一种铸造耐热铝合金及其制备工艺制造技术

一种铸造耐热铝合金及其制备工艺。铝合金由铝硅铜锰锶组成，按重量百分比计，硅10.0-13.0％，铜3.0-4.5％，锰0.8-2.5％，锶0.02-0.03％，余为铝，合金铸态下组织特征含Al15Mn3Si2。制备工艺：将铝硅中间合金、紫铜、铝锰中间合金和结晶硅块加热熔化；将合金熔体加热至710～730℃，静置10分钟后加入Al-Sr中间合金进行变质处理，保温30分钟；真空静置30-60分钟，加热至710～730℃后浇入到金属模具中，凝固并得到含有初生富锰相、Al15Mn3Si2+α-Al+Si的三相共晶体及Al15Mn3Si2+α-Al+Si+θ(CuAl2)的四相共晶体的耐热铝合金铸锭。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种耐热铝合金及其制备工艺，属于有色金属冶炼和加工的
，更具体地，涉及一种包括铝和合金元素的耐热铝合金，其中添加合金元素锰形成的富锰相具有优异的耐热硬性，提高合金的耐热性能。
技术介绍
根据加工工艺特点的不同，耐热铝合金可以分为变形耐热铝合金和铸造耐热铝合金。变形耐热铝合金主要包括Al-Cu-Mn系、Al-Cu-Mg-Fe-Ni系以及在其基础上改进的Al-Cu-Mg-Ag系耐热硬铝。铸造耐热铝合金主要包括Al-Si系和Al-Cu系两大类。Al-Si系铸造耐热铝合金具有良好的铸造性能，但强度较低，往往要添加Cu、Mg、Ni、Mn、稀土等合金元素以提高其耐热性能；Al-Cu系铸造耐热铝合金具有较高的强度和高温性能，但铸造性能和耐蚀性能相对较差，而且比重较大，尺寸不稳定。铸造Al-Si系合金因为具有优异的铸造性能而备受重视，现已成为制备耐热铝合金最主要的基本合金。Al-Si系铸造耐热铝合金中，Si是最主要的合金元素，为了获得优良的铸造性能，通常Si的质量分数介于6～14wt.％。然而，Si的添加对合金基体的强度和韧性等都有一定的削弱作用，因此，Al-Si二元合金的强度通常不高。所以，需要在Al-Si合金中加入合金元素如Cu、Mg等，通过形成金属间化合物或固溶强化来提高合金力学性能。Cu是该系合金中一种非常重要的强化元素。适量的Cu对铸造Al-Si合金的强化作用非常大，而且形成的强化相CuAl2(θ相)热强性较好，能够显著地改善合金高温力学性能。但当Cu含量较高时，容易形成微孔，这些微孔在拉伸过程中会成为微裂纹的产生源头，因此随着Cu含量的增加，合金的塑性和韧性以及铸造性能不断下降，所以Cu的添加量需要谨慎控制，一般为1～4wt.％。典型的Al-Si-Cu铸造合金有美国的319合金和A380合金等。Mg是该系合金中另一种重要的强化元素，Mg和Si在铸态下可以形成网络状Mg2Si析出相，经热处理后，Mg2Si会以中间过渡相弥散分布在基体上，可以有效提高合金的室温力学性能，但Mg2Si相在高温下不稳定，工作环境温度在185℃以上时会向平衡相转变并显著长大，降低合金的力学性能。随着Mg含量的增加，合金的强度提高，但延伸率却发生相应地降低。国内有报道指出，高的Mg含量会显著降低近共晶Al-Si合金的塑性。Caceresetal.研究表明，A357合金中高的Mg添加量会在合金组织中形成粗大的富Fe的π相(Al9FeMg3Si5)，降低合金的塑性。在Al-Si系铸造铝合金中，Mg的添加量取决于Si含量的多少，一般，Si含量越高，Mg的添加量相应地就越低。目前，亚共晶类Al-Si-Cu-Mg合金是Al-Si系耐热铝合金中应用较为广泛的一类合金，典型例子是A380和ZL702两个牌号，其化学成分见表1。主要是利用可热处理强化的富铜相(θ、W相等)作为主要的耐热相。这类合金中都含有少量的Mn，是用来中和Fe的有害作用。在这类合金中添加Ni,可形成富Ni相，可辅助改善耐热性。ZL702A是在ZL702基础之上降低Si和Mg含量形成另一种耐热铝合金。表1典型的Al-Si-Cu系耐热合金的化学成分从发动机用耐热铝合金的研究现状来看，以Al-(6-10wt％)Si-(1-4wt％)Cu为基础合金，调整Si、Cu和Mg含量保证合金具有良好的铸造性能和耐热强度，经多元合金化方式少量添加Ni、Ti、Zr、Cr、RE甚至Fe，微量添加B、Hf、Nb、Ta、Cr、Mo等形成少量的复杂金属间化合物以改善耐热性能。但这种思路并不能满足高功率密度发动机对铝合金耐热性的要求，因为存在两个方面的局限性。一方面：合金中含有高量的Cu且Si含量偏低，铸造性能较差，特别是热裂倾向严重，不能为高服役温度(300℃以上)提供可靠性组织致密性保证；另一方面是合金的耐热强度主要依赖CuAl2相，但该耐热相结构相对简单，更高温度下的热稳定性较差，A380和ZL702A的典型发动机用耐热铝合金的高温抗拉强度在150℃之后显著下降，就是因为主要耐热相CuAl2在高温下受应力作用快速粗化所致。