[發明專利]一種發動機機體用高強度鑄造鋁硅合金及其制備方法

無效

• 申請號: 201010034020.2
• 申請日: 2010-01-11
• 公開（公告）號: CN101775529A
• 公開（公告）日: 2010-07-14
• 發明（設計）人: 惠希東;王恩睿;王樹申;王云亮;劉勝男
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: C22C21/02
• 分類號: C22C21/02;C22C1/03;C22F1/043
• 代理公司: 北京東方匯眾知識產權代理事務所(普通合伙) 11296
• 代理人: 劉淑芬

技術領域

本發明屬于金屬材料領域，涉及一種發動機機體用高強度鑄造鋁硅合金及其制備方法，特別是該合金在其成分范圍內所對應的熔煉及熱處理工藝。

背景技術

發動機工作時，機體持續承受拉、壓、彎、扭等復雜的機械載荷；氣缸壁與燃燒室中高溫燃氣直接接觸，長時間承受較高的熱載荷。為了滿足惡劣的工作環境對材料的要求，制備機體所用的合金應該具有足夠的強度和剛度，并且具有良好的耐磨和抗腐蝕性能。

在減輕車重，提速節能的行業背景下，鑄造鋁合金機體在發動機上的應用越來越普遍。常用發動機機體鑄造鋁合金有AA319，AA356，AC4B，ZL101，ZL107等牌號。這類合金的特點是具有中等強度性能，制造成本較低，適合商業化生產，但是用這類合金制備氣缸體時，都需要用汽缸襯筒或進行表面處理來滿足機體工作中所需的耐磨損性能。襯筒放置在鑄模中或插入機加工的缸膛內，缸體的這種加工方式勢必會增加產品的成本。為了解決這一問題，就需要一種既適合氣缸體制造又具有良好耐磨性的新型鑄造鋁合金來作為替代用材。

提高這類鑄造鋁硅合金性能的常用方法是對材料的成分及生產工藝進行調整。具體來說有以下幾點：

1)提高基體中Ni元素的含量，同時添加一定量的V，Sc，Cr，Mo，Ta等貴重元素，并且控制合金中Fe含量在一定范圍內，代表性專利有：US5996471A，US4681736，US4975243；

2)改進制備工藝，控制熔體凝固過程，使固相生長速率(R)與液固界面溫度梯度(G)比在適當范圍內，代表性專利有：US4434014，US5019178；

3)結合一定的熱加工和熱處理工藝來獲得理想的組織性能，代表性的專利有CN100439533C，US4934442。

可見，在以上改善這類合金性能的措施中，要么增加成分中貴重元素的含量，要么采用特殊的制備和加工工藝。雖然這使合金性能在一定程度上得到提高，但也導致了生產成本的大幅增加。這一狀況阻礙了這類合金在普通工業生產條件下的推廣與應用。

發明內容

本發明的目的是解決發動機機體用鑄造鋁硅合金存在的高性能導致高成本的矛盾。在不增加生產成本的前提下，大幅度提高合金的機械性能，以滿足汽車行業的發展對合金力學機械性能的要求。

一種發動機機體用高強度鑄造鋁硅合金及其制備方法。合金的成分范圍為：

Si：12.0-14.0wt％；Ni：＜0.3wt％；Cu：3.0-5.0wt％；Fe：0.3-0.8wt％；Mn：0.4-0.8wt％；Mg：＜0.4wt％；Ti：0.1-0.2wt％；Zr：＜0.27wt％.其余為Al。

其中Al元素的純度＞99.0wt％，其他元素均以中間合金的形式加入，所用中間合金如下：

Al-37.0wt％Si；Al-10.0wt％Ni；Al-45.0wt％Cu；Al-6.0wt％Fe；Al-10.0wt％Mn；Al-10.0wt％Mg；Al-5.0wt％Ti；Al-4.0wt％Zr。

上述成分鑄造鋁硅合金的制備過程如下：

1)熔煉用具及原料的準備與烘干(烘干溫度控制在200℃)；

2)分層次放入原料，低熔點低密度原料放在底層，高熔點高密度原料放在上層，安放順序如下：Al-10.0wt％Mg，Al-37.0wt％Si，Al-10.0wt％Mn，Al-6.0wt％Fe，Al-10.0wt％Ni，Al-45.0wt％Cu；

3)熔煉溫度800℃，待合金呈糊狀時用鐘罩將Al-5.0wt％Ti；Al-4.0wt％Zr一起壓入坩堝底部，在熔體上鋪撒熔劑；

4)待合金完全熔化后，攪拌除渣壓入AlP變質劑，在800℃保溫30-40min；

5)降溫到750-760℃，除渣精煉，用干燥Ar氣(或六氯乙烷)精煉1-2分鐘，通Ar氣的噴嘴壓入坩堝底部約1/3處；

6)靜置10-15min，等爐溫降到710-720℃時把熔體快速平穩地澆入預熱到175-185℃的金屬模具中。

對上述操作做幾點說明：

所用熔劑為50wt％NaCl+50wt％KCl粉末，粒度≤125μm為宜，加入量控制在熔體總量的3-5wt％；

Al-Ti，Al-Zr滯后加入是為了減少Ti，Zr元素的燒損，提高元素在熔體中的有效含量；

變質溫度和保溫時間是由AlP變質劑在熔體中的孕育期決定的，AlP變質劑中P的加入量控制在熔體總質量的0.08-0.1wt％；

低溫快澆可以提高該合金的鑄造質量。

澆注完畢后，將所得鑄件進行熱處理，工藝參數為：