CN114875280A - 耐热铝硅合金材料、制造方法及耐热铝硅合金铸件 - Google Patents

耐热铝硅合金材料、制造方法及耐热铝硅合金铸件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐热铝硅合金材料、铸造方法及耐热铝硅合金铸件，按照重量分数计，包括如下组分：Si：7.0～8.0%，Cu：1.8～2.0%，Mn：0.3～0.5%，Mg：0.4～0.6%，Ti：0.15～0.3%，B：0～0.07%，余量为铝；其中杂质成分不超过0.15%。本发明通过在铸造铝硅合金中添加Cu、Mn元素并对合金成分进行优化，提高了合金的高温性能，耐热温度高达到250℃，能够在保持合金良好铸造工艺性同时，又具有良好的耐热性能，且合金在高温时的瞬时拉伸性能优异，均高于已有铸造Al‑Si合金的高温性能。

Description

耐热铝硅合金材料、制造方法及耐热铝硅合金铸件
技术领域
本发明属于铝合金材料铸造技术领域，具体而言，涉及一种耐热铝硅合金材料、制造方法及耐热铝硅合金铸件。
背景技术
铸造铝硅合金具有良好的铸造工艺性，广泛用于铸造薄壁复杂的零件。近年来，随着航空发动机性能的提升，对于铝合金零件的耐热性能要求越来越高，最高已达到215℃。
但现有常用铸造铝硅合金如ZL101A、ZL101等合金在150℃时的抗拉强度降至室温的一半，200℃时性能下降至80～90MPa，铸件在高温下长时间工作会因性能下降而失效。由于航空发动机用铝合金铸件大多数壁厚较小（2.5~5mm），具有复杂空腔和管路结构，这些空腔和管路都要承受一定的压力，因此要求铸件组织致密，目前只能采用铸造铝硅系合金进行铸造。
因此，必须研制出一种具有耐热性能的铸造铝硅合金，在保持合金良好铸造工艺性时，又具有良好的耐热性能。
发明内容
本发明旨在提供一种耐热铝硅合金材料、制造方法及耐热铝硅合金铸件，合金材料的耐热温度达到250℃，能够在保持合金良好铸造工艺性，同时又具有良好的耐热性能。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种耐热铝硅合金材料，按照重量分数计，包括如下组分：Si：7.0～8.0%，Cu：1.8～2.0%，Mn：0.3～0.5%，Mg：0.4～0.6%，Ti：0.15～0.3%，B：0～0.07%，余量为铝；其中杂质成分不超过0.15%。
根据本发明，按照重量分数计，耐热铝硅合金材料包括如下组分：Si：7.6～7.9%，Cu：1.81～1.93%，Mn：0.4～0.5%，Mg：0.4～0.56%，Ti：0.20～0.25%，B：0.035～0.037%，余量为铝；其中杂质成分不超过0.1%。
根据本发明，按照重量分数计，耐热铝硅合金材料包括如下组分：Si：7.6%，Cu：1.93%，Mg：0.55%，Mn：0.4%，Ti：0.25%，B：0.04%，余量为铝，其中杂质成分为0.1%；或者Si：8.0%，Cu：1.81%，Mg：0.55%，Mn：0.4%，Ti：0.25%，B：0.04%，余量为铝，其中杂质成分为0.1%；或者Si：7.5%，Cu：1.9%，Mg：0.56%，Mn：0.4%，Ti：0.23%，B：0.04%，余量为铝，其中杂质成分为0.1%；或者Si：7.9%，Cu：1.85%，Mg：0.56%，Mn：0.41%，Ti：0.22%，B：0.037%，余量为铝，其中杂质成分为0.1%；或者Si：7.5%，Cu：1.8%，Mg：0.56%，Mn：0.4%，Ti：0.20%，B：0.035%，余量为铝，其中杂质成分为0.1%；或者Si：7.5%，Cu：1.9%，Mg：0.56%，Mn：0.4%，Ti：0.23%，B：0.04%，余量为铝，其中杂质成分为0.1%。
根据本发明的另一方面，还提供了一种耐热铝硅合金材料的制造方法，包括：称取原料组分如下：精铝锭：16.3~30.3份，中间合金Al-Si：58.3~66.7份， Al-Cu：3.6~4.0份，Al-Mn：3.0~5.0份，Al-Ti：0.4~3.0份，Al-Ti-B：0~7.0份，镁锭：0.4~0.6份；
