CN111876637B - 一种耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金及制备方法与应用 - Google Patents

一种耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金及制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

一种耐热耐磨Al‑Si‑Cu‑Ni铝合金及制备方法与应用，属于铸造铝合金领域。该耐热耐磨Al‑Si‑Cu‑Ni铝合金，包括按质量百分数计的如下元素：Si为11.5～22％，Cu为5.0～7.0％，Ni为3.5‑5.0％，Mg为0.8‑1.5％，Mn为0.4‑0.8％，Fe为0.8‑1.2％，Zr为0.08‑0.25％，Ti为0.08‑0.25％，V为0.08‑0.25％，Sr为0.1‑0.5％，余量为Al和杂质，其中杂质总含量不大于0.3％。其制备方法为：将原料熔炼后，加入Sr的原料进行变质处理，上下加压浇铸得到耐热耐磨Al‑Si‑Cu‑Ni铝合金。该耐热耐磨Al‑Si‑Cu‑Ni铝合金具有质量轻、铸造性能好、耐磨性好、热膨胀系数小，耐热，并且力学性能高的优点。

Description

一种耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金及制备方法与应用
技术领域
本发明涉及一种耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金及制备方法与应用，属于铸造铝合金领域。
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，在汽车制造中获得了广泛应用，在实现汽车轻量化方面起到了重要作用，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。在汽车用铝合金中，铸造铝合金占比高达80％。铸造铝合金具有良好的流动性和充型能力，力学性能适中，广泛用来替代铸铁材料制造发动机零部件、缸盖、车轮、保险杠等结构件上，越来越多的发动机活塞使用铝合金制造。在发动机中，活塞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℃，同时还要承受着10-15MPa的燃气压力。同时，活塞结构复杂，需要高速运动，所以材料必须质量轻、铸造成型性和耐磨性好、热膨胀系数小。共晶的Al-Si系铸造铝合金热膨胀系数小，耐磨性能好，是比较理想的活塞材料。目前已开发出了多种比较成型的活塞合金，比如我国的ZL117、美国的A390、德国的M142、M174等，都是Al-Si-Cu系多元铸造共晶型合金。
随着发动机功率密度的提高，活塞承受的燃烧压力和工作温度越来越高，对制备材料的耐热性能要求也越来越高。提高合金中的耐热相的比例是提高合金使用温度的有效途径。在Al-Si-Cu合金中添加Ni元素，形成δ-Al3CuNi相和γ-Al7Cu4Ni相，添加Mg元素，形成Al4CuMg5Si4(W相)和Al5Mg8Si6Cu2(Q相)，添加Fe元素，形成Al9(FeNi)相，添加Mn元素，形成α-Al15(Mn,Fe)3Si2相，这些都是耐热相，对提高耐热性能有较为显著的作用。随着铝合金在刹车盘上的应用，对耐磨性能提出了更高要求。提高合金中Si含量是通过耐磨性能的有效途径。但是，同时添加这些元素，会使合金系统非常复杂，如果这些元素含量较高，形成的相非常粗大，反而会影响合金的力学性能。有效细化这些粗大的金属间化合物相，对开发高强度高耐热性合金有很大帮助。
提高合金的Si含量，使合金基体中布满初生硅相，将大大提高合金的耐磨性能。但如果初生硅相过于粗大而且偏聚，分布不均匀，会严重损害合金的力学性能。所以，如何使初生硅相细化并均匀分布，是开发高硅耐热耐磨合金的关键。
高压凝固有助于提高枝晶间合金液的补缩能力，使铸件的缩孔和缩松减少，致密度提高，从而可以有效地提高铸件的性能。当外加压力增加时，也可以提高金属液体的过冷度，使得自发形核核心数目的增多，从而使晶粒细化，初晶硅及金属间化合物相得到细化，这些优点都使铸件质量得到改善，力学性能得到提高。目前常用的高压凝固工艺是液态模锻。但是这种工艺比较复杂，设备庞大，使得铸件生产成本高，其应用受到了限制。
发明内容
为了进一步提高合金的耐热性能，并且不影响铝合金本身的力学性质，本发明提供了一种耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金及制备方法与应用，该耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金具有质量轻、铸造性能好、耐磨性好、热膨胀系数小，耐热，并且力学性能高的优点。该一种耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金能够应用于对耐磨耐热有特别要求的汽车零部件，根据硅含量的不同，低硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金适用于发动机活塞；高硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金适用于汽车刹车盘。
本发明采用下述技术方案实现：
