CN104195383B - 高端汽车全铝发动机用亚共晶铝硅合金材料及其制备方法 - Google Patents

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霍会娟
黄海军
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孔艳静
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Abstract

本发明涉及一种高端汽车全铝发动机用亚共晶铝硅合金材料及其制备方法，通过添加Cu、Mn强化元素和Sr变质元素，改进工业硅熔化工艺，采用炉内和浇铸过程双重除气除渣工艺、热分析在线检测合金细化变质技术，研制出一种高强高韧亚共晶铝硅合金材料，抗拉强度达338-345Mpa，延伸率8.5％-9.2％，完全可以应用在国内外高端汽车全铝发动机上。

Description

高端汽车全铝发动机用亚共晶铝硅合金材料及其制备方法
技术领域
本发明属于铝硅合金领域，涉及汽车全铝发动机用铝硅合金，尤其是一种高端汽车全铝发动机用亚共晶铝硅合金材料及其制备方法。
背景技术
汽车发动机是汽车的心脏，其质量的好坏直接决定着汽车质量。传统汽车发动机无论是缸体还是缸盖都是铸铁制成，有着许多先天不足，例如重量大、散热性差、摩擦系数高等。全铝发动机重量轻、能有效降低燃油消耗和提高车辆的行驶性能，是国内外高端汽车发动机发展的趋势。目前，已有部分高端汽车采用全铝发动机，如罗孚的k系列发动机，宝马的M52直列六缸发动机，日产的VQ发动机，捷豹的-AJ－V8发动机、奔驰的V6和V8发动机。
国内牌号的Al-Si系合金力学性能低，不能满足高端汽车发动机的要求。下表为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，近些年也涌现了一些新型铝硅合金材料，如下表所示。
单纯从改变合金材料的组分上来提高材料的力学性能，其效果是有限的，如果想显著提高铝硅合金材料的力学性能，必须在工艺上有突破性的改进。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种抗拉强度高、延伸率高、气孔、渣孔少的高端汽车全铝发动机用亚共晶铝硅合金材料及其制备方法。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
一种高端汽车全铝发动机用亚共晶铝硅合金材料的制备方法，步骤如下：
⑴按照Si：6.5-7.5％、Mg：0.25-0.45％、Ti：0.08-0.20％、Cu：Mg＝(1.5-2.5):1、Mn:0.05-0.08％、Sr：0.015-0.030％的组分及质量百分含量分别称量工业硅、金属镁、铜米、AlTi10、AlMn10、AlSr10及重熔用铝锭；
⑵按总投料质量的0.15％～0.2％称取除钙剂；
⑶将称取的所有原料及除钙剂放入干燥室200-300℃干燥2～3h；
⑷将重熔用铝锭投入火焰式反射熔化炉内，点燃天然气进行熔化，待铝锭全部熔化后，调整铝液温度为730-740℃，准备转炉；
⑸先将工业硅放入硅槽内，再将除钙剂均匀撒在工业硅的表面，然后将硅槽放在震动台上震动1min，再利用叉车将硅槽中的工业硅及除钙剂投入合金炉内；
⑹将铝液从熔化炉转入合金炉中，转炉时，铝液直接浇到工业硅上，转炉结束后，合金炉点火升温20min，将铝液表面的铝渣扒出；
⑺将金属镁、铜米、AlTi10、AlMn10、AlSr10投入炉内，全部熔化后取成分试样检测；
⑻成分合格后，使用除气耙对炉内铝液进行氩气除气，除气时间30分钟，进行成分及热分析检测；
⑼在浇铸流槽尾端的过滤箱内放置40ppi的陶瓷过滤板，并与浇铸流槽一起预热至400-500℃；
⑽待成分合格，热分析检测值dTS≥2.2、dTL≤0.4时，调整炉内铝液温度为700±10℃，开启炉后除气系统，开始浇铸，浇铸流槽内铝液高度≧50cm，氩气泡高度<5cm；
⑾使用熔体快速测氢仪在过滤箱内在线检测铝液含气量，铝液流经浇铸流槽时，进行二次除气除渣后进入铝液分配器注入模具内，凝固成锭。
而且，在浇筑流槽的底部及两侧壁均均布安装有除气砖。
一种高端汽车全铝发动机用亚共晶铝硅合金材料，其组分及质量百分含量为：
