CN102965551A - 一种过共晶铝硅合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种过共晶铝硅合金及其制备方法，涉及一种用于制造发动机的过共晶铝硅合金及其制备方法。其特征在于其重量百分比组成为：硅16.0%~19.0%，铜3.0%~4.0%，镁0.40%~0.70%，镍1.0%~2.0%，稀土Re0.40%~1.2%，磷0.001%~0.006%，Fe<0.40%，其它杂质总和<0.50%，余量为铝。其制备过程包括合金的熔炼、铸造和T6热处理步骤。本发明制备的新型过共晶铝硅合金的材料性能高于现有的国内外其它牌号的发动机用铝硅合金，有效解决了现有铝硅合金耐热性、耐磨性、膨胀系数和体积稳定性差等问题。

Description

一种过共晶铝硅合金及其制备方法

技术领域

一种过共晶铝硅合金及其制备方法，涉及一种用于制造发动机的过共晶铝硅合金及其制备方法。

背景技术

目前，全世界交通用铝占铝消费总量的35%以上，提升交通用铝的比例，有利于进行减重和节能减排。发动机的重量在汽车中约占18%，最具减重潜力。

目前，国产发动机的材料多使用铸铁来制造，除气缸盖罩、气缸盖和活塞用铝比例不断提高外，其余零部件仍以铸件和钢为主，发动机的铝化程度不到30%，急需新型铝合金替代钢铁来减重。

铸铁材料比重大，存在燃油效率低的问题，同时还不利于交通工具的减重；导热性差引起气缸和活塞之间的配缸间隙增大。这些缺点使铸铁难以满足现代汽油发动机的发展需要，急需用铝合金来替代，国外用铝合金代替铸铁制造的V6发动机可减重50%以上。

发动机是交通工具的心脏，工作环境恶劣，对制造材料要求苛刻。国内发动机用铝合金目前主要是亚共晶或共晶铝硅合金 (如ZL108、ZL109)，它们存在着耐热性、耐磨性、膨胀系数和体积稳定性差等问题。材料耐热性差会导致活塞和气缸在运动过程中变形，耐磨性差会增大活塞运动的阻力和运动间隙，膨胀系数大带来尺寸稳定性差等问题。为防止活塞在运动过程中产生拉缸、抱缸等现象，在设计上被迫放大配缸间隙，从而带来窜油、窜气及油耗、噪声的增加等问题，并且降低发动机的燃油效率和使用寿命。这些因素成为制约国内发动机性能提高的主要问题。

表1国内外三类发动机用Al-Si系合金的牌号和化学成分

过共晶铝硅合金具有优异的低膨胀性能，高耐磨性和耐蚀性，较小的密度和良好的导热性，是制造发动机较理想的材料。但是，硅含量越高，铝硅合金的铸造性能越差、含气含渣高，初晶硅的细化越难；要提高过共晶铝硅合金的强度、耐热、耐磨及耐腐蚀性能，除了对共晶硅、初晶硅进行变质细化、球化，还要获得具有强化、耐热的弥散分布第二相，目前这方面的研究较少。

发明内容

本发明的目的就是针对上述已有技术存在的问题，提供一种能有效解决现有铝硅合金耐热性、耐磨性、膨胀系数和体积稳定性差等问题的过共晶铝硅合金及其制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种过共晶铝硅合金，其特征在于其合金的重量百分比组成为：硅16.0%~19.0%，铜3.0%~4.0%，镁0.40%~0.70%，镍1.0%~2.0%，稀土Re 0.40%~1.2%，磷0.001%~0.006%，Fe<0.40%，其它杂质总和<0.50%，余量为铝。

本发明的一种过共晶铝硅合金的制备方法，其特征在于其制备过程包括合金的熔炼、铸造和T6热处理步骤。

本发明的一种过共晶铝硅合金的制备方法，其特征在于所述的合金的熔炼过程是将铝锭熔化后，先后加入金属硅、金属镍片、电解铜板，或者预先制成铝硅中间合金、铝铜中间合金、铝镍中间合金一起加热熔化，然后加入金属镁，通过搅拌使金属镁在铝液中熔化；在780~800℃条件下加入变质剂，搅拌至变质剂全部熔化，保温20~40min，然后加入称量好的AlRe合金，熔化后加入铝精炼剂或通入氩气精炼，780~800℃温度下静置10~15min，然后扒渣并上下搅拌均匀。