采用高纯Al-Si、Al-Cu、Al-Mn、Al-Ti、Al-Ti-B中间合金、镁单质以及纯度为99.97%以上的精铝锭作为原料；将上述原料放入电炉中熔炼，冷却，用Sr元素进行变质处理，采用氩气-氯气混合气进行精炼，得到耐热铝硅合金材料。
根据本发明，耐热铝硅合金材料的制造方法包括以下步骤：熔炼时先向石墨坩埚中加入精铝锭、Al-Si、Al-Cu、Al-Mn中间合金，全部熔化后在690~700℃加入单质Mg，以减少Mg的烧损；
将熔体温度升至740℃-760℃，加入Al-Ti、Al-Ti-B中间合金，并始终保持熔体温度不低于740℃，且熔体一直处于搅拌状态，保持15~20min；
降低电炉功率，使熔体的搅拌状态减弱，液面氧化膜保持完整状态，用含氯0.5%的氩氯混合气对熔体进行旋转喷吹精炼，精炼10min后加入AlSr5中间合金，用量为熔体重量的0.8%~1%，再用纯氩气对熔体进行旋转喷吹精炼，静置10~15min后扒去表面浮渣，得到耐热铝硅合金材料的熔体。
根据本发明，采用中频炉或工频炉进行熔炼，利用感应电流对熔体不断进行搅拌，以保证熔体均匀。
根据本发明的又一方面，提供了一种耐热铝硅合金铸件，采用上述任一种耐热铝硅合金材料铸造得到。
根据本发明，采用双级固溶加双级时效对所述耐热铝硅合金铸件进行热处理的步骤为：在530±5℃固溶，保温8～10小时；继续535±5℃固溶，保温6～8小时；在155±5℃时效，保温8～12小时；继续250℃±5℃，保温10～12小时。
根据本发明，铸件采用金属型、金属-树脂砂复合型、金属-陶瓷壳复合型或者反重力浇注方法铸造得到。
本发明的有益效果
1）本发明通过在铸造铝硅合金中添加Cu、Mn元素并对合金成分进行优化，提高了合金的高温性能，合金材料的耐热温度高达到250℃，能够在保持合金良好铸造工艺性同时，又具有良好的耐热性能。
2）本发明的合金能够保持良好的铸造工艺性，能够实现薄壁复杂铸件的完整成形，液态合金流动性能好，实测螺旋流动性试样长度（710℃时）≥700mm，优于同温度下ZL101A、ZL114A的流动性。
3）合金在高温250℃时的瞬时拉伸性能为:σb≥270MPa，σ0.2≥220 MPa，δ5≥5%。250℃保温50小时后的拉伸性能为:σb≥140MPa，σ0.2≥90 MPa，δ5≥10%，均高于已有铸造Al-Si合金的高温性能。
附图说明
图1是本发明实施例1中制备的铝硅合金材料铸造的启动机叶轮的照片。
图2是本发明实施例2中制备的铝硅合金材料铸造的联动关节铸件的照片。
图3是本发明实施例3中制备的铝硅合金材料铸造的次散流道铸件的照片。
图4是采用本发明实施例4中制备的铝硅合金材料铸造的发动机冷却系统壳体铸件的照片。
图5a和5b是采用本发明实施例5中制备的铝硅合金材料铸造的发动机前端盖铸件的照片。
图6a和图6b均是采用本发明实施例6中制备的铝硅合金材料铸造的发动机蜗壳铸件的照片。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的方法进行说明，但本发明并不局限于此，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
具有耐热性能的铸造铝硅合金，在保持合金良好铸造工艺性时，又具有良好的耐热性能。
本发明提供了一种耐热铝硅合金材料，按照重量分数计，包括如下组分：Si：7.0～8.0%，Cu：1.8～2.0%，Mn：0.3～0.5%，Mg：0.4～0.6%，Ti：0.15～0.3%，B：0～0.07%，余量为铝；其中杂质成分不超过0.15%。
优选地，耐热铝硅合金材料中，按照重量分数计，包括如下组分：Si：7.6～7.9%，Cu：1.81～1.93%，Mn：0.4～0.5%，Mg：0.4～0.56%，Ti：0.20～0.25%，B：0.035～0.037%，余量为铝；其中杂质成分不超过0.1%。
