一種耐熱鑄造鋁合金及其擠壓鑄造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種鑄造鋁合金及其制備方法，具體是耐熱鑄造鋁合金及其擠壓鑄造制備方法，屬于金屬材料類及冶金領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著全球石油資源的短缺，各國出臺了日益嚴(yán)格的汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)出重量輕、油耗少、環(huán)保型的新型汽車是汽車工業(yè)中日益嚴(yán)峻的話題。為了減少能耗、降低大氣污染、提高發(fā)動機(jī)的效率，提高燃燒溫度已經(jīng)成為發(fā)動機(jī)的重要發(fā)展趨勢，相應(yīng)的對發(fā)動機(jī)配件的高溫強(qiáng)度提出了更高的要求。活塞被稱為發(fā)動機(jī)的心臟，它是發(fā)動機(jī)中最重要的零件之一，其功用是承受氣體壓力，并通過活塞銷傳給連桿驅(qū)使曲軸旋轉(zhuǎn)。在發(fā)動機(jī)工作時，活塞直接與瞬時溫度2200°C的高溫氣體接觸，其頂部溫度達(dá)300-400°C，且還承受著很大的氣體壓力，汽油機(jī)達(dá)4-5MPa，柴油機(jī)高達(dá)8-9MPa，甚至更高。因此活塞承受著高溫、高壓的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷。隨著發(fā)動機(jī)功率的不斷提高，對活塞鋁合金的力學(xué)性能、耐熱性及耐磨性等性能提出了更高的要求。
[0003]由于活塞主要在高溫下使用，而主要提高合金室溫強(qiáng)度的Mg2S1、Al2Cu等時效析出相在高溫下粗化，難以再對晶界起到有效的釘軋作用。而稀土的化學(xué)活性介于堿金屬和堿土金屬之間，比其他金屬活潑。稀土在鋁合金鑄造過程中起到細(xì)化初晶硅和共晶硅、微合金化及凈化熔體等作用。鋁合金中大多數(shù)含鐵相的結(jié)晶組織都十分粗大，直接影響合金的機(jī)械性能，降低合金的流動性，增加組織不均勻性，添加稀土，可以改變鐵相的存在形態(tài)，提高鋁合金的鑄造性能。稀土與鋁合金中的多種元素形成許多含稀土的金屬間化合物，這些呈彌散分布的高熔點化合物具有很好的耐熱性與熱穩(wěn)定性，呈網(wǎng)狀分布于晶界或枝晶間，細(xì)化了組織，有效地阻礙了基體變形和晶界移動并對位錯移動起到很好的釘扎作用，從而明顯提尚合金的尚溫性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種高溫性能優(yōu)良、鑄造性能良好、工藝穩(wěn)定性好且經(jīng)濟(jì)成本低的耐熱鑄造鋁合金及其擠壓鑄造制備方法，尤其適用于車用發(fā)動機(jī)的活塞中。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:
[0006]一方面，本發(fā)明提供了一種耐熱鑄造鋁合金，其由按重量百分?jǐn)?shù)計的如下元素組成:Si9.0 ?14.0%，Cu2.0 ?5.5%, Nil.0 ?3.5%, Mg0.6 ?1.5%，T1.05 ?0.2%,RE0.01?1.5%, Mn0.05?0.25%, Fe0.6?1.3%，余量為Al和不可避免的雜質(zhì)。
[0007]作為優(yōu)選方案，所述RE為Gd、Y、Nd、Sm、Er、Yb、La中的至少一種。
[0008]另一方面，本發(fā)明還提供了一種如所述的耐熱鑄造鋁合金的鑄造方法，其包括如下步驟:
[0009]a、熔煉合金，得到鋁合金熔體；
[0010]b、對所述鋁合金熔體進(jìn)行擠壓鑄造，得到鋁合金鑄件；
[0011]C、將所述鋁合金鑄件依次進(jìn)行固溶處理、冷卻處理和時效處理后，得到耐熱鑄造鋁合金。
[0012]作為優(yōu)選方案，步驟a具體包括如下操作:
[0013]將工業(yè)純鋁、工業(yè)純鎂、Al-Si中間合金、Al-Cu中間合金、Al-Ni中間合金、Al-Mn中間合金、稀土中間合金和Al-T1-B中間合金分別在200?250°C下進(jìn)行預(yù)熱；
[0014]將所述工業(yè)純鋁進(jìn)行熔化，待工業(yè)純鋁熔化30?80%時加入Al-Si中間合金，待工業(yè)純鋁以及Al-Si中間合金全部熔化后攪勻，在720?740X^PAAl-Cu中間合金、Al-Ni中間合金、Al-Mn中間合金及稀土中間合金，保溫后攪勻，升溫至710?730°C后加入Al-T1-B中間合金，攪拌靜置后，在700?720°C加入工業(yè)純鎂，待所述工業(yè)純鎂完全熔化后，在710?730°C時加入精煉劑進(jìn)行精煉，精煉后靜置20?40分鐘，在680?700°C撇去表面浮渣，獲得鋁合金熔體。
[0015]作為優(yōu)選方案，所述精煉劑是常規(guī)的含鈉鹽、鉀鹽、氟鹽等無機(jī)鹽的鋁合金精煉劑或六氯乙烷，所述無機(jī)鹽包括鈉鹽、鉀鹽、氟鹽等。
[0016]作為優(yōu)選方案，步驟b具體包括如下操作:
[0017]將所述鋁合金熔體在680?700°C下澆注到預(yù)熱至200?300°C的金屬型模具中，以10?120MPa，保壓0.5?5分鐘。
[0018]作為優(yōu)選方案，步驟c中所述的固溶處理的溫度490?540°C，時間為4?18小時。
[0019]作為優(yōu)選方案，步驟c中所述的冷卻處理是指按照常規(guī)的爐冷、空冷或水淬方式進(jìn)行冷卻。
[0020]作為優(yōu)選方案，步驟c中所述的時效處理的溫度170?250°C，時間為10?40小時。在Al-Si合金中，Si量一般在4%?20%之間，而銷娃合金在共晶成分附近(9%?14% )的流動性、熱裂性等鑄造性能最好。
[0021]在Al-Si合金中加入Cu、Mg等元素，可以形成室溫強(qiáng)化相Al2Cu、Mg2Si和高溫強(qiáng)化相Al5Cu2Mg8Si6，通常Al-S1-Cu-Mg合金中Cu的加入量在5.0wt.%以下，Mg加入量為Iwt.%時，合金的力學(xué)性能最好。Ni加入到Al-S1-Cu-Mg合金中可形成Al3N1、Al3CuNi和Al7Cu4Ni等耐熱強(qiáng)化相，這些復(fù)雜強(qiáng)化相不僅可以提高合金力學(xué)性能，還可以降低合金線膨脹系數(shù)。對于擠壓鑄造Al-Si系合金而言，F(xiàn)e含量須大于0.6wt.%以防止粘模及提高合金的高溫性能，但Fe含量過高時則會在基體中形成粗大的片狀和針狀相，使合金的強(qiáng)度和塑性降低，因此在合金中加入Mn降低Fe對合金的有害影響，且適量的Mn也能提高合金的耐熱性和致密性。擠壓鑄造又稱液態(tài)模鍛，由于高壓和塑性變形同時存在，因此擠壓鑄造制備的鑄件無縮孔、縮松等缺陷，組織細(xì)密，液態(tài)金屬或合金利用率高，工序簡單，工業(yè)應(yīng)用廣泛。
