CN114182141A

CN114182141A - 新型高强韧耐热铝硅铸造合金

Info

Publication number: CN114182141A
Application number: CN202010963680.2A
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: Jinan Keweida New Material Technology Co ltd
Current assignee: Jinan Keweida New Material Technology Co ltd
Priority date: 2020-09-14
Filing date: 2020-09-14
Publication date: 2022-03-15

Abstract

本发明公开了一种新型高强韧耐热铝硅铸造合金，铝硅合金的组成元素的质量百分数含量为：Si 11.5～13.5％、Cu 3.0～5.2％、Mg 0.3～1.2％、Ni 2.0～3.5％、Fe 0.1～0.55％、Mn 0.2～0.8％、Zr 0.05～0.6％、V 0.05～0.6％，余量为Al、附带的元素和不可避免的杂质。发明合金还可以添加附带的合金化元素Co、Cr、Mo及附带的微合金化元素Er、Hf、Nb、Ta、Nd、Sc、Ti等中的一种或多种。合理配比的本发明合金，在350℃温度下可获得不低于110MPa的抗拉强度及不低于5％的断后伸长率，可满足特定条件下动力机械部件轻量化的技术要求。

Description

新型高强韧耐热铝硅铸造合金

技术领域

本发明属于金属材料领域，特别涉及一种可以用于高温环境服役的高强韧热强型铝硅铸造合金材料技术领域。

背景技术

被广泛地用于制造发动机活塞的铝硅合金，其性能的优劣直接影响柴油发动机的输出性能和可靠性。

伴随着环境压力的增加，各类发动机排放的标准越来越高，也越来越严苛，促使各类发动机向高功率密度、高速化和低排放方向的发展，活塞承受的燃烧压力和工作温度越来越高，对制造活塞的铝硅合金的高温性能要求也水涨船高。现广泛使用的Al-Si系列合金材料在350℃及以上温度下的性能难以充分满足新型发动机的使用要求。

为提高铝硅合金的高温性能，国内外已进行了大量研究，以期调整优化铝硅合金中的Cu、Ni含量及添加Zr、Ti、V、Co和稀土元素等提高合金的高温性能。美国专利文献US5996471公开了一种含V的Al-Si-Cu-Mg的活塞铝合金 (Cu2～5，Si13～16，Mn0.2～1.3，Ni1.0～2.5，V0.05～0.2，P0.004～0.02)，具有良好的高温强度和耐磨性，其300℃的拉伸强度不低于90MPa、屈服强度不低于 70MPa。专利文献CN101117679A公开了一种高性能铝硅活塞合金材料，其成分为：Si12-13％，Cu2.5-4％，Ni1.7-3％，Mg0.5-1.2％，Mn0.1-0.2％，V0.15-0.5％， Ti0.23-0.6％，∑Re0.15-0.25％，Zn≤0.05％，Fe≤0.7％，其余为Al。铝硅合金的室温拉伸强度不低于230MPa、300℃的拉伸强度不低于100MPa、360℃的拉伸强度不低于80MPa。

为了进一步提高铝硅铸造合金的高温性能及耐磨性，近年来开发了高硅含量铝合金活塞及陶瓷增强的铝基复合材料。美国专利文献US6399020B1公布了一种高铜含量的高强耐热铝硅铸造合金，其成分为：Si 11～14％、Cu 5.6～8％、 Ni 0.05～0.9％、Mg 0.5～1.5％、Fe 0～0.8％、Mn 0～1.0％、Ti 0.05～1.2％、Zr 0.12～1.2％、V 0.05～1.2％、Zn0.05～0.9％，余量为Al。发明合金在370℃持续暴露100小时后的抗拉强度高达103MPa。美国专利文献US6592687B1公布了另一种高硅高铜含量的高强耐热铝硅铸造合金，其成分为：Si 14～25％、Cu 5.5～8％、 Ni 0.05～0.9％、Mg 0.5～1.5％、Fe 0.05～1.2％、Mn 0.05～1.0％、Ti 0.05～1.2％、Zr 0.05～1.2％、V 0.05～1.2％、Zn 0.05～0.9％，余量为Al。发明合金在370℃持续暴露100小时后的抗拉强度高达110MPa。

