CN105886847A - 一种耐高温纳米陶瓷颗粒增强铝合金及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种耐高温纳米陶瓷颗粒增强铝合金及其制备方法与应用，耐高温纳米陶瓷颗粒增强铝合金由以下质量百分比含量的组分构成：Si 5～9％、Mg 0.1～0.5％、Cu 2～6％、Fe 0.1～0.6％、Mn 0.1～0.6％、Zr 0.05～0.2％、V 0.05～0.2％、TiB2颗粒0.1～25％，余量为Al；耐高温纳米陶瓷颗粒增强铝合金用于制作发动机缸盖。与现有发动机用缸盖材料相比，本发明制备得到的铝合金的室温(20℃)抗拉强度和高温(250℃和300℃)抗拉强度都有大幅度的提高，能够满足高性能发动机对于更高工作温度，更高爆发压力的要求，可作为新型高性能发动机缸盖材料使用。

Description

一种耐高温纳米陶瓷颗粒增强铝合金及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于铝合金材料技术领域，尤其是涉及一种耐高温纳米陶瓷颗粒增强铝合金及其制备方法与应用。
背景技术
铸造铝合金具有比重小，比强度高，铸造成形性能和加工性能良好等一系列优点，在汽车零部件当中被广泛的使用。目前国内外大部分轿车的发动机缸体，缸盖和活塞都采用高强度的铸造铝合金生产。铸造铝合金在汽车上的广泛使用，能够有效的减轻汽车的重量，提高发动机的燃油效率，减少汽车尾气排放对大气的污染。目前，作为汽车发动机缸盖材料使用的铸造铝合金主要有国内的ZL101，ZL104及ZL702A，美国的319.0，日本的AC4B，和欧洲的G-AlSi6Cu4铝合金。虽然这些传统牌号的铝硅合金已经满足使用要求，但是当发动机功率进一步提高时，这类铸造铝合金已经很难满足发动机缸盖的高温使用要求。
近年来，随着更加严苛的汽车尾气排放标准的出台，汽车发动机的设计功率亦是不断提高。这使得缸盖承受的工作温度和和工作压力显著提高。随着燃烧室压强由约14-16MPa上升至18-20MPa，缸盖的进出气口鼻梁温度由约250℃提高到近300℃。这就要求发动机缸盖用铸造铝合金材料除具有良好的室温性能以外，还应具有优异的高温性能。相比与普通铸造铝合金，纳米陶瓷颗粒增强铝合金具有高比强度，高比模量，优异的耐高温性。在发动机活塞，航空，航天和国防等工业领域有着广泛的应用。但是，专门为发动机缸盖用发明和设计优化的纳米陶瓷颗粒增强铝合金仍未见报道。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种耐高温纳米陶瓷颗粒增强铝合金及其制备方法与应用，以满足不断提高的工作温度对发动机缸 盖材料的需求。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种耐高温纳米陶瓷颗粒增强铝合金，由以下质量百分比含量的组分构成：Si 5～9％、Mg 0.1～0.5％、Cu 2～6％、Fe 0.1～0.6％、Mn 0.1～0.6％、Zr 0.05～0.2％、V 0.05～0.2％、TiB2颗粒0.1～25％，余量为Al。
进一步地，所述的TiB2颗粒为粒径在20-300nm的纳米颗粒。
进一步地，所述的TiB2颗粒的形状为六方形或长方形。
进一步地，所述的TiB2颗粒均匀分布在铝合金中，界面干净且无界面反应。
一种耐高温纳米陶瓷颗粒增强铝合金的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)熔化铝锭，升温至880～1000℃；
