新型高强韧耐热铝硅铸造合金制造技术

本发明专利技术公开了一种新型高强韧耐热铝硅铸造合金，铝硅合金的组成元素的质量百分数含量为：Si 11.5～13.5％、Cu 3.0～5.2％、Mg 0.3～1.2％、Ni 2.0～3.5％、Fe 0.1～0.55％、Mn 0.2～0.8％、Zr 0.05～0.6％、V 0.05～0.6％，余量为Al、附带的元素和不可避免的杂质。发明专利技术合金还可以添加附带的合金化元素Co、Cr、Mo及附带的微合金化元素Er、Hf、Nb、Ta、Nd、Sc、Ti等中的一种或多种。合理配比的本发明专利技术合金，在350℃温度下可获得不低于110MPa的抗拉强度及不低于5％的断后伸长率，可满足特定条件下动力机械部件轻量化的技术要求。部件轻量化的技术要求。

【技术实现步骤摘要】
新型高强韧耐热铝硅铸造合金


[0001]本专利技术属于金属材料领域，特别涉及一种可以用于高温环境服役的高强韧热强型铝硅铸造合金材料


技术介绍

[0002]被广泛地用于制造发动机活塞的铝硅合金，其性能的优劣直接影响柴油发动机的输出性能和可靠性。
[0003]伴随着环境压力的增加，各类发动机排放的标准越来越高，也越来越严苛，促使各类发动机向高功率密度、高速化和低排放方向的发展，活塞承受的燃烧压力和工作温度越来越高，对制造活塞的铝硅合金的高温性能要求也水涨船高。现广泛使用的Al-Si系列合金材料在350℃及以上温度下的性能难以充分满足新型发动机的使用要求。
[0004]为提高铝硅合金的高温性能，国内外已进行了大量研究，以期调整优化铝硅合金中的Cu、Ni含量及添加Zr、Ti、V、Co和稀土元素等提高合金的高温性能。美国专利文献US5996471公开了一种含V的Al-Si-Cu-Mg的活塞铝合金 (Cu2～5，Si13～16，Mn0.2～1.3，Ni1.0～2.5，V0.05～0.2，P0.004～0.02)，具有良好的高温强度和耐磨性，其300℃的拉伸强度不低于90MPa、屈服强度不低于 70MPa。专利文献CN101117679A公开了一种高性能铝硅活塞合金材料，其成分为：Si12-13％，Cu2.5-4％，Ni1.7-3％，Mg0.5-1.2％，Mn0.1-0.2％，V0.15-0.5％， Ti0.23-0.6％，∑Re0.15-0.25％，Zn≤0.05％，Fe≤0.7％，其余为Al。铝硅合金的室温拉伸强度不低于230MPa、300℃的拉伸强度不低于100MPa、360℃的拉伸强度不低于80MPa。
[0005]为了进一步提高铝硅铸造合金的高温性能及耐磨性，近年来开发了高硅含量铝合金活塞及陶瓷增强的铝基复合材料。美国专利文献US6399020B1公布了一种高铜含量的高强耐热铝硅铸造合金，其成分为：Si 11～14％、Cu 5.6～8％、 Ni 0.05～0.9％、Mg 0.5～1.5％、Fe 0～0.8％、Mn 0～1.0％、Ti 0.05～1.2％、Zr0.12～1.2％、V 0.05～1.2％、Zn 0.05～0.9％，余量为Al。专利技术合金在370℃持续暴露100小时后的抗拉强度高达103MPa。美国专利文献US6592687B1公布了另一种高硅高铜含量的高强耐热铝硅铸造合金，其成分为：Si 14～25％、Cu 5.5～8％、 Ni 0.05～0.9％、Mg 0.5～1.5％、Fe 0.05～1.2％、Mn 0.05～1.0％、Ti 0.05～1.2％、Zr0.05～1.2％、V 0.05～1.2％、Zn 0.05～0.9％，余量为Al。专利技术合金在370℃持续暴露100小时后的抗拉强度高达110MPa。
[0006]中国专利文献CN1257299C公开了一种用于活塞制造的铝基复合材料，该铝基复合材料由基体合金和增强相组成，基体合金包括硅、铜、镍、镁、钛、铝元素，其特征是基体合金各组分的质量百分比为：Si9～16％、Cu0.5～2.5％、 Ni0.5～2.0％、Mg0.2～1.5％、Ti0.2～2.0％，其余为铝；增强相为原位反应生成Al2O3和TiC粒子。该复合材料的性能良好，其室温强度为240～300Mpa，300℃时高温强度为120～140Mpa，远大于常规活塞铝合金的高温强度(70～80MPa)，同时该复合材料活塞具有良好的体积稳定性。
[0007]专利文献CN108796316A公开了一种原位TiB2增强铝硅合金活塞材料及其制备方
法。该材料具有良好的高温强度和较低的线膨胀系数。但TiB2增强相的密度为4.52g/cm3，远大于铝熔体密度(约2.4g/cm3)，铝合金熔体中大于0.2-0.5 微米TiB2增强颗粒短时间内就会发生快速沉降聚集，导致该类材料难以在生产现场实现量产，同时凝固过程中长针状的TiB2相与凝固所产生的枝晶相互搭接，阻碍铝合金熔体的流动，增大凝固补缩困难，极易在毛坯中形成大量的缩松和缩孔，降低材料的致密度，恶化铸件的性能。
[0008]专利文献CN109735748A公布了一种耐热铸造铝合金活塞材料及其制备方法，该种耐热铸造铝合金活塞材料，各组分的质量百分比含量为：Si 13％～18％、 Cu 4.0％～6.0％、Ni 2.5％～3.5％、Mg 0.6％～1.2％、Cr 0.2％～0.5％、Er 0.1％～0.3％、Zr 0.1％～0.5％、Ti 0.1％～0.2％、V 0.05％～0.2％、杂质元素≤0.3％、余量为Al。该种铝合金活塞材料采用挤压铸造方式，能缩小初晶硅尺寸以及增强耐热性能。该专利技术合金经过T6处理后，室温抗拉强度和延伸率分别达到361MPa 和1％，350℃时的抗拉强度和断后延伸率分别为95MPa和8.5％。该拉伸强度满足了某些活塞对力学性能的特定需求，但挤压铸造方式限制了其规模化量产。
[0009]结合铝硅铸造合金的研发现状，目前缺乏一种适合于现有设备、能规模化生产的且350℃以上温度的抗拉强度不低于95MPa或更高强度的铸造铝硅合金。

