CN116607025A - 铝合金、该铝合金的制备方法及其铝合金制备缸套的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了铝合金、该铝合金的制备方法及其铝合金制备缸套的方法，涉及铝硅合金材料技术领域。本发明铝合金制备缸套的方法包括如下步骤：配制合金熔融液、加入P+RE+Bi变质剂、喷射沉积快速凝固、反挤压处理、固溶时效处理、机械加工制成发动机缸套。本申请制备的铝合金材料，由于变质剂和快速凝固方式均会细化硅相，而Bi的加入会提高合金的耐磨性，Fe在合金中的掺杂量明显提高，显著地提高了合金在高温下的硬度和热稳定性，提高了合金的耐热性。
Description
技术领域
本发明涉及铝硅合金材料技术领域，具体涉及铝合金、该铝合金的制备方法及其铝合金制备缸套的方法。
背景技术
缸套是汽车发动机中的一个极为重要的部件，承担着高温高压和高速运动的冲击，材料的性能决定着发动机的可靠性和使用寿命，因此合金材料的耐热性要高、导热性要好、合金的热膨胀系数要低，并且要具有优异的力学性能和抗疲劳性。随着发动机功率密度的不断提高，缸套材料在高温下的抗疲劳性能也越来越高，对其热稳定性的要求也越来越严格，共晶铝硅合金已经很难达到目前的要求，而过共晶铝硅合金由于硬质初晶硅在软铝基体上的均匀分布，使其作为一种理想的轻质耐磨耐高温材料。
采用传统铸造的铝硅合金，合金基体中会有一些粗大的块状初晶硅，共晶硅也一般呈现出长针状，严重割裂基体，使其在高温下的使用性能较差，不能满足目前发动机缸套在高温下的使用要求，而随着使用寿命的增加其强度减弱的较为明显，严重影响了发动机的效率，因此提高发动机缸套材料的耐热、耐磨性对目前发动机效率的提高有着重要的作用。
发明内容
本发明的目的在于提供铝合金、该铝合金的制备方法及其铝合金制备缸套的方法，解决以下技术问题：
现有的共晶铝硅合金中存在粗大的块状初晶硅，共晶硅也一般呈现出长针状，严重割裂基体，高温下的使用性能较差，不能满足目前发动机缸套在高温下的使用要求。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
铝合金的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
S1：配制合金熔融液；
S2：合金熔融液中添加P+RE+Bi变质剂，搅拌条件下700℃-750℃保温0.5-1h，得到合金溶液；
S3：合金溶液喷射沉积凝固、热处理制得铝合金。
作为本发明的进一步方案：P+RE+Bi变质剂的制备方法包括如下步骤：首先制备出Al-P中间合金，在向Al-P中间合金中加入RE和Bi；其中，P占变质剂总质量的0.5-1%，RE占变质剂总质量的0.3-0.5%，Bi占变质剂总质量的1-1.5%。
作为本发明的进一步方案：所述P+RE+Bi变质剂添加质量为合金熔融液总量的1-1.5%。
作为本发明的进一步方案：所述配制合金熔融液的方法包括如下步骤：
S11：将铝放在石墨坩埚中加热至660℃-700℃，加入硅，升温至800℃-850℃，保温1-3h；
S12：继续向S11中得到的溶液中加入铁和铜，保温0.5-1h；
S13：温度调至700-750℃，加入镁，保温0.5-1h，得到合金混合液；
S14：合金混合液中加入六氯乙烷除气、扒渣，得到合金熔融液。
作为本发明的进一步方案：所述六氯乙烷添加质量占合金混合液总质量的0.5-0.8%。
作为本发明的进一步方案：喷射沉积凝固的具体步骤为：
S31：合金溶液通过喷射沉积快速凝固得到合金坯锭；
S32：合金坯锭放入到马弗炉中，温度420℃-470℃、保温1.5-3h，得到铝合金。
作为本发明的进一步方案：S31中喷射沉积参数为雾化气体N2、雾化压力0.5-1MPa、沉积距离500-550mm、雾化温度850℃-900℃。
作为本发明的进一步方案：S31中马弗炉的升温速率为10℃/min。
作为本发明的进一步方案：S31中喷射沉积凝固过程中，冷却速度达到102-106℃/s。
作为本发明的进一步方案：所述合金熔融液中包括如下质量百分比的原料：20-21% Si、4-6% Fe、1-2% Cu、1-2% Mg、余量为Al。
铝合金,由上述任意一项制备方法制成。
