CN105886853A - 一种纳米陶瓷颗粒增强铝硅合金及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种纳米陶瓷颗粒增强铝硅合金及其制备方法与应用，纳米陶瓷颗粒增强铝硅合金由以下质量百分比含量的组分构成：Si 3～13％、Mg 0.2～0.6％、Cu 0.05～0.4％、Fe 0.1～0.3％、Mn 0.1～0.3％、Zn 0.05～0.1％、TiB2颗粒0.1～25％，余量为Al；所述的纳米陶瓷颗粒增强铝硅合金用于制作发动机缸体。与现有发动机用缸体材料相比，本发明制备得到的纳米陶瓷颗粒增强铝硅合金，抗拉强度280～400MPa，布氏硬度120～140，延伸率2～3％，均优于现有发动机缸体用铝硅合金的机械性能指标。能够满足高性能发动机对于更严苛工况的需求，可作为高性能发动机缸体材料使用。

Description

一种纳米陶瓷颗粒增强铝硅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，尤其是涉及一种发动机缸体用纳米陶瓷颗粒增强铝硅合金及其制备方法。
背景技术
早期的汽车发动机的缸体材料多选用铸铁铸造而成。但是铸铁材料导热性能和耐腐蚀性能均较差，而气缸体则长期和高温高压燃气接触，需要承受很大的热负荷和机械负荷。在长期的工况条件下，铸铁制缸体容易产生气孔，变形和渗漏等缺陷，易导致缸体报废。因此，目前的汽车发动机缸体材料多用铝硅合金铸造而成。铝硅合金是一种以铝和硅为主要成分的铸造合金，其中铝为合金基体，硅为主要的高硬度耐磨相。铝硅合金具有导热性和耐腐蚀性能好，强度高，铸造性能好等优点，而且铝硅合金的重量远低于铸铁，有利于降低油耗，节能环保。
经现有技术文献的检索发现，公布号为CN102912202A的中国专利公布了一种发动机缸体合金，其本质上是一种使用硅的质量百分数为10％～12％的一种铸造铝硅合金作为发动机缸体使用。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。这使得缸体承受的工作温度和和工作压力显著提高。这就要求发动机缸体用铸造铝合金材料性能进一步得到提高。由此，本发明提供了一种专门为发动机缸体设计的纳米陶瓷颗粒增强铝硅合金。
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纳米陶瓷颗粒增强铝硅合金及其制备方法与应用，以满足不断提高的工况对发动机缸体材料的需求。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种纳米陶瓷颗粒增强铝硅合金，由以下质量百分比含量的组分构成：Si 3～13％、Mg 0.2～0.6％、Cu 0.05～0.4％、Fe 0.1～0.3％、Mn 0.1～0.3％、Zn 0.05～0.1％、TiB2颗粒0.1～25％，余量为Al。
进一步地，所述的TiB2颗粒为粒径在15-320nm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。
一种纳米陶瓷颗粒增强铝硅合金的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)熔化铝锭，升温至860～1030℃；
(2)将KBF4、K2TiF6按质量比为1:1.3-1.9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和Zn以及Al-50％Cu、Al-20％Fe和Al-10％Mn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，所述的精炼剂是常规的含有钾盐、钠盐、氟盐等无机盐的铝合金精炼剂或六氯乙烷。
进一步地，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。
进一步地，铝锭、KBF4、K2TiF6、Si、Mg、Zn、Al-50％Cu、Al-20％Fe和Al-10％Mn中间合金的加入量满足所得纳米陶瓷颗粒增强铝硅合金由以下质量百分比含量的组分构成：Si 3～13％、Mg 0.2～0.6％、Cu 0.05～0.4％、Fe 0.1～0.3％、Mn 0.1～0.3％、Zn 0.05～0.1％、TiB2颗粒0.1～25％，余量为Al。
所述的纳米陶瓷颗粒增强铝硅合金用于制作发动机缸体。
为了显著提高发动机缸体的抗拉强度，延伸率，硬度及改善合金的切削性能，将上述得到的铸态纳米陶瓷颗粒增强铝硅合金采用T6热处理工艺进行热处理，使合金基体中析出Mg2Si和Al2Cu等金属间化合物对铝基体进行强化。这些化合物和已有的Si相及TiB2相一起，赋予了材料优异的机械性能。
相比与普通铸造铝硅合金中硅相(硬度约为12GPa)作为主要的高硬度耐磨相，纳米陶瓷颗粒增强铝合金同时使用硅相和二硼化钛相(硬度约为32GPa)作为主要的高硬度耐磨相。
目前发动机缸体用铝硅合金的机械性能指标为：抗拉强度190MPa，布氏硬度82.8，延伸率1.5％。使用本发明得到的纳米陶瓷颗粒增强铝硅合金(T6态)，抗拉强度330～400MPa，布氏硬度120～140，延伸率2～3％，均优于现有发动机缸体用铝硅合金的机械性能指标。
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
一种发动机缸体用纳米陶瓷颗粒增强铝硅合金，由以下质量百分比含量的组分构成：Si 13％、Mg 0.5％、Cu 0.4％、Fe 0.2％、Mn 0.1％、Zn 0.05％、TiB2颗粒20％，余量为Al。其中，TiB2颗粒为粒径在15nm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。
缸体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860℃；
(2)将KBF4、K2TiF6按质量比为1:1.3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，加入Si、Mg和Zn以及Al-50％Cu、Al-20％Fe和Al-10％Mn中间合金，在熔体中加入精炼剂(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400MPa，布氏硬度140，延伸率2％。
实施例2
一种发动机缸体用纳米陶瓷颗粒增强铝硅合金，由以下质量百分比含量的组分构成：Si 3％、Mg 0.2％、Cu 0.2％、Fe 0.1％、Mn 0.1％、Zn 0.1％、TiB2颗粒5％，余量为Al。其中，TiB2颗粒为粒径在320nm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。
缸体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1030℃；
(2)将KBF4、K2TiF6按质量比为1:1.9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，加入Si、Mg和Zn以及Al-50％Cu、Al-20％Fe和Al-10％Mn中间合金，在熔体中加入精炼剂(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330MPa，布氏硬度120，延伸率3％。
实施例3
一种发动机缸体用纳米陶瓷颗粒增强铝硅合金，由以下质量百分比含量的组分构成：Si 8％、Mg 0.6％、Cu 0.05％、Fe 0.3％、Mn 0.3％、Zn 0.08％、TiB2颗粒0.1％，余量为Al。其中，TiB2颗粒为粒径在15-30nm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。
缸体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Ar；
(3)取出反应熔渣，加入Si、Mg和Zn以及Al-50％Cu、Al-20％Fe和Al-10％Mn中间合金，在熔体中加入精炼剂(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350MPa，布氏硬度130，延伸率2.2％。
实施例4
一种发动机缸体用纳米陶瓷颗粒增强铝硅合金，由以下质量百分比含量的组分构成：Si 10％、Mg 0.3％、Cu 0.1％、Fe 0.3％、Mn 0.2％、Zn 0.06％、TiB2颗粒25％，余量为Al。其中，TiB2颗粒为粒径在300-320nm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。
缸体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1:1.7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，加入Si、Mg和Zn以及Al-50％Cu、Al-20％Fe和Al-10％Mn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345MPa，布氏硬度127，延伸率2.6％。
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)