(2)将KBF4、K2TiF6按质量比为1:1.4-1.8均匀混合，烘干后加入熔体中，进行机械搅拌，同时向熔体中通入惰性气体，如Ar；
(3)取出反应熔渣，加入Si、Mg以及Al-50％Cu、Al-20％Fe、Al-10％Mn、Al-10％Zr和Al-5％V中间合金，在熔体中加入精炼剂进行除气精炼，扒去浮渣，静置后浇注到已预热到220℃的模具中，冷却后取出，采用T6热处理工艺进行热处理，得到纳米陶瓷颗粒增强铝合金。
进一步地，所述的精炼剂为常规的含有钾盐、钠盐、氟盐等无机盐的铝合金精炼剂或六氯乙烷。
进一步地，所述的Al-50％Cu中间合金中，Cu的质量百分比为50％，余量为Al；Al-20％Fe中间合金中，Fe的质量百分比为20％，余量为Al；Al-10％Mn中间合金中，Mn的质量百分比为10％，余量为Al；Al-10％Zr中间合金中，Zr的质量百分比为10％，余量为Al；Al-5％V中间合金中，V的质量百分比为5％，余量为Al。
进一步地，铝锭、KBF4、K2TiF6、Si、Mg、Al-50％Cu、Al-20％Fe、Al-10％Mn、Al-10％Zr和Al-5％V中间合金的加入量满足所得耐高温纳米陶瓷颗粒增强铝合金由以下质量百分比含量的组分构成：Si 5～9％、Mg 0.1～0.5％、Cu 2～6％、Fe 0.1～0.6％、Mn 0.1～0.6％、Zr 0.05～0.2％、V 0.05～0.2％、TiB2颗粒0.1～25％，余量为Al。
所述的耐高温纳米陶瓷颗粒增强铝合金用于制作发动机缸盖。
与现有技术相比，本发明中的Si颗粒提供了一定的高温强度；Cu和Mg 能在铝合金中形成稳定且扩散速率低的第二相，在高温下能起到强化作用；Zr和V在形成具有热稳定性的第二相的同时，还能细化铝合金组织以起到强化作用。最重要的是，TiB2颗粒是从铝熔体中原位反应自生的，与铝基体结合良好，且其作为陶瓷相高温强度稳定性优异。此外，TiB2颗粒尺度细小，均匀弥散的分布在合金基体上，有利于提高铝合金的室温和高温性能。
将本发明材料加工成直径为6mm的标准拉伸试样，根据GB/T228-2002《金属材料室温拉伸实验方法》和GB/T4338-2006《金属材料高温温拉伸实验方法》测试室温(20℃)力学性能和高温(250℃和300℃)力学性能。高温力学性能的试样测试保温时间为30分钟。结果见表1。本发明制备得到的纳米陶瓷颗粒增强铝合金，与现有发动机缸盖用铝合金相比，本发明铝合金材料的室温(20℃)抗拉强度和高温(250℃和300℃)抗拉强度都有明显的提高。
表1
注：
(1)ZL702A，319.0，AC4B和G-AlSi6Cu4分别为中国，美国，日本和欧洲典型的缸盖用铸造铝合金材料。
(2)表中数据为实测最佳值。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种发动机缸盖用纳米陶瓷颗粒增强铝合金，由以下质量百分比含量的组分构成：Si 9％、Mg 0.35％、Cu 5％、Fe 0.4％、Mn 0.4％、Zr 0.1％、V 0.1％、TiB2颗粒25％，余量为Al。其中，TiB2颗粒为粒径在20nm的纳米颗粒，形状为六方形。TiB2颗粒均匀分布在铝合金中，界面干净且无界面反应。
发动机缸盖用纳米陶瓷颗粒增强铝合金的制备方法，采用以下步骤：
(1)熔化铝锭，升温至880℃；
(2)将KBF4、K2TiF6按质量比为1:1.4均匀混合，烘干后加入熔体中，进行机械搅拌，同时向熔体中通入Ar；
