CN102071341A - 发动机缸盖用铸造铝硅合金及热处理工艺 - Google Patents

Abstract

发动机缸盖用铸造铝硅合金及热处理工艺，合金化学成分按重量百分比为：Si：5.0～7.0％；Cu：3.0～4.0％；Mg：0.2～0.4％；Mn：0.1～0.3％；Zr：0.10～0.20％；Ti：0.15～0.25％；B：0.01～0.05％；Sr：0.02～0.09％；RE：0.1～0.3％；Fe＜0.3％；Al：余量。稀土RE采用混合稀土。热处理工艺包括：一级固溶温度490-505℃、保温4～6h；二级固溶温度510～525℃、保温6～10h，60～80℃热水淬火；时效处理参数：时效温度155～165℃、保温5～9h，空冷。本发明各合金元素匹配合理，具有较佳力学性能，常温抗拉强度达325～355MPa、伸长率2.5～5.5％；高温250℃抗拉强度达240～270MPa、伸长率3.0～5.5％，改善合金耐热性能，降低铸造缺陷。

Description

发动机缸盖用铸造铝硅合金及热处理工艺

技术领域

本发明涉及一种铸造铝合金及热处理技术领域，尤其涉及一种发动机缸盖用铸造铝硅合金及热处理工艺。

背景技术

在铝合金中，铝硅合金因具有优良的铸造性能(如流动性小、气密性好、收缩小、热裂倾向小)、良好的比强度、耐蚀性、可焊性和低的膨胀系数等优点而被广泛应用。尤其是一些大型复杂铝铸件均采用铝硅合金制备，如发动机机体和缸盖、变速箱壳体等。发动机缸盖是典型的复杂铝铸件，在其结构中集成了复杂的油、水、气结构单元。而且发动机缸盖与活塞、气缸共同组成发动机的燃烧室，工作条件恶劣。近些年来，随着发动机功率的提高，发动机缸盖机械负荷和热负荷进一步增加，现有铝硅合金材料已经不能满足发动机缸盖的使用要求，尤其是强度和耐热性能，迫切需要一种强度高、韧性好和耐热强的铝合金材料来适应发动机技术的进步。

目前，国内外用于制备发动机机体和缸盖的典型铝硅合金如表1所示。从表中可看出，这些铝硅合金含有Si、Cu、Mg、Mn、Ti、Fe、Ni、Zn等元素。为了保证合金具有较佳的铸造性能，Si含量在5.5％-10.0％之间。Cu、Mg为合金强化元素，单独加Mg或Cu就能起到很好的强化作用，如ZL101A、ZL114A和319.0。Mg的室温强化效果优于Cu，但高温强化效果比Cu差。为了同时获得较佳室温和高温强化效果，Cu和Mg有时也同时加入，如A356.0和AC4B。添加少量的Mn是为了消除杂质元素Fe的不利影响，正如专利US6267829 Method ofreducing the formation of primary platelet-shaped beta-phase in iron containingAlSi-alloys，in particular in Al-Si-Mn-Fe alloys所述。Ti能起到细化晶粒的作用，一般加入0.15％-0.25％。Fe、Zn是一种有害元素，在合金原料中的含量应尽量少，并加以限制。少量Ni能提高合金耐热性能。这些铝硅合金在两个方面考虑较少。第一，在添加Cu、Mg两种元素改善合金强韧性方面考虑较少；第二，在添加微量合金元素提高耐热性能方面考虑较少。这些铝硅合金的力学性能如表2所示。因而当铝合金铸件的机械负荷或热负荷增加时，这些铝硅合金无法满足使用要求。

表1 国内外用于制造发动机机体和缸盖的典型铝硅合金牌号

表2 国内外用于制造发动机机体和缸盖的典型铝硅合金的力学性能

为了改善铸造铝硅合金的强韧性和耐热性能，近些年也涌现了一些的新型铝硅合金材料，如表3所示。从表中可看出，为保证合金具有良好的铸造性能，Si的含量变化不大，一般在5.5％-10.0％之间。为提高合金的强度和韧性，Cu、Mg的含量做了部分调整。最主要的特点在于微量元素，或加入微量Zn、Zr、V、Ni和Hf等元素，如US20060133949、FR2690927等，或通过加入微量稀土RE、B等元素，如CN1096059。

表3 国内外专利中可用于制备发动机机体和缸盖的铝硅合金材料

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足而提供一种实现合金元素的最佳匹配、改善合金耐热性能、降低铸造缺陷和提高力学性能的发动机缸盖用铸造铝硅合金及热处理工艺。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种发动机缸盖用铸造铝硅合金，其特征在于该合金各化学成分按重量百分比为：

