耐高溫納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金及其鑄造方法

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耐高溫納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金及其鑄造方法
【專利摘要】本發明涉及耐高溫納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金及其鑄造方法，采用以下質量百分比的組分構成：Si 5～9％、Mg 0.1～0.5％、Cu 2～6％、Fe 0.6～1％、Mn 0.6～1％、Zr 0.05～0.1％、V 0.05～0.1％、Zn 0.05～0.2％、TiB2顆粒0.1～25％，余量為Al。與現有技術相比，本發明的耐高溫納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金經壓鑄后，合金的室溫抗拉強度為≥430MPa，250℃的抗拉強度為≥376MPa，300℃的抗拉強度為≥225MPa。本發明的納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金與其壓力鑄造制備方法相結合，改善了納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金的鑄造性能，大幅度提高了鋁硅合金的室溫(20℃)抗拉強度和高溫(250℃和300℃)抗拉強度，擴大了傳統亞共晶鋁硅合金的應用范圍。
【專利說明】
耐高溫納米陶瓷顆粒増強亞共晶鋁硅合金及其鑄造方法
技術領域
[0001] 本發明屬于鋁合金材料技術領域，尤其是涉及一種耐高溫納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金及其鑄造方法。
【背景技術】
[0002] 鑄造鋁合金具有比重小，比強度高，鑄造成形性能和加工性能良好等一系列優點，在汽車零部件當中被廣泛的使用。目前國內外大部分轎車的發動機缸體，缸蓋和活塞都采用高強度的鑄造鋁合金生產。鑄造鋁合金在汽車上的廣泛使用，能夠有效的減輕汽車的重量，提高發動機的燃油效率，減少汽車尾氣排放對大氣的污染。目前，作為汽車發動機缸蓋材料使用的鑄造鋁合金屬于亞共晶鋁硅合金系列，主要的商用牌號有國內的ZLlOl，ZL104 及ZL702A，美國的319.0，日本的AC4B，和歐洲的G-AlSi6Cu4鋁合金。雖然這些傳統牌號的鋁硅合金已經滿足使用要求，但是當發動機功率進一步提高時，這類鑄造亞共晶鋁合金已經很難滿足發動機缸蓋的高溫使用要求。
[0003]近年來，隨著更加嚴苛的汽車尾氣排放標準的出臺，汽車發動機的設計功率亦是不斷提高。這使得缸蓋承受的工作溫度和和工作壓力顯著提高。隨著燃燒室壓強由約14-16MPa上升至18-20MPa，缸蓋的進出氣口鼻梁溫度由約250°C提高到近300°C。這就要求發動機缸蓋用鑄造亞共晶鋁合金材料除具有良好的室溫性能以外，還應具有優異的高溫性能。
[0004] 中國專利CN104195383A公開了一種高端汽車全鋁發動機用亞共晶鋁硅合金材料及其制備方法，通過添加 Cu、Mn強化元素和Sr變質元素，研制出一種高強高韌亞共晶鋁硅合金材料。此發明給出亞共晶鋁硅合金材料的最優室溫抗拉強度為345MPa，但未涉及材料的高溫性能報告。因此難以評估此材料是否適宜作為高端汽車全鋁發動機中需要承溫的零部件使用。

【發明內容】

[0005] 本發明的目的是提供一種鑄造性能好，室溫和高溫性能優異，工藝穩定性好的耐高溫納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金及其壓力鑄造方法，尤其適用于制作汽油發動機和柴油發動機的缸蓋。
[0006] 本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：
[0007] 耐高溫納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金，采用以下質量百分比的組分構成：
[0008] Si 5~9%、Mg 0.1 ~0.5%、Cu 2~6%、Fe 0.6~1%、Μη 0.6~l%、Zr 0.05~ 0 · 1 %、V 0 · 05~0 · 1 %、TiB2顆粒0 · 1 ~25%，余量為Al。
[0009] 優選地，采用以下質量百分比的組分構成：Si 7.5~8.5 %、Mg 0.2~0.4 %、Cu 4 ~5%、Fe 0.6~1%、Μη 0.6~l%、Zr 0.05~0.1%、V 0.05~0.1%、TiB2顆粒0.1 ~25%，余M為Al。
[0010] 更加優選地，TiB2顆粒為粒徑為20-300nm的納米顆粒。
[0011]更加優選地，TiB2顆粒的形狀為六方形或長方形。
[0012] 更加優選地，TiB2顆粒均勻分布在鋁硅合金中，，界面干凈且無界面反應。
[0013] 耐高溫納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金的鑄造方法，包括以下步驟：