[0022]本發(fā)明合金主要利用稀土的合金化作用，由于RE是化學(xué)性質(zhì)較活潑的元素，其與銅、鎳、錳等元素形成高溫耐熱的金屬間化合物，在350°C時能穩(wěn)定存在。形成的耐熱相在活塞合金的晶界處起到很好的釘扎作用，阻礙了變形時位錯的移動，增強(qiáng)了合金高溫性能，使鑄件能承受更高的熱負(fù)荷。另外，鑄造鋁合金中加入RE，可以顯著降低合金的層錯能，抑制高溫下位錯的攀移及交滑移，使合金具有更好的高溫強(qiáng)度，合金的室溫抗拉強(qiáng)度ob> 420MPa，300°C 抗拉強(qiáng)度 σ 220MPa，350 °C 抗拉強(qiáng)度 σ 140MPa ;室溫延伸率δ 彡 2.5%，300°C延伸率 δ 彡 6.5%，350°C延伸率 δ 彡 14.5%。
[0023]本發(fā)明與現(xiàn)有的活塞材料相比具有以下優(yōu)點:
[0024]I)本方法制備的合金材料具有高溫性能優(yōu)良，硬度高，熱膨脹系數(shù)小等特點，符合高性能車用發(fā)動機(jī)活塞的要求，為鋁合金行業(yè)在新材料性能上的突破積累了經(jīng)驗。
[0025]2)適量的RE可大幅度提高已有高性能活塞合金的高溫強(qiáng)度。稀土與Al，Si，Cu，Ni，Mg等元素形成稀土化合物，大大提高了合金的室溫和高溫強(qiáng)度。使用稀土處理，細(xì)化了初晶硅和共晶硅，延伸率也得到提高。
[0026]3)稀土在金屬溶液中又起到凈化溶液、除氣除渣作用，減少了缺陷，進(jìn)一步提高合金的性能。
[0027]4)工藝上不需要復(fù)雜的操作和設(shè)備，鑄件具有優(yōu)良的鑄造性能，操作性強(qiáng)，便于推廣生產(chǎn)。
【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0029]本發(fā)明中所選用的各種中間合金均為市售產(chǎn)品。
[0030]實施例1
[0031]本實施例所述的耐熱鑄造鋁合金的合金成分(重量百分比):11.69% S1、3.96%Cu,2.0% Ni,0.76% Mg,0.18% Mn,0.1% TiU.5% Gd,0.6% Fe，其他不可避免的雜質(zhì)小于
0.2%，其余為Al。
[0032]該合金的熔煉工藝具體步驟為:(I)將熔煉原料在烘箱中預(yù)熱至200°C，保溫2小時以上，將扒渣工具、鐘罩等表面清洗除銹涂上涂料，該涂料采用25%滑石粉和5%水玻璃加入適量的水調(diào)和而成，再置于爐表面烘烤，烘烤溫度為200°C，烘烤I小時后清理，以防止合金在熔煉過程中的增鐵；(2)預(yù)熱坩禍至400°C，在坩禍底部加入工業(yè)純鋁，純鋁在680?700°C即開始熔化，待純鋁熔化1/2時加入Al-35Si中間合金，全部熔化后用石墨棒攪拌使其混合均勻；(3)降溫至730°C加入A1-50CU中間合金、Al-1ONi中間合金、Al-1OMn中間合金、Mg-90Gd中間合金，攪拌使其完全熔化；(4)降溫至710°C加入Al-T1-B中間合金，攪拌，靜置3?5分鐘；(6)在700°C時用鐘罩將鋁箔包裹的純鎂壓入鋁合金液中，攪拌使其充分熔化；(7)升溫至720°C時進(jìn)行精煉，精煉時用鐘罩將鋁箔包裹的三合一精煉劑壓入鋁液中水平迂回運動，約1min精煉完畢后測氫的含量，并進(jìn)行爐前檢查；(8)在680°C的澆注溫度下靜置20min，撇去表面浮渣，獲得鋁合金熔體，澆注準(zhǔn)備；(9)擠壓鑄造:保持鋁合金熔體溫度為680°C，模具溫度為200°C，擠壓壓力為lOMPa，保壓時間5分鐘。
[0033]將制得的鑄造鋁合金進(jìn)行530°C、10小時的固溶處理、沸水冷卻以及250°C、12小時的時效處理，最后獲得耐熱鑄造鋁合金。
[0034]本實例中鑄造的耐熱鋁合金室溫抗拉強(qiáng)度為432Mpa，延伸率2.5% ;300°C抗拉強(qiáng)度為240MPa