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明通过添加Cu、Mn强化元素和Sr变质元素，改进工业硅熔化工艺，采用炉内和浇铸过程双重除气除渣工艺、热分析在线检测合金细化变质技术，研制出一种高强高韧亚共晶铝硅合金材料，完全可以应用在国内外高端汽车全铝发动机上。
2、本发明在浇铸流槽底部和侧面安装有除气砖，铝液流经流槽时，氩气通过除气砖的孔隙进入到除气砖内起到去除铝液中气体的作用。40ppi的陶瓷过滤板能够阻止大于40ppi的铝渣进入铝液分配器内。本发明在合金经炉内及浇铸过程中双重除气除渣，铝液的含气量≤0.15ml/100gAl，平均每条铸锭上含渣个数不大于2.5个，平均每个渣的面积不大于2mm2，含气含渣量明显降低。
3、本发明在硅槽的工业硅表面均匀的撒上除钙剂，经振动台震动后，除钙剂与工业硅均匀混合，转炉时，铝液直接浇到工业硅上，除钙剂与铝液发生反应，生成大量均匀气泡并瞬时放出大量热量，使工业硅温度快速升高，同时生成的气泡起到搅拌工业硅的作用，使工业硅快速熔化。该工艺与工业硅和铝块一起投入熔化的工艺相比，具有工业硅熔化温度低、熔化时间短，熔化彻底等优点，而且除钙剂兼有除钙、除渣的作用，减少了熔化工序步骤。
4、本发明合金材料的组分Mn使针状的Fe相变为块状Fe，降低了针状Fe的有害作用，大幅提高合金的延伸率；Cu与Al形成CuAl2强化相，与Mg形成CuMgAl2相，弥散分布在晶界处，提高合金强度；Sr将杆状共晶硅变成球状或蠕虫状，大幅提升合金的力学性能。制备的高强高韧亚共晶铝硅合金材料(T6热处理状态)抗拉强度达338-345Mpa，延伸率8.5％-9.2％。
5、本发明当检测到热分析特征值dTS≥2.2、dTL≤0.4时，说明铝合金熔体的细化变质效果良好。根据热分析特征值可以快速判断发明合金的细化变质效果，可以随时检测炉内铝合金液的细化变质情况，具有现场指导意义。
附图说明
图1为本发明合金材料的热分析曲线图；
图2为本发明合金材料放大200倍的金相照片。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
实施例1
一种高端汽车全铝发动机用亚共晶铝硅合金材料的制备方法，具体步骤是：
⑴Cu、Sr元素以及除钙剂取上限，按照Si：7.1％、Mg：0.36％、Cu：0.54％(Cu：Mg＝2.5:1)、Ti：0.11％、Mn：0.063％、、Sr：0.028％的比例进行配料，并根据配料卡领取工业硅、金属镁、铜米、AlTi10、AlMn10、AlSr10、重熔用铝锭共20t；
⑵称取徐州立伟铝业除钙剂40kg；
⑶将步骤(1)、步骤(2)中的所有原料放入恒温预热干燥室中温度为240℃干燥2h；
⑷将干燥后的重熔用铝锭投入火焰式反射熔化炉内，点燃天然气进行熔化；
⑸待铝锭全部熔化后，调整铝液温度为739℃，准备转炉；
⑹将干燥后的除钙剂均匀撒在硅槽中工业硅的表面，硅槽放在JY-z-50震动台上震动1min。利用叉车将硅槽中的工业硅及除钙剂投入合金炉。
⑺将铝液从熔化炉中转入合金炉中，转水结束后，合金炉点火升温20min，将铝液表面的铝渣扒出。
⑻将干燥后的金属镁、铜米、AlTi10、AlMn10、AlSr10投入炉内，全部熔化后取成分试样检测。
⑼成分合格后，使用除气耙对炉内铝液进行氩气除气，除气时间30分钟，进行成分及热分析检测；
⑽在浇铸流槽尾端的过滤箱内放置40ppi的陶瓷过滤板，并与浇铸流槽一起预热至488℃。
⑾成分合格，热分析检测值dTS＝3.2、dTL＝0.1，调整炉内铝液温度为695℃，开启炉后除气系统，开始浇铸。浇铸流槽内铝液高度在55cm左右，氩气泡高度3cm左右。
⑿使用熔体快速测氢仪在过滤箱内在线检测铝液含气量，铝液流经浇铸流槽时，进行二次除气除渣后进入铝液分配器注入模具内，凝固成锭。
本次生产的合金材料，含气量0.125ml/100gAl；通过体式显微镜观察：平均每条铸锭上含渣个数为1.6个，平均每个渣的面积为1.0mm2；熔炼时间为2小时25分钟；T6热处理状态抗拉强度338Mpa，延伸率8.5％。
实施例2
一种高端汽车全铝发动机用亚共晶铝硅合金材料的制备方法，具体步骤是：
