CN115491561A - 一种用于柴油机缸盖的高韧高导三组元合金及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于柴油机缸盖的高韧高导三组元合金及制备方法，高韧高导三组元合金，以原子数百分比含量计，包括：Fe:30％～50％、Ni:35.7％～50％、Al:14.3％～20％；高韧高导三组元合金的制备方法：将纯度≥99.99％的工业纯铁毫米级锭子、纯铝毫米级锭子、纯镍毫米级锭子放入真空电弧熔炼炉模具内反复熔炼10次；本发明经过真空电弧熔炼所得的合金主要有三种组织构成，分别是具有良好导热性能的具有B2结构的NiAl金属相化合物相和具有良好强韧性的具有奥氏体结构的FeNi基固溶体相；同时，组织中还有少量的晶粒尺寸为纳米尺度的FeAl金属间化合物相存在；该种三元复相结构可在获得良好导热性能的基础上显著实现合金的高拉伸强度和塑性。

Description

一种用于柴油机缸盖的高韧高导三组元合金及制备方法

技术领域

本发明属于柴油机缸盖周边零件材料领域，尤其涉及一种用于柴油机缸盖的高韧高导三组元合金及制备方法。

背景技术

多主元合金通常包含中熵合金和高熵合金。相比于钢铁、铝合金、铜合金等应用广泛的传统低熵合金材料，中熵合金和高熵合金由于主体组元数量较多而表现出显著的晶格畸变效应，这进一步导致其具有优异的强韧性。所以，在单纯作为结构材料方面，中熵合金和高熵合金具有极高的应用潜力和价值。然而，这种多主元合金所具有的显著的晶格畸变效应会对电子传输途中产生强烈的散射效果，导致其导热性能很差。因而，中熵或者高熵合金很难作为一种兼具优良强韧性和导热性能的合金被使用在诸如高性能发动机缸盖等结构功能一体化的机械零部件上面。

现役柴油机缸盖多用合金灰铸铁或蠕墨铸铁制造，室温条件下主要性能指标如表1所示。

表1现有车辆柴油机缸盖主要性能对比

对比发现，几种现役发动机铸铁缸盖通常具有良好的导热性能，但是它们的抗拉强度和延伸率普遍较低，较低的拉伸力学性能限制了以上几种铸铁合金材料在新一代高性能发动机缸盖结构上的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于柴油机缸盖的高韧高导三组元合金及制备方法，以解决现有柴油机缸盖材料的抗拉强度和延伸率普遍较低的问题。

本发明采用以下技术方案：一种用于柴油机缸盖的高韧高导三组元合金，以原子数百分比含量计，包括：Fe:30％～50％、Ni:35.7％～50％、Al:14.3％～20％。

进一步地，以原子数百分含量计，包括Fe:40％、Ni:42.9％、Al:17.1％。

进一步地，高韧高导三组元合金的组织结构为奥氏体以及具有B2结构的NiAl和FeAl相，且密度为：7.18～7.78g/cm³，抗拉强度为：565～1279MPa，延伸率为：10.8～57.9％，导热率为：10.29～31.78W/(m·K)。

一种用于柴油机缸盖的高韧高导三组元合金的制备方法，将纯度≥99.99％的工业纯铁毫米级锭子、纯铝毫米级锭子、纯镍毫米级锭子放入真空电弧熔炼炉模具内反复熔炼10次，

熔炼条件为：

真空度≤5.0×10^-3Pa，

电流先由80A增加至450A，电流增加速率为每5分钟50A，并在电流强度为50A时保持5分钟，继而由450A降低到80A，电流降低速率为20A/min，最后断电冷却即可。

本发明的有益效果是：本发明经过真空电弧熔炼所得的合金主要有三种组织构成，分别是具有良好导热性能的具有B2结构的NiAl金属相化合物相和具有良好强韧性的具有奥氏体结构的FeNi基固溶体相；同时，组织中还有少量的晶粒尺寸为纳米尺度的FeAl金属间化合物相存在；该种三元复相结构可在获得良好导热性能的基础上显著实现合金的高拉伸强度和塑性。