作为本发明的进一步方案：铝合金在25-500℃下，硬度为100-125HV；在300-500℃，应变速率0.01s-1下热压缩得到的稳态流变应力为50-150MPa；-50-300℃条件下的热膨胀系数为19-20×106/K；合金中的硅相主要有类球形的初晶硅和少量短棒状的共晶硅组成，其中初晶硅的平均尺寸达到5-10μm。
铝合金制备缸套的方法，缸套由上述铝合金为原料制成，方法包括如下步骤：
A1：对铝合金反挤压处理制成筒状半成品；
A2：将筒状半成品通过固溶、时效处理，机械加工制成发动机缸套。
作为本发明的进一步方案：A1中铝合金加工成圆柱，后将样品预先加热到挤压温度，然后放在反挤压模具中施加挤压力将样品从设定大小的凸模周围挤出，凸模口的大小按照挤压比为9:1设计。
作为本发明的进一步方案：A1中挤压参数为挤压温度470℃；挤压速率0.01s-1；挤压比为9:1；挤压力100t。
作为本发明的进一步方案：A2中固溶、时效处理具体步骤为：将筒状半成品置于马弗炉中，固溶温度450-480℃，保温1.5-3h、水淬；时效温度150-180℃，保温6-48h、水淬。
本发明的有益效果：
（1）本申请在制备铝合金的过程中采用P+RE+Bi变质处理+喷射沉积快速凝固的工艺，能提高Fe元素在合金中的含量，制备得到的铝合金具有强度高、耐热性强、热膨胀系数小、耐磨性好而在高温下有较高的稳态流变应力以及高温下抵抗变形的能力强的优点。相比于传统的铸造工艺，本发明采用对合金熔液预先加入P+RE+Bi变质剂，能够细化初晶硅和共晶硅，共晶硅呈现短杆或近似蠕球状，且基本弥散分布在铝基体上，而加入Bi能够提高合金的耐磨性。
本申请采用喷射沉积快速凝固技术，在高的冷却速度下，铝硅合金中的初晶硅和细小的共晶硅来不及长大就被凝固成固态合金，形成的合金组织中的初晶硅和少量的共晶硅要比用传统方式制造的合金更加的细小，也更加的均匀。初晶硅以类球形态分布在铝基体上，共晶硅以短棒状态，减小长针状的共晶硅的数量，削弱了其对基体的割裂作用，提高了合金的强度和硬度，增强其在高温下的抵抗变形的能力，在400℃的高温下，其硬度仍能保持在110HV左右，稳态流变应力保持在80MPa左右。用此工艺能够提高合金中Fe的掺杂量，实际得到的Fe元素的平均含量在5.20%左右，高于采用传统方式得到合金（2.66%），因此合金的耐热性更高，在实际应高温应用下的热稳定性更好。Fe能够形成在高温下稳定、高硬度以及低膨胀性的金属间化合物，从而提高合金的强度和耐热性，满足目前对发动机缸套的使用要求。
（2）本申请通过变质处理和喷射沉积快速凝固方式得到铝合金，再将得到的铝合金用反挤压制备成圆筒状的发动机缸套材料，不但能够提高成品的强度，并且能减小其热膨胀系数，提高缸套的的耐热、耐磨性。采用反挤压制备出的筒状过共晶铝硅合金可以更为简便的机械加工成发动机缸套，不同合金的致密度极高性能优异，而且能够极大地提高了生产效率，降低生产成本。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明制备缸套的工艺流程图；
图2是本发明实施例2、对比例1制备的铝合金在不同温度下的硬度和稳态流变应力折线图；
图3是金相图，其中图3（a）表示对比例1制备的合金坯锭的金相图。图3（b）表示本发明实施例1制备的合金坯锭的金相图；
图4表示的是采用本发明实施例1制备的的的合金坯锭的SEM图像。
实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
请参阅图1，铝合金的制备方法，制备方法包括如下步骤：
S1：将铝放在石墨坩埚中加热到700℃，待铝液呈现半熔融状态时，加入干燥后的硅，升温至800℃，保温1.5h；继续向A1中得到的溶液中加入铁和铜并继续保温0.5h；温度调至720℃，加入镁并保温0.5h，得到合金混合液；
S2：加入占合金混合液质量0.5%的六氯乙烷精炼剂除气、扒渣，得到合金熔融液；
S3：合金熔融液中添加P+RE+Bi变质剂，搅拌条件下保温0.5h，得到合金溶液，所述合金熔融液：P+RE+Bi变质剂的质量比为100:1.5；
S4：合金溶液通过喷射沉积快速凝固得到合金坯锭；喷射沉积参数为雾化气体N2、雾化压力0.8MPa、沉积距离500mm、雾化温度850℃，冷却速度达到102-106℃/s；
S4：合金坯锭放入到马弗炉中，升温速率为10℃/min，温度420℃-470℃、保温1.5-3h，得到铝合金。
实施例
请参阅图1，铝合金制备缸套的方法，方法包括如下步骤：
