CN110129629B - 耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金及重力铸造制备 - Google Patents

耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金及重力铸造制备 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种耐热铸造Al‑Si‑Ni‑Cu铝合金及重力铸造制备，所述合金包括按质量百分数计的如下元素：10.5～12.0％Si、2.0～5.0％Ni、2.0～4.0％Cu、0.05～0.2％Mg、0.1～0.5％Cr、0.01～0.04％Sr、0.65～0.9％M、0.1～0.5％Fe，余量为Al，其中M为Ti、Zr和V中至少两种元素。铸态合金的室温、350℃瞬时和350保温后抗拉强度分别为253～295MPa、115～130MPa、72～90MPa，延伸率分别为1.1～1.5％、4.4～5.3％、5.5～7.1％，无需固溶热处理便可应用于活塞等汽车耐热零部件，满足汽车轻量化发展需求。

Description

耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金及重力铸造制备
技术领域
本发明涉及一种耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金及重力铸造制备，属于工业用铝合金及制造领域。
背景技术
铝合金具有密度小、比强度和比刚度较高、耐蚀性好及导电导热性优良、回收容易、低温性能好等特点，广泛应用于交通运输、航空航天、电子电器等领域。重力铸造是指金属液在地球重力作用下注入铸型的铸造方法，包括砂型浇铸、熔模铸造、金属型铸造等。与目前普遍采用的合金压铸工艺相比较，重力铸造的投资成本大为降低，是生产几何形状复杂铸件的主要方法。
在汽车用铝合金中，铸造铝合金占比高达80％，这主要归功于铸造铝合金具有良好的流动性、充型能力和力学性能，因而广泛用在制造发动机零部件、缸盖、车轮、保险杠等结构件上。作为汽车心脏部件的发动机，采用铸造Al-Si合金代替铸铁材料，在实现减重、提高燃油利用率、增大输出功率方面具有明显的优势。在发动机工作系统中，活塞材料的工况条件最为恶劣，燃烧室内高温气体瞬时温度可达到2000℃，活塞顶部的最高工作温度已超过400℃，同时活塞顶部还需承受着10～15MPa的燃气压力，而活塞销孔处不仅仅要承受200℃的高温，还需要承受20～28MPa的交变载荷。同时活塞是结构复杂的高速运动部件，与缸套间隙配合要稳定，材料必须质量轻、铸造成型性和耐磨性好、热膨胀系数小。Al-Si系铸造铝合金是满足热膨胀系数要求的唯一选择，20世纪以来，Al-Si活塞合金逐渐取代了铸铁和铸钢合金活塞，目前国内外普遍选用Al-Si-Cu系多元铸造共晶型合金，常见牌号包括中国的ZL117、美国的A390及德国的M142、M174等。为了保证活塞部件的稳定性，避免应用过程中出现材料脆断，常温延伸率要求至少达到1％。
在Al-Si-Cu合金中进一步加入Ni元素，不仅对提高该合金系的耐热性能有较为显著的作用，而且在不同的Cu/Ni比条件下可以形成多种高温强化相：合金中Cu/Ni质量比≥4.32(原子比≥4.0)时易形成γ相(Al7Cu4Ni)和θ-Al2Cu相；合金中Cu/Ni质量比介于1.08和4.32之间(原子比介于1.0和4.0)时易形成δ相(Al3CuNi)和γ相；合金中Cu/Ni质量比≤1.08(原子比≤1.0)时易形成δ相和ε相(Al3Ni)(Adv.Eng.Mater.19(3)(2017)1600623)。现有技术中，已经公开了多种可以用于制造内燃机活塞的铝合金。GB/T1173中公布的合金代号为ZL109的铸造铝合金材料是目前活塞行业中最常用的材料，该材料中各元素及其重量百分比如下：11.0～13.0％Si，0.5～1.5％Cu，0.8～1.3％Mg，0.8～1.5％Ni，0.05～0.2％Ti，0～0.7％Fe，0～0.2％Zn，0～0.2％Mn，0～0.01％Sn，0～0.05％Pb，杂质≤1.2％，余量为Al。该材料在350℃时的瞬时抗拉强度值约为70MPa左右，已经逐渐不能适应内燃机活塞的更高要求。德国马勒公司生产的M142型铝合金材料中各元素及其重量百分比如下：11～13％Si，2.5～4％Cu，0.5～1.2％Mg，1.75～3.0％Ni，0～0.7％Fe，0.05～0.2％Zr，0.05～0.2％Ti，0.05～0.18％V，0～0.3％Mn，0～0.3％Zn，0～0.05％Cr，0～0.05％Pb，0～0.05％Sn，0～0.01％Ca，其他杂质元素≤0.05％，杂质元素总量≤0.15％，余量为Al。与ZL109铸造铝合金材料相比，M142铝合金在350℃时的瞬时抗拉强度可提高至110MPa，而在350℃保温200h后在350℃测得的抗拉强度达到66MPa。尽管如此，上述铝合金材料依然不能满足高功率密度的柴油机活塞在高温状态所需的强度要求。