[0014] (a)熔煉納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金，得到納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金熔體；
[0015] (b)對鋁合金熔體進行壓力鑄造，得到納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金鑄件。
[0016] 優選地，步驟(a)具體采用以下步驟：
[0017] (1)熔化鋁錠，升溫至880~ΙΟΟΟΓ;
[0018] (2)將KBF^K2TiF6按質量比為1:1.4-1.8均勻混合，烘干后加入熔體中，進行機械攪拌，同時向熔體中通入惰性氣體；
[0019] (3)取出反應熔渣，加入 Si、Mg&&Al-50%Cu、Al-20%Fe、Al-10%Mn、Al-10%Zr 和A1-5%V中間合金，在熔體中加入精煉劑進行除氣精煉，扒去浮渣，得到納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金熔體。
[0020] 更加優選地，精煉劑為常規的含有無機鹽的鋁合金精煉劑或六氯乙烷，所述精煉劑的添加量低于原料總重量的4%。
[0021] 更加優選地，Al-50%Cu中間合金中，Cu的質量百分比為50%，余量為Α1;Α1-20% Fe中間合金中，Fe的質量百分比為20%，余量為Al;Al-10%Mn中間合金中，Mn的質量百分比為10%，余量為Al;Al-10%Zr中間合金中，Zr的質量百分比為10%，余量為A1;A1-5%V中間合金中，V的質量百分比為5%，余量為A1。
[0022]優選地，步驟(b)具體采用以下步驟:將得到的納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金熔體在700°C~750°C下，以0.3~4.0m/s的速度壓射至經過180°C~230°C預熱的模具當中，冷卻后取出，得到納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金。
[0023]與現有技術相比，本發明中Si含量為5~9%，Si元素的存在保證了合金熔體的流動性和熱裂等鑄造性能;在合金中加入Cu和Mg元素，可以形成室溫強化相Al2Cu和Mg2Si以及高溫強化相Al 5Cu2Mg8Si6和Al8FeMg 3Si6; Zr和V能細化鋁合金組織，提高合金的力學性能。對于壓力鑄造的鋁合金而言，Fe元素含量需大于0.6%以防止鑄件粘膜及提高鑄件的高溫性能，但過高含量的Fe元素會導致針狀或片狀的β-AlFeSi相的大量形成。這些相易割裂合金基體，導致壓鑄件廢品率的增加，因此Fe元素含量需小于1.0%。在合金中添加適量的Mn元素，可以促使針狀的β-AlFeSi相轉化為塊狀或球狀的α-AlFeMnSi相，以在一定程度上改善合金的力學性能，降低合金脆性。同時，Mn元素的添加還可以提高合金的熱穩定性和高溫持久強度。但是，當Mn元素的添加量大于1.0%時，會形成粗大的脆性化合物，反而降低合金強度。
[0024]本發明合金主要是利用納米尺度TiB2顆粒的納米尺寸效應和陶瓷本性優勢。首先，具有納米尺度的TiB2顆粒是從鋁熔體中原位反應自生的，且與鋁基體共格結合，均勻彌散的分布在合金基體中，包括晶內與晶界處。分布在晶內的TiB 2顆粒，在熔體凝固的過程中可以細化晶粒，以提高合金的室溫性能。而當合金在高溫變形的過程中，晶內的TiB 2顆粒由于其具有納米尺度，可以通過釘扎可動位錯，以阻礙基體變形，而提高合金的高溫溫性能。此外，分布在晶界的TiB 2顆粒在室溫和高溫的條件下，都可以阻礙晶界滑移來提高合金的力學性能。
[0025]將本發明材料加工成直徑為6mm的標準拉伸試樣，根據GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸實驗方法》和GB/T4338-2006《金屬材料高溫溫拉伸實驗方法》測試室溫(20°C)力學性能和高溫(250 °C和300 °C )力學性能。高溫力學性能的試樣測試保溫時間為30分鐘。結果見表1。本發明制備得到的納米陶瓷顆粒增強鋁合金，與現有發動機缸蓋用鋁合金相比，本發明鋁合金材料的室溫(20 °C)抗拉強度和高溫(250 °C和300 °C)抗拉強度都有明顯的提高。
[0027] 注：（1)21^702六，319.0 4048和6413丨6(：114分別為中國，美國，日本和歐洲典型的缸蓋用鑄造亞共晶鋁硅合金材料。（2)表中數據為實測最小值。
【具體實施方式】
[0028] 下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。
[0029] 實施例1
[0030] -種耐高溫納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金，由以下質量百分比含量的組分構成：Si 8.5%、Mg 1.2%、Cu 5%、Fe 0.6%、Mn 0.6%、Zr 0.1%、V 0.1%、TiB2顆粒25%，余量為A1。其中，TiB2顆粒為粒徑在20nm的納米顆粒，形狀為六方形。TiB2顆粒均勻分布在鋁合金中，界面干凈且無界面反應。
[0031] 耐高溫納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金的制備方法，采用以下步驟：