(3)取出反应熔渣，按照上述配方加入Si、Mg以及Al-50％Cu、Al-20％Fe、Al-10％Mn、Al-10％Zr和Al-5％V中间合金，在熔体中加入精炼剂(为常规的含有钾盐的铝合金精炼剂)进行除气精炼，扒去浮渣，静置后浇注到模具中，冷却后取出，采用T6热处理工艺进行热处理，得到纳米陶瓷颗粒增强铝合金。
本实施例中制备的纳米陶瓷颗粒增强铝合金常温的抗拉强度为410MPa，高温的拉强度分别为353MPa(250℃)和208MPa(300℃)。
实施例2
一种发动机缸盖用纳米陶瓷颗粒增强铝合金，由以下质量百分比含量的组分构成：Si 6％、Mg 0.2％、Cu 3％、Fe 0.2％、Mn 0.2％、Zr 0.05％、V 0.1％、TiB2颗粒8％，余量为Al。其中，TiB2颗粒为粒径在300nm的纳米颗粒，形状为长方形。TiB2颗粒均匀分布在铝合金中，界面干净且无界面反应。
发动机缸盖用纳米陶瓷颗粒增强铝合金的制备方法，采用以下步骤：
(1)熔化铝锭，升温至1000℃；
(2)将KBF4、K2TiF6按质量比为1:1.8均匀混合，烘干后加入熔体中，进行机械搅拌，同时向熔体中通入Ar；
(3)取出反应熔渣，按照上述配方加入Si、Mg以及Al-50％Cu、Al-20％Fe、Al-10％Mn、Al-10％Zr和Al-5％V中间合金，在熔体中加入精炼剂(为常规的含有钠盐的铝合金精炼剂)进行除气精炼，扒去浮渣，静置后浇注到模具中，冷却后取出，采用T6热处理工艺进行热处理，得到纳米陶瓷颗粒增强铝合金。
本实施例中制备的纳米陶瓷颗粒增强铝合金常温的抗拉强度为370MPa，高温的抗拉强度分别为285MPa(250℃)和177MPa(300℃)。
实施例3
一种耐高温纳米陶瓷颗粒增强铝合金，由以下质量百分比含量的组分构成：Si 5％、Mg 0.1％、Cu 2％、Fe 0.1％、Mn 0.1％、Zr 0.05％、V 0.05％、TiB2颗粒0.1％，余量为Al。其中，TiB2颗粒为粒径在20-30nm的纳米颗粒。TiB2颗粒的形状为六方形。TiB2颗粒均匀分布在铝合金中，界面干净且无界面反应。
一种耐高温纳米陶瓷颗粒增强铝合金的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)熔化铝锭，升温至900℃；
(2)将KBF4、K2TiF6按质量比为1:1.6均匀混合，烘干后加入熔体中，进行机械搅拌，同时向熔体中通入惰性气体Ar；
(3)取出反应熔渣，加入Si、Mg以及Al-50％Cu、Al-20％Fe、Al-10％Mn、Al-10％Zr和Al-5％V中间合金，在熔体中加入精炼剂(是常规的含有氟盐的铝合金精炼剂)进行除气精炼，扒去浮渣，静置后浇注到已预热到220℃的模具中，冷却后取出，采用T6热处理工艺进行热处理，得到纳米陶瓷颗粒增强铝合金。
本实施例中制备的纳米陶瓷颗粒增强铝合金常温的抗拉强度为380MPa，高温的拉强度分别为300MPa(250℃)和180MPa(300℃)。
实施例4
一种耐高温纳米陶瓷颗粒增强铝合金，由以下质量百分比含量的组分构成：Si 9％、Mg 0.5％、Cu 6％、Fe 0.6％、Mn 0.6％、Zr0.2％、V 0.2％、TiB2颗粒25％，余量为Al。其中，TiB2颗粒为粒径在200-300nm的纳米颗粒，TiB2颗粒的形状为长方形，TiB2颗粒均匀分布在铝合金中，界面干净且无界面反应。
一种耐高温纳米陶瓷颗粒增强铝合金的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)熔化铝锭，升温至880～1000℃；
(2)将KBF4、K2TiF6按质量比为1:1.8均匀混合，烘干后加入熔体中，进行机械搅拌，同时向熔体中通入惰性气体Ar；