中国发明专利201010506661.3(铝合金和柴油机活塞)的专利公开了一种铝合金，包括：13.1wt％～16wt％Si；4.1wt％～5.5wt％Cu；0.6wt％～1.1wt％Mg；2.5wt％～3.5wt％的Ni；0.15wt％～0.3wt％的Mn；0.05wt％～0.2wt％的Ti；大于0～小于等于0.09wt％的Zr；大于0～小于等于0.01wt％的B；大于0～小于等于0.2wt％的Sc；0.1wt％～0.3wt％的富铈稀土，所述富铈稀土中的铈含量大于45wt％；0wt％～0.7wt％的Fe；其他杂质元素总量不超过0.15wt％，且其他单个杂质元素含量不超过0.05wt％；余量Al；所述Cu、Ni和Al形成金属间化合物Al4CuNi和Al6Cu3Ni，均匀的分布于Al基体中。该发明技术的仍存在以下问题：该发明中富铈稀土Ce与Cu元素反应，形成长条相，割裂基体，降低耐热铝合金性能，另外富铈稀土Ce与Al和Ti反应形成粗大的Ti2Al20Ce(Adv.Eng.Mater.19(3)(2017)1600623)，不但起不到Ti应有的晶粒细化效果，而且降低第二相弥散强化作用和沉淀硬化作用，降低了合金的耐热性。镁合金含量过高，消耗Cu含量，形成大量的Q相(Al5Cu2Mg8Si6)，增加了合金成本，但是不能提高300℃以上的耐热性能(Materials Science andEngineering:A 693(2017)26-32)。添加元素Sc的价格过于昂贵，很难在工业上进行大规模的应用。中国发明专利201510039580.X(一种耐热铸造铝合金及其挤压铸造方法)的专利公开了一种耐热铸造铝合金，其由按重量百分数计的如下元素组成：Si9.0～14.0％，Cu2.0～5.5％，Ni1.0～3.5％，Mg0.6～1.5％，Ti0.05～0.2％，RE0.01～1.5％，Mn0.05～0.25％，Fe0.6～1.3％，余量为Al和不可避免的杂质。所述RE为Gd、Y、Nd、Sm、Er、Yb、La中的至少一种。该合金的制备方法包括如下步骤：a、熔炼合金，得到铝合金熔体；b、对所述铝合金熔体进行挤压铸造，得到铝合金铸件；c、将所述铝合金铸件依次进行固溶处理、冷却处理和时效处理后，得到耐热铸造铝合金。步骤c中所述的固溶处理的温度490～540℃，时间为4～18小时。步骤c中所述的冷却处理是指按照常规的炉冷、空冷或水淬方式进行冷却。步骤c中所述的时效处理的温度170～250℃，时间为10～40小时。该发明技术的仍存在以下问题：该发明合金中添加了大量的稀土，一方面导致合金价格过于昂贵，很难在工业上进行大规模的应用，另一方面这些稀土容易与高电负性的Cu等反应，形成长条相，割裂基体，降低耐热铝合金性能。该发明的制备方法需要后续的热处理，包括固溶处理、冷却处理和时效处理，虽然有利于调整微观组织，获得优异的常温性能和瞬时高温性能(300℃抗拉强度≥220MPa，延伸率δ≥6.5％；350℃抗拉强度≥140MPa，延伸率δ≥14.5％)，但是对于在300℃以上长期服役的耐热铝合金，服役温度高于人工时效处理温度，必然导致组织粗化，从而大幅度降低耐热性能，降幅高达50％(Adv.Eng.Mater.19(3)(2017)1600623.)，最终长期服役后的性能和ZL109和M142性能相当，350℃保温后的高温抗拉强度约60～66MPa。
随着乘用车对发动机功率要求的日益增加，发动机活塞的服役温度和应力也呈上升的趋势，因而对活塞材料的高温性能要求更加苛刻。目前发动机活塞的运行温度已经逼近300℃，显然传统铸造Al-Si活塞合金的高温性能已经临近极限状态，因此，必须开发性能优异的Al-Si系铸造耐热铝合金材料，特别是300℃以上的高温性能，突破发动机活塞等的应用限制。
发明内容
本发明为了解决现有耐热重力铸造铝合金因耐热性不足的缺陷，导致其应用受到极大限制的行业性难题，提供一种耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金及其重力铸造制备方法，以解决上述问题。该合金经重力铸造后，铸态合金的室温抗拉强度253～295MPa，延伸率1.1～1.5％，350℃瞬时高温抗拉强度115～130MPa，高温延伸率4.4～5.3％，350℃保温后的高温拉伸抗拉强度为72～90MPa，延伸率5.5～7.1％。
为了解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：
第一方面，本发明所述的一种耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金，包括按质量百分数计的如下元素：10.5～12.0％Si、2.0～5.0％Ni、2.0～4.0％Cu、0.05～0.2％Mg、0.1～0.5％Cr、0.01～0.04％Sr、0.65～0.9％M、0.1～0.5％Fe，余量为Al，其中M为Ti、Zr、V中至少两种元素。
作为优选方案，所述的铝合金元素中，Cu/Ni质量比为0.4～1.5，Cu+Ni的总含量为5～8％。
作为优选方案，所述的铝合金元素中，Cr/Fe质量比为0.5～1，Fe+3Cr≤1.6％。
作为优选方案，所述M中，按合金中的所有元素总量计，Ti的质量分数为0～0.35％、Zr的质量分数为0～0.3％、V的质量分数为0～0.3％。
与现有技术方案相比，本发明提供的耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金的创新思想为：
本发明中，其主要原理是对于压力铸造Al-Si系合金而言，发明中的合金成分中将Mg含量调整为0.05～0.2％，保证了Mg元素的固溶强化效应，降低了形成的Q相Al5Cu2Mg8Si6含量，从而降低了Q相对超过300℃以上耐热性能的影响。另外降低Mg元素含量，提高了室温的延伸率，有利于提高疲劳性能。调整了Cu和Ni，确保Cu/Ni质量比为0.4～1.5，Cu+Ni的总含量为5～8％，抑制了Al2Cu的形成和粗化，减少了γ相(Al7Cu4Ni)的含量，促进形成大量的δ相(Al3CuNi)和ε相(Al3Ni)，从而提高了高温耐热性能。同时通过配合Cu和Ni元素，形成大量的三元相Al-Cu-Ni，有利于强化相组织细化，提高高温疲劳性能。为了进一步细化晶粒和共晶硅，加入少量的Zr、Ti、V等元素，形成与铝基体共格的高温稳定相，有效细化晶粒和提高合金的强度。同时Zr、Ti、V等元素还可以形成共格的Al3(Zr,Ti,V)复合粒子，同时细化变质Al晶粒和Al-Si共晶，充分发挥细晶强化和共晶硅强化，获得更好的晶粒细化和强化效果。本发明中同时去除了Zn，防止合金的自然时效老化，提高了高温稳定性和铸造性能。另外去除了Mn元素，抑制了含Fe、Mn元素的α相的形成和高温长时间保温时破碎，同时添加Cr元素，而且Cr/Fe质量比为0.5～1，促进形成高温稳定的Al-Si-Fe-Cr相，从而提高了合金的高温稳定性。并进一步限制Fe+3Cr≤1.6％，确保了熔体的流动性和避免粘膜效应。