附图说明

图1a为实施例1-5制备得到的铸态合金的XRD图谱；

图1b为实施例1-5制备得到的合金退火后的XRD图谱；

图2a为实施例1-5制备得到的铸态合金的拉伸应力-应变曲线；

图2b为实施例1-5制备得到的合金退火后的拉伸应力-应变曲线；

图3a为实施例3制备得到的铸态合金在50倍光学显微镜下的组织形貌；

图3b为实施例3制备得到的铸态合金在200倍光学显微镜下的组织形貌；

图3c为实施例3制备得到的铸态合金在500倍光学显微镜下的组织形貌；

图3d为实施例3制备得到的铸态合金在扫描电镜(SEM)下的组织形貌；

图3a’为实施例3制备得到的退火后合金在50倍光学显微镜下的组织形貌；

图3b’为实施例3制备得到的退火后合金在200倍光学显微镜下的组织形貌；

图3c’为实施例3制备得到的退火后合金在500倍光学显微镜下的组织形貌；

图3d’为实施例3制备得到的退火后合金在扫描电镜(SEM)下的组织形貌。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明公开了一种用于柴油机缸盖的高韧高导三组元合金，以原子数百分比含量计，包括：Fe:30％～50％、Ni:35.7％～50％、Al:14.3％～20％。

进一步地，以原子数百分含量计，包括Fe:40％、Ni:42.9％、Al:17.1％。

进一步地，高韧高导三组元合金的组织结构为奥氏体以及具有B2结构的NiAl和FeAl相，且密度为：7.18～7.78g/cm³，抗拉强度为：565～1279MPa，延伸率为：10.8～57.9％，导热率为：10.29～31.78W/(m·K)。

本发明还公开了一种用于柴油机缸盖的高韧高导三组元合金的制备方法，将纯度≥99.99％的工业纯铁毫米级锭子、纯铝毫米级锭子、纯镍毫米级锭子放入真空电弧熔炼炉模具内反复熔炼10次，

熔炼条件为：

真空度达到≤5.0×10^-3Pa，

电流先由80A增加至450A，电流增加速率为每5分钟50A，并在电流强度为50A时保持5分钟，继而由450A降低到80A，电流降低速率为20A/min，最后断电冷却即可。

实施例1

在熔炼前需洗炉，即先抽真空再充氩气再抽真空，反复操作三次，将设备中管道末端的空气排完且保证炉内真空度5.0×10⁰Pa。

本实施例制备Ni₅₀Al₂₀Fe₃₀，即简称Fe₃₀，制备方法为：分别称取纯度≥99.99％的工业纯铁毫米级锭子32.5g、纯铝毫米级锭子10.5g、纯镍毫米级锭子57g，均放入真空电弧熔炼炉模具内反复熔炼10次，先抽真空再充氩气，保证炉内真空度≤5.0×10^-3Pa。

每次在熔炼过程中，电流先由80A增加至450A，电流增加速率为每5分钟50A，并在电流强度为50A时保持5分钟，继而由450A降低到80A，电流降低速率为20A/min，最后断电冷却即可。

真空电弧熔炼过程中，铸锭需要反复熔炼不低于10次，以便元素成分的均匀化和锭子组织的均匀化，熔炼完成后，真空电弧熔炼炉电流由450A缓慢降低到80A，最后断电冷却，以保证熔炼合金具有充足的冶金反应时间来获得最终的组织结构，即FeNi基固溶体、NiAl金属间化合物、少量的FeAl金属间化合物。

实施例2

本实施例与实施例1操作步骤相同，不同的是：

本实施例制备Ni_46.4Al_18.6Fe₃₅，即简称Fe₃₅，制备方法为：分别称取纯度≥99.99％的工业纯铁毫米级锭子37.8g、纯铝毫米级锭子9.9g、纯镍毫米级锭子52.3g。

实施例3

本实施例与实施例1操作步骤相同，不同的是：

本实施例制备Ni_42.9Al_17.1Fe₄₀，即简称Fe₄₀，制备方法为：分别称取纯度≥99.99％的工业纯铁毫米级锭子42.8g、纯铝毫米级锭子8.8g、纯镍毫米级锭子48.4g。

实施例4

本实施例与实施例1操作步骤相同，不同的是：

本实施例制备Ni_39.3Al_15.7Fe₄₅，即简称Fe₄₅，制备方法为：分别称取纯度≥99.99％的工业纯铁毫米级锭子48.0g、纯铝毫米级锭子8.3g、纯镍毫米级锭子43.7g。

实施例5

本实施例与实施例1操作步骤相同，不同的是：

本实施例制备Ni_35.7Al_14.3Fe₅₀，即简称Fe₅₀，制备方法为：分别称取纯度≥99.99％的工业纯铁毫米级锭子52.9g、纯铝毫米级锭子7.1g、纯镍毫米级锭子40.0g。

