一種耐熱鑄造鋁合金及其重力鑄造方法
【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重力 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(guó)出臺(tái)了日益嚴(yán)格的汽車(chē)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(chē)是汽車(chē)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(dòng)機(jī)的效率，提高燃燒溫度已經(jīng)成為發(fā)動(dòng)機(jī)的重要發(fā)展趨勢(shì)，相應(yīng)的對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī) 配件的高溫強(qiáng)度提出了更高的要求?；钊环Q為發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟，它是發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的零 件之一，其功用是承受氣體壓力，并通過(guò)活塞銷(xiāo)傳給連桿驅(qū)使曲軸旋轉(zhuǎn)。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)， 活塞直接與瞬時(shí)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(dòng)機(jī)功率的不斷提高，對(duì)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Mg2Si、A12Cu等時(shí)效析 出相在高溫下粗化，難以再對(duì)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(guò)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(dòng)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(diǎn)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(dòng)并對(duì)位錯(cuò)移動(dòng)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重力鑄造制備方法，尤其適用于車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞中。
[0005] 本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)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(jì)的如下元素組 成：Si9. 0 ?13. 0%，Cu2. 0 ?5. 5%，Nil. 0 ?3. 5%，MgO. 6 ?1. 5%，TiO. 05 ?0· 2%， RE0. 01?1. 0%，MnO. 05?0. 25%，余量為Al和不可避免的雜質(zhì)，其中，F(xiàn)e彡0. 4%。
[0007] 作為優(yōu)選方案，所述1?為6(1、￥、制、511131'、￥13、1^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重力鑄造方法，其包 括如下步驟：
[0009] a、熔煉合金，獲得鋁合金熔體；
[0010] b、對(duì)所述鋁合金熔體進(jìn)行重力鑄造，獲得鋁合金鑄件；
[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(shí)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-Ti-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)純鋁熔化一半時(shí)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?740°C加入Al-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，在710?730°C后加入Al-Ti-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(shí)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(wú)機(jī)鹽的鋁合金精煉劑 或六氯乙燒。
[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的模具中，自然冷 卻。
[0018] 作為優(yōu)選方案，步驟c中所述的固溶處理的溫度為490?540°C，時(shí)間為4?18小 時(shí)。
[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(shí)效處理的溫度為170?250°C，時(shí)間為10?40 小時(shí)。
[0021] 在Al-Si合金中，Si量一般在4%?20%之間，而鋁硅合金在共晶成分附近 (9%?14%)的流動(dòng)性、熱裂性等鑄造性能最好。在Al-Si合金中加入Cu、Mg等元素，可以 形成室溫強(qiáng)化相Al 2CiuMg2Si和高溫強(qiáng)化相Al5Cu2Mg8Si 6，通常Al-Si-Cu-Mg合金中Cu的加 入量在5. Owt. %以下，Mg加入量為Iwt. %時(shí)，合金的力學(xué)性能最好。Ni加入到Al-Si-Cu-Mg 合金中可形成Al3Ni、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(duì)于重力鑄造 Al-Si系合金而言，F(xiàn)e作為雜質(zhì)元素 會(huì)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(duì)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。重力鑄造在生產(chǎn) 過(guò)程中，不需要龐大的加工設(shè)備，可以澆注成形狀復(fù)雜的零件，節(jié)約金屬、降低成本以及減 少工時(shí)等，因此獲得了廣泛的應(yīng)用。
[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(shí)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(shí)位錯(cuò)的移動(dòng)，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(cuò) 能，抑制高溫下位錯(cuò)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 〇 b> 380MPa，300°C抗拉強(qiáng)度 σ b> 200MPa，350°C抗拉強(qiáng)度 σ 120MPa;室溫延伸率 δ 彡 1.5%，300°C延伸率 δ 彡 5.0%，350°C延伸率 δ 彡 13.0%。
[0023] 本發(fā)明與現(xiàn)有的活塞材料相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0024] 1)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(diǎn)，符合 高性能車(chē)用發(fā)動(dòng)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(yàn)。
[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)。
【附圖說(shuō)明】
[0028] 通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：
[0029] 圖1為實(shí)施例1制備的合金鑄態(tài)金相組織圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)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(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員來(lái)說(shuō)，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。
[0031] 本發(fā)明中所用的各種中間合金均為市售產(chǎn)品。
[0032] 實(shí)施例1 :
[0033] 耐熱鑄造鋁合金的合金成分（重量百分比）：11.69% Si、3. 96% Cu、2.0% Ni、 0· 76% Mg、0. 18% Μη、(λ 1% Ti、0. 2% Gd、0. 2% Fe，其他不可避免的雜質(zhì)小于(λ 2%，其余 為Α1〇
[0034] 該合金的熔煉工藝具體步驟為：（1)將熔煉原料在烘箱中預(yù)熱至200°C，保溫2小 時(shí)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1小時(shí)后清理，以防止 合金在熔煉過(guò)程中的增鐵；（2)預(yù)熱坩堝至400°C，在坩堝底部加入工業(yè)純鋁，純鋁在680? 700°C即開(kāi)始熔化，待純鋁熔化1/2時(shí)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-IONi中間合金、Al-IOMn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-Ti-B中間合金，攪拌， 靜置3?5分鐘；(6)在700°C時(shí)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(shí)進(jìn)行精煉，精煉時(shí)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(yùn)動(dòng)，約IOmin精煉完畢后測(cè)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)重力鑄造：保持鋁合金熔體 溫度為680°C，模具溫度為200°C。
[0035] 將制得的鑄造鋁合金進(jìn)行530°C、10小時(shí)的固溶處理、沸水冷卻以及250°C、12小 時(shí)的時(shí)效處理，最后獲得耐熱鑄造鋁合金。
[0036] 圖1為該實(shí)施例鑄造得到的耐熱鋁合金鑄態(tài)組織圖，從圖中可以看