例如，耐热铝硅合金材料按照重量分数计，包括：Si：7.6%，Cu：1.93%，Mg：0.55%，Mn：0.4%，Ti：0.25%，B：0.04%，余量为铝，其中杂质成分为0.1%；或者Si：8.0%，Cu：1.81%，Mg：0.55%，Mn：0.4%，Ti：0.25%，B：0.04%，余量为铝，其中杂质成分为0.1%；或者Si：7.5%，Cu：1.9%，Mg：0.56%，Mn：0.4%，Ti：0.23%，B：0.04%，余量为铝，其中杂质成分为0.1%；或者Si：7.9%，Cu：1.85%，Mg：0.56%，Mn：0.41%，Ti：0.22%，B：0.37%，余量为铝，其中杂质成分为0.1%；或者Si：7.5%，Cu：1.8%，Mg：0.56%，Mn：0.4%，Ti：0.20%，B：0.35%，余量为铝，其中杂质成分为0.1%；或者Si：7.5%，Cu：1.9%，Mg：0.56%，Mn：0.4%，Ti：0.23%，B：0.4%，余量为铝，其中杂质成分为0.1%。
根据本发明，还提供了一种耐热铝硅合金材料的制造方法，采用高纯Al-Si、Al-Cu、Al-Mn、Al-Ti、Al-Ti-B中间合金、镁单质和纯度为99.97%以上的精铝锭等原料，采用中频或工频电炉熔炼制备，用Sr元素进行变质处理，采用氩气-氯气混合气进行精炼。
优选地，利用耐热铝硅合金材料铸造铸件的方法适宜采用金属型、金属-树脂砂复合型或金属-陶瓷壳复合型，采用反重力浇注的铸件性能更好。
热处理采用双级固溶加双级时效：固溶530±5℃，保温8～10小时；535±5℃，保温6～8小时；时效155±5℃，保温8～12小时；再250℃±5℃，保温10～12小时。
本发明制备的耐热铝硅合金中，Si、Cu、Mn、Mg既是主要的室温强化元素，也是高温强化元素。Si元素一部分固溶于Al基体中，起到固溶强化作用，一部分以片状单质形式存在，另一部分和Mg形成Mg2Si相。
Cu元素一部分固溶于Al基体中，起到固溶强化作用，另一部分和Al形成Al2Cu相，或和Al、Mn形成Al20Cu2Mn相，Mg2Si相、Al2Cu相和Al20Cu2Mn相在铸态都分布于晶界，热处理后大部分弥散分布于基体中，起到时效强化的作用，剩余的少部分仍分布于晶界。弥散分布于基体的Mg2Si相主要起室温强化的作用，Al2Cu相和Al20Cu2Mn相既有室温强化作用，也有高温强化作用。
片状的单质Si具有稳定基体、抵抗凝固体积收缩的作用，Si相、Mg2Si相、Al2Cu相和Al20Cu2Mn相在凝固时都可以与Al形成共晶，提高熔体的流动性。Ti和B主要用于晶粒细化，熔炼时加元素Sr是用来变质Si相，改善Si相的形貌。
本发明中Si重量分数不能过高，过高会导致Si相增加过多，损害合金的力学性能。因此将合金中Si含量控制为7.0～8.0%，高于ZL101A、ZL114A等合金的Si含量（6.5～7.5%，正常为7%），原因是合金中Cu元素会增加凝固温度区间，使合金流动性降低、凝固收缩增加，提高Si含量可以在合金中适当增加单质Si相，从而增加共晶组织，提高合金的流动性，同时增加的Si相减少凝固收缩，这样可以消减元素Cu带来的合金工艺性能恶化，使合金仍保持良好的铸造工艺性能。
Cu元素是提高合金高温性能的主要元素，常用的铸造Al-Si-Cu系合金的Cu含量不超过1.5%，铸造Al-Cu系合金的Cu含量在5%左右。本发明中将合金中Cu含量控制为1.8～2.0%，目的是增加Al2Cu相，以提高合金的高温性能。由于合金中含有元素Si，Cu元素不能过高，过高会形成Mg2Si-Al2Cu-Al20Cu2Mn等多元共晶相，大大恶化合金性能。
根据本发明，合金中Mg重量分数为0.4～0.6%，低于ZL101A、ZL114A合金的Mg含量（0.45~0.75%），目的是保证与Si形成适量的Mg2Si相，避免与含Cu相形成共晶，同时适当增加Si相数量。
合金中Ti重量分数为0.15～0.3%，高于常规铸造Al-Si合金的Ti含量（0.08~0.25%），目的是除了与B共同细化晶粒外，较高含量的Ti形成的Al3Ti也可以起到高温强化的作用。合金中B重量分数为0～0.07%，与Ti配合使用形成TiB2颗粒，可以提高晶粒细化效果，为铸造Al-Si合金中首次出现的元素。TiB2颗粒中Ti、B元素的质量比为2.2:1，考虑形成部分Al3Ti颗粒，所以控制B含量为0～0.07%。本合金中的杂质主要是指Fe、Zn、Sn等，总量不超过0.15%，杂质含量过高会使性能下降。