本发明的一种耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金，包括按质量百分数计的如下元素：Si为11.5～22％，Cu为5.0～7.0％，Ni为3.5-5.0％，Mg为0.8-1.5％，Mn为0.4-0.8％，Fe为0.8-1.2％，Zr为0.08-0.25％，Ti为0.08-0.25％，V为0.08-0.25％，Sr为0.1-0.5％，余量为Al和杂质，其中杂质总含量不大于0.3％。
所述的耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金，其铸态(F态)室温抗拉强度241-315MPa，延伸率0.9-2.6％；350℃瞬时抗拉强度121-172MPa，延伸率4.3-7.9％。
根据Si的含量，所述的耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金，更优选为：
一种低硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金，包括按质量百分数计的如下元素：Si为11.5～14.0％，Cu为5.0～7.0％，Ni为3.5-5.0％，Mg为0.8-1.5％，Mn为0.4-0.8％，Fe为0.8-1.2％，Zr为0.08-0.25％，Ti为0.08-0.25％，V为0.08-0.25％，Sr为0.1-0.5％，余量为Al和杂质，其中杂质总含量不大于0.5％。
所述的低硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金，铸态(F态)室温抗拉强度271-315MPa，延伸率1.8-2.6％；350℃瞬时抗拉强度157-172MPa，延伸率5.8-7.9％。
更优选为：
一种高硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金，包括按质量百分数计的如下元素：Si为16.0～22.0％，Cu为5.0～7.0％，Ni为3.5-5.0％，Mg为0.8-1.5％，Mn为0.4-0.8％，Fe为0.8-1.2％，Zr为0.08-0.25％，Ti为0.08-0.25％，V为0.08-0.25％，Sr为0.1-0.5％，余量为Al和杂质，其中杂质总含量不大于0.5％。
所述的高硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金，铸态(F态)室温抗拉强度241-264MPa，延伸率0.9-1.9％；350℃瞬时抗拉强度121-138MPa，延伸率4.3-5.7％。
本发明的一种耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：按照耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金中含有的元素配比，准备原料；
步骤2：将Al的原料加热熔化，得到铝熔体；将除了Mg和Sr以外的其他原料加入铝熔体中，至原料熔化后，再加入Mg的原料，待Mg的原料完全熔化后，搅拌均匀，得到合金熔体；在整个过程中，控制合金熔体的温度为680～800℃；
步骤3：向合金熔体中，加入精炼剂进行精炼处理后，再加入Sr的原料Al-10Sr作为变质剂，进行变质处理，得到变质后的合金熔体；
步骤4：将变质后的合金熔体进行除气后，再进行扒渣，再于680-760℃静置30-60min，得到金属液体，然后浇铸成铸件，得到耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金铸件；
所述的步骤1中，Si的原料为金属硅和/或铝硅中间合金；Cu的原料为铝铜中间合金和/或铜添加剂；所述的Ni的原料为铝镍中间合金和/或镍添加剂，Mg选用工业纯镁锭，Mn的原料为铝锰中间合金和/或锰添加剂，Fe的原料为铝铁中间合金和或铁添加剂，Zr的原料为铝锆中间合金，Ti的原料为铝钛中间合金和/或钛添加剂，V的原料为铝钒中间合金，Al的原料选用铝锭、重熔铝锭或铸造铝合金锭中的一种或几种。
所述的步骤3中，所述的精炼剂为能够对合金熔体具有精炼效果的精炼剂，如RJ-1精炼剂，精炼剂的加入质量为合金熔体总质量的0.2～0.8％。
所述的步骤3中，Sr的原料Al-10Sr加入质量为变质后的合金熔体中Sr的残留量为0.1％-0.5％。
所述的步骤3中，当耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金中，Si的含量≥12.8％，变质剂Al-10Sr需配合Al-3P变质剂进行变质处理，P的加入质量为变质后的合金熔体中P的残留量为0.005％-0.008％。
所述的步骤4中，浇铸采用如下加压铸造工艺，具体为：
步骤一：根据耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金需要铸造的工件形态，将铸造模具设计成由侧模、上模和下模组成；其中，侧模是定模，上模和下模是动模，将动模和定模合模后，将金属液体浇入铸造型腔；
所述的步骤一中，铸造型腔根据活塞和刹车盘的结构特点确定。
步骤二：当金属液体浇满整个铸造型腔后，进行封堵浇口；
步骤三：从上模和下模分别施加压力，对铸造型腔中的金属液体进行施压，达到25-100MPa压力后，根据铸件尺寸，保压60～300s后，当金属液体已经完全凝固后，进行卸压，去模具，得到耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金铸件。