本发明的一种过共晶铝硅合金的制备方法，其特征在于所述的变质剂为自制的AlCuP合金，成分按重量百分比为含磷4%~8%，铜30%~50%，余量为铝，加入量为铝合金熔体总重量1.0~2.0%；AlRe合金中稀土成分占铝稀土合金重量的9%~11%，余量为铝，其中稀土成分中按重量百分比为Ce占80~90%，其余的为La、Pr、Nd的混合稀土， AlRe合金的加入量为铝合金熔体总重量4%~12%。

本发明的一种过共晶铝硅合金的制备方法，其特征在于所述的合金的铸造过程是先将铸模预热至250℃±10℃，采用试棒模、金属模铸造或挤压铸造方式，将精炼后的金属溶液浇铸成拉伸试棒或活塞铸件。

本发明的一种过共晶铝硅合金的制备方法，其特征在于所述的合金的T6热处理过程是将拉伸试棒或活塞铸件加热至500±5℃，保温3~4h后在60~80℃水中淬火，然后在195±5℃条件下保温时效8~10h。热处理能够提高铝合金的力学性能。

本发明在过共晶Al-Si合金中添加Cu、Ni、Mg等合金元素，形成大量弥散分布的Mg₂Si、θ( CuAl₂ ) 、S( Al₂CuMg)、W(Al_xCu₄Mg₅Si₄)、Al₆Cu₃Ni、Al₃(CuNi)₂ 等强化相。其中Mg₂Si、θ(CuAl₂) 在淬火加热时可溶入基体中形成固溶强化相；S(Al₂CuMg)、W(Al_xCu₄Mg₅Si₄)、Al₆Cu₃Ni、Al₃(CuNi)₂ 是高温稳定相，可以提高合金的高温性能。

本发明通过合金化方法在铝硅合金中形成大量的耐热强化相，并弥散均匀分布，使合金具有较高的强度及耐热性能，并加入AlCuP和AlRe变质剂分别细化初晶硅和共晶硅，使硅颗粒细化和球化。本发明的新型过共晶铝硅合金的力学性能均高于现有国内外其它牌号的铝硅合金，可用于汽车、轮船等交通工具上替代钢铁来减重。

具体实施方式

一种过共晶铝硅合金，其过共晶铝硅合金的化学重量成分为硅16.0~19.0%，铜3.0~4.0%，镁0.40~0.70%，镍1.0~2.0%，稀土Re 0.40~1.2%，磷0.001~0.006%，Fe<0.40%，其它杂质总和<0.50%，余量为铝。

本发明的制备方法包括合金的熔炼、铸造和T6热处理，按以下步骤进行：

1、熔炼：铝锭熔化后，按设定的合金成分重量配比先后加入金属硅、金属镍片、电解铜板，或者预先制成铝硅中间合金、铝铜中间合金、铝镍中间合金一起加热熔化，然后加入金属镁，通过搅拌使金属镁在铝液中熔化；在780~800℃条件下加入变质剂，搅拌至变质剂全部熔化，保温20~40min，然后加入称量好的AlRe合金，熔化后加入铝精炼剂或通入氩气精炼，780~800℃温度下静置10~15min，然后扒渣并上下搅拌均匀；

上述的变质剂为自制的AlCuP合金，成分按重量百分比为含磷4~8%，铜30~50%，余量为铝，变质剂的加入主要是为了细化初晶硅，加入量为铝合金熔体总重量1.0~2.0%；AlRe合金中稀土成分占铝稀土合金重量的9~11%，余量为铝，其中稀土成分中按重量百分比为Ce占80~90%，其余的为La、Pr、Nd等混合稀土，AlRe合金的加入主要是为了变质共晶硅，同时还可以降低铸件的气孔、疏松等缺陷，改善合金性能，AlRe合金的加入量为铝合金熔体总重量4~12%。

2、铸造：先将铸模预热至250℃±10℃，采用试棒模、金属模铸造或挤压铸造方式，将精炼后的金属溶液浇铸成拉伸试棒或活塞铸件； 

3、T6热处理：将拉伸试棒或活塞铸件加热至500±5℃，保温3~4h后在60~80℃水中淬火，然后在195±5℃条件下保温时效8~10h。热处理能够提高铝合金的力学性能。