中国专利文献CN1257299C公开了一种用于活塞制造的铝基复合材料，该铝基复合材料由基体合金和增强相组成，基体合金包括硅、铜、镍、镁、钛、铝元素，其特征是基体合金各组分的质量百分比为：Si9～16％、Cu0.5～2.5％、 Ni0.5～2.0％、Mg0.2～1.5％、Ti0.2～2.0％，其余为铝；增强相为原位反应生成Al₂O₃和TiC粒子。该复合材料的性能良好，其室温强度为240～300Mpa，300℃时高温强度为120～140Mpa，远大于常规活塞铝合金的高温强度(70～80MPa)，同时该复合材料活塞具有良好的体积稳定性。

专利文献CN108796316A公开了一种原位TiB₂增强铝硅合金活塞材料及其制备方法。该材料具有良好的高温强度和较低的线膨胀系数。但TiB₂增强相的密度为4.52g/cm³，远大于铝熔体密度(约2.4g/cm³)，铝合金熔体中大于0.2-0.5 微米TiB₂增强颗粒短时间内就会发生快速沉降聚集，导致该类材料难以在生产现场实现量产，同时凝固过程中长针状的TiB₂相与凝固所产生的枝晶相互搭接，阻碍铝合金熔体的流动，增大凝固补缩困难，极易在毛坯中形成大量的缩松和缩孔，降低材料的致密度，恶化铸件的性能。

专利文献CN109735748A公布了一种耐热铸造铝合金活塞材料及其制备方法，该种耐热铸造铝合金活塞材料，各组分的质量百分比含量为：Si 13％～18％、 Cu 4.0％～6.0％、Ni 2.5％～3.5％、Mg 0.6％～1.2％、Cr 0.2％～0.5％、Er 0.1％～0.3％、Zr0.1％～0.5％、Ti 0.1％～0.2％、V 0.05％～0.2％、杂质元素≤0.3％、余量为Al。该种铝合金活塞材料采用挤压铸造方式，能缩小初晶硅尺寸以及增强耐热性能。该发明合金经过T6处理后，室温抗拉强度和延伸率分别达到361MPa 和1％，350℃时的抗拉强度和断后延伸率分别为95MPa和8.5％。该拉伸强度满足了某些活塞对力学性能的特定需求，但挤压铸造方式限制了其规模化量产。

结合铝硅铸造合金的研发现状，目前缺乏一种适合于现有设备、能规模化生产的且350℃以上温度的抗拉强度不低于95MPa或更高强度的铸造铝硅合金。

发明内容

本发明首先提供了一种耐热高强度铸造铝硅合金材料，对于所发明铝硅合金，适用于金属型重力铸造技术制备相关轻量化部件。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：本发明提供一种适合于高温环境下工作的耐热高强度铝硅铸造合金材料，该铝硅合金主要包含(质量百分数，以下同)：Si11.5～13.5％、Cu 3.0～5.2％、Mg 0.3～1.2％、Ni 2.0～3.5％、 Fe 0.1～0.55％、Mn 0.2～0.8％、Zr 0.05～0.6％、V 0.05～0.6％，余量为Al、附带的元素和不可避免的杂质。

本发明的第一优选方案为：所述的铝硅合金主要包含：Si 11.5～13.2％、Cu 3.2～5.0％、Mg 0.3～1.1％、Ni 2.1～3.3％、Fe 0.15～0.5％、Mn 0.25～0.75％、Zr 0.10～0.6％、V 0.1～0.6％，余量为Al、附带的元素和不可避免的杂质。

本发明的第二优选方案为：所述铝硅合金中还可以含有选自附带的合金化元素Co、Cr、Mo中的至少一种，所述的附带合金化元素的单一添加量介于 0.2～0.5％，附带合金化元素的添加总量满足Fe+2(Co+Mn)+3(Cr+Mo)≤2.5。

本发明的第三优选方案为：所述铝硅合金中还可以含有选自附带的微合金化元素Er、Hf、Nb、Ta、Nd、Sc、Ti等中的至少一种，所述的附带微合金化元素的单一添加量为0.05～0.3％，附带微合金化元素的添加总量满足0.15％≤(Er+ Hf+Nb+Ta+Nd+Sc+Ti)wt％≤0.75％。