Si：5.0～7.0％；      Cu：3.0～4.0％；     Mg：0.2～0.4％；     Mn：0.1～0.3％；

Zr：0.10～0.20％；    Ti：0.15～0.25％；   B：0.01～0.05％；    Sr：0.02～0.09％；

RE：0.1～0.3％；      Fe＜0.3％；     Al：余量。

所述稀土RE为混合稀土，以Ce为主的Ce-La-Nd-Pr系合金，合金成分按重量百分比Ce：53.19～80.40％、La：12.10～25.41％、Nd：5.00～16.00％、Pr：1.30～5.40％。

所述混合稀土合金成分按重量百分比为：Ce：53.19％、La：25.41％、Nd：16.00％、Pr：5.40％或Ce：75.30％、La：15.50％、Nd：5.00％、Pr：4.20％或Ce：80.40％、La：12.10％、Nd：6.20％、Pr：1.30％或Ce：69.30％、La：20.40％、Nd：7.20％、Pr：3.10％。

所述的热处理工艺即将铝硅合金铸件放入热处理炉内按固溶处理参数和时效处理参数进行固溶和时效处理：

固溶处理参数：一级固溶温度490～505℃、保温4～6小时；二级固溶温度510～525℃、保温6～10小时，60～80℃热水淬火；

时效处理参数：时效温度155～165℃、保温5～9小时，空冷。

与现有技术相比，本发明吸纳了各方面的优点，实现了合金元素Cu、Mg的最佳匹配，使常温性能达到最佳；同时添加并优选了微量元素Zr、Ti，改善了合金的耐热性能；添加了少量稀土元素，降低了铸造缺陷并提高了铸件力学性能，通过砂型单铸试样的检测，其力学性能为：①常温性能：抗拉强度325～355MPa、伸长率2.5～5.5％；②高温(250℃)性能：抗拉强度240～270MPa、伸长率3.0～5.5％。这种合金适用于制造发动机缸盖、机体等大型复杂铝铸件。

本发明与合金牌号为319.0的合金相比，本发明合金的优势如下：

合金当中Mg的含量为0.2％-0.4％，而319.0合金中Mg的含量不大于0.1％。Mg能显著提高合金的室温性能，图1为合金室温性能与Mg含量的变化关系。由图可知，在相同铸造条件下，319.0合金的抗拉强度和伸长率为265MPa、3.5％，而本发明合金的抗拉强度和伸长率为350MPa、5％，分别提高了30％、40％。

合金当中Zr、Ti、B的含量分别为0.10％-0.20％、0.15％-0.25％和0.01％-0.05％，而319.0合金中仅添加了少量的Ti(≤0.25％)。Zr、Ti和B能细化合金组织并改善合金的耐热性能。添加Ti、B比单独添加Ti的细化效果明显。表4为合金在不同Ti、B含量下的晶粒大小，晶粒大小评定参照GB/T3246.2-2000《合金及铝合金制品低倍组织检验方法》。

此外，高温下微量元素Zr、Ti在铝中的扩散系数较低，不易溶解和聚集长大，热稳定性强，且Zr、Ti形成的化合物与基体存半共格关系，在提高耐热性能的同时不致于损失合金塑性。相同铸造条件下，319.0合金的高温(250℃)抗拉强度和伸长率分别为210MPa、3.5％，而本发明合金的高温(250℃)抗拉强度和伸长率分别为255MPa、3％。高温强度提高了20％，塑性略有下降。

表4 Ti、B的加入量和晶粒细化效果

合金当中混合稀土RE的含量为0.1％-0.3％，稀土元素与氢的亲合力比铝大，在合金液中能与氢发生反应形成稀土金属氢化物，如CeH₂、LaH2、LaH₃等，减少了熔体中自由氢的含量，降低了铸件的气孔、疏松等缺陷。铝硅合金具有较大的吸气倾向，尤其经Sr变质处理后，气孔、疏松等缺陷对合金性能影响很大。添加少量混合稀土RE可降低铸件的气孔、疏松等缺陷，改善合金性能。

本发明的铸造铝硅合金的热处理工艺根据合金的热物理性能制定的。这种铝硅合金的差热分析曲线如图2所示，合金在升温过程中的温度变化曲线如图3所示。由图可知，这种合金在507℃发生四元共晶反应，当继续升高温度，大约在529℃重新有些相开始溶解。反应方程如表5所示。因此，在固溶处理的过程中，为了使合金的初生相充分溶解，但不发生过烧，采用分段加热的方法，工艺规程为：490-505℃保温4-6小时，510-525℃保温6-10小时，60-80℃热水淬火。合金的时效采用欠时效工艺，工艺规程为155-165℃保温5-9小时，空冷。

表5 高强韧、耐热铸造铝硅合金的相反应及其反应温度

相反应	反应温度
		Al+Si+Al2Cu+Al5Cu2Mg8Si6→液体	507℃
Al+Al2Cu+Si→液体	529℃

附图说明

图1为发动机缸盖用铸造铝硅合金的室温性能与Mg含量的变化关系图。

随着Mg含量的增加，抗拉强度先增后降，伸长率先增后降。其它元素含量为Cu3.5，Mn0.3，Zr0.15，Ti0.15，B0.03，Sr0.05，RE0.15，Fe0.21，铸造方法及热处理工艺为砂型单铸和T5处理。