所述的步骤4中，浇铸后，还可以将耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金铸件，置于170～210℃保温6～8h，得到最终的耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金铸件。
所述的步骤4中，除气是采用除气机向变质后的合金熔体中通入氩气或氮气，氩气或氮气的流量为0.2～0.3m3/h。
本发明的低硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金的应用，为应用于发动机零部件，尤其适用于发动机活塞中；
本发明的高硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金的应用，为应用于汽车刹车盘。
本发明的一种耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金及制备方法与应用，其有益效果是：
本发明采用加入大量元素Sr，元素Sr是All5(MnFe)3Si2等金属间化合物相的有效变质剂，可以大大细化这些金属间化合物相。本发明在浇铸过程中，对铝水施加压力，使铝水在较高压力下凝固，也大大细化金属间化合物相和初生硅，并使它们分布更加均匀。本发明通过Sr变质和铝水在压力下凝固两项关键技术，突破了合金元素数量和每个合金元素含量的限制，得到了一种多合金元素高合金元素含量的合金，高温强化相数量增加，尺寸减小，从而大大提高了合金的高温性能，使活塞合金的使用温度可以进一步提高。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的低硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金铸件的金相组织图；
图2为对比例1制备的Al-Si-Cu-Ni铝合金铸件的金相组织图。
图3为本发明实施例3制备的低硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金铸件的金相组织图；
图4为对比例2制备的Al-Si-Cu-Ni铝合金铸件的金相组织图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
在本发明的描述中，需要说明的是，实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行；所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；本发明实施例提供一种压铸铝合金材料，通过以下具体实施例对本发明的压铸铝合金材料及其制备方法做详细说明；每个实施例均为制备100kg合金。
本发明实施例中选用的重熔用铝锭为国家标准GB/T 1196-2008《重熔用铝锭》中的Al99.70，其含铝量不小于99.70wt％；也可以是废料重熔铝锭；加入Fe元素时，选用Al-10Fe中间合金或75Fe剂(Fe质量百分含量为75％的铝合金添加剂)；加入Mn元素时，选用Al-10Mn中间合金或75Mn剂(Mn质量百分含量为75％的铝合金添加剂)；加入Si元素时，选用Al-30Si中间合金；加入Mg元素时，选用金属镁；加入Zn元素时，选用金属锌；加入Cu元素时，选用Al-50Cu中间合金；加入Ti元素时，选用Al-10Ti中间合金或75Ti剂(Ti含量为75％的铝合金添加剂)；加入Ni元素时，选用Al-20Ni中间合金；加入Zr元素时，选用Al-10Zr中间合金，加入V元素时，选用Al-10V中间合金。也可以使用铸造行业常用的预合金化铸造铝合金锭，比如国家标准GB/T 8733-2016《铸造铝合金锭》中铝锭，在此基础上调整合金成分，达到成分目标。
本发明实施例中除气是采用除气机向加入铝水中通入氩气，氩气的流量为0.2～0.3m3/h。
本发明实施例中由于加入变质剂使合金中Sr的残余量为0.1～0.5％。
实施例1
一种低硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金，其成分及各个成分的质量百分比见表1。
一种低硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金的制备方法，包括以下步骤：
准备铝锭及合金原料，铝锭选用国家标准GB/T 1196-2008《重熔用铝锭》中的Al99.70铝锭，将Al99.70铝锭加热熔化，得到铝熔体，温度控制在680-800℃；将除了Mg和Sr以外的其他原料加入铝熔体中，至原料熔化后，再加入Mg的原料，待Mg的原料完全熔化后，搅拌均匀，得到合金熔体；
向合金熔体中加入RJ-1精炼剂，进行精炼处理；精炼剂的加入量为铝合金熔体总重量的0.4％；然后向合金熔体中加入Al-10Sr变质剂进行变质处理，加入Al-10Sr变质剂后，为变质后的合金熔体中Sr的残留量为0.21％；
将经过变质处理的合金熔体除气后扒渣，于680-760℃静置30-60min，然后利用特制的加压铸造机铸成低硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金铸件；具体为：
