe中间合金(杂质<0.5%)按比例进行配置,在真空炉内进行熔炼制备Al-Cu-Mg-Si-Fe合金坯锭,熔炼温度850℃,真空度<10-2Pa;对熔炼的Al-Cu-Mg-Si-Fe坯锭进行气雾化制粉,坯锭化料温度850℃,气雾化浇注温度800℃,雾化介质为氮气(纯度>99.5%);将雾化后的粉末进行冷等静压成型,冷等静压压力120MPa,保压时间20min;冷等静压后的坯锭装入6061Al包套并进行焊接,之后将包套放入井式电阻炉内进行真空除气,除气温度550℃,真空度小于1×10-2Pa;将真空除气后带包套的Al-Cu-Mg-Si-Fe坯料进行热挤压,坯料加热温度500℃,挤压模具加热温度500℃,挤压比10:1;挤压后的材料进行固溶时效处理,固溶温度510℃,保温时间2h,25℃水冷。时效温度160℃,保温时间10h。
所得的Al-4.5Cu-1.0Mg-20Si-6.0Fe材料Si颗粒和耐热相最大尺寸4μm,材料密度为2.79g/cm3,致密度接近100%,热膨胀系数17.5×10-6K-1(25~200℃),室温拉伸强度480MPa,延伸率3.0%,硬度92HRB,200℃拉伸强度235MPa,平均摩擦系数为0.35(摩擦系数测试实验条件为摩擦对偶GCr12,附加载荷100N,转速250转/分钟),磨损量为23.0mg(耐磨性实验条件为摩擦对偶GCr12,附加载荷600N,转速60转/分钟,测试时间20min)。
实施例2
本实施例所制备的叶片材料为Al-4.6Cu-1.4Mg-22Si-6.5Ni(4.6,1.4,22和6.5表示Cu、Mg、Si、Ni的质量百分数分别为4.6%,1.4%,22%,6.5%)。
首先将Al锭(纯度>99.9%)、Cu锭(纯度>99.9%)、Mg锭(纯度>99.9%)、Si块(纯度>99.9%)、Al-Ni中间合金(杂质<0.5%)按比例进行配置,在真空炉内进行熔炼制备Al-Cu-Mg-Si-Ni合金坯锭,熔炼温度900℃,真空度<10-2Pa;对熔炼的Al-Cu-Mg-Si-Ni坯锭进行气雾化制粉,坯锭化料温度850℃,气雾化浇注温度780℃,雾化介质为氦气(纯度>99.5%);将雾化后的粉末进行冷等静压成型,冷等静压压力180MPa,保压时间30min;冷等静压后的坯锭装入6061Al包套并进行焊接,之后将包套放入井式电阻炉内进行真空除气,除气温度450℃,真空度小于1×10-2Pa;将真空除气后带包套的Al-Cu-Mg-Si-Ni坯料进行热挤压,坯料加热温度450℃,挤压模具加热温度400℃,挤压比15:1;挤压后的材料进行固溶时效处理,固溶温度470℃,保温时间2h,25℃水冷,时效温度160℃,保温时间10h。
所得的Al-4.6Cu-1.4Mg-22Si-6.5Ni材料的Si颗粒和耐热相最大尺寸4.5μm,材料密度为2.79g/cm3,致密度接近100%,热膨胀系数17.3×10-6K-1(25~200℃),室温拉伸强度475MPa,延伸率2.5%,硬度90HRB,200℃拉伸强度230MPa,平均摩擦系数为0.36(摩擦系数测试实验条件为摩擦对偶GCr12,附加载荷100N,转速250转/分钟),磨损量为23.6mg(耐磨性实验条件为摩擦对偶GCr12,附加载荷600N,转速60转/分钟,测试时间20min)。
实施例3
本实施例所制备的叶片材料为5vol.%Si3N4/Al-Cu-Mg-Si-Fe,即Si3N4的含量为5vol.%;铝合金的成分为Al-4.5Cu-1.0Mg-20Si-6.0Fe(4.5,1.0,20和6.0表示Cu、Mg、Si、Fe的质量百分数分别为4.5%,1.0%,20%,6.0%),图2为该材料的光学显微照片。