第二方面，本发明还提供了一种如前述的耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金的重力铸造制备方法，其包括如下步骤：
S1.将工业纯铝锭、工业纯镁锭和Al-Si中间合金分别去除氧化层并烘干预热至180-200℃；按合金的成分及化学计量比，计算所需原料的用量，备料；
S2.将占坩埚高度20-25％的工业纯铝锭在710～720℃下熔化成熔池后，加入剩余工业纯铝锭；
S3.待工业纯铝锭全部熔化后，升温至710～720℃，将Al-Si中间合金或工业纯硅分2～4次加入，并保持温度恒定在710～720℃；
S4.待所述Al-Si中间合金全部熔化后，升温至760～780℃，依次加入Al-Cu、Al-Ni、Al-Cr、Al-Fe、Al-Sr、Al-M中间合金，待所有中间合金都加入完毕后在760～780℃保温15～20分钟；
S5.待所有中间合金都熔解完毕，将熔体温度降至695～705℃加入工业纯镁锭，待所述镁锭完全熔化后，在715～725℃时加入精炼剂进行精炼，精炼后静置10～20分钟，撇去表面浮渣，得到铝合金熔体；
S6.将所述铝合金熔体降温至715～725℃之间，撇去表面浮渣，重力浇注到预热至180～220℃的金属型模具中，在空气中自然冷却，得到冷却后得到耐热铸造铝合金；
S7.对耐热铸造铝合金在190～210℃保温7-8小时，获得所述的耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金。
作为优选方案，所述Al-Si中间合金为AlSi23或者AlSi28或者工业纯硅，所述Al-Cu中间合金为AlCu50，所述Al-Ni中间合金为AlNi10，所述Al-Cr中间合金为AlCr5，所述Al-Fe中间合金为AlFe20，所述Al-Sr中间合金为AlSr10，所述Al-Ti中间合金为AlTi5、AlTi10或者AlTi5B1，所述Al-Zr中间合金为AlZr4，所述Al-V中间合金AlV5，所述的Al-M中间合金为含有Al-Ti中间合金、Al-Zr中间合金、Al-V中间合金中的至少两种中间合金的组合。
作为优选方案，所述精炼剂的添加量为原料总重量的0.5～1.5％。
作为优选方案，所述精炼剂由占精炼剂总重的如下组分组成：碳酸钙为50～70w.t.％，氯化钠为10～30w.t.％，氯化钾为10～30w.t.％。
作为优选方案，所述精炼的温度720～730℃，精炼处理的搅拌时间5～10min。
本发明提供的耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金的重力铸造制备方法的优点在于：(1)合金熔化过程中升温至760～780℃，加入中间合金并保温15～20分钟，760-780℃高温确保所有中间合金全部熔化溶解和均匀化，克服了中间合金残留颗粒对延伸率的不利影响。(2)对耐热铸造铝合金在190～210℃保温7-8小时，加速了自然时效过程，避免添加Zn等促进自然时效元素，形成了高温稳定的组织，从而促进获得的耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金性能稳定。(3)本发明通过在重力铸造在生产过程中，不需要庞大的加工设备，可以浇注成形状复杂的零件，节约金属、降低成本以及减少工时等，提高了本发明合金的市场竞争力，适合推广到规模化工业生产中。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)合金原料均为纯金属和中间合金，来源广泛，整个制备过程无杂质元素渗入，制备的铝合金杂质含量极低；
(2)铸造过程中精炼剂的使用可有效去除铝合金熔液中杂质，有效改善了铝合金的机械强度和延伸率；
(3)适量的Zr、Ti、V等过渡金属可有效提高已有高强铝合金的性能。使用过渡金属处理，细化了铝晶粒和共晶硅，提高屈服强度和延伸率，以及高温强度的大幅度提升；
(4)适量的Cr元素细化了含Fe相，消除Fe元素的有害影响，大幅度提升高温延伸率和疲劳性能，同时少量的Fe可以提高本合金的回收利用率，降低对Al-Si等中间合金Fe的夹杂要求，从而降低中间合金成本；
(5)本方法制备的合金材料铸态合金的室温抗拉强度253-295MPa，延伸率1.1～1.5％，350℃瞬时高温抗拉强度115～130MPa，高温延伸率4.4～5.3％，350℃保温后的高温拉伸抗拉强度为72～90MPa，延伸率5.5～7.1％，具有优异的高温耐热性能，符合汽车铝合金零部件的使用要求，且工艺简单，安全可靠，操作方便，具有较高的市场竞争力，适合推广到规模化工业生产中。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为实施例2中重力铸造铝合金铸态金相组织图。
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。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，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。