步骤一：根据活塞和刹车盘的结构特点，将铸造模具设计成由侧模、上模和下模组成。侧模是定模，上模和下模是动模，将动模和定模合模后，通过浇口杯将铝水浇入铸造型腔。
步骤二：金属液体浇满铸造型腔后，启动封堵装置封堵浇口。
步骤三：启动加压油缸，从上模和下模分别对金属液体施压，达到最大压力80MPa后保持压力。
步骤四：根据铸件尺寸，保压60-300s后，金属液体已完全凝固，进行卸压，然后打开侧模，提升上模，取出低硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金铸件。
将低硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金铸件产品进行室温拉伸性能测试和350℃瞬时高温拉伸性能测试，在铸态下，室温拉伸性能和高温拉伸性能表1；图1为低硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金铸件的金相组织，可见低硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金合金铸件经过Sr变质和在压力下凝固，金属间化合物相已大大细化，它们对拉伸性能的损害已大为降低，所以产品具有较高的室温和高温拉伸性能。
对比例1
合金成分和制备方法同实施例1。不同之处是对比例1不经过Sr变质，而且不采用加压铸造，而是采用普通重力铸造机铸造。合金成分及室温和高温拉伸性能见表1。图2为Al-Si-Cu-Ni铝合金铸件的金相组织，与实施例1相比，由于没有Sr变质，而且不是在压力下凝固，金属间化合物相没有细化，严重损害了合金的拉伸性能，所以，合金的延伸率显著降低。
实施例2
一种低硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金的制备方法，同实施例1，不同之处在于：
低硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金成分不同，低硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金成分及制备后得到的低硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金铸件的室温和350℃瞬时高温拉伸性能见表1。
实施例3
一种低硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金，其成分及各个成分的质量百分比见表1。
一种低硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金的制备方法，包括以下步骤：
准备铝锭及合金原料，铝锭选用国家标准GB/T 8733-2016《铸造铝合金锭》中的383.1铸造铝合金锭，该383.1铸造铝合金锭含有的成分及各个成分的质量百分比为：11.2％Si，2.5％Cu，0.08％Ni，0.05％Mn，0.8％Fe，余量为Al和杂质，单个杂质小于0.05％，杂质总和小于0.3％。
将383.1铸造铝合金锭加热熔化形成铝熔体，温度控制在700-750℃，将除了Mg和Sr以外的其他原料加入铝熔体中，至原料熔化后，再加入Mg的原料，待Mg的原料完全熔化后，搅拌均匀，得到合金熔体；
向合金熔体中加入RJ-1精炼剂，进行精炼处理；精炼剂的加入量为铝合金熔体总重量的0.4％；然后向合金熔体中加入Al-10Sr变质剂进行变质处理，加入Al-10Sr变质剂后，变质后的合金熔体中Sr的残留量约为0.21％；加入Al-3P变质剂进行变质处理，加入量为合金中P的残留量约为0.005％对初生硅相进行变质；
将经过变质处理的合金熔体除气后扒渣，静置30-60min，得到金属液体，然后利用特制的加压铸造机铸成铸件；
所述的加压铸造机，分为动模和定模，其中，侧模为定模，上模和下模为动模。上模、侧模和下模形成铸造型腔；金属液体通过浇注口浇注进入铸造型腔，当金属液体浇满铸造型腔后，采用封堵装置封堵浇注口，启动加压油缸，从上模和下模分别对金属液体施压，达到最大压力后，保压300s后，金属液体已完全凝固，进行卸压，然后打开侧模，提升上模，取出低硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金铸件。
根据低硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金的应用，该铸造型腔为发动机活塞结构。
将制备的低硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金铸件产品进行室温拉伸性能测试和350℃瞬时高温拉伸性能测试，在铸态下，低硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金铸件的室温拉伸性能和高温拉伸性能表1；图3为低硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金铸件的金相组织，低硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金铸件已处于过共晶区，合金中出现了初生硅相。低硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金合金铸件经过P和Sr变质及在压力下凝固，金属间化合物相已大大细化，初生硅细小均匀，它们对拉伸性能的损害已大为降低，所以产品具有较高的室温和高温拉伸性能。
