一种内燃机用高强韧耐热铝合金材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种内燃机用高强韧耐热铝合金材料，由以下重量百分含量的合金元素组成：Si：9.0～17.0wt％，Cu：2.0～7.0wt％，Ni：1.5～5.5wt％，Mg：0.6～1.5wt％，Fe：0.2～1.1wt％，Cr：0.2～1.1wt％，Ti：0.1～0.3wt％，B：0.15～0.5wt％，C：0.1～0.3wt％，P：0.08～0.12wt％，稀土元素RE：0.4～0.6wt％，Zr：≤0.3wt％，Sc：≤0.3wt％，余量为Al。本发明专利技术还提供了上述铝合金材料的制备方法，采用含B、Ti、Al混合盐和含Ti、Al、C混合盐压块在铝合金熔熔体中直接反应生成微纳米强化相制备得到。

A High Strength, Toughness and Heat Resistant Aluminum Alloy for Internal Combustion Engines and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种内燃机用高强韧耐热铝合金材料及其制备方法
本专利技术属于金属材料制备
，具体涉及一种内燃机用高强韧耐热铝合金材料及其制备方法。
技术介绍
随着内燃机发动机功率密度的提升，燃烧室温度和爆发压力提高，使得柴油机燃烧室关键构件需要承受高温、高压及高工作频率，尤其是活塞，其工作温度、承受的爆发压力和工作频率分别可达到425℃、22MPa和70Hz，因而要求燃烧室关键构件材料必须具有优良的铸造性能，高强韧、高抗热机疲劳性、高热稳定性及低热膨胀系数。目前使用的常规燃烧室关键构件在功率密度工况下，极易产生开裂、烧蚀、拉缸和碎裂，主要是因为关键构件铝合金材料组织粗大，有害相较多，高温强化相较少，引起材料高温抗蠕变和疲劳性能较差。因而现有的燃烧室关键构件用铝合金材料已不能满足当前使用要求，所以迫切需要制备一种新的内燃机用高强韧耐热铝合金用铝合金材料来解决上述问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供内燃机用高强韧耐热铝合金材料及其制备方法。本专利技术的第一个目的是提供一种内燃机用高强韧耐热铝合金材料，由以下重量百分含量的合金元素组成：Si：9.0～17.0wt％，Cu：2.0～7.0wt％，Ni：1.5～5.5wt％，Mg：0.6～1.5wt％，Fe：0.2～1.1wt％，Cr：0.2～1.1wt％，Ti：0.1～0.3wt％，B：0.15～0.5wt％，C：0.1～0.3wt％，P：0.08～0.12wt％，稀土元素RE：0.4～0.6wt％，Zr：≤0.3wt％，Sc：≤0.3wt％，余量为Al；所述稀土元素RE为镧铈混合稀土元素。本专利技术的第二个目的是提供一种上述内燃机用高强韧耐热铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：S1、将氟硼酸钾、氟钛酸钾、氟铝酸钠按照重量比8:8:1的比例混合接着真空球磨，然后冷压加工，得到压块1；将碳粉、钛粉和铝粉按照重量比为1:4:3的比例混合，接着真空球，然后冷压加工，得到压块2；S2、将纯铝锭A熔化，升温至1200～1300℃，压入压块2，搅拌反应5～10min，接着降温至850～900℃，压入压块1，搅拌反应10～15min，得到中间合金熔体，然后浇注成含有TiC和TiB2中间合金的铸锭；S3、按照以下重量百分含量的合金元素组成：Si：9.0～17.0wt％，Cu：2.0～7.0wt％，Ni：1.5～5.5wt％，Mg：0.6～1.5wt％，Fe：0.2～1.1wt％，Cr：0.2～1.1wt％，Ti：0.1～0.3wt％，B：0.15～0.5wt％，C：0.1～0.3wt％，P：0.08～0.12wt％，稀土元素RE：0.4～0.6wt％，Zr：≤0.3wt％