本发明专利技术提供了一种基于富Fe相优化的高硅铝合金及其制备方法，用于制造汽车发动机缸套用的新型高强、耐热高硅铝合金。该合金各组分重量分数为：Si：22-27wt.%；Fe：4-6wt.%；Cu：3-4wt.%；Cr：0.5-2.5wt.%；Mn：0-2wt.%；其余为Al。本发明专利技术同时提供了制备该合金的方法，利用喷射成形快速凝固技术，按照给定的合金元素配比加入到石墨坩埚，熔化后通过氮气直接雾化沉积为块体材料。控制合适的Cr/Fe或(Cr+Mn)/Fe的质量分数比，并经后续热挤压或热轧处理可使终态合金中形成大量细小、均匀分布的α-Al(Fe,TM)Si（TM=Cr或(Cr+Mn)）相颗粒，替代传统铸造合金中的针片状富Fe相，使合金的室（高）温性能及热稳定性得到较大改善，且具有很好的热变形能力和可加工性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于新材料制备
，特别涉及高硅铝合金及其制备方法。
技术介绍
高硅含量的过共晶Al-Si合金在汽车、家电等方面能够获得应用的关键在于Si相自身的独特性能，如高硬度、高模量、低密度和低热膨胀系数等，尤其适用于耐磨、电子封装等领域。其中代表性成果为德国PEAK公司开发的汽车发动机缸套用过共晶Al-Si合金(P. Krug. In: EngineExpo 2009, Stuttgart, Germany, 2009.)禾口英国 Ospray Metals 公司开发的用于电子封装的Si-Al合金(Si含量可高达70 %)(Sandvik Ospray Ltd. http:// www. smtsandvik. com/ospray.)。前者主要利用Si相的高硬度和高耐磨性特点，后者主要利用Si相低的热膨胀系数，两者的共同之处在于尽可能减小初晶Si相在终态合金中的尺寸(初晶Si相形貌、尺寸的变化很大程度上影响过共晶Al-Si合金的性能，如强度、塑性、耐磨性等)，为达到这一目的它们均采用了喷射成形技术，在尽可能细化初晶Si相的同时获得大尺寸坯件(C. Cui, et al. J. Mater. Proc. Tech. , 2009, 209: 5220·)，避免了传统制备技术(如铸造、粉末冶金等)的不足，如粗大初晶Si相、氧化夹杂等。对于发动机缸套用过共晶Al-Si合金来说，除了解决初晶Si相的尺寸问题外，还得考虑其强度、耐热性与实际应用环境的匹配，因而德国PEAK公司在初期开发S260 (成分 (wt. %) =Al- 25 Si- 4 Cu- 1 Mg)合金基础上，通过调整成分研发了第二代过共晶AHi合金S263(成分(wt.%) =Al- 25 Si- 5 Fe- 2 Ni )，其主要目的在于解决第一代过共晶Al-Si 合金高温强度和耐热性的不足(P. Krug. In: EngineExpo 2009, Stuttgart, Germany, 2009.)(原因在于Cu、Mg元素引起的析出相，如Al2Cu、Al2CuMg、Mg2Si等在200 °C以上就会长大粗化，导致合金高温性能降低，不能满足实际要求)。与此同时，国际上其他研究成果还有印度利用喷射成形技术开发的Al- 18 Si- 5 Fe- 1.5 Cu (wt.%)合金(V. C. Srivastava, et al. Mater. Sci. Eng. A, 2007, 471: 38.)，英国 Ospray 采用喷射成形技术开发的 4019 合金(Sandvik Ospray Ltd. http//www. smtsandvik. com/ospray.),曰本米用粉末冶金工艺开发的207、217和Nano S合金(Sumitomo Electric Ltd)，台湾采用喷射成形技术开发的AC9A合金(US 20060081311A1)，国内采用喷射成形技术开发的Al- 20 Si- 5 Fe- 3 Cu- 1 Mg (wt.%)合金(B. Yang, et al. Scipta Mater. , 2001，45: 409.)等。分析这些合金成分、组织来看，主要的发展趋势就是引入耐热性元素(如Fe、Ni等)来达到室/ 高温性能和组织稳定性同时改善的目的。然而快速凝固工艺(如雾化)引起的亚稳富狗相在随后的加工处理或高温长时工况下会发生相变和由扩散控制的长大粗化(L. G. Hou, et al. Int. J. Miner. Metall. Mater. , 2010，17: 297.)