本合金中的Cu元素比重较大，在熔体和凝固过程中容易形成偏析，熔体中的Al3Ti颗粒和TiB2颗粒容易偏聚沉淀，因此本合金熔炼用中频炉或工频炉，利用感应电流对熔体不断进行搅拌，以保证熔体均匀。
熔炼过程大致如下：首先向石墨坩埚中加入纯铝锭、Al-Si、Al-Cu、Al-Mn中间合金，全部熔化后在690~700℃加入Mg，以减少Mg的烧损；由于Al3Ti和TiB2的反应生成温度在740℃以上，因此，将熔体温度升温至750℃左右加入Al-Ti、Al-Ti-B中间合金，并始终保持熔体温度不低于740℃，且熔体一直处于搅拌状态，15~20min后，降低电炉功率，使熔体的搅拌状态减弱，液面氧化膜保持完整状态，用含氯0.5%的氩氯混合气对熔体进行旋转喷吹精炼，精炼10min后加入AlSr5中间合金，用量为熔体重量的0.8%~1%，再用纯氩气对熔体进行旋转喷吹精炼15min，静置10~15min后扒去表面浮渣，熔体即可用来浇注铸件。
铸型应具有较快的冷却速度，金属型最好，目的是由于合金中Si含量高，提高冷却速度可以使Si片尺寸变小，且细化晶粒，以提高铸件的本体性能。在砂型铸造、熔模壳型铸造中，铸件厚度大于5mm的部位应进行激冷，根据壁厚大小可采用如铬铁矿砂、石墨砂等激冷砂或冷铁等，形成金属-树脂砂复合型、金属-陶瓷壳复合型，尽量不使用冒口。
本合金中的铸造组织主要是固溶了元素Si、Cu的Al基体、Si相、Mg2Si相、Al2Cu相和Al20Cu2Mn相，固溶时， Mg2Si相、Al2Cu相和Al20Cu2Mn相向基体扩散溶解的温度、速度不同，且高温时还容易形成三元共晶相，严重恶化性能，因此本合金采用了双级固溶制度，即先在530±5℃，保温8～10小时，让易扩散溶解的Al2Cu相、Al20Cu2Mn相尽可能多地溶入基体，再升温至535±5℃，保温6～8小时，让Mg2Si相、Si相尽可能地溶入基体；由于此时残留的Al2Cu相、Al20Cu2Mn相数量较少，避免了和Mg2Si相形成三元共晶相的风险。
优选地，合金时效也采用双级工艺，先在155±5℃保温8～12小时，此时固溶入基体的Si、Mg、Cu、Mn元素在基体中形成弥散的Mg2Si相、Al2Cu相、Al20Cu2Mn相析出，对合计其强化作用，使合金既具有较高的强度，也具有良好的延伸率；再使合金在250℃±5℃，保温10～12小时，目的是让固溶于基体中的元素充分析出，同时让析出相在250℃达到稳定状态，从而使250℃的性能达到稳定状态，满足合金在250℃时的服役要求。热处理制度中的保温时间根据铸件壁厚在上述范围内调整。
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
铸造启动机叶轮，工作时温度为150℃，瞬时温度达到200℃。
1）合成耐热铸造Al-Si合金材料
称取原料组分如下：精铝锭：22.7份，中间合金Al-Si：63.3份， Al-Cu：3.9份，Al-Mn：4.0份，Al-Ti：1.6份，Al-Ti-B：4.0份，镁锭：0.6份。
熔炼时先向石墨坩埚中加入精铝锭、Al-Si、Al-Cu、Al-Mn中间合金，全部熔化后在690℃加入单质Mg，以减少Mg的烧损。将熔体温度升至740℃，加入Al-Ti、Al-Ti-B中间合金，并始终保持熔体温度不低于740℃，且熔体一直处于搅拌状态，保持15min。
降低电炉功率，使熔体的搅拌状态减弱，液面氧化膜保持完整状态，用含氯0.5%的氩氯混合气对熔体进行旋转喷吹精炼，精炼10min后加入AlSr5中间合金，用量为熔体重量的0.8%，再用纯氩气对熔体进行旋转喷吹精炼，静置10min后扒去表面浮渣，得到耐热铝硅合金材料的熔体。其中采用中频炉进行熔炼，利用感应电流对熔体不断进行搅拌，以保证熔体均匀
对合金材料进行测试，各个组分百分含量为Si：7.6%，Cu：1.93%，Mg：0.55%，Mn：0.4%，Ti：0.25%，B：0.04%，余量为铝，其中杂质成分为0.1%。