，Sc：≤0.3wt％，余量为Al，分别称取纯铝锭B、结晶硅、Al-50Cu中间合金、Al-10Ni中间合金、Al-4Zr中间合金、Al-4Ti中间合金、Al-20Fe中间合金、Al-20Cr中间合金、纯镁锭、Al-3Sc中间合金、铝磷合金和S2中得到的铸锭，其中，Ti元素源于Al-4Ti中间合金和S2中所得到铸锭中的TiC和TiB2中间合金，稀土元素RE为镧铈混合稀土元素；S4、将S3中称取的纯铝锭B、结晶硅、Al-50Cu中间合金、Al-10Ni中间合金、Al-4Zr中间合金和Al-4Ti中间合金依次放入熔炼炉中进行熔炼，熔炼温度为680～800℃，完全熔化后加入S3中称取的Al-20Fe中间合金和Al-20Cr中间合金，接着于750～770℃保温20～30min，然后搅拌后静置5～10min，接着于710～730℃加入S3中称取的纯镁锭熔融，调整温度到740～760℃，得到铝合金熔体；S5、将S4中得到的铝合金熔体转入保温炉中，接着在740～760℃加入S3中称取的铝磷合金和镧铈混合稀土，静置反应10～15min，然后加入S3中称取的铸锭，接着降低温度到710～730℃，除气，除气完成后，静置10～15min，继续加入S3中称取的Al-3Sc中间合金，保温3～5min，调整温度到730～760℃，接着进行超声波震荡处理，然后浇注得到铝合金铸锭，接着对铝合金铸锭进行热处理，处理完成后，即得到铝合金材料。优选的，步骤S2中，所述铸锭中TiC和TiB2中间合金的含量均为铸锭质量的5wt％。优选的，步骤S5中，所述铝磷合金为AlP3。优选的，步骤S5中，所述镧铈混合稀土中镧稀土与铈稀土的质量比为4:6。优选的，步骤S5中利用旋转除气机进行除气，所述旋转除气机的参数设置为：转速600～800r/min，通入Ar的压力设置为0.3～0.6MPa，除气时间为20～30min。优选的，步骤S2和S5中利用铸锭模进行浇注，且所述铸锭模在浇注前需经过前处理，具体为：在铸锭模内涂刷涂料，并采用U型炉将铸锭模、集液槽和流槽烘干，烘干温度为150～200℃。优选的，步骤S2和S5中，所述浇注过程中铸锭模的变频器转速设置为10～12r/min，浇注熔体流速设置为5～8s/锭。优选的，步骤S5中，所述超声波震荡处理的功率为1～3KW，处理时间为2～5min。优选的，步骤S5中，所述热处理的方法为：首先于480～510℃保温2～15h，放入60～80℃水中淬火处理，待铝合金材料冷却至室温后取出，接着静置24h，然后于175～250℃保温2～10h，自然冷却至室温即可。本专利技术与现有技术相比，其有益效果在于：(1)本专利技术制备得到的铝合金材料具有高强韧性，抗热疲劳性能好，高热稳定性好，其室温强度≥300MPa，延伸率≥1.5％；350℃的抗拉强度≥100MPa，延伸率≥7％；425℃的抗拉强度≥60MPa，延伸率≥8％；350℃旋弯疲劳强度≥50MPa。(2)本专利技术的制备工艺简单，合金中的TiC和TiB2纳米粒子不需要通过高温真空烧结反应引入，可直接在铝合金熔体中通过加入中间合金引入。(3)本专利技术通过利用Cr将长针状β铁相转变为具有高温强化效果的骨骼状和花卉的α铁相，提高了高温性能。(4)本专利技术利用超声波震荡处理进行晶粒细化，得到铝合金材料组织分布均匀、晶粒细小。(5)本专利技术提供的铝合金材料适用性和制造性范围广，可制造内燃机关键零部件，如缸体、缸盖和活塞等，同时该材料可通过不同铸造成型方法进行零部件制造。附图说明图1为本专利技术实施例2中各阶段合成材料的金相图；其中：图1a为铝合金熔体未经Cr处理的金相图；图1b为铝合金熔体经Cr处理后的金相图；图1c为铝合金熔体经Cr变质和超声处理处理后的金相图；图2是本专利技术实施例2中生成的TiC和Ti2B纳米粒子在不同放大倍数下的微观图。其中：图2a为1000倍下的微观图；图2b为1500倍下的微观图；图2c为30000倍下的微观图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本专利技术的保护范围并不受具体实施方式的限制。