本发明专利技术提供一种耐热铸造Al‑Si‑Ni‑Cu铝合金及重力铸造制备，所述合金包括按质量百分数计的如下元素：10.5～12.0％Si、2.0～5.0％Ni、2.0～4.0％Cu、0.05～0.2％Mg、0.1～0.5％Cr、0.01～0.04％Sr、0.65～0.9％M、0.1～0.5％Fe，余量为Al，其中M为Ti、Zr和V中至少两种元素。铸态合金的室温、350℃瞬时和350保温后抗拉强度分别为253～295MPa、115～130MPa、72～90MPa，延伸率分别为1.1～1.5％、4.4～5.3％、5.5～7.1％，无需固溶热处理便可应用于活塞等汽车耐热零部件，满足汽车轻量化发展需求。
Heat Resistant Casting Al-Si-Ni-Cu Aluminum Alloy and Gravity Casting
【技术实现步骤摘要】
耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金及重力铸造制备
本专利技术涉及一种耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金及重力铸造制备，属于工业用铝合金及制造领域。
技术介绍
铝合金具有密度小、比强度和比刚度较高、耐蚀性好及导电导热性优良、回收容易、低温性能好等特点，广泛应用于交通运输、航空航天、电子电器等领域。重力铸造是指金属液在地球重力作用下注入铸型的铸造方法，包括砂型浇铸、熔模铸造、金属型铸造等。与目前普遍采用的合金压铸工艺相比较，重力铸造的投资成本大为降低，是生产几何形状复杂铸件的主要方法。在汽车用铝合金中，铸造铝合金占比高达80％，这主要归功于铸造铝合金具有良好的流动性、充型能力和力学性能，因而广泛用在制造发动机零部件、缸盖、车轮、保险杠等结构件上。作为汽车心脏部件的发动机，采用铸造Al-Si合金代替铸铁材料，在实现减重、提高燃油利用率、增大输出功率方面具有明显的优势。在发动机工作系统中，活塞材料的工况条件最为恶劣，燃烧室内高温气体瞬时温度可达到2000℃，活塞顶部的最高工作温度已超过400℃，同时活塞顶部还需承受着10～15MPa的燃气压力，而活塞销孔处不仅仅要承受200℃的高温，还需要承受20～28MPa的交变载荷。同时活塞是结构复杂的高速运动部件，与缸套间隙配合要稳定，材料必须质量轻、铸造成型性和耐磨性好、热膨胀系数小。Al-Si系铸造铝合金是满足热膨胀系数要求的唯一选择，20世纪以来，Al-Si活塞合金逐渐取代了铸铁和铸钢合金活塞，目前国内外普遍选用Al-Si-Cu系多元铸造共晶型合金，常见牌号包括中国的ZL117、美国的A390及德国的M142、M174等。为了保证活塞部件的稳定性，避免应用过程中出现材料脆断，常温延伸率要求至少达到1％。在Al-Si-Cu合金中进一步加入Ni元素，不仅对提高该合金系的耐热性能有较为显著的作用，而且在不同的Cu/Ni比条件下可以形成多种高温强化相：合金中Cu/Ni质量比≥4.32(原子比≥4.0)时易形成γ相(Al7Cu4Ni)和θ-Al2Cu相；合金中Cu/Ni质量比介于1.08和4.32之间(原子比介于1.0和4.0)时易形成δ相(Al3CuNi)和γ相；合金中Cu/Ni质量比≤1.08(原子比≤1.0)时易形成δ相和ε相(Al3Ni)(Adv.Eng.Mater.19(3)(2017)1600623)。现有技术中，已经公开了多种可以用于制造内燃机活塞的铝合金。GB/T1173中公布的合金代号为ZL109的铸造铝合金材料是目前活塞行业中最常用的材料，该材料中各元素及其重量百分比如下：11.0～13.0％Si，0.5～1.5％Cu，0.8～1.3％Mg，0.8～1.5％Ni，0.05～0.2％Ti，0～0.7％Fe，0～0.2％Zn，0～0.2％Mn，0～0.01％Sn，0～0.05％Pb，杂质≤1.2％，余量为Al。该材料在350℃时的瞬时抗拉强度值约为70MPa左右，已经逐渐不能适应内燃机活塞的更高要求。德国马勒公司生产的M142型铝合金材料中各元素及其重量百分比如下：11～13％Si，2.5～4％Cu，0.5～1.2％Mg，1.75～3.0％Ni，0～0.7％Fe，0.05～0.2％Zr，0.05～0.2％Ti，0.05～0.18％V，0～0.3％Mn，0～0.3％Zn，0～0.05％Cr，0～0.05％Pb，0～0.05％Sn，0～0.01％Ca，其他杂质元素≤0.05％，杂质元素总量≤0.15％，余量为Al。与ZL109铸造铝合金材料相比，M142铝合金在350℃时的瞬时抗拉强度可提高至110MPa，而在350℃保温200h后在350℃测得的抗拉强度达到66MPa。尽管如此，上述铝合金材料依然不能满足高功率密度的柴油机活塞在高温状态所需的强度要求。中国专利技术专利201010506661.3(铝合金和柴油机活塞)的专利公开了一种铝合金，包括：13.1wt％～16wt％Si；4.1wt％～5.5wt％Cu；0.6wt％～1.1wt％Mg；2.5wt％～3.5wt％的Ni；0.15wt％～0.3wt％的Mn；0.05wt％～0.2wt％的Ti；大于0～小于等于0.09wt％的Zr；大于0～小于等于0.01wt％的B；大于0～小于等于0.2wt％的Sc；0.1wt％～0.3wt％的富铈稀土，所述富铈稀土中的铈含量大于45wt％；0wt％～0.7wt％的Fe；其他杂质元素总量不超过0.15wt％，且其他单个杂质元素含量不超过0.05wt％；余量Al；所述Cu、Ni和Al形成金属间化合物Al4CuNi和Al6Cu3Ni，均匀的分布于Al基体中。