实施例1
一种耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金的质量百分比为：按理论配比，10.5％Si，2.0％Ni、3.0％Cu、0.05％Mg、0.1％Cr、0.01％Sr、0.25％Zr、0.2％Ti、0.2％V、0.1％Fe，余量为Al。
其制备方法是：S1.将工业纯铝锭、工业纯镁锭和Al-Si中间合金AlSi23分别去除氧化层并烘干预热至200℃；按合金的成分及化学计量比，计算所需原料的用量，备料；S2.将占坩埚高度25％的工业纯铝锭在710℃下熔化成熔池后，加入剩余工业纯铝锭；S3.待工业纯铝锭全部熔化后，升温至710℃，将Al-Si中间合金分4次加入，并保持温度恒定在710℃；S4.待所述Al-Si中间合金全部熔化后，升温至780℃，依次加入AlNi10中间合金、AlCu50中间合金、AlCr5中间合金、AlSr10中间合金、AlZr4中间合金、AlTi5中间合金、AlV5中间合金、AlFe20中间合金，待所有中间合金都加入完毕后在780℃保温15分钟；S5.待所有中间合金都熔解完毕，将熔体温度降至705℃加入工业纯镁锭，待所述镁锭完全熔化后，在725℃时加入0.5％精炼剂进行精炼，精炼的温度720℃，精炼处理的搅拌时间10min，精炼剂组分由占精炼剂总重的如下组分组成：50w.t.％碳酸钙，30w.t.％氯化钠，20w.t.％氯化钾，精炼后静置20分钟，撇去表面浮渣，得到铝合金熔体；S6.将所述铝合金熔体降温至715℃，撇去表面浮渣，通过重力铸造将熔体浇入已预热至180℃的金属型模具中，在空气中自然冷却后得到耐热铸造铝合金；S7.对耐热铸造铝合金在190℃保温7小时，获得所述的耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金。
将制得的耐热铸造铝合金分别进行a.室温拉伸测试；b.350℃保温15分钟后进行瞬时高温拉伸测试；c.350℃、200小时保温处理后在350℃进行保温高温拉伸性能测试，本实例中耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金的铸态室温抗拉强度为253MPa，延伸率1.5％；350℃瞬时高温拉伸抗拉强度为115MPa，延伸率5.3％，350℃保温后的高温拉伸抗拉强度为72MPa，延伸率7.1％。
实施例2
一种耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金的质量百分比为：按理论配比，12.0％Si，3.0％Ni、2.4％Cu、0.2％Mg、0.3％Cr、0.04％Sr、0.3％Zr、0.35％Ti、0.5％Fe，余量为Al。
其制备方法是：S1.将工业纯铝锭、工业纯镁锭和Al-Si中间合金AlSi28分别去除氧化层并烘干预热至200℃；按合金的成分及化学计量比，计算所需原料的用量，备料；S2.将占坩埚高度20％的工业纯铝锭在720℃下熔化成熔池后，加入剩余工业纯铝锭；S3.待工业纯铝锭全部熔化后，升温至720℃，将Al-Si中间合金分4次加入，并保持温度恒定在720℃；S4.待所述Al-Si中间合金全部熔化后，升温至760℃，依次加入AlNi10中间合金、AlCu50中间合金、AlCr5中间合金、AlSr10中间合金、AlZr4中间合金、AlTi5中间合金、AlFe20中间合金，待所有中间合金都加入完毕后在760℃保温15分钟；S5.待所有中间合金都熔解完毕，将熔体温度降至695℃加入工业纯镁锭，待所述镁锭完全熔化后，在715℃时加入1.5％精炼剂进行精炼，精炼的温度730℃，精炼处理的搅拌时间10min，精炼剂组分由占精炼剂总重的如下组分组成：70w.t.％碳酸钙，10w.t.％氯化钠，20w.t.％氯化钾，精炼后静置10分钟，撇去表面浮渣，得到铝合金熔体；S6.将所述铝合金熔体降温至725℃，撇去表面浮渣，通过重力铸造将熔体浇入已预热至220℃的金属型模具中，在空气中自然冷却，得到冷却后得到耐热铸造铝合金；S7.对耐热铸造铝合金在210℃保温8小时，获得所述的耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金。图1为重力铸造铝合金铸态金相组织图。
将制得的耐热铸造铝合金分别进行a.室温拉伸测试；b.350℃保温15分钟后进行瞬时高温拉伸测试；c.350℃、200小时保温处理后在350℃进行保温高温拉伸性能测试，本实例中耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金的铸态室温抗拉强度为265MPa，延伸率1.3％；350℃瞬时高温拉伸抗拉强度为119MPa，延伸率5.1％，350℃保温后的高温拉伸抗拉强度为77MPa，延伸率6.7％。
实施例3
一种耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金的质量百分比为：按理论配比，11.0％Si，4.0％Ni、4.0％Cu、0.2％Mg、0.2％Cr、0.03％Sr、0.3％Zr、0.3％Ti、0.3％V、0.4％Fe，余量为Al。