对实施例1-5制备得到的三组元合金的在700℃气氛下进行退火处理，升温速率为10℃/min，700℃保温1h，然后停止加热随炉冷却到室温。采用电子万能拉伸试验机(D2-0200-1)，对尺寸为10×2.7×2.5mm³的扁平狗骨样进行室温拉伸试验，拉伸速率为1mm/min。每种合金至少测试了两个拉伸试样，以保证拉伸性能的可靠性。采用Cu Kα射线x射线衍射仪(XRD)、金相显微镜、扫描电镜对合金的相组成和微观结构进行了表征。结果如表2和图1-3所示。

表2实施例1-5制备得到的三组元合金的主要性能对比

由表2可知，实施例1-5制备得到的三组元合金密度为：7.18～7.78g/cm³，导热率为：10.29～31.78W/(m·K)。与现有技术的表1对比，本申请制备得到的合金密度与现役柴油机缸盖用铸铁合金的密度接近，导热性能接近，同时具有显著更高的抗拉强度和延伸率。因此，本申请解决了传统中熵合金导热性能不足亦或是传统发动机铸铁缸盖拉伸强度和延伸率不足的性能特点，该合金有望应用于柴油机缸盖结构上。

如图1所示，实施例1-5制备得到的合金的组织结构为奥氏体以及具有B2结构的NiAl和FeAl相。如图1a和1b所示，Ni_42.9Al_17.1Fe₄₀中熵合金，即Fe40在铸态(图1a)和退火处理(图1b)后，52°(200)晶面奥氏体衍射峰强度极高，这表明该合金内出现大量奥氏体γ相，而奥氏体γ相可以提高合金的塑性。

如图2所示，Ni_42.9Al_17.1Fe₄₀中熵合金，即Fe40在铸态(图2a)和退火处理(图2b)后，其延伸率很高。由此可以看出，该种合金的塑性很好。这也可以由图1的XRD物相分析得到证明。Ni_42.9Al_17.1Fe₄₀中熵合金铸态的抗拉强度为565Mpa,延伸率为57.9％；退火后的抗拉强度为779Mpa，延伸率为43.6％。

如图3所示，Ni_42.9Al_17.1Fe₄₀中熵合金，即Fe40在铸态(图3a、3b、3c、3d)和退火处理(图3a’、3b’、3c’、3d’)后的显微组织奥氏体γ相和B2相，其中白色片状组织为奥氏体γ相，灰色网状组织为B2相。此外，经过退火处理后的Ni_42.9Al_17.1Fe₄₀中熵合金(即Fe40)奥氏体γ相减少，塑性下降，抗拉强度提高。

实施例1-5制备得到的三组元合金抗拉强度为：565～1279MPa，延伸率为：10.8～57.9％。与大多数中熵、高熵合金相比，本申请的合金不仅具有优良的拉伸强度和塑性，还具有优异的导热性能，基于应用角度，其拉伸力学性能显著优于传统的铸铁合金。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于柴油机缸盖的高韧高导三组元合金，其特征在于，以原子数百分比含量计，包括：Fe:30％～50％、Ni:35.7％～50％、Al:14.3％～20％。

2.根据权利要求1所述的一种用于柴油机缸盖的高韧高导三组元合金，其特征在于，以原子数百分含量计，包括Fe:40％、Ni:42.9％、Al:17.1％。

3.根据权利要求2所述的一种用于柴油机缸盖的高韧高导三组元合金，其特征在于，所述高韧高导三组元合金的组织结构为奥氏体以及具有B2结构的NiAl和FeAl相，且密度为：7.18～7.78g/cm³，抗拉强度为：565～1279MPa，延伸率为：10.8～57.9％，导热率为：10.29～31.78W/(m·K)。

4.一种用于柴油机缸盖的高韧高导三组元合金的制备方法，其特征在于，将纯度≥99.99％的工业纯铁毫米级锭子、纯铝毫米级锭子、纯镍毫米级锭子放入真空电弧熔炼炉模具内反复熔炼10次，

所述熔炼条件为：

真空度≤5.0×10^-3Pa，

电流先由80A增加至450A，电流增加速率为每5分钟50A，并在电流强度为50A时保持5分钟，继而由450A降低到80A，电流降低速率为20A/min，最后断电冷却即可。

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