对上述制备的合金材料进行测试，其性能如下：
250℃瞬时抗拉强度σb：320~335MPa，σ0.2：250~270MPa，δ5：7~11%。
250℃保温50h后抗拉强度σb：185~195MPa，σ0.2：110~115MPa，δ5：11~15%。
2）采用上述耐热铝硅合金材料铸造叶轮，叶轮轮盘部位用金属型，叶片部分用熔模陶瓷型壳，铸件如图1所示。
对铸件进行热处理，热处理的参数为：固溶530±5℃，保温12小时；再535±5℃，保温8小时；时效155±5℃，保温9小时；再250℃±5℃，保温10小时。零件的固溶、时效保温时间可根据零件尺寸、壁厚在上述参数范围内进行微调。
可见，合金能够保持良好的铸造工艺性，能够实现薄壁复杂铸件的完整成形。
实施例2
铸件为机械臂，工作环境温度瞬时达到170℃，机械臂上的联动关节铸件壁厚仅为1.5mm。
1）铸造耐热铸造Al-Si合金材料
称取原料组分如下：精铝锭：19.4份，中间合金Al-Si：66.7份， Al-Cu：3.6份，Al-Mn：4.0份，Al-Ti：1.8份，Al-Ti-B：4.0份，镁锭：0.6份。
熔炼时先向石墨坩埚中加入精铝锭、Al-Si、Al-Cu、Al-Mn中间合金，全部熔化后在700℃加入单质Mg，以减少Mg的烧损。将熔体温度升至740℃，加入Al-Ti、Al-Ti-B中间合金，并始终保持熔体温度不低于740℃，且熔体一直处于搅拌状态，保持20min。
降低电炉功率，使熔体的搅拌状态减弱，液面氧化膜保持完整状态，用含氯0.5%的氩氯混合气对熔体进行旋转喷吹精炼，精炼10min后加入AlSr5中间合金，用量为熔体重量的1.0%，再用纯氩气对熔体进行旋转喷吹精炼，静置10min后扒去表面浮渣，得到耐热铝硅合金材料的熔体。其中采用中频炉进行熔炼，利用感应电流对熔体不断进行搅拌，以保证熔体均匀
对合金材料进行测试，各个组分质量含量为：Si：8.0%，Cu：1.81%，Mg：0.55%，Mn：0.4%，Ti：0.25%，B：0.04%，余量为铝，其中杂质成分为0.1%。
该合金材料中将Si元素调整为上限、Cu元素调整为下限，有助于提高合金的流动性，促进薄壁结构铸造完整成形。
对上述制备的合金材料进行测试，其性能如下：
250℃瞬时抗拉强度σb：315~330MPa，σ0.2：240~255MPa，δ5：6~9%。
250℃保温50h后抗拉强度σb：170~180MPa，σ0.2：105~115MPa，δ5：10~14%。
2）采用上述耐热铝硅合金材料铸造机械臂
铸件采用熔模壳型精密铸造的方法生产，金属液浇注结束后立即将壳型置于盛放有干冰的铁桶中，使其迅速降温，金属液快速凝固，细化晶粒，使铸件获得较高的力学性能。铸件热处理制度为：固溶530±5℃，保温8小时，再535±5℃，保温6小时；时效155±5℃，保温9小时；再250℃±5℃，保温10小时，得到如图2所示联动关节铸件，联动关节铸件由于壁厚很小，因此固溶时间采用工艺中的下限。
实施例3
飞机环境控制系统次散流道铸件，铸件轮廓尺寸420×430×386 mm，壁厚4mm，长时工作温度120℃，瞬时工作温度205℃。
1）铸造耐热铸造Al-Si合金材料
称取原料组分如下：精铝锭：23.5份，中间合金Al-Si：62.5份， Al-Cu：3.8份，Al-Mn：4.0份，Al-Ti：1.6份，Al-Ti-B：4.0份，镁锭：0.6份。
熔炼时先向石墨坩埚中加入精铝锭、Al-Si、Al-Cu、Al-Mn中间合金，全部熔化后在700℃加入单质Mg，以减少Mg的烧损。将熔体温度升至740℃，加入Al-Ti、Al-Ti-B中间合金，并始终保持熔体温度不低于740℃，且熔体一直处于搅拌状态，保持20min。
降低电炉功率，使熔体的搅拌状态减弱，液面氧化膜保持完整状态，用含氯0.5%的氩氯混合气对熔体进行旋转喷吹精炼，精炼10min后加入AlSr5中间合金，用量为熔体重量的1.0%，再用纯氩气对熔体进行旋转喷吹精炼，静置10min后扒去表面浮渣，得到耐热铝硅合金材料的熔体。其中采用工频炉进行熔炼，利用感应电流对熔体不断进行搅拌，以保证熔体均匀
