一種耐熱鑄造鋁合金及其重力鑄造方法
【技術領域】
[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域。
【背景技術】
[0002] 隨著全球石油資源的短缺，各國出臺了日益嚴格的汽車尾氣排放標準，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)中日益嚴峻的話題。為了減少能耗、降低大氣 污染、提高發(fā)動機的效率，提高燃燒溫度已經(jīng)成為發(fā)動機的重要發(fā)展趨勢，相應的對發(fā)動機 配件的高溫強度提出了更高的要求。活塞被稱為發(fā)動機的心臟，它是發(fā)動機中最重要的零 件之一，其功用是承受氣體壓力，并通過活塞銷傳給連桿驅使曲軸旋轉。在發(fā)動機工作時， 活塞直接與瞬時溫度2200°C的高溫氣體接觸，其頂部溫度達300-400°C，且還承受著很大 的氣體壓力，汽油機達4-5MPa，柴油機高達8-9MPa，甚至更高。因此活塞承受著高溫、高壓 的熱負荷和機械負荷。隨著發(fā)動機功率的不斷提高，對活塞鋁合金的力學性能、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度的Mg2Si、A12Cu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)含鐵相的結晶組織都十分粗大，直接影響合金的 機械性能，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，尤其適用于車用發(fā)動機的活塞中。
[0005] 本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)的：
[0006] 一方面，本發(fā)明提供了一種耐熱鑄造鋁合金，其由按重量百分數(shù)計的如下元素組 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，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、對所述鋁合金熔體進行重力鑄造，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-Ti-B中間合金分別在200?250°C下進行預熱；
[0014] 將所述工業(yè)純鋁進行熔化，待工業(yè)純鋁熔化一半時加入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?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時加入精煉劑進行精煉，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為170?250°C，時間為10?40 小時。
[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 形成室溫強化相Al 2CiuMg2Si和高溫強化相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，合金的力學性能最好。Ni加入到Al-Si-Cu-Mg 合金中可形成Al3Ni、Al3CuNi和Al7Cu4Ni等耐熱強化相，這些復雜強化相不僅可以提高合金 力學性能，還可以降低合金線膨脹系數(shù)。對于重力鑄造 Al-Si系合金而言，F(xiàn)e作為雜質元素 會在基體中形成粗大的片狀和針狀相，使合金的強度和塑性降低，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。重力鑄造在生產(chǎn) 過程中，不需要龐大的加工設備，可以澆注成形狀復雜的零件，節(jié)約金屬、降低成本以及減 少工時等，因此獲得了廣泛的應用。
[0022] 本發(fā)明合金主要利用稀土的合金化作用，由于RE是化學性質較活潑的元素，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，增強了合金高溫性 能，使鑄件能承受更高的熱負荷。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度，合金的室溫抗拉強度 〇 b> 380MPa，300°C抗拉強度 σ b> 200MPa，350°C抗拉強度 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：
[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，符合 高性能車用發(fā)動機活塞的要求，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度。使用稀土處理，細化了 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，進一步提高合 金的性能。
[0027] 4)工藝上不需要復雜的操作和設備，鑄件具有優(yōu)良的鑄造性能，操作性強，便于推 廣生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0028] 通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點將會變得更明顯：
[0029] 圖1為實施例1制備的合金鑄態(tài)金相組織圖。
【具體實施方式】
[0030] 下面結合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術 人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應當指出的是，對本領域的普通技術 人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明 的保護范圍。
[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 加入適量的水調和而成，再置于爐表面烘烤，烘烤溫度為200°C，烘烤1小時后清理，以防止 合金在熔煉過程中的增鐵；（2)預熱坩堝至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-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IOmin精煉完畢后測氫的含量，并進行爐前檢查；（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。
[0036] 圖1為該實施例鑄造得到的耐熱鋁合金鑄態(tài)組織圖，從圖中可以看