其制备方法是：S1.将工业纯铝锭、工业纯镁锭和Al-Si中间合金/工业纯硅分别去除氧化层并烘干预热至200℃；按合金的成分及化学计量比，计算所需原料的用量，备料；S2.将占坩埚高度22％的工业纯铝锭在715℃下熔化成熔池后，加入剩余工业纯铝锭；S3.待工业纯铝锭全部熔化后，升温至720℃，将Al-Si中间合金/工业纯硅分3次加入，并保持温度恒定在715℃；S4.待所述Al-Si中间合金全部熔化后，升温至770℃，依次加入AlNi10中间合金、AlCu50中间合金、AlCr5中间合金、AlSr10中间合金、AlZr4中间合金、AlTi5B1中间合金、AlV5中间合金、AlFe20中间合金，待所有中间合金都加入完毕后在770℃保温15分钟；S5.待所有中间合金都熔解完毕，将熔体温度降至700℃加入工业纯镁锭，待所述镁锭完全熔化后，在720℃时加入0.6％精炼剂进行精炼，精炼的温度725℃，精炼处理的搅拌时间15min，精炼剂组分由占精炼剂总重的如下组分组成按质量百分比为：60w.t.％碳酸钙，30w.t.％氯化钠，10w.t.％氯化钾，精炼后静置15分钟，撇去表面浮渣，得到铝合金熔体；S6.将所述铝合金熔体降温至720℃，撇去表面浮渣，通过重力铸造将熔体浇入已预热至200℃的金属型模具中，在空气中自然冷却，得到冷却后得到所述耐热铸造铝合金；S7.对耐热铸造铝合金在200℃保温8小时，获得所述得所需的耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金。
将制得的耐热铸造铝合金分别进行a.室温拉伸测试；b.350℃保温15分钟后进行瞬时高温拉伸测试；c.350℃、200小时保温处理后在350℃进行保温高温拉伸性能测试，本实例中耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金的铸态室温抗拉强度为284MPa，延伸率1.2％；350℃瞬时高温拉伸抗拉强度为125MPa，延伸率4.5％，350℃保温后的高温拉伸抗拉强度为85MPa，延伸率6.2％。
实施例4
一种耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金的质量重量百分比为：按理论配比，12.0％Si，5.0％Ni、2.0％Cu、0.1％Mg、0.4％Cr、0.02％Sr、0.2％Zr、0.3％Ti、0.2％V、0.4％Fe，余量为Al。
其制备方法是：S1.将工业纯铝锭、工业纯镁锭和Al-Si中间合金/工业纯硅分别去除氧化层并烘干预热至200℃；按合金的成分及化学计量比，计算所需原料的用量，备料；S2.将占坩埚高度22％的工业纯铝锭在720℃下熔化成熔池后，加入剩余工业纯铝锭；S3.待工业纯铝锭全部熔化后，升温至720℃，将Al-Si中间合金/工业纯硅分4次加入，并保持温度恒定在720℃；S4.待所述Al-Si中间合金全部熔化后，升温至770℃，依次加入AlNi10中间合金、AlCu50中间合金、AlCr5中间合金、AlSr10中间合金、AlZr4中间合金、AlTi10中间合金、AlV5中间合金、AlFe20中间合金，待所有中间合金都加入完毕后在770℃保温15分钟；S5.待所有中间合金都熔解完毕，将熔体温度降至695～705℃加入工业纯镁锭，待所述镁锭完全熔化后，在715～725℃时加入1.0％精炼剂进行精炼，精炼的温度730℃，精炼处理的搅拌时间15min，精炼剂组分由占精炼剂总重的如下组分组成：50w.t.％碳酸钙，20w.t.％氯化钠，30w.t.％氯化钾，精炼后静置20分钟，撇去表面浮渣，得到铝合金熔体；S6.将所述铝合金熔体降温至725℃，撇去表面浮渣，通过重力铸造将熔体浇入已预热至220℃的金属型模具中，在空气中自然冷却，得到冷却后得到耐热铸造铝合金；S7.对耐热铸造铝合金在200℃保温7小时，获得所述的耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金。
将制得的耐热铸造铝合金分别进行a.室温拉伸测试；b.350℃保温15分钟后进行瞬时高温拉伸测试；c.350℃、200小时保温处理后在350℃进行保温高温拉伸性能测试，本实例中耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金的铸态室温抗拉强度为295MPa，延伸率1.1％；350℃瞬时高温拉伸抗拉强度为130MPa，延伸率4.4％，350℃保温后的高温拉伸抗拉强度为90MPa，延伸率5.5％。
对比例1
一种耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金的质量百分比为：按理论配比，12.0％Si，2.0％Ni、3.5％Cu、0.8％Mg、0.4％Mn、0.02％Sr、0.15％Zr、0.2％Ti、0.4％Fe，余量为Al。
其制备方法是：S1.将工业纯铝锭、工业纯镁锭和Al-Si中间合金AlSi28分别去除氧化层并烘干预热至200℃；按合金的成分及化学计量比，计算所需原料的用量，备料；S2.将占坩埚高度22％的工业纯铝锭在710℃下熔化成熔池后，加入剩余工业纯铝锭；S3.待工业纯铝锭全部熔化后，升温至710℃，将Al-Si中间合金分4次加入，并保持温度恒定在710℃；S4.待所述Al-Si中间合金全部熔化后，升温至770℃，依次加入AlNi10中间合金、AlCu50中间合金、AlMn10中间合金、AlSr10中间合金、AlZr4中间合金、AlTi5中间合金、AlFe20中间合金，待所有中间合金都加入完毕后在770℃保温15分钟；S5.待所有中间合金都熔解完毕，将熔体温度降至705℃加入工业纯镁锭，待所述镁锭完全熔化后，在725℃时加入1.0％精炼剂进行精炼，精炼的温度730℃，精炼处理的搅拌时间15min，精炼剂组分由占精炼剂总重的如下组分组成：50w.t.％碳酸钙，20w.t.％氯化钠，30w.t.％氯化钾，精炼后静置20分钟，撇去表面浮渣，得到铝合金熔体；S6.将所述铝合金熔体降温至720℃，撇去表面浮渣，通过重力铸造将熔体浇入已预热至220℃的金属型模具中，在空气中自然冷却，得到冷却后得到耐热铸造铝合金；S7.对耐热铸造铝合金在200℃保温7小时，获得所述的耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金。