[0032] (1)熔化鋁錠，升溫至88(TC;
[0033] (2)將0?4、1(211?6按質量比為1:1.4均勻混合，烘干后加入熔體中，進行機械攪拌，同時向熔體中通入Ar;
[0034] (3)取出反應熔渣，按照上述配方加入Si、Mg以及Al-50%Cu、Al-20%Fe、Al-10% Mn、Al-10%Zr和A1-5%V中間合金，在熔體中加入精煉劑(為常規的含有鉀鹽的鋁合金精煉劑)進行除氣精煉，扒去浮渣，得到鋁合金熔體，準備澆注。
[0035] (4)壓力鑄造:保持鋁合金熔體溫度為700°C，模具溫度為180 °C，壓射速度為0.3m/ So
[0036] 本實施例中壓力鑄造制備的耐高溫納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金的常溫的抗拉強度為496MPa，高溫的拉強度分別為435MPa(250°C)和282MPa(300°C)。
[0037] 實施例2
[0038] -種耐高溫納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金，由以下質量百分比含量的組分構成：Si 7.8%、Mg 0.6%、Cu 4.2%、Fe 0.7%、Mn 0.8%、Zr 0.05%、V 0.05%、TiB2顆粒 8%，余量為A1。其中，TiB2顆粒為粒徑在300nm的納米顆粒，形狀為長方形。TiB2顆粒均勻分布在鋁合金中，界面干凈且無界面反應。
[0039] 耐高溫納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金的制備方法，采用以下步驟：
[0040] (1)熔化鋁錠，升溫至1000°C;
[0041] (2)將0?4、1(211?6按質量比為1:1.8均勻混合，烘干后加入熔體中，進行機械攪拌，同時向熔體中通入Ar;
[0042] (3)取出反應熔渣，按照上述配方加入Si、Mg以及Al-50%Cu、Al-20%Fe、Al-10% Mn、Al-10%Zr和A1-5%V中間合金，在熔體中加入精煉劑(為常規的含有鈉鹽的鋁合金精煉劑)進行除氣精煉，扒去浮渣，得到鋁合金熔體，準備澆注。
[0043] (4)壓力鑄造:保持鋁合金熔體溫度為750°C，模具溫度為230°C，壓射速度為4 · Om/ So
[0044] 本實施例中制備的納米陶瓷顆粒增強鋁合金常溫的抗拉強度為472MPa，高溫的抗拉強度分別為405MPa(250°C)和 263MPa(300°C)。
[0045] 實施例3
[0046] -種耐高溫納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金，由以下質量百分比含量的組分構成：Si 7.5%、Mg 0.2%、Cu 4%、Fe 0.9%、Mn 0.6%、Zr 0.1%、V 0.05%、TiB2顆粒 0.1 %，余量為Al。其中，TiB2顆粒為粒徑在20-30nm的納米顆粒。TiB2顆粒的形狀為六方形。 TiB2顆粒均勻分布在鋁合金中，界面干凈且無界面反應。
[0047] 一種耐高溫納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金的制備方法，該方法包括以下步驟：
[0048] (1)熔化鋁錠，升溫至900°C;
[0049] (2)將0?4、1(211?6按質量比為1:1.6均勻混合，烘干后加入熔體中，進行機械攪拌，同時向熔體中通入惰性氣體Ar;
[0050] (3)取出反應熔渣，加入 Si、Mg&&Al-50%Cu、Al-20%Fe、Al-10%Mn、Al-10%Zr 和A1-5%V中間合金，在熔體中加入精煉劑(是常規的含有氟鹽的鋁合金精煉劑)進行除氣精煉，扒去浮渣，得到鋁合金熔體，準備澆注。
[0051 ] (4)壓力鑄造:保持鋁合金熔體溫度為720°C，模具溫度為200°C，壓射速度為3m/s。
[0052] 本實施例中制備的耐高溫納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金常溫的抗拉強度為 45010^，高溫的拉強度分別為391]\0^(250°(：)和24310^(300°(：)。
[0053] 實施例4
[0054] 一種耐高溫納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金，由以下質量百分比含量的組分構成：Si 8.5%、Mg 0.5%、Cu 4.5%、Fe 1.0%、Mn 1.0%、Zr0.05%、V 0.1%、TiB2顆粒 20 %，余量為Al。其中，TiB2顆粒為粒徑在200-300nm的納米顆粒，TiB2顆粒的形狀為長方形，TiB 2顆粒均勻分布在鋁合金中，界面干凈且無界面反應。
[0055] -種耐高溫納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金的制備方法，該方法包括以下步驟：
[0056] (1)熔化鋁錠，升溫至950Γ;
[0057] (2)將0?4、1(211?6按質量比為1:1.7均勻混合，烘干后加入熔體中，進行機械攪拌，同時向熔體中通入惰性氣體Ar;