图2为发动机缸盖用铸造铝硅合金的差热分析曲线图。

升温和降温速度均为10℃/min。在507℃和529℃均发生相变。

图3为发动机缸盖用铸造铝硅合金在升温过程中的温度变化曲线图。

升温速度为4℃/min。在507℃，发生四元共晶反应，合金的温度不变，升温曲线存在小的平台。继续升高温度，大约在529℃时，合金的温度变化出现拐点，重新有些相开始溶解。为了在热处理工艺过程中不发生过烧，采用分段加热方法。

具体实施方式

实施例1：

1.材料成分

发动机缸盖用铸造铝硅合金的设计成分及检测成分如表6所示。

表6 发动机缸盖用铸造铝硅合金的成分(重量分数，％)

稀土RE以Ce为主的Ce-La-Nd-Pr系混合稀土合金，合金成分按重量百分比为：Ce：53.19％、La：25.41％、Nd：16.00％、Pr：5.40％。

2.熔炼及铸造

环境温度22℃，相对湿度30％。

首先将所有合金原料放入烘箱内烘烤，烘烤温度300℃，保温1.5h以上；然后将AlSi12、AlMn10、AlCu50中间合金和纯铝置入坩埚内升温熔化；待完成溶化后，加入AITi5B、AlZr10中间合金；采用C2Cl6除气精炼；再加入纯镁、AlRE5和AlSr10中间合金，搅拌均匀，再在熔体表面采用覆盖剂保护，然后静置20min以上；最后进行浇注砂型单铸试样。要求：①熔体温度不超过730℃；②在加入AlTi5B和AlZr10后与铸件浇注之间的时间间隔不超过1h；③浇注温度控制在700～720℃之间。

3.热处理

固溶处理：一级固溶500℃保温6h，二级固溶510℃保温8h，60-80℃水淬；

时效处理：160℃保温5h，空冷。

4.力学性能

常温性能：抗拉强度为325MPa，伸长率为5.0％。

高温(250℃)性能：抗拉强度为240MPa，伸长率为5.5％。

实施例2：

1.材料成分

发动机缸盖用铸造铝硅合金的设计成分及检测成分如表7所示。

表7发动机缸盖用铸造铝硅合金的成分(重量分数，％)

稀土RE以Ce为主的Ce-La-Nd-Pr系混合稀土合金，合金成分按重量百分比为：Ce：80.40％、La：12.10％、Nd：6.20％、Pr：1.30％。

2.熔炼及铸造

环境温度35℃，相对湿度47％。

熔炼及铸造工艺过程与实施例1相同。

3.热处理

固溶处理：一级固溶500℃保温6h，二级固溶515℃保温8h，60-80℃水淬；

时效处理：160℃保温9h，空冷。

4.力学性能

常温性能：抗拉强度为350MPa，伸长率为2.5％。

高温(250℃)性能：抗拉强度为265MPa，伸长率为3.0％。

Claims (4)

1.一种发动机缸盖用铸造铝硅合金，其特征在于该合金各化学成分按重量百分比为：

Si：5.0～7.0％；      Cu：3.0～4.0％；   Mg：0.2～0.4％；     Mn：0.1～0.3％；

Zr：0.10～0.20％；    Ti：0.15～0.25％； B：0.01～0.05％；    Sr：0.02～0.09％；

RE：0.1～0.3％；      Fe＜0.3％；       Al：余量。

2.根据权利要求1所述的发动机缸盖用铸造铝硅合金，其特征在于所述稀土RE为混合稀土，以Ce为主的Ce-La-Nd-Pr系合金，合金成分按重量百分比为：Ce：53.19～80.40％、La：12.10～25.41％、Nd：5.00～16.00％、Pr：1.30～5.40％。

3.根据权利要求2所述的发动机缸盖用铸造铝硅合金，其特征在于所述混合稀土合金成分按重量百分比为：Ce：53.19％、La：25.41％、Nd：16.00％、Pr：5.40％或Ce：75.30％、La：15.50％、Nd：5.00％、Pr：4.20％或Ce：80.40％、La：12.10％、Nd：6.20％、Pr：1.30％或Ce：69.30％、La：20.40％、Nd：7.20％、Pr：3.10％。

4.一种根据权利要求1所述的发动机缸盖用铸造铝硅合金的热处理工艺，其特征在于所述的热处理工艺即将铝硅合金铸件放入热处理炉内按固溶处理参数和时效处理参数进行固溶和时效处理：

固溶处理参数：一级固溶温度490～505℃、保温4～6小时；二级固溶温度510～525℃、保温6～10小时，60～80℃热水淬火；

时效处理参数：时效温度155～165℃、保温5～9小时，空冷。

Images