将制得的耐热铸造铝合金分别进行a.室温拉伸测试；b.350℃保温15分钟后进行瞬时高温拉伸测试；c.350℃、200小时保温处理后在350℃进行保温高温拉伸性能测试，本实例中耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金的铸态室温抗拉强度为244MPa，延伸率0.7％；350℃瞬时高温拉伸抗拉强度为101MPa，延伸率4.3％，350℃保温后的高温拉伸抗拉强度为68MPa，延伸率5.6％。
对比例1的重力铸造铝合金同德国马勒公司的合金牌号M142类同。
对比例2
一种耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金的质量百分比为：按理论配比，5.7％Si，0.42％Ni、0.37％Cu、0.98％Mg、0.48％Mn、0.18％Sr、0.24％Zr、0.56％Cr、0.28％Ti、0.76％Fe、0.46％Zn和V 0.76％，余量为Al。
其制备方法是：S1.将工业纯铝锭、工业纯镁锭和Al-Si中间合金AlSi28分别去除氧化层并烘干预热至200℃；按合金的成分及化学计量比，计算所需原料的用量，备料；S2.将占坩埚高度20％的工业纯铝锭在720℃下熔化成熔池后，加入剩余工业纯铝锭；S3.待工业纯铝锭全部熔化后，升温至720℃，将Al-Si中间合金分4次加入，并保持温度恒定在720℃；S4.待所述Al-Si中间合金全部熔化后，升温至760℃，依次加入AlNi 10中间合金、AlCu50中间合金、AlCr5中间合金、AlSr10中间合金、AlMn10中间合金、AlZr4中间合金、AlTi5中间合金、AlV5中间合金、AlFe20中间合金，待所有中间合金都加入完毕后在760℃保温15分钟；S5.待所有中间合金都熔解完毕，将熔体温度降至695℃加入工业纯镁锭和工业纯锌，待所述镁锭完全熔化后，在715℃时加入1.5％精炼剂进行精炼，精炼的温度730℃，精炼处理的搅拌时间10min，精炼剂组分由占精炼剂总重的如下组分组成：70w.t.％碳酸钙，10w.t.％氯化钠，20w.t.％氯化钾，精炼后静置10分钟，撇去表面浮渣，得到铝合金熔体；S6.将所述铝合金熔体降温至725℃，撇去表面浮渣，通过重力铸造将熔体浇入已预热至220℃的金属型模具中，在空气中自然冷却，得到冷却后得到耐热铸造铝合金；S7.对耐热铸造铝合金在210℃保温8小时，获得所述的耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金。
将制得的铸铝合金分别进行a.室温拉伸测试；b.350℃保温15分钟后进行瞬时高温拉伸测试；c.350℃、200小时保温处理后在350℃进行保温高温拉伸性能测试，本实例中耐热重力铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金的铸态室温抗拉强度为235MPa，延伸率8.5％；350℃瞬时高温拉伸抗拉强度为45MPa，延伸率12.4％，350℃保温后的高温拉伸抗拉强度为33MPa，延伸率16％。
对比例3
一种耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金的质量百分比为：按理论配比，12.0％Si，3.0％Ni、2.4％Cu、0.8％Mg、0.3％Cr、0.04％Sr、0.3％Zr、0.35％Ti、0.5％Fe，余量为Al。
其制备方法是：S1.将工业纯铝锭、工业纯镁锭和Al-Si中间合金AlSi28分别去除氧化层并烘干预热至200℃；按合金的成分及化学计量比，计算所需原料的用量，备料；S2.将占坩埚高度20％的工业纯铝锭在720℃下熔化成熔池后，加入剩余工业纯铝锭；S3.待工业纯铝锭全部熔化后，升温至720℃，将Al-Si中间合金分4次加入，并保持温度恒定在720℃；S4.待所述Al-Si中间合金全部熔化后，升温至760℃，依次加入AlNi10中间合金、AlCu50中间合金、AlCr5中间合金、AlSr10中间合金、AlZr4中间合金、AlTi5中间合金、AlFe20中间合金，待所有中间合金都加入完毕后在760℃保温15分钟；S5.待所有中间合金都熔解完毕，将熔体温度降至695℃加入工业纯镁锭，待所述镁锭完全熔化后，在715℃时加入1.5％精炼剂进行精炼，精炼的温度730℃，精炼处理的搅拌时间10min，精炼剂组分由占精炼剂总重的如下组分组成：70w.t.％碳酸钙，10w.t.％氯化钠，20w.t.％氯化钾，精炼后静置10分钟，撇去表面浮渣，得到铝合金熔体；S6.将所述铝合金熔体降温至725℃，撇去表面浮渣，通过重力铸造将熔体浇入已预热至220℃的金属型模具中，在空气中自然冷却，得到冷却后得到耐热铸造铝合金；S7.对耐热铸造铝合金在210℃保温8小时，获得所述的耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金。
将制得的耐热铸造铝合金分别进行a.室温拉伸测试；b.350℃保温15分钟后进行瞬时高温拉伸测试；c.350℃、200小时保温处理后在350℃进行保温高温拉伸性能测试，本实例中耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金的铸态室温抗拉强度为263MPa，延伸率0.8％；350℃瞬时高温拉伸抗拉强度为106MPa，延伸率4.8％，350℃保温后的高温拉伸抗拉强度为64MPa，延伸率5.7％。