首先将Al锭(纯度>99.9%)、Cu锭(纯度>99.9%)、Mg锭(纯度>99.9%)、Si块(纯度>99.9%)、Al-Fe中间合金(杂质<0.5%)按比例进行配置,在真空炉内进行熔炼制备Al-Cu-Mg-Si-Fe合金坯锭,熔炼温度800℃,真空度<10-2Pa;对熔炼的Al-Cu-Mg-Si-Fe坯锭进行气雾化制粉,坯锭化料温度850℃,气雾化浇注温度850℃,雾化介质为氮气(纯度>99.5%);将表面化学镀Ni(镀Ni层厚度20nm)处理的5vol.%Si3N4颗粒与Al-4.5Cu-1.0Mg-20Si-6.0Fe粉末进行球磨混粉,球磨机转速100转/分钟,球磨时间20h,球料比2:1;将球磨后的5vol.%Si3N4/Al-Cu-Mg-Si-Fe粉末进行冷等静压成型,冷等静压压力150MPa,保压时间20min;冷等静压后的坯锭装入6061Al包套并进行焊接,之后将包套放入井式电阻炉内进行真空除气,除气温度530℃,真空度小于1×10-2Pa;将真空除气后带包套的5vol.%Si3N4/Al-Cu-Mg-Si-Fe坯料进行热挤压,坯料加热温度490℃,挤压模具加热温度500℃,挤压比10:1;挤压后的材料进行固溶时效处理,固溶温度500℃,保温时间1.5h,25℃水冷。时效温度190℃,保温时间10h。
所得的5vol.%Si3N4/Al-4Cu-Mg-Si-Fe材料的Si颗粒和耐热相最大尺寸3.5μm,材料密度为2.81g/cm3,致密度接近100%,热膨胀系数17.4×10-6K-1(25~200℃),室温拉伸强度535MPa,延伸率1.5%,硬度95HRB,200℃拉伸强度263MPa,平均摩擦系数为0.26(摩擦系数测试实验条件为摩擦对偶GCr12,附加载荷100N,转速250转/分钟),磨损量为18.5mg(耐磨性实验条件为摩擦对偶GCr12,附加载荷600N,转速60转/分钟,测试时间20min)。
实施例4
本实施例所制备的叶片材料为10vol.%Si3N4/Al-Cu-Mg-Si-Fe,即Si3N4的含量为5vol.%;铝合金的成分为Al-3.5Cu-1.3Mg-17Si-6.0Fe(3.5,1.3,17和6.0表示Cu、Mg、Si、Fe的质量百分数分别为3.5%,1.3%,17%,6.0%)。
首先将Al锭(纯度>99.9%)、Cu锭(纯度>99.9%)、Mg锭(纯度>99.9%)、Si块(纯度>99.9%)、Al-Fe中间合金(杂质<0.5%)按比例进行配置,在真空炉内进行熔炼制备Al-Cu-Mg-Si-Fe合金坯锭,熔炼温度800℃,真空度<10-2Pa;对熔炼的Al-Cu-Mg-Si-Fe坯锭进行气雾化制粉,坯锭化料温度850℃,气雾化浇注温度850℃,雾化介质为氮气(纯度>99.5%);将表面化学镀Ni(镀Ni层厚度15nm)处理的10vol.%Si3N4颗粒与Al-3.5Cu-1.3Mg-17Si-6.0Fe粉末进行球磨混粉,球磨机转速100转/分钟,球磨时间20h,球料比2:1;将球磨后的5vol.%Si3N4/Al-Cu-Mg-Si-Fe粉末进行冷等静压成型,冷等静压压力150MPa,保压时间20min;冷等静压后的坯锭装入6061Al包套并进行焊接,之后将包套放入井式电阻炉内进行真空除气,除气温度530℃,真空度小于1×10-2Pa;将真空除气后带包套的5vol.%Si3N4/Al-Cu-Mg-Si-Fe坯料进行热挤压,坯料加热温度490℃,挤压模具加热温度500℃,挤压比20:1;挤压后的材料进行固溶时效处理,固溶温度500℃,保温时间1.5h,25℃水冷。时效温度190℃,保温时间10h。
所得的10vol.%Si3N4/Al-Cu-Mg-Si-Fe材料的Si颗粒和耐热相最大尺寸4μm,材料密度为2.82g/cm3,致密度接近100%,热膨胀系数17.2×10-6K-1(25~200℃),室温拉伸强度555MPa,延伸率1.0%,硬度97HRB,200℃拉伸强度275MPa,平均摩擦系数为0.20(摩擦系数测试实验条件为摩擦对偶GCr12,附加载荷100N,转速250转/分钟),磨损量为15.0mg(耐磨性实验条件为摩擦对偶GCr12,附加载荷600N,转速60转/分钟,测试时间20min)。
实施例5
本实施例所制备的叶片材料为10vol.%Si3N4/Al-Cu-Mg-Si-Fe-Ni,即Si3N4的含量为10vol.%;铝合金成分为Al-4.0Cu-1.5Mg-18Si-3.0Ni-3.0Fe(4.0,1.5,18和3.0,3.0表示Cu、Mg、Si、Ni、Fe的质量百分数分别为4.0%,1.5%,18%,3.0%,3.0%)。