对合金材料成分进行测试：Si：7.5%，Cu：1.9%，Mg：0.56%，Mn：0.4%，Ti：0.23%，B：0.04%，余量为铝，其中杂质成分为0.1%。
对上述制备的合金材料进行测试，其性能如下：
250℃瞬时抗拉强度σb：320~330MPa，σ0.2：250~265MPa，δ5：8~10%。
250℃保温50h后抗拉强度σb：180~190MPa，σ0.2：105~115MPa，δ5：11~14%。
2）采用上述合金材料铸造飞机环境控制系统次散流道铸件
铸件采用树脂砂型低压铸造，铸型全部采用冷却效果较好的铬铁矿砂，浇注时铸型温度为室温，合金液在此条件下能够获得较大的冷却速度，从而获得晶粒细小的组织。对铸件采用双级固溶加双级时效进行热处理的参数为：固溶530±5℃，保温8小时；再535±5℃，保温6小时；时效155±5℃，保温9小时；再250℃±5℃，保温10小时。由于铸件壁厚较小，铸件的固溶时间均选用了时间范围的下限。铸件如图3所示，该次散流道铸件轮廓尺寸较大，壁厚处于工艺性较好的范围。
实施例4
一种发动机冷却系统壳体铸件，铸件轮廓尺寸320×130×286 mm，壁厚2mm，长时工作温度160℃，瞬时工作温度190℃，采用本合金制造。
1）铸造耐热铸造Al-Si合金材料
称取原料组分如下：精铝锭：20.6份，中间合金Al-Si：65.8份， Al-Cu：3.7份，Al-Mn：4.1份，Al-Ti：1.2份，Al-Ti-B：4.0份，镁锭：0.6份。
熔炼时先向石墨坩埚中加入精铝锭、Al-Si、Al-Cu、Al-Mn中间合金，全部熔化后在700℃加入单质Mg，以减少Mg的烧损。将熔体温度升至740℃，加入Al-Ti、Al-Ti-B中间合金，并始终保持熔体温度不低于740℃，且熔体一直处于搅拌状态，保持20min。
降低电炉功率，使熔体的搅拌状态减弱，液面氧化膜保持完整状态，用含氯0.5%的氩氯混合气对熔体进行旋转喷吹精炼，精炼10min后加入AlSr5中间合金，用量为熔体重量的1.0%，再用纯氩气对熔体进行旋转喷吹精炼，静置10min后扒去表面浮渣，得到耐热铝硅合金材料的熔体。其中采用工频炉进行熔炼，利用感应电流对熔体不断进行搅拌，以保证熔体均匀
对合金材料进行测试成分为：Si：7.9%，Cu：1.85%，Mg：0.56%，Mn：0.41%，Ti：0.22%，B：0.037%，余量为铝，其中杂质成分为0.1%。
Si元素调整为上限、Cu元素调整为下限，有助于提高合金的流动性，促进薄壁结构铸造完整成形。
对上述制备的合金材料进行测试，其性能如下：
250℃瞬时抗拉强度σb：315~330MPa，σ0.2：240~265MPa，δ5：6~10%。
250℃保温50h后抗拉强度σb：180~195MPa，σ0.2：105~110MPa，δ5：10~13%。
2）采用上述合金材料铸造发动机冷却系统壳体铸件
铸件采用熔模壳型精密铸造的方法生产，金属液浇注结束后立即将壳型置于盛放有干冰的铁桶中，使其迅速降温，金属液快速凝固，细化晶粒，使铸件获得较高的力学性能。铸件热处理制度为：固溶530±5℃，保温8小时，再535±5℃，保温6小时；时效155±5℃，保温9小时；再250℃±5℃，保温10小时。图4为铸造的发动机冷却系统壳体铸件，壳体铸件由于壁厚很小，因此固溶时间采用工艺中的下限。
实施例5
一种发动机前端盖铸件，铸件轮廓尺寸198×197×178 mm，壁厚30mm，长时工作温度180℃，瞬时工作温度205℃，采用本合金制造。
1）铸造耐热铸造Al-Si合金材料
称取原料组分如下：精铝锭：24.6份，中间合金Al-Si：62.5份， Al-Cu：3.6份，Al-Mn：4.0份，Al-Ti：1.2份，Al-Ti-B：3.5份，镁锭：0.6份。
熔炼时先向石墨坩埚中加入精铝锭、Al-Si、Al-Cu、Al-Mn中间合金，全部熔化后在695℃加入单质Mg，以减少Mg的烧损。将熔体温度升至740℃，加入Al-Ti、Al-Ti-B中间合金，并始终保持熔体温度不低于740℃，且熔体一直处于搅拌状态，保持18min。