A1：对实施例1制备的铝合金加工成圆柱，后将样品预先加热到470℃，然后放在反挤压模具中施加挤压力100t，将样品从设定大小的凸模周围挤出，挤压速率0.01s-1，凸模口的大小按照挤压比为9:1设计；
A2：将筒状半成品置于马弗炉中，固溶温度450-480℃，保温1.5-3h、水淬；时效温度150-180℃，保温6-48h、水淬；机械加工制成发动机缸套。
对比例1
铝合金制备缸套的方法，方法包括如下步骤：
B1:将铝和硅放在石墨坩埚中加热到750℃，待铝液呈现半熔融状态时，将温度提高到800℃，保温1.5h；
B2:向熔液中加入铁和铜并保温1h；
B3:将熔液温度调到700℃加入镁，并保温0.5h；
B4:向熔液中加入占溶液质量0.5%的六氯乙烷精炼剂除气并多次扒渣；
B5:将精炼后熔融的金属液直接浇铸到预先准备的模具中，制成金属坯锭；
B6:机械加工成目标产品。
性能检测
（1）将实施例1制备的铝合金选择四处进行检测，得到其金属质量百分含量数据，并求其平均值，作为铝合金材料中金属含量，数据见表1。
表1：
（2）请参阅图2，为本发明实施例1制备的铝合金、对比例1制备的金属坯锭在不同温度下的硬度和稳态流变应力折线图，其中图2表示的是硬度变化图、稳态流变应力变化图；
（3）请参阅图3，其中图3（a）表示对比例1制备的金属坯锭的金相图。图3（b）表示本发明实施例1制备的铝合金的金相图；
（4）请参阅图4，为采用本发明实施例1制备的的铝合金的SEM图像。
由图2-4可知，本申请采用快速凝固工艺使硅相在材料中分布的更加均匀，且尺寸更加的细小，初晶硅以类球形态分布在铝基体上，共晶硅以短棒状态，减小长针状的共晶硅的数量，提高了合金的强度和硬度，增强其在高温下的抵抗变形的能力，在400℃的高温下，其硬度仍能保持在110HV左右，稳态流变应力保持在80MPa左右。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (10)
1.铝合金的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
S1：配制合金熔融液；
S2：合金熔融液中添加P+RE+Bi变质剂，搅拌条件下700℃-750℃保温0.5-1h，得到合金溶液；
S3：合金溶液喷射沉积凝固、热处理制得铝合金。
2.根据权利要求1所述的铝合金的制备方法，其特征在于，所述P+RE+Bi变质剂添加质量为合金熔融液总量的1-1.5％。
3.根据权利要求1所述的铝合金的制备方法,其特征在于，所述配制合金熔融液的方法包括如下步骤：
S11：将铝放在石墨坩埚中加热至660℃-700℃，加入硅，升温至800℃-850℃，保温1-3h；
S12：继续向S11中得到的溶液中加入铁和铜，保温0.5-1h；
S13：温度调至700-750℃，加入镁，保温0.5-1h，得到合金混合液；
S14：合金混合液中加入六氯乙烷除气、扒渣，得到合金熔融液。
4.根据权利要求3所述的铝合金的制备方法，其特征在于，所述六氯乙烷添加质量占合金混合液总质量的0.5-0.8％。
5.根据权利要求1所述的铝合金的制备方法，其特征在于，喷射沉积凝固的具体步骤为：
S31：合金溶液通过喷射沉积快速凝固得到合金坯锭；
S32：合金坯锭放入到马弗炉中，温度420℃-470℃、保温1.5-3h，得到铝合金。
6.根据权利要求5所述的铝合金的制备方法，其特征在于，S31中喷射沉积参数为雾化气体N2、雾化压力0.5-1MPa、沉积距离500-550mm、雾化温度850℃-900℃。
7.根据权利要求1所述的铝合金的制备方法，其特征在于，所述合金熔融液中包括如下质量百分比的原料：20-21％Si、4-6％Fe、1-2％Cu、1-2％Mg、余量为Al。
8.铝合金,其特征在于，由权利要求1-7中任意一项所述的制备方法制成。
9.铝合金制备缸套的方法，其特征在于，所述缸套由权利要求8的铝合金制成，所述方法包括如下步骤：
A1：对铝合金反挤压处理制成筒状半成品；
A2：将筒状半成品通过固溶、时效处理，机械加工制成发动机缸套。
10.根据权利要求9所述的铝合金制备缸套的方法，其特征在于，A2中固溶、时效处理具体步骤为：将筒状半成品置于马弗炉中，固溶温度450-480℃，保温1.5-3h、水淬；时效温度150-180℃，保温6-48h、水淬。
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