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。以下实施例中步骤S2和S5中，铸锭模在浇注前需经过前处理，具体为在铸锭模内涂刷涂料，并采用U型炉将铸锭模、集液槽和流槽烘干，烘干温度为150～200℃，且镧铈混合稀土中镧稀土与铈稀土的质量比为4:6。以下实施例中，步骤S1加入的氟硼酸钾、氟钛酸钾、氟铝酸钠原料中除Ti和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种内燃机用高强韧耐热铝合金材料，其特征在于，由以下重量百分含量的合金元素组成：Si：9.0～17.0wt％，Cu：2.0～7.0wt％，Ni：1.5～5.5wt％，Mg：0.6～1.5wt％，Fe：0.2～1.1wt％，Cr：0.2～1.1wt％，Ti：0.1～0.3wt％，B：0.15～0.5wt％，C：0.1～0.3wt％，P：0.08～0.12wt％，稀土元素RE：0.4～0.6wt％，Zr：≤0.3wt％，Sc：≤0.3wt％，余量为Al；所述稀土元素RE为镧铈混合稀土元素。

【技术特征摘要】
1.一种内燃机用高强韧耐热铝合金材料，其特征在于，由以下重量百分含量的合金元素组成：Si：9.0～17.0wt％，Cu：2.0～7.0wt％，Ni：1.5～5.5wt％，Mg：0.6～1.5wt％，Fe：0.2～1.1wt％，Cr：0.2～1.1wt％，Ti：0.1～0.3wt％，B：0.15～0.5wt％，C：0.1～0.3wt％，P：0.08～0.12wt％，稀土元素RE：0.4～0.6wt％，Zr：≤0.3wt％，Sc：≤0.3wt％，余量为Al；所述稀土元素RE为镧铈混合稀土元素。2.根据权利要求1所述的内燃机用高强韧耐热铝合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将氟硼酸钾、氟钛酸钾、氟铝酸钠按照重量比8:8:1的比例混合后真空球磨，然后冷压加工，得到压块1；将碳粉、钛粉和铝粉按照重量比为1:4:3的比例混合后真空球磨，然后冷压加工，得到压块2；S2、将纯铝锭A熔化，升温至1200～1300℃，压入压块2，搅拌反应5～10min，接着降温至850～900℃，压入压块1，搅拌反应10～15min，得到中间合金熔体，然后浇注成含有TiC和TiB2中间合金的铸锭；S3、按照以下重量百分含量的合金元素组成：Si：9.0～17.0wt％，Cu：2.0～7.0wt％，Ni：1.5～5.5wt％，Mg：0.6～1.5wt％，Fe：0.2～1.1wt％，Cr：0.2～1.1wt％，Ti：0.1～0.3wt％，B：0.15～0.5wt％，C：0.1～0.3wt％，P：0.08～0.12wt％，稀土元素RE：0.4～0.6wt％，Zr：≤0.3wt％，Sc：≤0.3wt％，余量为Al，分别称取纯铝锭B、结晶硅、Al-50Cu中间合金、Al-10Ni中间合金、Al-4Zr中间合金、Al-4Ti中间合金、Al-20Fe中间合金、Al-20Cr中间合金、纯镁锭、Al-3Sc中间合金、铝磷合金、混合稀土和S2中得到的铸锭；其中，所述Ti元素源于Al-4Ti中间合金和S2中所得到铸锭中的TiC和TiB2中间合金，所述混合稀土为镧铈混合稀土；S4、将S3中称取的纯铝锭B、结晶硅、Al-50Cu中间合金、Al-10Ni中间合金、Al-4Zr中间合金和Al-4Ti中间合金依次在680～800℃下熔炼，完全熔化后加入S3中称取的Al-20Fe中间合金和Al-20Cr中间合金，于750～770℃保温20...

【专利技术属性】
技术研发人员：李建平，郭永春，杨伟，夏峰，杨忠，段洪波，胥涛，郭松松，梁良宪，
申请(专利权)人：西安康博新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61