(3)取出反应熔渣，加入Si、Mg以及Al-50％Cu、Al-20％Fe、Al-10％Mn、Al-10％Zr和Al-5％V中间合金，在熔体中加入精炼剂(六氯乙烷)进行除气精炼，扒去浮渣，静置后浇注到已预热到220℃的模具中，冷却后取出，采用T6热处理工艺进行热处理，得到纳米陶瓷颗粒增强铝合金。
本实施例中制备的纳米陶瓷颗粒增强铝合金常温的抗拉强度为370MPa，高温的拉强度分别为280MPa(250℃)和175MPa(300℃)。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种耐高温纳米陶瓷颗粒增强铝合金，其特征在于，由以下质量百分比含量的组分构成：Si 5～9％、Mg 0.1～0.5％、Cu 2～6％、Fe 0.1～0.6％、Mn 0.1～0.6％、Zr 0.05～0.2％、V 0.05～0.2％、TiB2颗粒0.1～25％，余量为Al。
2.根据权利要求1所述的一种耐高温纳米陶瓷颗粒增强铝合金，其特征在于，所述的TiB2颗粒为粒径在20-300nm的纳米颗粒。
3.根据权利要求1所述的一种耐高温纳米陶瓷颗粒增强铝合金，其特征在于，所述的TiB2颗粒的形状为六方形或长方形。
4.根据权利要求1所述的一种耐高温纳米陶瓷颗粒增强铝合金，其特征在于，所述的TiB2颗粒均匀分布在铝合金中。
5.一种如权利要求1所述的耐高温纳米陶瓷颗粒增强铝合金的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)熔化铝锭，升温至880～1000℃；
(2)将KBF4、K2TiF6按质量比为1:1.4-1.8均匀混合，烘干后加入熔体中，进行机械搅拌，同时向熔体中通入惰性气体；
(3)取出反应熔渣，加入Si、Mg以及Al-50％Cu、Al-20％Fe、Al-10％Mn、Al-10％Zr和Al-5％V中间合金，在熔体中加入精炼剂进行除气精炼，扒去浮渣，静置后浇注到模具中，冷却后取出，采用T6热处理工艺进行热处理，得到纳米陶瓷颗粒增强铝合金。
6.根据权利要求5所述的一种耐高温纳米陶瓷颗粒增强铝合金的制备方法，其特征在于，所述的精炼剂为常规的含有无机盐的铝合金精炼剂或六氯乙烷。
7.根据权利要求5所述的一种耐高温纳米陶瓷颗粒增强铝合金的制备方法，其特征在于，所述的Al-50％Cu中间合金中，Cu的质量百分比为50％，余量为Al；Al-20％Fe中间合金中，Fe的质量百分比为20％，余量为Al；Al-10％Mn中间合金中，Mn的质量百分比为10％，余量为Al；Al-10％Zr中间合金中，Zr的质量百分比为10％，余量为Al；Al-5％V中间合金中，V的质量百分比为5％，余量为Al。
8.根据权利要求5所述的一种耐高温纳米陶瓷颗粒增强铝合金的制备方法，其特征在于，铝锭、KBF4、K2TiF6、Si、Mg、Al-50％Cu、Al-20％Fe、Al-10％Mn、Al-10％Zr和Al-5％V中间合金的加入量满足所得耐高温纳米陶瓷颗粒增强铝合金由以下质量百分比含量的组分构成：Si 5～9％、Mg 0.1～0.5％、Cu 2～6％、Fe 0.1～0.6％、Mn 0.1～0.6％、Zr 0.05～0.2％、V 0.05～0.2％、TiB2颗粒0.1～25％，余量为Al。
9.一种如权利要求1所述的耐高温纳米陶瓷颗粒增强铝合金的应用，其特征在于，所述的耐高温纳米陶瓷颗粒增强铝合金用于制作发动机缸盖。
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