本发明的第四优选方案，所述铝硅合金中的Zr和V应满足0.25≤V/Zr≤3.5，此时所析出的AlZrV相具有较高的稳定性，从而获得较稳定的高温强化效果。

本发明的第五优选方案，所述铝硅合金中每种不可避免的杂质元素含量≤0.05wt％，总和≤0.15wt％。

现对本发明铝合金的成分设计原理详细说明如下：

11.5～13.5％的硅(Si)不仅保证了铝硅合金的耐磨性能和低的线膨胀系数及高温尺寸稳定性，又能避免常规金属型重力铸造技术中硅含量过高引起的初晶硅的团聚。Cu(3.0～5.2％)元素的主要作用是提高铝合金的室温及高温力学性能：Cu可与铝合金中的Mg、Si、Ni、Fe和Mn等合金化元素形成多种金属间化合物相，时效处理后，含Cu的θ-Al₂Cu、S-Al₂CuMg、Q-Al₅Cu₂Mg₈Si₆等纳米级析出相显著提高铝硅合金的室温强度；高温情况下，部分固溶于铝合金基体的Cu产生固溶强化效应，提高铝硅合金的高温强度，高温下残留的Al₂Cu、 Al₅Cu₂Mg₈Si₆等含Cu析出相，则以颗粒弥散强化的形式对铝硅合金的高温强度形成贡献，同时凝固过程中形成的Al₇Cu₄Ni、Al₇Cu₂Fe、Al₃CuNi、Al₂₀Cu₂Mn₃等含铜相一方面提高高温性能，另一方面提高铝硅合金的高温稳定性。Mg (0.3～1.2％)的作用主要一是与Cu、Si等一起形成强化相Al₅Cu₂Mg₈Si₆(还有可能形成S-Al₂CuMg相)，提高合金的室温强度和疲劳性能，Mg含量过低，形成含镁强化相的数量有限，不足以对铝合金室温性能产生明显的影响；含量过高则会在铝合金形成较多的耐热性较低的粗大的Mg₂Si相，不利于铝合金性能的提高，另外还易于在铝合金中形成MgO夹杂，恶化铝合金性能。故Mg含量选择为0.30～1.2％。

镍(Ni，2.0～3.5％)的主要作用是提高高温强度、降低线膨胀系数、提高体积稳定性。镍在Al-Si-Cu-Mg-Ni-Fe体系中主要的存在形式是：Al₃Ni、Al₃CuNi、 Al₇Cu₄Ni、AlFeNi等耐热相。本发明选择的镍含量为2.0～3.5％。

适量的Mn一方面使危害性较大的片状β-Al₅FeSi转变为骨骼状的α-Al₁₅(FeMn)₃Si₂相，降低片状富铁相对合金基体的割裂作用，提高铝合金的韧性，改善疲劳性能；另一方面可以在基体中形成纳米级的含Mn弥散相，提高铝合金的高温性能。

铝硅合金中的Zr和V则是在铝合金中形成亚微米或纳米级Al₃(Zr，V)沉淀析出相，一方面细化铝合金铸态晶粒组织，同时促进初晶硅和共晶硅的细化，另一方面，固溶时效处理过程中析出共格的L1₂型Al₃(Zr，V)纳米颗粒，可以提高铝合金的室温和高温强度，提高铝合金的蠕变抗力，抑制高温工作状态下铝合金晶粒的长大粗化，保持高温工作条件下的高温性能。

附带合金化元素Co、Cr、Mo的作用则与Mn相似，可以与沉淀析出相中的Mn相互置换；亦可能形成含Co、Cr或Mo的纳米级铝化合物相，调节铝合金的高温强度和高温疲劳性能。

附带微合金化元素Er、Hf、Nb、Ta、Nd、Sc和Ti等元素在固溶时效过程中，置换纳米颗粒Al₃(Zr，V)相的Zr或V原子，形成更为复杂和稳定的多元 Al₃M(M代表Zr、V、Er、Hf、Nb、Ta、Nd、Sc和Ti)型纳米析出相，调节Al₃M型析出相与铝基体间的点阵错配度，进一步提高铝合金的高温强度和组织稳定性；另外，稀土元素Er和Nd亦有变质初晶硅和共晶硅的作用。

与现有铝硅系铸造合金相比，本发明铝硅合金的优点在于：通过实施本发明，可以使得铸造铝硅合金获得良好的室温力学性能及更好的耐高温性能，即：通过合金化元素Si、Cu、Ni、Mg、Fe、Mn、Zr、V、Co、Cr、Mo、Er、Hf、 Nb、Ta、Nd、Sc和Ti的合理配比，采用常规的金属模重力铸造技术，使本发明铸造铝硅合金在350℃时获得不低于110MPa的抗拉强度，满足特定条件下动力机械部件轻量化的技术要求。