[0058] (3)取出反應熔渣，加入 Si、Mg&&Al-50%Cu、Al-20%Fe、Al-10%Mn、Al-10%Zr 和A1-5%V中間合金，在熔體中加入精煉劑(六氯乙烷)進行除氣精煉，扒去浮渣，得到鋁合金熔體，準備澆注。
[0059] (4)壓力鑄造:保持鋁合金熔體溫度為740°C，模具溫度為220°C，壓射速度為4m/s。
[0060] 本實施例中制備的耐高溫納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金常溫的抗拉強度為 43010^，高溫的拉強度分別為37610^(250°〇和22510^(300°(：)。
[0061 ] 實施例5
[0062]耐高溫納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金，采用以下質量百分比的組分構成：Si 5%、Mg 0.1%、Cu 2%、Fe 0·6%、Μη 0.6%、Zr 0.05%、V 0.05%、TiB2顆粒0.1%，余量為 A1。其中，TiB2顆粒為粒徑為20nm的納米顆粒，形狀為六方形。TiB2顆粒均勾分布在錯娃合金中，界面干凈且無界面反應。
[0063]耐高溫納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金的鑄造方法，包括以下步驟：
[0064] (a)熔煉納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金，得到納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金熔體，具體采用以下步驟：
[0065] (1)熔化鋁錠，升溫至88(TC;
[0066] (2)將KBF^K2TiF6按質量比為1:1.4均勻混合，烘干后加入熔體中，進行機械攪拌，同時向熔體中通入惰性氣體；
[0067] (3)取出反應熔渣，加入 Si、Mg&&Al-50%Cu、Al-20%Fe、Al-10%Mn、Al-10%Zr 和A1-5 % V中間合金，在熔體中加入精煉劑進行除氣精煉，精煉劑為常規的含有無機鹽的鋁合金精煉劑，添加量低于原料總重量的4%，然后扒去浮渣，得到納米陶瓷顆粒增強亞共晶錯娃合金恪體；
[0068] (b)將得到的納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金熔體在700°C下，以0.3m/s的速度壓射至經過180°C預熱的模具當中，冷卻后取出，得到納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金鑄件。
[0069] 實施例6
[0070]耐高溫納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金，采用以下質量百分比的組分構成：Si 7.5%、Mg 0.2%、Cu 4%、Fe 0·6%、Μη 0.6%、Zr 0.05%、V 0.05%、TiB2顆粒 10%，余量為Al。其中，TiB2顆粒為粒徑為50nm的納米顆粒，形狀為六方形。TiB2顆粒均勻分布在鋁硅合金中，界面干凈且無界面反應。
[0071]耐高溫納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金的鑄造方法，包括以下步驟：
[0072] (a)熔煉納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金，得到納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金熔體，具體采用以下步驟：
[0073] (1)熔化鋁錠，升溫至ΙΟΟΟΓ;
[0074] (2)將KBF^K2TiF6按質量比為1:1.8均勻混合，烘干后加入熔體中，進行機械攪拌，同時向熔體中通入惰性氣體；
[0075] (3)取出反應熔渣，加入 Si、Mg&&Al-50%Cu、Al-20%Fe、Al-10%Mn、Al-10%Zr 和A1-5 % V中間合金，在熔體中加入六氯乙烷精煉劑進行除氣精煉，添加量低于原料總重量的4%，然后扒去浮渣，得到納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金熔體；
[0076] (b)將得到的納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金熔體在750°C下，以0.4m/s的速度壓射至經過230°C預熱的模具當中，冷卻后取出，得到納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金鑄件。
[0077] 實施例7
[0078] 耐高溫納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金，采用以下質量百分比的組分構成：Si 8.5%、Mg 0.4%、Cu 5%、Fel%、Mn l%、Zr 0.1%、V 0.1%、TiB2顆粒25%，余量為A1。其中，TiB2顆粒為粒徑為300nm的納米顆粒，形狀為六方形。TiB2顆粒均勾分布在錯娃合金中，界面干凈且無界面反應。該種合金的制備方法與實施例6相同。