首先将Al锭(纯度>99.9%)、Cu锭(纯度>99.9%)、Mg锭(纯度>99.9%)、Si块(纯度>99.9%)、Al-Fe和Al-Ni中间合金(杂质<0.5%)按比例进行配置,在真空炉内进行熔炼制备Al-Cu-Mg-Si-Ni-Fe合金坯锭,熔炼温度900℃,真空度<10-2Pa;对熔炼的Al-Cu-Mg-Si-Ni-Fe坯锭进行气雾化制粉,坯锭化料温度850℃,气雾化浇注温度900℃,雾化介质为氮气(纯度>99.5%);将表面化学镀Cu(镀Cu层厚度5nm)处理的10vol.%Si3N4颗粒与Al-4.0Cu-1.5Mg-18Si-3.0Ni-3.0Fe粉末进行球磨混粉,球磨机转速100转/分钟,球磨时间15h,球料比5:1;将球磨后的10vol.%Si3N4/Al-Cu-Mg-Si-Fe-Ni粉末进行冷等静压成型,冷等静压压力150MPa,保压时间20min;冷等静压后的坯锭装入6061Al包套并进行焊接,之后将包套放入井式电阻炉内进行真空除气,除气温度530℃,真空度小于1×10-2Pa;将真空除气后带包套的10vol.%Si3N4/Al-Cu-Mg-Si-Fe-Ni坯料进行热挤压,坯料加热温度490℃,挤压模具加热温度500℃,挤压比10:1;挤压后的材料进行固溶时效处理,固溶温度500℃,保温时间1.5h,25℃水冷,时效温度190℃,保温时间10h。
所得的10vol.%Si3N4/Al-Cu-Mg-Si-Fe-Ni材料的Si颗粒和耐热相最大尺寸4.5μm,材料密度为2.82g/cm3,致密度接近100%,热膨胀系数17.1×10-6K-1(25~200℃),室温拉伸强度560MPa,延伸率1.0%,硬度98HRB,200℃拉伸强度280MPa,平均摩擦系数为0.21(摩擦系数测试实验条件为摩擦对偶GCr12,附加载荷100N,转速250转/分钟),磨损量为14.5mg(耐磨性实验条件为摩擦对偶GCr12,附加载荷600N,转速60转/分钟,测试时间20min)。
实施例6
本实施例所制备的叶片材料为5vol.%Si3N4/Al-Cu-Mg-Si-Ag,即Si3N4的含量为5vol.%;铝合金成分为Al-5.0Cu-0.8Mg-23Si-1.0Ag(5.0,0.8,23和1.0表示Cu、Mg、Si、Ag的质量百分数分别为5.0%,0.8%,23%,1.0%)。
首先将Al锭(纯度>99.9%)、Cu锭(纯度>99.9%)、Mg锭(纯度>99.9%)、Si块(纯度>99.9%)、Ag锭(杂质<0.5%)按比例进行配置,在真空炉内进行熔炼制备Al-Cu-Mg-Si-Ag合金坯锭,熔炼温度900℃,真空度<10-2Pa;对熔炼的Al-Cu-Mg-Si-Ag坯锭进行气雾化制粉,坯锭化料温度860℃,气雾化浇注温度900℃,雾化介质为氩气(纯度>99.5%);将表面化学镀Cu(镀Cu层厚度15nm)处理的5vol.%Si3N4颗粒与Al-5.0Cu-0.8Mg-23Si-1.0Ag粉末进行球磨混粉,球磨机转速100转/分钟,球磨时间30h,球料比5:1;将球磨后的5vol.%Si3N4/Al-Cu-Mg-Si-Ag粉末进行冷等静压成型,冷等静压压力150MPa,保压时间20min;冷等静压后的坯锭装入6061Al包套并进行焊接,之后将包套放入井式电阻炉内进行真空除气,除气温度530℃,真空度小于1×10-2Pa;将真空除气后带包套的5vol.%Si3N4/Al-Cu-Mg-Si-Ag坯料进行热挤压,坯料加热温度450℃,挤压模具加热温度400℃,挤压比15:1;挤压后的材料进行固溶时效处理,固溶温度470℃,保温时间2h,25℃水冷。时效温度180℃,保温时间10h。
所得的5vol.%Si3N4/Al-Cu-Mg-Si-Ag材料的Si颗粒和耐热相最大尺寸4.5μm,材料密度为2.72g/cm3,致密度接近100%,热膨胀系数18.0×10-6K-1(25~200℃),室温拉伸强度539MPa,延伸率1.5%,硬度94HRB,200℃拉伸强度300MPa,平均摩擦系数为0.27(摩擦系数测试实验条件为摩擦对偶GCr12,附加载荷100N,转速250转/分钟),磨损量为19.1mg(耐磨性实验条件为摩擦对偶GCr12,附加载荷600N,转速60转/分钟,测试时间20min)。