本发明实施例中采用的铝为A00重熔铝锭，铜为1#电解铜，镍为1#金属镍、镁为1#镁锭，硅为2202#工业硅。

    本发明实施例中采用的铝硅合金、铝铜合金、铝镍合金、铝稀土合金为工业产品，纯度为98~99%。

本发明实施例中选用的铝精炼剂为市购铝精炼剂，主要成分为六氯乙烷；选用的氩气为一般工业氩气，纯度为99%以上。

实施例1

重熔铝锭加热熔化后，在温度750℃时加入称量好的工业硅，2h后硅完全熔化，升温至780℃，加入裁剪成薄板状的金属镍片，原料全部熔化后，加入电解铜降温，在730℃时将铝箔包裹的金属镁用金属罩压入铝液中，搅拌使金属镁熔化；升温至780℃加入变质剂AlCuP合金，搅拌至变质剂全部熔化，在780~800℃下保温30min；然后加入AlRe合金，熔化后再进行吹氩气精炼5~8min，780~800℃温度下静置10min后扒渣并上下搅拌均匀。

合金化元素Si、Ni、Cu、Mg以纯金属的方式加入，在配料时要考虑熔炼过程中工业硅2~4%、金属铜1~2%、金属镍1~2%、金属镁2~4%的烧损，否则将造成分析值与预测结果偏差较大。

其中变质剂为自制的AlCuP合金，成分按重量百分比为含磷4%，铜42%，余量为铝，变质剂的加入主要是为了细化初晶硅，加入量为铝合金熔体总重量1.5%。

将金属试棒模预热至250℃±10℃，将精炼后的金属熔液浇铸成过共晶铝硅合金拉伸试棒，其化学成分为硅18.7%，铜3.8%，镁0.42%，镍1.6%，稀土0.88%，铁0.26%，磷0.002%，其它杂质总和0.4%，余量为铝。

在箱式热处理炉内将拉伸试棒加热至500±5℃，保温3h后在65℃水中淬火，然后放入时效炉中在195±5℃保温8h。

分别在室温和高温条件下测试T6状态的过共晶铝硅合金试棒的拉伸强度，得到室温时平均抗拉强度(σ _b)为310MPa，伸长率(δ)为0.3%；升温到300℃，保温30分钟后进行高温拉伸试验，得到平均抗拉强度(σ _b)为196MPa，伸长率(δ)为0.8%。

在20~300℃温度区间内，测得新型过共晶铝硅合金的最大线膨胀系数为17.2×10^-6℃^-1；在室温下测试合金的干滑动磨损性能，在滑动速度为0.5M/s、载荷为60N、磨损时间为1 h的条件下平均磨损量为32 mg。

部分国内外过共晶Al-Si发动机用合金的性能如表2所示，新型过共晶铝硅合金的力学性能明显优于国内外其它牌号的发动机用Al-Si合金。

表2  发动机发动机用铝硅合金性能比较

实施例2

重熔铝锭加热熔化后，在740℃时分别加入称量好的AlSi25、AlCu50和AlNi10中间合金，上述原料全部融化后，在730℃条件下将铝箔包裹的金属镁用金属罩压入铝液中，搅拌使金属镁全部熔化；升温至780℃加入变质剂AlCuP合金，搅拌至变质剂全部熔化，在780~800℃条件下保温30min；然后加入称量好的AlRe合金，熔化后再加入铝精炼剂精炼，780~800℃温度下静置10min后扒渣并上下搅拌均匀。

合金化元素Mg以纯金属的方式加入，在配料时要考虑金属镁2~4%的烧损，其它合金化元素都以中间合金的方式加入，烧损可以忽略。

其中变质剂为自制的AlCuP合金，成分按重量百分比为含磷6%，铜50%，余量为铝，变质剂的加入主要是为了细化初晶硅，加入量为铝合金熔体总重量1.5%。

在温度770~800℃时，将铝液浇铸到金属型活塞模具中成型，金属模具浇铸操作如下：

(1) 预热模具。从保温炉中舀铝液浇入模具中，预热5~10模左右。

(2) 浇铸活塞。浇铸温度为780℃，舀适量铝液快速浇入模具，1min左右凝固后，模具上镶块先退出，轻轻敲打左右镶块，然后左右模具开模，使其顺利脱模。取出活塞，将左右镶块迅速涂上脱模剂，调整好位置，放上过滤网，合左右模具，再合上模，准备下一个浇铸。

金属模过共晶铝硅活塞的化学成分为硅16.5%，铜3.5%，镁0.53%，镍1.2%，稀土1.1%，铁0.23%，磷0.003%，其它杂质总和0.4%，余量为铝。

金属模活塞的T6热处理方式同实例1，将热处理后的活塞铸件加工成板状拉伸试样，分别在室温和高温条件下进行拉伸试验，室温时平均抗拉强度(σ _b)为287Mpa伸长率(δ)为0.3%；升温到300℃，保温30分钟，然后进行高温拉伸试验，平均抗拉强度(σ _b)为186MPa，伸长率(δ)为0.7%。

