[发明专利]一种发动机机体用高强度铸造铝硅合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属材料领域，涉及一种发动机机体用高强度铸造铝硅合金及其制备方法，特别是该合金在其成分范围内所对应的熔炼及热处理工艺。

背景技术

发动机工作时，机体持续承受拉、压、弯、扭等复杂的机械载荷；气缸壁与燃烧室中高温燃气直接接触，长时间承受较高的热载荷。为了满足恶劣的工作环境对材料的要求，制备机体所用的合金应该具有足够的强度和刚度，并且具有良好的耐磨和抗腐蚀性能。

在减轻车重，提速节能的行业背景下，铸造铝合金机体在发动机上的应用越来越普遍。常用发动机机体铸造铝合金有AA319，AA356，AC4B，ZL101，ZL107等牌号。这类合金的特点是具有中等强度性能，制造成本较低，适合商业化生产，但是用这类合金制备气缸体时，都需要用汽缸衬筒或进行表面处理来满足机体工作中所需的耐磨损性能。衬筒放置在铸模中或插入机加工的缸膛内，缸体的这种加工方式势必会增加产品的成本。为了解决这一问题，就需要一种既适合气缸体制造又具有良好耐磨性的新型铸造铝合金来作为替代用材。

提高这类铸造铝硅合金性能的常用方法是对材料的成分及生产工艺进行调整。具体来说有以下几点：

1)提高基体中Ni元素的含量，同时添加一定量的V，Sc，Cr，Mo，Ta等贵重元素，并且控制合金中Fe含量在一定范围内，代表性专利有：US5996471A，US4681736，US4975243；

2)改进制备工艺，控制熔体凝固过程，使固相生长速率(R)与液固界面温度梯度(G)比在适当范围内，代表性专利有：US4434014，US5019178；

3)结合一定的热加工和热处理工艺来获得理想的组织性能，代表性的专利有CN100439533C，US4934442。

可见，在以上改善这类合金性能的措施中，要么增加成分中贵重元素的含量，要么采用特殊的制备和加工工艺。虽然这使合金性能在一定程度上得到提高，但也导致了生产成本的大幅增加。这一状况阻碍了这类合金在普通工业生产条件下的推广与应用。

发明内容

本发明的目的是解决发动机机体用铸造铝硅合金存在的高性能导致高成本的矛盾。在不增加生产成本的前提下，大幅度提高合金的机械性能，以满足汽车行业的发展对合金力学机械性能的要求。

一种发动机机体用高强度铸造铝硅合金及其制备方法。合金的成分范围为：

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％.其余为Al。

其中Al元素的纯度＞99.0wt％，其他元素均以中间合金的形式加入，所用中间合金如下：

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。

上述成分铸造铝硅合金的制备过程如下：

1)熔炼用具及原料的准备与烘干(烘干温度控制在200℃)；

2)分层次放入原料，低熔点低密度原料放在底层，高熔点高密度原料放在上层，安放顺序如下：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)熔炼温度800℃，待合金呈糊状时用钟罩将Al-5.0wt％Ti；Al-4.0wt％Zr一起压入坩埚底部，在熔体上铺撒熔剂；

4)待合金完全熔化后，搅拌除渣压入AlP变质剂，在800℃保温30-40min；

5)降温到750-760℃，除渣精炼，用干燥Ar气(或六氯乙烷)精炼1-2分钟，通Ar气的喷嘴压入坩埚底部约1/3处；

6)静置10-15min，等炉温降到710-720℃时把熔体快速平稳地浇入预热到175-185℃的金属模具中。

对上述操作做几点说明：

所用熔剂为50wt％NaCl+50wt％KCl粉末，粒度≤125μm为宜，加入量控制在熔体总量的3-5wt％；

Al-Ti，Al-Zr滞后加入是为了减少Ti，Zr元素的烧损，提高元素在熔体中的有效含量；

变质温度和保温时间是由AlP变质剂在熔体中的孕育期决定的，AlP变质剂中P的加入量控制在熔体总质量的0.08-0.1wt％；

低温快浇可以提高该合金的铸造质量。

浇注完毕后，将所得铸件进行热处理，工艺参数为：