对比例2
合金成分和制备方法同实施例3。不同之处是对比例3只有P变质，不经过Sr变质，而且不采用加压铸造，而是采用普通重力铸造机铸造。合金成分及室温和高温拉伸性能见表1。图4为Al-Si-Cu-Ni铝合金铸件的金相组织，与实施例3相比，由于不是在压力下凝固，初生Si明显比较粗大，严重损害了合金的拉伸性能，所以，合金的延伸率显著降低。
实施例4
一种低硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金的制备方法，同实施例1，不同之处在于：
低硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金成分不同，低硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金成分及制备后得到的低硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金铸件的室温和350℃瞬时高温拉伸性能见表1。
实施例5
一种低硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金的制备方法，同实施例1，不同之处在于：
低硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金成分不同，低硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金成分及制备后得到的低硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金铸件的室温和350℃瞬时高温拉伸性能见表1。
表1低硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金的化学成分及拉伸性能
Figure BDA0002574937790000071
Figure BDA0002574937790000081
实施例6
一种高硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金，其成分及各个成分的质量百分比见表2。
一种高硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金，其成分及各个成分的质量百分比见表2。
准备铝锭及合金原料，将铝锭加热熔化形成铝熔体，温度控制在680-750℃，将除了Mg和Sr以外的其他原料加入铝熔体中，至原料熔化后，再加入Mg的原料，待Mg的原料完全熔化后，搅拌均匀，得到合金熔体；
向合金熔体中加入RJ-1精炼剂，进行精炼处理；精炼剂的加入量为合金熔体总重量的0.4％；然后向合金熔体中加入Al-10Sr变质剂进行变质处理，加入Al-10Sr变质剂后，变质后的合金熔体中Sr的残留量约为0.21％；再加入Al-3P变质剂进行变质处理，加入Al-3P变质剂后，变质合金熔体中P的残留量约为0.008％；
将经过变质处理的合金熔体除气后扒渣，静置30-60min，然后利用特制的加压铸造机铸成铸件；具体为：
步骤一：根据活塞和刹车盘的结构特点，将铸造模具设计成由侧模、上模和下模组成。侧模是定模，上模和下模是动模，将动模和定模合模后，通过浇口杯将铝水浇入铸造型腔。
步骤二：金属液体浇满铸造型腔后，启动封堵装置封堵浇口。
步骤三：启动加压油缸，从上模和下模分别对金属液体施压，达到最大压力80MPa后保持压力。
步骤四：根据铸件尺寸，保压60-300s后，金属液体已完全凝固，进行卸压，然后打开侧模，提升上模，取出高硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金铸件。
高硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金铸件产品进行室温拉伸性能测试和350℃瞬时高温拉伸性能测试，在铸态下，高硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金铸件的室温拉伸性能和高温拉伸性能表2；虽然合金中含Si量很高，但经过P变质，以及在压力下凝固，初生Si已大大细化；高硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金铸件经过Sr变质和在压力下凝固，金属间化合物相已大大细化，初生Si相合金属间化合物相对拉伸性能的损害已大为降低，所以产品不仅具有很高的耐磨性能，而且具有较高的室温和高温拉伸性能。
实施例7-10
一种高硅Al-Si-Cu-Ni铝合金的制备方法同实施例6，不同之处在于：
高硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金成分不同，高硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金成分及制备后的高硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金铸件的室温和350℃瞬时高温拉伸性能见表2。
对比例3