对比例4
一种耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金的重量百分比为：按理论配比，11.0％Si，4.0％Ni、6.0％Cu、0.2％Mg、0.2％Cr、0.03％Sr、0.3％Zr、0.3％Ti、0.3％V、0.4％Fe，余量为Al。
其制备方法是：S1.将工业纯铝锭、工业纯镁锭和Al-Si中间合金/工业纯硅分别去除氧化层并烘干预热至200℃；按合金的成分及化学计量比，计算所需原料的用量，备料；S2.将占坩埚高度22％的工业纯铝锭在715℃下熔化成熔池后，加入剩余工业纯铝锭；S3.待工业纯铝锭全部熔化后，升温至720℃，将Al-Si中间合金/工业纯硅分3次加入，并保持温度恒定在715℃；S4.待所述Al-Si中间合金全部熔化后，升温至770℃，依次加入AlNi10中间合金、AlCu50中间合金、AlCr5中间合金、AlSr10中间合金、AlZr4中间合金、AlTi5B1中间合金、AlV5中间合金、AlFe20中间合金，待所有中间合金都加入完毕后在770℃保温15分钟；S5.待所有中间合金都熔解完毕，将熔体温度降至700℃加入工业纯镁锭，待所述镁锭完全熔化后，在720℃时加入0.6％精炼剂进行精炼，精炼的温度725℃，精炼处理的搅拌时间15min，精炼剂组分由占精炼剂总重的如下组分组成按质量百分比为：60w.t.％碳酸钙，30w.t.％氯化钠，10w.t.％氯化钾，精炼后静置15分钟，撇去表面浮渣，得到铝合金熔体；S6.将所述铝合金熔体降温至720℃，撇去表面浮渣，通过重力铸造将熔体浇入已预热至200℃的金属型模具中，在空气中自然冷却，得到冷却后得到所述耐热铸造铝合金；S7.对耐热铸造铝合金在200℃保温8小时，获得所需述的耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金。
将制得的耐热铸造铝合金分别进行a.室温拉伸测试；b.350℃保温15分钟后进行瞬时高温拉伸测试；c.350℃、200小时保温处理后在350℃进行保温高温拉伸性能测试，本实例中耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金的铸态室温抗拉强度为221MPa，延伸率0.3％；350℃瞬时高温拉伸抗拉强度为140MPa，延伸率1.1％，350℃保温后的高温拉伸抗拉强度为88MPa，延伸率2.3％。同时由于活塞常温延伸率只有0.3％，低于1％，达不到活塞部件应用的稳定性要求，该材料不能应用与活塞部件制备。
对比例5
一种耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金的质量百分比为：按理论配比，12.0％Si，5.0％Ni、2.0％Cu、0.1％Mg、0.3％Zn、0.4％Cr、0.02％Sr、0.2％Zr、0.3％Ti、0.2％V、0.4％Fe，余量为Al。
其制备方法是：S1.将工业纯铝锭、工业纯镁锭和Al-Si中间合金AlSi28分别去除氧化层并烘干预热至200℃；按合金的成分及化学计量比，计算所需原料的用量，备料；S2.将占坩埚高度20％的工业纯铝锭在720℃下熔化成熔池后，加入剩余工业纯铝锭；S3.待工业纯铝锭全部熔化后，升温至720℃，将Al-Si中间合金分4次加入，并保持温度恒定在720℃；S4.待所述Al-Si中间合金全部熔化后，升温至760℃，依次加入AlNi10中间合金、AlCu50中间合金、AlCr5中间合金、AlSr10中间合金、AlZr4中间合金、AlTi5中间合金、AlFe20中间合金，待所有中间合金都加入完毕后在760℃保温15分钟；S5.待所有中间合金都熔解完毕，将熔体温度降至695℃加入工业纯镁锭和工业纯锌，待所述镁锭完全熔化后，在715℃时加入1.5％精炼剂进行精炼，精炼的温度730℃，精炼处理的搅拌时间10min，精炼剂组分由占精炼剂总重的如下组分组成：70w.t.％碳酸钙，10w.t.％氯化钠，20w.t.％氯化钾，精炼后静置10分钟，撇去表面浮渣，得到铝合金熔体；S6.将所述铝合金熔体降温至725℃，撇去表面浮渣，通过重力铸造将熔体浇入已预热至220℃的金属型模具中，在空气中自然冷却，得到冷却后得到耐热铸造铝合金；S7.对耐热铸造铝合金在210℃保温7小时，获得所述的耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金。
将制得的耐热铸造铝合金分别进行a.室温拉伸测试；b.350℃保温15分钟后进行瞬时高温拉伸测试；c.350℃、200小时保温处理后在350℃进行保温高温拉伸性能测试，本实例中耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金的铸态室温抗拉强度为278MPa，延伸率0.8％；350℃瞬时高温拉伸抗拉强度为121MPa，延伸率4.5％，350℃保温后的高温拉伸抗拉强度为78MPa，延伸率5.7％。同时由于活塞常温延伸率只有0.8％，低于1％，达不到活塞部件应用的稳定性要求，该材料不能应用与活塞部件制备。
对比例6
一种耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金的质量百分比为：按理论配比，11.0％Si，4.0％Ni、4.0％Cu、0.2％Mg、0.4％Mn、0.2％Cr、0.03％Sr、0.3％Zr、0.3％Ti、0.3％V、0.4％Fe，余量为Al。