，表明Fe元素合金化在优化合金组织热稳定性方面依然不足。其他合金元素如Ni、Zr、Ti等可与Al形成熔点较高的金属间化合物相，在细化基体晶粒的同时也可改善合金的组织稳定性(Z. Asghar, et al. Mater. Sci. Eng. A, 2010，527: 5691.)，但却增加了制造成本。显然低成本的！^元素应当作为改善耐热性的首选合金元素，因此就必须针对富狗相进行优化设计，即进一步提高或改善此类富狗相的高温稳定性并对其形貌、尺寸进行优化，从而利用以狗为主要合金化元素的成分设计思路来开发耐热性更好的高硅铝合金，促进发动机性能的不断提升。然而我们注意到在铸造亚共晶、共晶Al-Si合金中引入少量Mn、Cr元素可改变针状富狗相形貌，从而降低其对合金性能的有害性(J. Y. Huang, et al. Mater. Sci. Eng. A, 2008, 488: 496 ；Μ. Mahta, et al. Int. J. Cast Metals Res. , 2005, 18: 73; G. Gustafsson, et al. Metall. Trans. A, 1986，17: 45.)。据此国内研究者在过共晶 Al-Si合金(Al- 20 Si- 5 Fe- 3 Cu- 1 Mg (wt. %))中引入Mn元素，并在喷射成形工艺下将针状或短棒状富狗相细化至3-5 μ m的颗粒状a -Al (Fe, Mn) Si相(CN 1345983)，并使合金的室/高温强度获得较大提高。可见，通过“中和剂”元素(一般将Mn、Cr、C0等称为有害针状富狗相的“中和剂”)和喷射成形技术的组合应用，可使合金的有害针状富狗相消除并改善合金的耐热性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于优化含!^e高硅铝合金中富!^e相的形貌、尺寸，进而制备出具有良好室/高温强度、耐热性和成型性的汽车发动机缸套用过共晶Al-Si合金(AS系列)，并提供该合金的制备方法。本专利技术解决技术问题所采用的方案为采用喷射成形技术和多元合金化设计方法，在以Fe、Cu合金化的高硅铝合金基础上引入Cr、Mn元素(加入方式为Al-Cr中间合金或工业常用Cr剂、Al-Mn中间合金或工业常用 Mn剂)，通过控制TM/i^e比值(TM= Cr或(Cr+Mn))使沉积态高硅铝合金中形成大量均勻分布的细小颗粒状a -Al (Fe, TM) Si相，并经后续热加工获得致密块材。本专利技术中高硅铝合金各组分含量按重量百分数计为Si :22-27 wt. % ；Fe :4_6 wt. % ；Cu :3_4 wt. % ；Cr 0. 5-2. 5 wt. % ；Mn :0_2 wt. % ；其余为Al (纯度为99. 7 %)，其中各合金元素均以中间合金或添加剂的形式加入。通过单一 Cr 合金化或(Cr+Mn)复合合金化优化富！^相的形貌、尺寸。Cr/i^e或(Cr+Mn)/ 质量分数比的最佳临界范围分别为0. 3-0. 4和0. 6-0. 8。所用含!^e、含Mn或含Cr添加剂均为商用铝合金熔炼添加剂，Al-Si、Al-Cu、Al_Fe、 Al-Mn和Al-Cr中间合金均采用真空熔炼法制备。本专利技术提供的制备高硅铝合金的方法，其具体步骤如下 a.配料与熔炼按照给定的成分配比进行配料，将纯铝、Al- 40 wt. % Si、Al- 10 wt. % Cu中间合金同时加入感应熔炼炉，待其完全熔化后，选择以下两种方式之一加入所需 ^、Μη、Cr合金元素方式一 Al- 50 wt. % Fe, Al- 20 wt. % Cr,本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种基于富Ｆｅ相优化的高硅铝合金，其特征在于：各组分含量（重量百分）为Ｓｉ：２２－２７ ｗｔ．％；Ｆｅ：４－６ｗｔ．％；Ｃｕ：３－４ ｗｔ．％；Ｃｒ：０．５－２．５ ｗｔ．％；Ｍｎ：０－２ ｗｔ．％；其余为Ａｌ（纯度为９９．７ ％）。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张济山，侯陇刚，蔡元华，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：11
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。