因此，为了满足高功率密度发动机对铝合金高服役温度下高强度的要求，必须进行全新的合金设计，寻找新的具有优异热稳定性的复杂金属间化合物作为主要的耐热相。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服已有技术的缺点，提供一种铸造耐热铝合金及其制备工艺。本专利技术所述的一种铸造耐热铝合金，由铝、硅、铜、锰、锶组成，按重量百分比计，硅10.0-13.0％，铜3.0-4.5％，锰0.8-2.5％，锶0.02-0.03％，铝为余量，合金铸态下组织特征为：初生富锰相Al15Mn3Si2、Al15Mn3Si2+α-Al+Si三相共晶体、Al15Mn3Si2+α-Al+Si+θ(CuAl2)四相共晶体，富锰相Al15Mn3Si2体积分数为2.2-6.9％。本专利技术所述的耐热铝合金的制备工艺，包括以下步骤：第一步：将铝硅中间合金、紫铜、铝锰中间合金和结晶硅块加热熔化，形成硅元素的质量百分比在10.0～13.0％之间、铜元素的质量百分比在3.0～4.5％、锰元素的质量百分比在0.8～2.5％之间的合金熔体；第二步：将合金熔体加热至710～730℃时加入熔体质量0.06％的六氯乙烷进行精炼，静置10分钟后，加入Al、Sr质量比为9:1的Al-Sr中间合金进行变质处理，保温30分钟，进行化学成分测定，使得加入Al-Sr中间合金后的合金熔体中锶Sr的质量百分数含量为0.02-0.03％；第三步：随后进行真空静置30-60分钟，再加热至710～730℃后浇入到金属模具中，凝固并在合金中形成初生富锰相Al15Mn3Si2、Al15Mn3Si2+α-Al+Si的三相共晶体及Al15Mn3Si2+α-Al+Si+θ(CuAl2)的四相共晶体，最终得到含有初生富锰相Al15Mn3Si2、Al15Mn3Si2+α-Al+Si的三相共晶体及Al15Mn3Si2+α-Al+Si+θ(CuAl2)的四相共晶体的耐热铝合金铸锭。本专利技术的有益效果：这种耐热铝合金材料是以传统的低成本铸造系铝硅合金作为基本合金，通过添加微量Sr进行变质处理、添加Cu、Mn形成一种耐热性更加好的富锰相作为主要耐热相来制备本专利技术中的合金。与亚共晶类Al-Si-Cu-Mg合金相比，本合金具有更高的耐热温度、铸造性能优异，热裂倾向小，能达到预期效果。本专利技术将Mn添加到Al-Si系铸造合金中，一部分会固溶至α-Al中起固溶强化作用，另一部分Mn和其它合金元素共同形成富锰强化相。从合金化提高耐热性来看，本专利技术合金在含铁量相对较低(小于0.2wt.％)的情况下，添加Cu和价格更加便宜的Mn，形成一种新型的富锰相(Al15Mn3Si2)作为主要的耐热相，大大提高了合金的耐热温度。而添加10.0-13.0wt.％的Si又能保证合金具有优异的流动性能和低的热裂倾向，从而保证了生产实践中对铸造性能的要求。1.本专利技术的近共晶铝硅合金中引入了一种具有优良耐热性能的富锰相(Al15Mn3Si2)，大大提高了合金的耐热性。本专利技术合金合金铸态组织本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铸造耐热铝合金，由铝、硅、铜、锰、锶组成，其特征是：按重量百分比计，硅10.0‑13.0％，铜3.0‑4.5％，锰0.8‑2.5％，锶0.02‑0.03％，铝为余量，合金铸态下组织特征为：初生富锰相Al15Mn3Si2、Al15Mn3Si2+α‑Al+Si三相共晶体、Al15Mn3Si2+α‑Al+Si+θ(CuAl2)四相共晶体，富锰相Al15Mn3Si2体积分数为2.2‑6.9％。

【技术特征摘要】
1.一种铸造耐热铝合金，由铝、硅、铜、锰、锶组成，其特征是：按重量
百分比计，硅10.0-13.0％，铜3.0-4.5％，锰0.8-2.5％，锶0.02-0.03％，铝为余量，
合金铸态下组织特征为：初生富锰相Al15Mn3Si2、Al15Mn3Si2+α-Al+Si三相共晶
体、Al15Mn3Si2+α-Al+Si+θ(CuAl2)四相共晶体，富锰相Al15Mn3Si2体积分数为
2.2-6.9％。
2.如权利要求1所述的铸造耐热铝合金，其特征在于，富锰相Al15Mn3Si2，
为所述铸造耐热铝合金中最重要的耐热相。
3.一种权利要求1所述耐热铝合金的制备工艺，其特征在于，包括以下步
骤：
第一步：将铝硅中间合金、紫铜、铝锰中间合金和结晶硅块加热熔化，形成
硅元素的质量百分比在10.0～13.0％之间、铜元素的质量百分比在3.0～4.5％、
锰元素的质量百分比在0.8～2.5％之间的合金熔体；
第二步：将合金熔体加热至710～730℃时加入熔体质量0.06％的六氯...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖恒成，胡以云，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32