1.一种纳米陶瓷颗粒增强铝硅合金，其特征在于，由以下质量百分比含量的组分构成：Si 3～13％、Mg 0.2～0.6％、Cu 0.05～0.4％、Fe 0.1～0.3％、Mn 0.1～0.3％、Zn 0.05～0.1％、TiB2颗粒0.1～25％，余量为Al。
2.根据权利要求1所述的一种纳米陶瓷颗粒增强铝硅合金，其特征在于，所述的TiB2颗粒为粒径在15-320nm的纳米颗粒。
3.根据权利要求1所述的一种纳米陶瓷颗粒增强铝硅合金，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所述的一种纳米陶瓷颗粒增强铝硅合金，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所述的纳米陶瓷颗粒增强铝硅合金的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)熔化铝锭，升温至860～1030℃；
(2)将KBF4、K2TiF6按质量比为1:1.3-1.9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和Zn以及Al-50％Cu、Al-20％Fe和Al-10％Mn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所述的一种纳米陶瓷颗粒增强铝硅合金的制备方法，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所述的一种纳米陶瓷颗粒增强铝硅合金的制备方法，其特征在于，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。
8.根据权利要求5所述的一种纳米陶瓷颗粒增强铝硅合金的制备方法，其特征在于，铝锭、KBF4、K2TiF6、Si、Mg、Zn、Al-50％Cu、Al-20％Fe和Al-10％Mn中间合金的加入量满足所得纳米陶瓷颗粒增强铝硅合金由以下质量百分比含量的组分构成：Si 3～13％、Mg 0.2～0.6％、Cu 0.05～0.4％、Fe 0.1～0.3％、Mn 0.1～0.3％、Zn 0.05～0.1％、TiB2颗粒0.1～25％，余量为Al。
9.一种如权利要求1所述的纳米陶瓷颗粒增强铝硅合金的应用，其特征在于，所述的纳米陶瓷颗粒增强铝硅合金用于制作发动机缸体。
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