一種過共晶鋁矽合金及其製備方法
2023-06-06 17:36:01
專利名稱：一種過共晶鋁矽合金及其製備方法
技術領域：
一種過共晶鋁矽合金及其製備方法，涉及一種用於製造發動機的過共晶鋁矽合金及其製備方法。
背景技術：
目前，全世界交通用鋁佔鋁消費總量的35%以上，提升交通用鋁的比例，有利於進行減重和節能減排。發動機的重量在汽車中約佔18%，最具減重潛力。 目前，國產發動機的材料多使用鑄鐵來製造，除氣缸蓋罩、氣缸蓋和活塞用鋁比例不斷提高外，其餘零部件仍以鑄件和鋼為主，發動機的鋁化程度不到30%，急需新型鋁合金替代鋼鐵來減重。鑄鐵材料比重大，存在燃油效率低的問題，同時還不利於交通工具的減重；導熱性差引起氣缸和活塞之間的配缸間隙增大。這些缺點使鑄鐵難以滿足現代汽油發動機的發展需要，急需用鋁合金來替代，國外用鋁合金代替鑄鐵製造的V6發動機可減重50%以上。發動機是交通工具的心臟，工作環境惡劣，對製造材料要求苛刻。國內發動機用鋁合金目前主要是亞共晶或共晶鋁矽合金(如ZL108、ZL109)，它們存在著耐熱性、耐磨性、膨脹係數和體積穩定性差等問題。材料耐熱性差會導致活塞和氣缸在運動過程中變形，耐磨性差會增大活塞運動的阻力和運動間隙，膨脹係數大帶來尺寸穩定性差等問題。為防止活塞在運動過程中產生拉缸、抱缸等現象，在設計上被迫放大配缸間隙，從而帶來竄油、竄氣及油耗、噪聲的增加等問題，並且降低發動機的燃油效率和使用壽命。這些因素成為制約國內發動機性能提高的主要問題。表I國內外三類發動機用Al-Si系合金的牌號和化學成分
化學成分(％)
類別酶號 _J --—-——--
__Si Cu MgMn Fe其它元素_M_
SAI323 萸國2.0-4.00.50-1.5<0.50<1.2l.OSn. OJNi餘登
祖共為
AC8B臼敢8.5-10.3 2.0-4.0OJO-1.5<0.50<1.0O.SSi1 O.l-LOHi, OJOTi餘呈
ZLim中國11.0-13.G 1.0-2.00.50-1,003-0,9<0.40.25k. OJNi餘愛
ACSA曰衣11.0—13.0 0.80-1.30.70-1.3<0.15<0.80.152h, 0.8—1.5Ν , 0.2Τ 餘霣
A390.0莢國16.0 18.0 4.0-5.00.45-0.65<0.10 <0.50.1 Si, 0.2Ti餘裡
392.0焚國18.0~20.0 0,40^0.800,80^1.20,2 0.6 <1.50.5 Zft, OJHil 0.2 Ti餘呈
393.0麵21.0-23.0 0.70-1.10.70-1.3<0.10 <132-2.5Ν . 0.1 0.2 Ti. 0.1 Ba餘登 ZLDΠ7 ΦΜ19.0-23.0 1.0-2.00.404J.8003-0.5 <1.00.5 U RE, 0.1 Si, 0.2Ti餘避
過共晶鋁矽合金具有優異的低膨脹性能，高耐磨性和耐蝕性，較小的密度和良好的導熱性，是製造發動機較理想的材料。但是，矽含量越高，鋁矽合金的鑄造性能越差、含氣含渣高，初晶矽的細化越難；要提高過共晶鋁矽合金的強度、耐熱、耐磨及耐腐蝕性能，除了對共晶矽、初晶矽進行變質細化、球化，還要獲得具有強化、耐熱的彌散分布第二相，目前這方面的研究較少。
發明內容