合金成分和制备方法同实施例6。不同之处是对比例1不经过Sr变质，而且不采用加压铸造，而是采用普通重力铸造机铸造。合金成分及室温和高温拉伸性能见表2。与实施例10相比，合金的延伸率显著降低。由于合金只有P变质，没有Sr变质，而且不是在压力下凝固，金属间化合物相没有细化，严重损害了合金的拉伸性能。
表2高硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金的化学成分及拉伸性能
Figure BDA0002574937790000091

Claims (9)

1.一种耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金，其特征在于，该耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金包括按质量百分数计的如下元素：Si为11.5～22％，Cu为5.0～7.0%，Ni为3.5-5.0%，Mg为0.8-1.5%，Mn为0.4-0.8%，Fe为0.8-1.2%，Zr为0.08-0.25%，Ti为0.08-0.25%，V为0.08-0.25%，Sr为0.1-0.5%，余量为Al和杂质，其中，杂质总含量不大于0.3%；
所述的耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金采用以下制备方法：
步骤1：按照耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金中含有的元素配比，准备原料；
步骤2：将Al的原料加热熔化，得到铝熔体；将除了Mg和Sr以外的其他原料加入铝熔体中，至原料熔化后，再加入Mg的原料，待Mg的原料完全熔化后，搅拌均匀，得到合金熔体；在整个过程中，控制合金熔体的温度为680~800℃；
步骤3：向合金熔体中，加入精炼剂进行精炼处理后，再加入Sr的原料Al-10Sr作为变质剂，进行变质处理，得到变质后的合金熔体；
步骤4：将变质后的合金熔体进行除气后，再进行扒渣，再于680-760℃静置30-60min，得到金属液体，然后浇铸成铸件，得到耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金铸件；
浇铸采用如下加压铸造工艺，具体为：
步骤一：根据耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金需要铸造的工件形态，将铸造模具设计成由侧模、上模和下模组成；其中，侧模是定模，上模和下模是动模，将动模和定模合模后，将金属液体浇入铸造型腔；
步骤二：当金属液体浇满整个铸造型腔后，进行封堵浇口；
步骤三：从上模和下模分别施加压力，对铸造型腔中的金属液体进行施压，达到25-100MPa压力后，根据铸件尺寸，保压60~300s后，当金属液体已经完全凝固后，进行卸压，去模具，得到耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金铸件；
所述的耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金，其铸态室温抗拉强度241-315MPa，延伸率0.9-2.6%；350℃瞬时抗拉强度121-172MPa，延伸率4.3-7.9%。
2.根据权利要求1所述的耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金，其特征在于，所述的耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金为低硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金，其包括按质量百分数计的如下元素：Si为11.5～14.0％，Cu为5.0～7.0%，Ni为3.5-5.0%，Mg为0.8-1.5%，Mn为0.4-0.8%，Fe为0.8-1.2%，Zr为0.08-0.25%，Ti为0.08-0.25%，V为0.08-0.25%，Sr为0.1-0.5%，余量为Al和杂质，其中杂质总含量不大于0.5%；
低硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金，铸态室温抗拉强度271-315MPa，延伸率1.8-2.6%；350℃瞬时抗拉强度157-172MPa，延伸率5.8-7.9%。
3.根据权利要求1所述的耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金，其特征在于，所述的耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金为高硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金，其包括按质量百分数计的如下元素：Si为16.0～22.0％，Cu为5.0～7.0%，Ni为3.5-5.0%，Mg为0.8-1.5%，Mn为0.4-0.8%，Fe为0.8-1.2%，Zr为0.08-0.25%，Ti为0.08-0.25%，V为0.08-0.25%，Sr为0.1-0.5%，余量为Al和杂质，其中杂质总含量不大于0.5%；
高硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金，铸态室温抗拉强度241-264MPa，延伸率0.9-1.9%；350℃瞬时抗拉强度121-138MPa，延伸率4.3-5.7%。