[0079] 上述的對實施例的描述是為便于該技術領域的普通技術人員能理解和使用發明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本發明不限于上述實施例，本領域技術人員根據本發明的揭示，不脫離本發明范疇所做出的改進和修改都應該在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 耐高溫納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金，其特征在于，采用以下質量百分比的組分構成： Si 5~9%、Mg 0.1 ~0.5%、Cu 2~6%、Fe 0.6~1%、Μη 0.6~l%、Zr 0.05~0.1%、 V 0 · 05~0 · 1 %、TiB2顆粒0 · 1 ~25%，余量為A1。2. 根據權利要求1所述的耐高溫納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金，其特征在于，優選采用以下組分:Si 7.5~8.5%、Mg 0.2~0.4%、Cu 4~5%、Fe 0.6~1%、Μη 0.6~l%、Zr 0 · 05~0 · 1 %、V 0 · 05~0 · 1 %、TiB2顆粒0 · 1 ~25%，余量為A1。3. 根據權利要求1或2所述的耐高溫納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金，其特征在于，所述的TiB2顆粒為粒徑為20_300nm的納米顆粒。4. 根據權利要求1或2所述的耐高溫納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金，其特征在于，所述的TiB2顆粒的形狀為六方形或長方形。5. 根據權利要求1或2所述的耐高溫納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金，其特征在于，所述的TiB2顆粒均勻分布在鋁硅合金中。6. 如權利要求1所述的耐高溫納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金的鑄造方法，其特征在于，該方法包括以下步驟： (a) 熔煉納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金，得到納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金熔體； (b) 對鋁合金熔體進行壓力鑄造，得到納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金鑄件。7. 根據權利要求6所述的耐高溫納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金的鑄造方法，其特征在于，步驟(a)具體采用以下步驟： (1) 熔化鋁錠，升溫至880~1000 °C; (2) 將KBF4、K2TiF6按質量比為1:1.4-1.8均勻混合，烘干后加入熔體中，進行機械攪拌，同時向熔體中通入惰性氣體； (3) 取出反應熔渣，加入 Si、Mg以及Al-50%Cu、Al-20%Fe、Al-10%Mn、Al-10%Zr和Al-5%V中間合金，在熔體中加入精煉劑進行除氣精煉，扒去浮渣，得到納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金熔體。8. 根據權利要求7所述的耐高溫納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金的鑄造方法，其特征在于，所述的精煉劑為常規的含有無機鹽的鋁合金精煉劑或六氯乙烷，所述精煉劑的添加量不大于原料總重量的4%。9. 根據權利要求7所述的耐高溫納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金的鑄造方法，其特征在于，所述的Al-50%Cu中間合金中，Cu的質量百分比為50%，余量為Al;Al-20%Fe中間合金中，Fe的質量百分比為20%，余量為Α1 ;Α1-10%Μη中間合金中，Μη的質量百分比為 10%，余量為Al;Al-10%Zr中間合金中，Zr的質量百分比為10%，余量為A1;A1-5%V中間合金中，V的質量百分比為5%，余量為A1。10. 根據權利要求6所述的耐高溫納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金的鑄造方法，其特征在于，步驟(b)具體采用以下步驟:將得到的納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金熔體在 700°C~750°C下，以0.3~4.0m/s的速度壓射至經過180°C~230°C預熱的模具當中，冷卻后取出，得到納米陶瓷顆粒增強亞共晶鋁硅合金。
【文檔編號】C22C21/02GK106086538SQ201610453540
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月21日
【發明人】汪明亮, 陳東, 吳, 吳一, 王鵬舉, 王浩偉
【申請人】上海交通大學

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