技术实现思路

[0010]本专利技术首先提供了一种耐热高强度铸造铝硅合金材料，对于所专利技术铝硅合金，适用于金属型重力铸造技术制备相关轻量化部件。
[0011]为实现上述目的，本专利技术的技术解决方案如下：本专利技术提供一种适合于高温环境下工作的耐热高强度铝硅铸造合金材料，该铝硅合金主要包含(质量百分数，以下同)：Si 11.5～13.5％、Cu 3.0～5.2％、Mg 0.3～1.2％、Ni 2.0～3.5％、 Fe 0.1～0.55％、Mn 0.2～0.8％、Zr 0.05～0.6％、V 0.05～0.6％，余量为Al、附带的元素和不可避免的杂质。
[0012]本专利技术的第一优选方案为：所述的铝硅合金主要包含：Si 11.5～13.2％、Cu 3.2～5.0％、Mg 0.3～1.1％、Ni 2.1～3.3％、Fe 0.15～0.5％、Mn 0.25～0.75％、Zr 0.10～0.6％、V 0.1～0.6％，余量为Al、附带的元素和不可避免的杂质。
[0013]本专利技术的第二优选方案为：所述铝硅合金中还可以含有选自附带的合金化元素Co、Cr、Mo中的至少一种，所述的附带合金化元素的单一添加量介于 0.2～0.5％，附带合金化元素的添加总量满足Fe+2(Co+Mn)+3(Cr+Mo)≤2.5。
[0014]本专利技术的第三优选方案为：所述铝硅合金中还可以含有选自附带的微合金化元素Er、Hf、Nb、Ta、Nd、Sc、Ti等中的至少一种，所述的附带微合金化元素的单一添加量为0.05～0.3％，附带微合金化元素的添加总量满足0.15％≤(Er+ Hf+Nb+Ta+Nd+Sc+Ti)wt％≤0.75％。
[0015]本专利技术的第四优选方案，所述铝硅合金中的Zr和V应满足0.25≤V/Zr≤3.5，此时所析出的AlZrV相具有较高的稳定性，从而获得较稳定的高温强化效果。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型高强韧耐热铝硅铸造合金，其基础成分组成及范围为(质量百分数，以下同)：Si 11.5～13.5％、Cu 3.0～5.2％、Mg 0.3～1.2％、Ni 2.0～3.5％、Fe 0.1～0.55％、Mn 0.2～0.8％、Zr 0.05～0.6％、V 0.05～0.6％，余量为Al、附带的元素和不可避免的杂质。2.根据权利要求1所述的新型高强韧耐热铝硅铸造合金，其特征在于，所述的新型高强韧耐热铝硅铸造合金优选成分为：Si 11.5～13.2％、Cu 3.2～5.0％、Mg 0.3～1.1％、Ni 2.1～3.3％、Fe 0.15～0.5％、Mn 0.25～0.75％、Zr 0.1～0.6％、V 0.1～0.6％，余量为Al、附带的元素和不可避免的杂质。3.根据权利要求1所述的新型高强韧耐热铝硅铸造合金，其特征在于，所述铝硅合金还可以进一步添加附带合金化元素Co、Cr、Mo，单个附带元素的添加量介于0.2～0.5％；无论单个附带元素的进...

【专利技术属性】
技术研发人员：ꢀ五一IntClC二二C二一零二，
申请(专利权)人：济南科为达新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：