本發明的目的就是針對上述已有技術存在的問題，提供一種能有效解決現有鋁矽合金耐熱性、耐磨性、膨脹係數和體積穩定性差等問題的過共晶鋁矽合金及其製備方法。本發明的目的是通過以下技術方案實現的。一種過共晶鋁矽合金，其特徵在於其合金的重量百分比組成為矽16. 09Γ19. 0%，銅 3. 0% 4. 0%,鎂 O. 40% 0· 70%,鎳 I. 0% 2. 0%,稀土 Re O. 40%"I. 2%,磷 O. 001% 0· 006%,Fe〈0. 40%，其它雜質總和〈O. 50%，餘量為鋁。本發明的一種過共晶鋁矽合金的製備方法，其特徵在於其製備過程包括合金的熔煉、鑄造和T6熱處理步驟。本發明的一種過共晶鋁矽合金的製備方法，其特徵在於所述的合金的熔煉過程是將鋁錠熔化後，先後加入金屬矽、金屬鎳片、電解銅板，或者預先製成鋁矽中間合金、鋁銅中間合金、鋁鎳中間合金一起加熱熔化，然後加入金屬鎂，通過攪拌使金屬鎂在鋁液中熔化；在78(T80(TC條件下加入變質劑，攪拌至變質劑全部熔化，保溫2(T40min，然後加入稱量好的AlRe合金，熔化後加入鋁精煉劑或通入氬氣精煉，78(T800°C溫度下靜置l(Tl5min，然後扒渣並上下攪拌均勻。本發明的一種過共晶鋁矽合金的製備方法，其特徵在於所述的變質劑為自製的AlCuP合金，成分按重量百分比為含磷49Γ8%，銅309Γ50%，餘量為鋁，加入量為鋁合金熔體總重量I. (Γ2. 0% ；AlRe合金中稀土成分佔鋁稀土合金重量的9°/Γ 1%，餘量為鋁，其中稀土成分中按重量百分比為Ce佔8(Γ90%，其餘的為La、Pr、Nd的混合稀土，AlRe合金的加入量為鋁合金熔體總重量49Γ12%。本發明的一種過共晶鋁矽合金的製備方法，其特徵在於所述的合金的鑄造過程是先將鑄模預熱至250°C ±10°C，採用試棒模、金屬模鑄造或擠壓鑄造方式，將精煉後的金屬 溶液澆鑄成拉伸試棒或活塞鑄件。本發明的一種過共晶鋁矽合金的製備方法，其特徵在於所述的合金的T6熱處理過程是將拉伸試棒或活塞鑄件加熱至500±5°C，保溫3 4h後在6(T80°C水中淬火，然後在195±5°C條件下保溫時效8 10h。熱處理能夠提高鋁合金的力學性能。本發明在過共晶Al-Si合金中添加Cu、Ni、Mg等合金元素，形成大量彌散分布的 Mg2Si、Θ ( CuAl2 )、S{ Al2CuMg)、Zf(AlxCu4Mg5Si4)、Al6Cu3Ni、Al3(CuNi)2 等強化相。其中Mg2Si、Θ (CuAl2)在淬火加熱時可溶入基體中形成固溶強化相A(Al2CuMg)、Zf(AlxCu4Mg5Si4)、Al6Cu3Ni、Al3(CuNi)2是高溫穩定相，可以提高合金的高溫性能。本發明通過合金化方法在鋁矽合金中形成大量的耐熱強化相，並彌散均勻分布，使合金具有較高的強度及耐熱性能，並加入AlCuP和AlRe變質劑分別細化初晶矽和共晶矽，使矽顆粒細化和球化。本發明的新型過共晶鋁矽合金的力學性能均高於現有國內外其它牌號的鋁矽合金，可用於汽車、輪船等交通工具上替代鋼鐵來減重。
具體實施例方式一種過共晶鋁矽合金，其過共晶鋁矽合金的化學重量成分為矽16.(Γ19.0%，銅3. 0 4· 0%,鎂 O. 40 0· 70%,鎳 I. 0 2· 0%,稀土 Re O. 40 1· 2%,磷 O. 001 O. 006%, Fe〈0. 40%,其它雜質總和〈O. 50%，餘量為鋁。
本發明的製備方法包括合金的熔煉、鑄造和T6熱處理，按以下步驟進行