4.权利要求1-3任意一项所述的耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：按照耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金中含有的元素配比，准备原料；
步骤2：将Al的原料加热熔化，得到铝熔体；将除了Mg和Sr以外的其他原料加入铝熔体中，至原料熔化后，再加入Mg的原料，待Mg的原料完全熔化后，搅拌均匀，得到合金熔体；在整个过程中，控制合金熔体的温度为680~800℃；
步骤3：向合金熔体中，加入精炼剂进行精炼处理后，再加入Sr的原料Al-10Sr作为变质剂，进行变质处理，得到变质后的合金熔体；
步骤4：将变质后的合金熔体进行除气后，再进行扒渣，再于680-760℃静置30-60min，得到金属液体，然后浇铸成铸件，得到耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金铸件；
浇铸采用如下加压铸造工艺，具体为：
步骤一：根据耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金需要铸造的工件形态，将铸造模具设计成由侧模、上模和下模组成；其中，侧模是定模，上模和下模是动模，将动模和定模合模后，将金属液体浇入铸造型腔；
步骤二：当金属液体浇满整个铸造型腔后，进行封堵浇口；
步骤三：从上模和下模分别施加压力，对铸造型腔中的金属液体进行施压，达到25-100MPa压力后，根据铸件尺寸，保压60~300s后，当金属液体已经完全凝固后，进行卸压，去模具，得到耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金铸件。
5.根据权利要求4所述的耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金的制备方法，其特征在于，所述的步骤1中，Si的原料为金属硅和/或铝硅中间合金；Cu的原料为铝铜中间合金和/或铜添加剂；所述的Ni的原料为铝镍中间合金和/或镍添加剂，Mg的原料为工业纯镁锭，Mn的原料为铝锰中间合金和/或锰添加剂，Fe的原料为铝铁中间合金和或铁添加剂，Zr的原料为铝锆中间合金，Ti的原料为铝钛中间合金和/或钛添加剂，V的原料为铝钒中间合金，Al的原料为铝锭、重熔铝锭或铸造铝合金锭中的一种或几种。
6.根据权利要求4所述的耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中，所述的精炼剂为能够对合金熔体具有精炼效果的精炼剂，精炼剂的加入质量为合金熔体总质量的0.2~0.8%；
所述的步骤3中，Sr的原料Al-10Sr加入质量为变质后的合金熔体中Sr的残留量为0.1%-0.5%；
当耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金中，Si的含量≥12.8%，变质剂Al-10Sr配合Al-3P变质剂进行变质处理，P的加入质量为变质后的合金熔体中P的残留量为0.005%-0.008%。
7.根据权利要求4所述的耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金的制备方法，其特征在于，所述的步骤4中，浇铸后，将耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金铸件，置于170~210℃保温6~8h，得到最终的耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金铸件。
8.权利要求2所述的耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金的应用，其特征在于，将低硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金应用于发动机活塞中。
9.权利要求3所述的耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金的应用，其特征在于，将高硅耐热耐磨Al-Si-Cu-Ni铝合金应用于汽车刹车盘。
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Denomination of invention: A heat-resistant and wear-resistant Al Si Cu Ni aluminum alloy and its preparation method and application

Effective date of registration: 20230725

Granted publication date: 20210723

Pledgee: China Construction Bank Co.,Ltd. Shanghai Yangtze River Delta Integrated Demonstration Zone Sub branch

Pledgor: Shanghai Yongmao Thai auto Polytron Technologies Inc.

Registration number: Y2023310000397