附图说明

图1为本发明的实施例1铝硅合金的铸态金相组织(近铸模壁处)。

图2为本发明的实施例1铝硅合金的铸态金相组织(距铸模壁处15mm处)。

图3为本发明的实施例5铝硅合金的铸态金相组织(近铸模壁处)。

图4为本发明的实施例7铝硅合金的铸态金相组织(近铸模壁处)。

具体实施方式

实施例1-12

表1为具体实施例1-12合金化元素含量表，表2为具体实施例1-12合金的力学性能。

制备方式：制备所发明铝硅铸造合金所采用的原料分别为纯金属和铝基中间合金，铝(Al)、硅(Si)、镍(Ni)，铜(Cu)、镁(Mg)、锰(Mn)和钴(Co) 等以纯金属方式加入；铬(Cr)、钼(Mo)、锆(Zr)、钒(V)、铒(Er)、铪(Hf)、铌(Nb)、钽(Ta)、钕(Nd)、钪(Sc)和钛(Ti)等合金化元素均以铝基中间合金的方式加入。所发明铝硅合金的制备过程包括配料、熔炼、浇铸、热处理等流程。详细制备过程为：根据铝硅铸造合金的化学成分并考虑元素烧损后进行称重配料，将各种炉料烘干后依次装入熔炼炉中熔化，待合金化元素及中间合金化清后，将铝熔体升温至合适温度保温；保温过程结束后，对铝合金熔体进行精炼除气除渣，随后进行变质处理，再次除气处理后，将合格的铝合金溶液浇入在线添加AlTiB细化剂的预热的钢铸模中，得到铝合金铸锭，然后将铸锭进行合适的热处理，最后得到所需性能的铝硅铸造合金。

表1 实施例1-12发明铝硅合金的合金化元素含量表(wt％)

显然，本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，在不脱离本发明原理的前提下，而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

表2 实施例1-12发明铝硅合金的力学性能

注：a、UTS-抗拉强度，b、YS-屈服强度，c、EL-断后延伸率。

Claims

1.一种新型高强韧耐热铝硅铸造合金，其基础成分组成及范围为(质量百分数，以下同)：Si 11.5～13.5％、Cu 3.0～5.2％、Mg 0.3～1.2％、Ni 2.0～3.5％、Fe 0.1～0.55％、Mn 0.2～0.8％、Zr 0.05～0.6％、V 0.05～0.6％，余量为Al、附带的元素和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的新型高强韧耐热铝硅铸造合金，其特征在于，所述的新型高强韧耐热铝硅铸造合金优选成分为：Si 11.5～13.2％、Cu 3.2～5.0％、Mg 0.3～1.1％、Ni2.1～3.3％、Fe 0.15～0.5％、Mn 0.25～0.75％、Zr 0.1～0.6％、V 0.1～0.6％，余量为Al、附带的元素和不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的新型高强韧耐热铝硅铸造合金，其特征在于，所述铝硅合金还可以进一步添加附带合金化元素Co、Cr、Mo，单个附带元素的添加量介于0.2～0.5％；无论单个附带元素的进一步添加，还是2个或是多个附带元素的进一步复合添加，应满足Fe+2(Co+Mn)+3(Cr+Mo)≤2.5。

4.根据权利要求1所述的新型高强韧耐热铝硅铸造合金，其特征在于，所述铝硅合金还可以进一步添加微合金化型附带元素Er、Hf、Nb、Ta、Nd、Sc、Ti等，单一附带元素的添加量介于0.05～0.3％；无论单一附带元素的进一步添加，还是2个或是多个附带元素的进一步复合添加，附带元素的添加总量满足0.15％≤(Er+Hf+Nb+Ta+Nd+Sc+Ti)wt％≤0.75％。

5.根据权利要求1所述的新型高强韧耐热铝硅铸造合金，其特征在于，所述铝硅合金中的Zr和V满足0.25≤V/Zr≤3.5关系时，所析出的AlZrV相方可具有较高的稳定性和较多的体积分数，从而获得较稳定的高温强化效果。

6.根据权利要求1所述的新型高强韧耐热铝硅铸造合金，其特征在于，在熔炼制备所述铝合金时，每种不可避免的杂质元素含量≤0.05wt％，总和≤0.15wt％。