降低电炉功率，使熔体的搅拌状态减弱，液面氧化膜保持完整状态，用含氯0.5%的氩氯混合气对熔体进行旋转喷吹精炼，精炼10min后加入AlSr5中间合金，用量为熔体重量的0.9%，再用纯氩气对熔体进行旋转喷吹精炼，静置10min后扒去表面浮渣，得到耐热铝硅合金材料的熔体。其中采用工频炉进行熔炼，利用感应电流对熔体不断进行搅拌，以保证熔体均匀
对合金材料进行测试成分为Si：7.5%，Cu：1.8%，Mg：0.56%，Mn：0.4%，Ti：0.20%，B：0.035%，余量为铝，其中杂质成分为0.1%。
对上述制备的合金材料进行测试，其性能如下：
250℃瞬时抗拉强度σb：315~335MPa，σ0.2：240~265MPa，δ5：8~12%。
250℃保温50h后抗拉强度σb：170~185MPa，σ0.2：100~115MPa，δ5：12~16%。
2）采用上述合金材料铸造发动机前端盖铸件
发动机前端盖铸件壁厚较大，采用树脂砂型芯、金属型低压铸造，合金液在金属型铸造使能够获得较大的冷却速度，即使铸件壁厚较大也能获得晶粒细小的组织。
铸件热处理的参数为：固溶530±5℃，保温12小时；再535±5℃，保温8小时；时效155±5℃，保温9小时；再250℃±5℃，保温10小时。发动机前端盖铸件如图5a和图5b所示，由于铸件壁厚较大，铸件的固溶时间均选用了时间范围的上限。
实施例6
一种发动机蜗壳铸件，铸件轮廓尺寸320×260×280 mm，壁厚5mm，法兰厚度15mm；长时工作温度160℃，瞬时工作温度200℃，采用本合金制造。
1）铸造耐热铸造Al-Si合金材料
称取原料组分如下：精铝锭：23.7份，中间合金Al-Si：62.5份， Al-Cu：3.8份，Al-Mn：4.0份，Al-Ti：1.4份，Al-Ti-B：4.0份，镁锭：0.6份。
熔炼时先向石墨坩埚中加入精铝锭、Al-Si、Al-Cu、Al-Mn中间合金，全部熔化后在700℃加入单质Mg，以减少Mg的烧损。将熔体温度升至740℃，加入Al-Ti、Al-Ti-B中间合金，并始终保持熔体温度不低于740℃，且熔体一直处于搅拌状态，保持20min。
降低电炉功率，使熔体的搅拌状态减弱，液面氧化膜保持完整状态，用含氯0.5%的氩氯混合气对熔体进行旋转喷吹精炼，精炼10min后加入AlSr5中间合金，用量为熔体重量的1.0%，再用纯氩气对熔体进行旋转喷吹精炼，静置10min后扒去表面浮渣，得到耐热铝硅合金材料的熔体。其中采用工频炉进行熔炼，利用感应电流对熔体不断进行搅拌，以保证熔体均匀
对合金材料进行测试成分为Si：7.5%，Cu：1.9%，Mg：0.56%，Mn：0.4%，Ti：0.23%，B：0.4%，余量为铝，其中杂质成分为0.1%。
对上述制备的合金材料进行测试，其性能如下：
250℃瞬时抗拉强度σb：325~340MPa，σ0.2：245~270MPa，δ5：8~10%。
250℃保温50h后抗拉强度σb：180~195MPa，σ0.2：115~125MPa，δ5：12~15%。
2）采用上述合金材料铸造发动机蜗壳铸件
该铸件轮廓尺寸较大，壁厚处于工艺性较好的范围。铸件采用树脂砂型低压铸造，铸型全部采用冷却效果较好的铬铁矿砂，底部厚大的法兰边放置冷铁，浇注时铸型温度为室温，合金液在此条件下能够获得较大的冷却速度，从而获得晶粒细小的组织。
铸件热处理的参数为：固溶530±5℃，保温12小时；再535±5℃，保温8小时；时效155±5℃，保温9小时；再250℃±5℃，保温10小时。由于铸件法兰处壁厚较大，铸件的固溶时间均选用了时间范围的上限。铸件如图6a和图6b所示。
对实施例1-6中制备的合金材料进行高温性能测试，其耐热温度均可达到250℃。可见，本发明通过在铸造铝硅合金中添加Cu、Mn元素并对合金成分进行优化，提高了合金的高温性能，耐热温度达到250℃。
测试实施例1-6中制备的合金材料，其在250℃时的瞬时拉伸性能均能达到:σb≥270MPa，σ0.2≥220 MPa，δ5≥5%。250℃保温50小时后的拉伸性能为:σb≥140MPa，σ0.2≥90MPa，δ5≥10%。