I、熔煉鋁錠熔化後，按設定的合金成分重量配比先後加入金屬矽、金屬鎳片、電解銅板，或者預先製成鋁矽中間合金、鋁銅中間合金、鋁鎳中間合金一起加熱熔化，然後加入金屬鎂，通過攪拌使金屬鎂在鋁液中熔化；在78(T80(TC條件下加入變質劑，攪拌至變質劑全部熔化，保溫2(T40min，然後加入稱量好的AlRe合金，熔化後加入鋁精煉劑或通入氬氣精煉，78(T80(TC溫度下靜置l(Tl5min，然後扒渣並上下攪拌均勻；
上述的變質劑為自製的AlCuP合金，成分按重量百分比為含磷4 8%，銅30飛0%，餘量為鋁，變質劑的加入主要是為了細化初晶矽，加入量為鋁合金熔體總重量I. (Γ2. 0% ；AlRe合金中稀土成分佔鋁稀土合金重量的擴11%，餘量為鋁，其中稀土成分中按重量百分比為Ce佔8(Γ90%，其餘的為La、Pr、Nd等混合稀土，AlRe合金的加入主要是為了變質共晶矽，同時還可以降低鑄件的氣孔、疏鬆等缺陷，改善合金性能，AlRe合金的加入量為鋁合金熔體總重量4 12%。
2、鑄造先將鑄模預熱至250°C ±10°C，採用試棒模、金屬模鑄造或擠壓鑄造方式，將精煉後的金屬溶液澆鑄成拉伸試棒或活塞鑄件；
3、T6熱處理將拉伸試棒或活塞鑄件加熱至500±5°C，保溫3 4h後在6(T80°C水中淬火，然後在195±5°C條件下保溫時效8 10h。熱處理能夠提高鋁合金的力學性能。本發明實施例中採用的鋁為AOO重熔鋁錠，銅為1#電解銅，鎳為1#金屬鎳、鎂為1#鎂錠，矽為2202#工業矽。本發明實施例中採用的鋁矽合金、鋁銅合金、鋁鎳合金、鋁稀土合金為工業產品，純度為98 99%。本發明實施例中選用的鋁精煉劑為市購鋁精煉劑，主要成分為六氯乙烷；選用的氬氣為一般工業氬氣，純度為99%以上。實施例I
重熔鋁錠加熱熔化後，在溫度750°C時加入稱量好的工業矽，2h後矽完全熔化，升溫至780°C，加入裁剪成薄板狀的金屬鎳片，原料全部熔化後，加入電解銅降溫，在730°C時將鋁箔包裹的金屬鎂用金屬罩壓入鋁液中，攪拌使金屬鎂熔化；升溫至780°C加入變質劑AlCuP合金，攪拌至變質劑全部熔化，在78(T80(TC下保溫30min ;然後加入AlRe合金，熔化後再進行吹氬氣精煉5 8min，78(T80(rC溫度下靜置IOmin後扒渣並上下攪拌均勻。合金化元素Si、Ni、Cu、Mg以純金屬的方式加入，在配料時要考慮熔煉過程中工業矽2 4%、金屬銅f 2%、金屬鎳f 2%、金屬鎂2 4%的燒損，否則將造成分析值與預測結果偏差較大。其中變質劑為自製的AlCuP合金，成分按重量百分比為含磷4%，銅42%，餘量為鋁，變質劑的加入主要是為了細化初晶娃，加入量為招合金熔體總重量I. 5%。將金屬試棒模預熱至250°C ±10°C，將精煉後的金屬熔液澆鑄成過共晶鋁矽合金拉伸試棒，其化學成分為矽18. 7%，銅3. 8%，鎂O. 42%，鎳I. 6%，稀土 O. 88%，鐵O. 26%，磷
O.002%，其它雜質總和O. 4%，餘量為鋁。在箱式熱處理爐內將拉伸試棒加熱至500±5°C，保溫3h後在65 °C水中淬火，然後放入時效爐中在195±5°C保溫8h。分別在室溫和高溫條件下測試T6狀態的過共晶鋁矽合金試棒的拉伸強度，得到室溫時平均抗拉強度Qb)為310MPa，伸長率(J)為O. 3% ;升溫到300°C，保溫30分鐘後進行高溫拉伸試驗，得到平均抗拉強度(ob)為196MPa，伸長率(δ)為O. 8%。在2(T300°C溫度區間內，測得新型過共晶鋁矽合金的最大線膨脹係數為17. 2X10_6°C ―1 ;在室溫下測試合金的幹滑動磨損性能，在滑動速度為O. 5M/s、載荷為60N、磨損時間為I h的條件下平均磨損量為32 mg。部分國內外過共晶Al-Si發動機用合金的性能如表2所示，新型過共晶鋁矽合金的力學性能明顯優於國內外其它牌號的發動機用Al-Si合金。表2發動機發動機用鋁矽合金性能比較