该专利技术技术的仍存在以下问题：该专利技术中富铈稀土Ce与Cu元素反应，形成长条相，割裂基体，降低耐热铝合金性能，另外富铈稀土Ce与Al和Ti反应形成粗大的Ti2Al20Ce(Adv.Eng.Mater.19(3)(2017)1600623)，不但起不到Ti应有的晶粒细化效果，而且降低第二相弥散强化作用和沉淀硬化作用，降低了合金的耐热性。镁合金含量过高，消耗Cu含量，形成大量的Q相(Al5Cu2Mg8Si6)，增加了合金成本，但是不能提高300℃以上的耐热性能(MaterialsScienceandEngineering:A693(2017)26-32)。添加元素Sc的价格过于昂贵，很难在工业上进行大规模的应用。中国专利技术专利201510039580.X(一种耐热铸造铝合金及其挤压铸造方法)的专利公开了一种耐热铸造铝合金，其由按重量百分数计的如下元素组成：Si9.0～14.0％，Cu2.0～5.5％，Ni1.0～3.5％，Mg0.6～1.5％，Ti0.05～0.2％，RE0.01～1.5％，Mn0.05～0.25％，Fe0.6～1.3％，余量为Al和不可避免的杂质。所述RE为Gd、Y、Nd、Sm、Er、Yb、La中的至少一种。该合金的制备方法包括如下步骤：a、熔炼合金，得到铝合金熔体；b、对所述铝合金熔体进行挤压铸造，得到铝合金铸件；c、将所述铝合金铸件依次进行固溶处理、冷却处理和时效处理后，得到耐热铸造铝合金。步骤c中所述的固溶处理的温度490～540℃，时间为4～18小时。步骤c中所述的冷却处理是指按照常规的炉冷、空冷或水淬方式进行冷却。步骤c中所述的时效处理的温度170～250℃，时间为10～40小时。该专利技术技术的仍存在以下问题：该专利技术合金中添加了大量的稀土，一方面导致合金价格过于昂贵，很难在工业上进行大规模的应用，另一方面这些稀土容易与高电负性的Cu等反应，形成长条相，割裂基体，降低耐热铝合金性能。该专利技术的制备方法需要后续的热处理，包括固溶处理、冷却处理和时效处理，虽然有利于调整微观组织，获得优异的常温性能和瞬时高温性能(300℃抗拉强度≥220MPa，延伸率δ≥6.5％；350℃抗拉强度≥140MPa，延伸率δ≥14.5％)，但是对于在300℃以上长期服役的耐热铝合金，服役温度高于人工时效处理温度，必然导致组织粗化，从而大幅度降低耐热性能，降幅高达50％(Adv.Eng.Mater.19(3)(2017)1600623.)，最终长期服役后的性能和ZL109和M142性能相当，350℃保温后的高温抗拉强度约60～6本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种耐热铸造Al‑Si‑Ni‑Cu铝合金，其特征在于，包括按质量百分数计的如下元素：10.5～12.0％Si、2.0～5.0％Ni、2.0～4.0％Cu、0.05～0.2％Mg、0.1～0.5％Cr、0.01～0.04％Sr、0.65～0.9％M、0.1～0.5％Fe，余量为Al，其中M为Ti、Zr、V中至少两种元素。
【技术特征摘要】
1.一种耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金，其特征在于，包括按质量百分数计的如下元素：10.5～12.0％Si、2.0～5.0％Ni、2.0～4.0％Cu、0.05～0.2％Mg、0.1～0.5％Cr、0.01～0.04％Sr、0.65～0.9％M、0.1～0.5％Fe，余量为Al，其中M为Ti、Zr、V中至少两种元素。2.如权利要求1所述的耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金，其特征在于，所述铝合金的元素中，Cu/Ni质量比为0.4～1.5：1，Cu+Ni的总含量为5～8％。3.如权利要求1所述的耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金，其特征在于，所述铝合金的元素中，Cr/Fe质量比为0.5～1：1，Fe+3Cr≤1.6％。4.如权利要求1所述的耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金，其特征在于，所述M中，按合金中的所有元素总量计，Ti的质量分数为0～0.35％、Zr的质量分数为0～0.3％、V的质量分数为0～0.3％。5.一种如权利要求1～4中任意一项所述的耐热铸造Al-Si-Ni-Cu铝合金的重力铸造制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1.将工业纯铝锭、工业纯镁锭和Al-Si中间合金分别去除氧化层并烘干预热至180-200℃；按合金的成分及化学计量比，计算所需原料的用量，备料；S2.将占坩埚高度20-25％的工业纯铝锭在710～720℃下熔化成熔池后，加入剩余工业纯铝锭；S3.待工业纯铝锭全部熔化后，升温至710-720℃，将Al-Si中间合金或工业纯硅分2～4次加入，并保持温度恒定在710～720℃；S4.待所述Al-Si中间合金或工业纯硅全部熔化后，升温至760-780℃，依次加入Al-Cu、Al-Ni、Al-Cr、Al-Fe、Al-Sr、Al-M中间合金，待所有中间合金都...
【专利技术属性】
技术研发人员：叶兵，蒋海燕，丁文江，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31
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