⑴Cu、Sr元素以及除钙剂取下限，按照Si：7.2％、Mg：0.33％、Cu：0.5％(Cu：Mg＝1.5:1)、Mn：0.072％、Ti：0.11％、Sr：0.018％的比例进行配料，并根据配料卡领取工业硅、金属镁、铜米、AlTi10、AlMn10、AlSr10、重熔用铝锭共20t；
⑵称取徐州立伟铝业除钙剂30kg；
⑶将步骤(1)、步骤(2)中的所有原料放入恒温预热干燥室中温度为280℃干燥2h；
⑷将干燥后的重熔用铝锭投入火焰式反射熔化炉内，点燃天然气进行熔化；
⑸待铝锭全部熔化后，调整铝液温度为739℃，准备转炉；
⑹将干燥后的除钙剂均匀撒在硅槽中工业硅的表面，硅槽放在JY-z-50震动台上震动1min。利用叉车将硅槽中的工业硅及除钙剂投入合金炉。
⑺将铝液从熔化炉中转入合金炉中，转水结束后，合金炉点火升温20min，将铝液表面的铝渣扒出。
⑻将干燥后的金属镁、铜米、AlTi10、AlMn10、AlSr10投入炉内，全部熔化后取成分试样检测。
⑼成分合格后，使用除气耙对炉内铝液进行氩气除气，除气时间30分钟，进行成分及热分析检测；
⑽在浇铸流槽尾端的过滤箱内放置40ppi的陶瓷过滤板，并与浇铸流槽一起预热至426℃。
⑾成分合格，热分析检测值dTS＝2.3、dTL＝0.3，调整炉内铝液温度为703℃，开启炉后除气系统，开始浇铸。浇铸流槽内铝液高度在55cm左右，氩气泡高度3cm左右。
⑿使用熔体快速测氢仪在过滤箱内在线检测铝液含气量，铝液流经浇铸流槽时，进行二次除气除渣后进入铝液分配器注入模具内，凝固成锭。
本次生产的合金材料，含气量0.103ml/100gAl；通过体式显微镜观察：平均每条铸锭上含渣个数为1.5个，平均每个渣的面积为0.93mm2；熔炼时间为2小时20分钟；T6热处理状态抗拉强度345Mpa，延伸率9.2％。
表1本发明合金材料成分
表2本发明合金材料性能参数
本发明采用热分析结合金相分析在线监测铝液的细化变质，该方法检测时间短，可实现炉内在线检测，指导生产。具体步骤为：将铝液注入TA110热分析仪坩埚内，利用热分析仪实现热分析、数据的采集、分析和结果输出，快速得到热分析冷却曲线(如图1所示)，以及反映合金细化变质效果的热分析特征值，dTL和dTS；同时浇铸金相试样，在显微镜下观察金相组织(如图2所示)。摸索热分析特征值与金相组织的对应关系，从而根据热分析特征值的大小即可判断铝合金细化变质效果。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种高端汽车全铝发动机用亚共晶铝硅合金材料的制备方法，步骤如下：
⑴按照Si：6.5-7.5％、Mg：0.25-0.45％、Ti：0.08-0.20％、Cu：Mg＝(1.5-2.5):1、Mn:0.05-0.08％、Sr：0.015-0.030％的组分及质量百分含量分别称量工业硅、金属镁、铜米、AlTi10、AlMn10、AlSr10及重熔用铝锭；
⑵按总投料质量的0.15％～0.2％称取除钙剂；
⑶将称取的所有原料及除钙剂放入干燥室200-300℃干燥2～3h；
⑷将重熔用铝锭投入火焰式反射熔化炉内，点燃天然气进行熔化，待铝锭全部熔化后，调整铝液温度为730-740℃，准备转炉；
⑸先将工业硅放入硅槽内，再将除钙剂均匀撒在工业硅的表面，然后将硅槽放在震动台上震动1min，再利用叉车将硅槽中的工业硅及除钙剂投入合金炉内；
⑹将铝液从熔化炉转入合金炉中，转炉时，铝液直接浇到工业硅上，转炉结束后，合金炉点火升温20min，将铝液表面的铝渣扒出；
⑺将金属镁、铜米、AlTi10、AlMn10、AlSr10投入炉内，全部熔化后取成分试样检测；
⑻成分合格后，使用除气耙对炉内铝液进行氩气除气，除气时间30分钟，进行成分及热分析检测；
⑼在浇铸流槽尾端的过滤箱内放置40ppi的陶瓷过滤板，并与浇铸流槽一起预热至400-500℃；
⑽待成分合格，热分析检测值dTS≥2.2、dTL≤0.4时，调整炉内铝液温度为700±10℃，开启炉后除气系统，开始浇铸，浇铸流槽内铝液高度≧50cm，氩气泡高度<5cm；
⑾使用熔体快速测氢仪在过滤箱内在线检测铝液含气量，铝液流经浇铸流槽时，进行二次除气除渣后进入铝液分配器注入模具内，凝固成锭。
2.根据权利要求1所述的高端汽车全铝发动机用亚共晶铝硅合金材料的制备方法，其特征在于：在浇筑流槽的底部及两侧壁均均布安装有除气砖。
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