测试实施例1-6中制备的合金材料液态合金流动性，实测螺旋流动性试样长度（710℃时）≥700mm，优于同温度下ZL101A、ZL114A的流动性。

Claims (9)

1.一种耐热铝硅合金材料，其特征在于，按照重量分数计，包括如下组分：
Si：7.0～8.0%，Cu：1.8～2.0%，
Mn：0.3～0.5%，Mg：0.4～0.6%，
Ti：0.15～0.3%，B：0～0.07%，
余量为铝；其中杂质成分不超过0.15%。
2.如权利要求1所述的耐热铝硅合金材料，其特征在于，按照重量分数计，包括如下组分：
Si：7.6～7.9%，Cu：1.81～1.93%，
Mn：0.4～0.5%，Mg：0.4～0.56%，
Ti：0.20～0.25%，B：0.035～0.037%，
余量为铝；其中杂质成分不超过0.1%。
3.如权利要求1所述的耐热铝硅合金材料，其特征在于，按照重量分数计，包括如下组分：Si：7.6%，Cu：1.93%，Mg：0.55%，Mn：0.4%，Ti：0.25%，B：0.04%，余量为铝，其中杂质成分为0.1%；或者Si：8.0%，Cu：1.81%，Mg：0.55%，Mn：0.4%，Ti：0.25%，B：0.04%，余量为铝，其中杂质成分为0.1%；或者Si：7.5%，Cu：1.9%，Mg：0.56%，Mn：0.4%，Ti：0.23%，B：0.04%，余量为铝，其中杂质成分为0.1%；或者Si：7.9%，Cu：1.85%，Mg：0.56%，Mn：0.41%，Ti：0.22%，B：0.037%，余量为铝，其中杂质成分为0.1%；或者Si：7.5%，Cu：1.8%，Mg：0.56%，Mn：0.4%，Ti：0.20%，B：0.035%，余量为铝，其中杂质成分为0.1%；或者Si：7.5%，Cu：1.9%，Mg：0.56%，Mn：0.4%，Ti：0.23%，B：0.04%，余量为铝，其中杂质成分为0.1%。
4.一种耐热铝硅合金材料的制造方法，其特征在于，包括：
称取原料组分如下：精铝锭：16.3~30.3份，中间合金Al-Si：58.3~66.7份， Al-Cu：3.6~4.0份，Al-Mn：3.0~5.0份，Al-Ti：0.4~3.0份，Al-Ti-B：0~7.0份，镁锭：0.4~0.6份；
将上述原料放入电炉中熔炼，冷却；
用Sr元素进行变质处理，采用氩气-氯气混合气进行精炼，得到耐热铝硅合金材料。
5.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
熔炼时先向石墨坩埚中加入精铝锭、Al-Si、Al-Cu、Al-Mn中间合金，全部熔化后在690~700℃加入单质Mg，以减少Mg的烧损；
将熔体温度升至740℃-760℃，加入Al-Ti、Al-Ti-B中间合金，并始终保持熔体温度不低于740℃，且熔体一直处于搅拌状态，保持15~20min；
降低电炉功率，使熔体的搅拌状态减弱，液面氧化膜保持完整状态，用含氯0.5%的氩氯混合气对熔体进行旋转喷吹精炼，精炼10min后加入AlSr5中间合金，用量为熔体重量的0.8%~1%，再用纯氩气对熔体进行旋转喷吹精炼，静置10~15min后扒去表面浮渣，得到耐热铝硅合金材料的熔体。
6.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于，采用中频炉或工频炉进行熔炼，利用感应电流对熔体不断进行搅拌，以保证熔体均匀。
7.一种耐热铝硅合金铸件，其特征在于，采用权利要求1至3中任一项所述的耐热铝硅合金材料通过铸造得到。
8.如权利要求7所述的耐热铝硅合金铸件，其特征在于，采用双级固溶加双级时效对所述耐热铝硅合金铸件进行热处理的步骤为：
在530±5℃固溶，保温8～10小时；继续535±5℃固溶，保温6～8小时；
在155±5℃时效，保温8～12小时；继续250℃±5℃，保温10～12小时。
9.如权利要求7所述的耐热铝硅合金铸件，其特征在于，采用金属型、金属-树脂砂复合型、金属-陶瓷壳复合型或者反重力浇注方法铸造得到。
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