其制备方法是：S1.将工业纯铝锭、工业纯镁锭和Al-Si中间合金/工业纯硅分别去除氧化层并烘干预热至200℃；按合金的成分及化学计量比，计算所需原料的用量，备料；S2.将占坩埚高度22％的工业纯铝锭在715℃下熔化成熔池后，加入剩余工业纯铝锭；S3.待工业纯铝锭全部熔化后，升温至720℃，将Al-Si中间合金/工业纯硅分3次加入，并保持温度恒定在715℃；S4.待所述Al-Si中间合金全部熔化后，升温至770℃，依次加入AlNi 10中间合金、AlCu50中间合金、AlMn10中间合金、AlCr5中间合金、AlSr10中间合金、AlZr4中间合金、AlTi5B1中间合金、AlV5中间合金、AlFe20中间合金，待所有中间合金都加入完毕后在770℃保温15分钟；S5.待所有中间合金都熔解完毕，将熔体温度降至700℃加入工业纯镁锭，待所述镁锭完全熔化后，在720℃时加入0.6％精炼剂进行精炼，精炼的温度725℃，精炼处理的搅拌时间15min，精炼剂组分由占精炼剂总重的如下组分组成：60w.t.％碳酸钙，30w.t.％氯化钠，10w.t.％氯化钾，精炼后静置15分钟，撇去表面浮渣，得到铝合金熔体；S6.将所述铝合金熔体降温至720℃，撇去表面浮渣，通过重力铸造将熔体浇入已预热至200℃的金属型模具中，在空气中自然冷却，得到冷却后得到耐热铸造铝合金；S7.对耐热铸造铝合金在200℃保温8小时，获得所述的耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金。
将制得的耐热铸造铝合金分别进行a.室温拉伸测试；b.350℃保温15分钟后进行瞬时高温拉伸测试；c.350℃、200小时保温处理后在350℃进行保温高温拉伸性能测试，本实例中耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金的铸态室温抗拉强度为280MPa，延伸率1.15％；350℃瞬时高温拉伸抗拉强度为116MPa，延伸率4.2％，350℃保温后的高温拉伸抗拉强度为69MPa，延伸率5.4％。由于添加了Mn元素，其高温不稳定性导致保温后性能显著下降。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金，其特征在于，由按质量百分数计的如下元素组成：
10.5％Si，2.0％Ni、3.0％Cu、0.05％Mg、0.1％Cr、0.01％Sr、0.25％Zr、0.2％Ti、0.2％V、0.1％Fe，余量为Al；
或12.0％Si，3.0％Ni、2.4％Cu、0.2％Mg、0.3％Cr、0.04％Sr、0.3％Zr、0.35％Ti、0.5％Fe，余量为Al；
或11.0％Si，4.0％Ni、4.0％Cu、0.2％Mg、0.2％Cr、0.03％Sr、0.3％Zr、0.3％Ti、0.3％V、0.4％Fe，余量为Al；
或12.0％Si，5.0％Ni、2.0％Cu、0.1％Mg、0.4％Cr、0.02％Sr、0.2％Zr、0.3％Ti、0.2％V、0.4％Fe，余量为Al。
2.一种如权利要求1所述的耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金的重力铸造制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.将工业纯铝锭、工业纯镁锭和Al-Si中间合金分别去除氧化层并烘干预热至180-200℃；按合金的成分及化学计量比，计算所需原料的用量，备料；
S2.将占坩埚高度20-25％的工业纯铝锭在710～720℃下熔化成熔池后，加入剩余工业纯铝锭；
S3.待工业纯铝锭全部熔化后，升温至710-720℃，将Al-Si中间合金或工业纯硅分2～4次加入，并保持温度恒定在710～720℃；
S4.待所述Al-Si中间合金或工业纯硅全部熔化后，升温至760-780℃，依次加入Al-Cu、Al-Ni、Al-Cr、Al-Fe、Al-Sr，以及含有Al-Ti中间合金、Al-Zr中间合金、Al-V中间合金中的至少两种中间合金的组合，待所有中间合金都加入完毕后在760-780℃保温15～20分钟；
S5.待所有中间合金都熔解完毕，将熔体温度降至695～705℃加入工业纯镁锭，待所述镁锭完全熔化后，在725℃时加入精炼剂进行精炼，精炼后静置10～20分钟，撇去表面浮渣，得到铝合金熔体；
S6.将所述铝合金熔体降温至715℃，撇去表面浮渣，重力浇注到预热至180～220℃的金属型模具中，在空气中自然冷却，得到冷却后得到耐热铸造铝合金；
S7.对耐热铸造铝合金在190～210℃保温7-8小时，获得所述的耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金。
3.如权利要求2所述的重力铸造制备方法，其特征在于，所述Al-Si中间合金为AlSi23或者AlSi28，所述Al-Cu中间合金为AlCu50，所述Al-Ni中间合金为AlNi10，所述Al-Cr中间合金为AlCr5，所述Al-Fe中间合金为AlFe20，所述Al-Sr中间合金为AlSr10。
4.如权利要求2所述的重力铸造制备方法，其特征在于，Al-Ti中间合金为AlTi5、AlTi10或者AlTi5B1，所述Al-Zr中间合金为AlZr4，所述Al-V中间合金为AlV5。
5.如权利要求2所述的重力铸造制备方法，其特征在于，所述精炼剂的添加量为原料总重量的0.5～1.5％。
6.如权利要求2或5所述的重力铸造制备方法，其特征在于，所述精炼剂由占精炼剂总重的如下组分组成：碳酸钙为50～70w.t.％，氯化钠为10～30w.t.％，氯化钾为10～30w.t.％。
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