權利要求
1.一種過共晶鋁矽合金，其特徵在於其過共晶鋁矽合金的重量百分比組成為矽16. 0% 19· 0%,銅 3. 0% 4. 0%,鎂 O. 40% 0· 70%,鎳 I. 0% 2. 0%,稀土 Re O. 40%"I. 2%,磷O.OOP/TO. 006%, Fe〈0. 40%，其它雜質總和〈O. 50%，餘量為鋁。
2.根據權利要求I所述的一種過共晶鋁矽合金的製備方法，其特徵在於其製備過程包括合金的熔煉、鑄造和T6熱處理步驟。
3.根據權利要求2所述的一種過共晶鋁矽合金的製備方法，其特徵在於所述的合金的熔煉過程是將鋁錠熔化後，先後加入金屬矽、金屬鎳片、電解銅板，或者預先製成鋁矽中間合金、鋁銅中間合金、鋁鎳中間合金一起加熱熔化，然後加入金屬鎂，通過攪拌使金屬鎂在鋁液中熔化；在78(T80(TC條件下加入變質劑，攪拌至變質劑全部熔化，保溫2(T40min，然後加入稱量好的AlRe合金，熔化後加入鋁精煉劑或通入氬氣精煉，78(T80(TC溫度下靜置l(Tl5min,然後扒洛並上下攪拌均勻。
4.根據權利要求3所述的一種過共晶鋁矽合金的製備方法，其特徵在於所述的變質劑為自製的AlCuP合金，成分按重量百分比為含磷49Γ8%，銅309Γ50%，餘量為鋁，加入量為鋁合金熔體總重量I. (Γ2. 0% ；AlRe合金中稀土成分佔鋁稀土合金重量的9°/Γ 1%，餘量為鋁，其中稀土成分中按重量百分比為Ce佔8(Γ90%，其餘的為La、Pr、Nd的混合稀土，AlRe合金的加入量為鋁合金熔體總重量4% 12%。
5.根據權利要求2所述的一種過共晶鋁矽合金的製備方法，其特徵在於所述的合金的鑄造過程是先將鑄模預熱至250°C ±10°C，採用試棒模、金屬模鑄造或擠壓鑄造方式，將精煉後的金屬溶液澆鑄成拉伸試棒或活塞鑄件。
6.根據權利要求2所述的一種過共晶鋁矽合金的製備方法，其特徵在於所述的合金的T6熱處理過程是將拉伸試棒或活塞鑄件加熱至500±5°C，保溫3 4h後在6(T80°C水中淬火，然後在195±5°C條件下保溫時效8 10h，熱處理能夠提高鋁合金的力學性能。
全文摘要
一種過共晶鋁矽合金及其製備方法，涉及一種用於製造發動機的過共晶鋁矽合金及其製備方法。其特徵在於其重量百分比組成為矽16.0%~19.0%，銅3.0%~4.0%，鎂0.40%~0.70%，鎳1.0%~2.0%，稀土Re0.40%~1.2%，磷0.001%~0.006%，Fe<0.40%，其它雜質總和<0.50%，餘量為鋁。其製備過程包括合金的熔煉、鑄造和T6熱處理步驟。本發明製備的新型過共晶鋁矽合金的材料性能高於現有的國內外其它牌號的發動機用鋁矽合金，有效解決了現有鋁矽合金耐熱性、耐磨性、膨脹係數和體積穩定性差等問題。
文檔編號C22C21/02GK102965551SQ20121048378
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月26日 優先權日2012年11月26日
發明者肖陽, 王松森, 朱君罡, 王軍武, 王飛超, 解海濤, 劉旭賀, 盧成 申請人:中國鋁業股份有限公司