在20~300℃温度区间内，新型过共晶铝硅合金的最大线膨胀系数为17.8×10^-6℃^-1；在室温下测试合金的干滑动磨损性能，在滑动速度为0.5M/s、载荷为60N、磨损时间为1 h的条件下平均磨损量为38 mg。

实施例3

过共晶铝硅合金的熔炼方法同实例2，采用卧式挤压铸造机制备过共晶铝硅活塞。活塞的挤压铸造操作如下：

(1) 将模具、料筒预热至100~150℃；

(2) 向模具内腔表面喷射一层脱模剂，向料筒内壁喷射一层水剂石墨，然后把旋钮调至慢压射和自动位置，按合模按钮将模具合好，关上安全门。浇铸温度为700~730℃，向料筒内舀入铝液，加料量要根据铸件的重量进行调整；

(3) 按压射按钮，铝液在一定压力推动下进入模具挤压成型，保压8~15s后开模，顶针将铸件顶出，取下铸件，清理模具内腔和料筒内的铝皮；

(4) 挤压生产铸件5~10件并待模具温度上升后，启动快压射，根据铸件的成型完整性、表面质量及内部缩孔情况调整相应的挤压工艺参数。

挤压铸造过共晶铝硅活塞的化学成分为硅17.5%，铜3.1%，镁0.65%，镍1.8%，稀土0.5%，铁0.16%，磷0.002%，其它杂质总和0.3%，余量为铝。

挤压铸造活塞的T6热处理方式同实例1，将热处理后的活塞铸件加工成板状拉伸试样，分别在室温和高温条件下进行拉伸试验，室温时平均抗拉强度(σ _b)为330MPa，伸长率(δ)为0.5%；升温到300℃，保温30分钟，然后进行高温拉伸试验，平均抗拉强度(σ _b)为205MPa，伸长率(δ)为1.2%。

在20~300℃温度区间内，新型过共晶铝硅合金的最大线膨胀系数为17.3×10^-6℃^-1；在室温下测试合金的干滑动磨损性能，在滑动速度为0.5M/s、载荷为60N、磨损时间为1 h的条件下平均磨损量为30 mg。

本发明并不限于以上实施例，凡依据本发明之各种修饰与变化，仍属于本申请专利的范围之内。

Claims (6)

1.一种过共晶铝硅合金，其特征在于其过共晶铝硅合金的重量百分比组成为：硅16.0%~19.0%，铜3.0%~4.0%，镁0.40%~0.70%，镍1.0%~2.0%，稀土Re 0.40%~1.2%，磷0.001%~0.006%，Fe<0.40%，其它杂质总和<0.50%，余量为铝。

2.根据权利要求1所述的一种过共晶铝硅合金的制备方法，其特征在于其制备过程包括合金的熔炼、铸造和T6热处理步骤。

3.根据权利要求2所述的一种过共晶铝硅合金的制备方法，其特征在于所述的合金的熔炼过程是将铝锭熔化后，先后加入金属硅、金属镍片、电解铜板，或者预先制成铝硅中间合金、铝铜中间合金、铝镍中间合金一起加热熔化，然后加入金属镁，通过搅拌使金属镁在铝液中熔化；在780~800℃条件下加入变质剂，搅拌至变质剂全部熔化，保温20~40min，然后加入称量好的AlRe合金，熔化后加入铝精炼剂或通入氩气精炼，780~800℃温度下静置10~15min，然后扒渣并上下搅拌均匀。

4.根据权利要求3所述的一种过共晶铝硅合金的制备方法，其特征在于所述的变质剂为自制的AlCuP合金，成分按重量百分比为含磷4%~8%，铜30%~50%，余量为铝，加入量为铝合金熔体总重量1.0~2.0%；AlRe合金中稀土成分占铝稀土合金重量的9%~11%，余量为铝，其中稀土成分中按重量百分比为Ce占80~90%，其余的为La、Pr、Nd的混合稀土， AlRe合金的加入量为铝合金熔体总重量4%~12%。

5.根据权利要求2所述的一种过共晶铝硅合金的制备方法，其特征在于所述的合金的铸造过程是先将铸模预热至250℃±10℃，采用试棒模、金属模铸造或挤压铸造方式，将精炼后的金属溶液浇铸成拉伸试棒或活塞铸件。

6.根据权利要求2所述的一种过共晶铝硅合金的制备方法，其特征在于所述的合金的T6热处理过程是将拉伸试棒或活塞铸件加热至500±5℃，保温3~4h后在60~80℃水中淬火，然后在195±5℃条件下保温时效8~10h，热处理能够提高铝合金的力学性能。