CN1718808A - 高强耐热铝合金 - Google Patents

Abstract

一种新型高强耐热铝合金，针对现有铝合金强度不高、耐热性和耐磨性差、尺寸稳定性低的问题，本发明提供一种可在350℃～400℃长期使用的高强耐热铝合金。该高强耐热铝合金中各组分的重量百分比(wt％)为：Si 6.5～17.5、Cu 2.5～5.0、Ni 1.0～3.0、Mn 0.4～1.0、Mg 0.4～1.2、Ti 0.1～1.0、B 0.02～0.2、Zr 0.1～1.0、Cd 0.1～0.6、P 0.005～0.05、其余为铝，Si/Mg为10～20，Cu/Mg为4～13。该合金包括分布均匀L1₂晶体结构的Al₃X颗粒和hcc晶体结构的TiB₂，它们的点阵参数与铝基体的共格，高温稳定性好，在合金中起到晶粒细化和高温强化的作用。本发明的合金可以用低成本的铸造工艺直接浇注零件，也可以作为复合材料的基体材料运用。

Description

高强耐热铝合金

技术领域

本发明涉及金属材料，特别是涉及高温使用的铸造铝-硅合金，具体就是高强而热铝合金。

背景技术

铝合金是较轻的金属结构材料，其比强度、比模量高，机械加工性能优良，有较好的耐蚀性能，优良的减振性能和切削加工性能，并能承受一定的冲击震动负荷，采用铝合金可以降低产品的自重，减少加工能量，降低能源消耗，因而铝合金广泛地应用于飞机、汽车、摩托车等行业。

铝-硅合金是应用最广泛的铝合金，在汽车工业中占铝合金铸件的85％～90％。依据硅含量的不同，可以分为：亚共晶铝-硅合金(＜12wt％Si)、共晶铝-硅合金(12～13wt％Si)、共晶铝-硅合金(＞12wt％Si)。然而，普通的铝-硅合金由于高温力学性能差(特别是高温拉伸性能和疲劳性能差)，致使大部分铝-硅合金在260～380℃的性能达不到所需的要求。现在，铝-硅合金的应用温度范围不超过250℃，高于250℃时，合金中的主要增强相将变得不稳定，快速软化和溶解，造成合金的力学性能急剧降低。因此，这种合金在高于300℃下没有实际用途。

为了提高材料的高温性能，在现有技术中有两种解决方法：

一种是晶须或颗粒增强铝-硅合金。这种方法就是铝基复合材料(MMC)工艺，例如：美国专利5620791用陶瓷颗粒增强铝-硅复合材料制备高温零件如刹车盘。Bowles等人在《Manufacturing Engineering》1987年第五期“金属基复合材料活塞的制备”报道了用陶瓷晶须增强铝-硅332合金，提高铝-硅合金的高温强度。Shakesheff等人在《Materials Science Forum》217-222卷1133～1138页“颗粒增强铝基复合材料的高温行为”报道了用颗粒增强铝-硅合金。P.Rohatgi在《Journal of Matals》1991年第4期“汽车用金属基复合材料”报道了金属基复合材料活塞。所用的这些报道的材料的高温性能有所改善，但还不能满足高温长时间工作对零件的要求，其原因主要还是增强相在高温下的不稳定性。

另一种是陶瓷基复合材料。W.Kowbel在《Journal ofAdvanced Materials》1996年第7期“碳-碳复合材料在发动机上的应用”报道了用非金属碳-碳制备高温活塞。但是金属基复合材料和陶瓷复合材料的生产成本远远高于普通铝-硅合金，致使该工艺在实际生产中很难大规模应用。

1994年02期的《热加工工艺》刊有杨留栓、倪峰等撰写的“铝硅钛多元合金在柴油机活塞中的应用”一文，该文中的合金没有共格增强相Al3X，工作温度也低于300℃。

孙海亭在《小型内燃机》1998年第05期发表了“高温强度和耐磨性优良的粉末冶金铝合金活塞”一文，该文中报道的材料均采用成本高的粉末冶金成型，难于工业化生产。

发明人为李秉哲、王汝耀等人的中国专利8 5108934披露了“一种铝硅铜镁镧钛活塞合金”，该发明同样没有Al₃X共格增强相。发明人为王健农、肖代红等人，中国专利公开公告号为1556236的发明是“钛合金化的Al-Cu-Ag系高强耐热铝合金”，虽然名称中也有高强耐热铝合金，但其合金成分与本发明相差很远，成份中无硅，是铝-铜合金，成份中还含有银，因而其成本也是较高的，更重要的是该合金的稳定工作稳定最高处在300℃。

经在现有的信息系统和网络中检索，尚未发现有与本发明的合金材料和性能完全相同的文献报道。

发明内容

本发明的目的是要克服现有技术和现有铝-硅合金固有的缺点，有效提高材料的高温机械性能，开发一种低成本、耐磨性强、尺寸稳定性高、易于工业化生产、可在350℃长期使用的高强耐热铝合金。

本发明的实现是：该高强耐热铝合金，按重量百分比(wt％)该合金的化学成分为：

               Si    6.5～17.5

               Cu    2.5～5.0

               Ni    1.0～3.0

               Mn    0.4～1.0

               Mg    0.4～1.2

               Ti    0.1～1.0

                B     0.02～0.2

                Zr    0.1～1.0

                Cd    0.1～0.6

                P     0.005～0.05

                Al    余量

Si/Mg为10～20，Cu/Mg为4～13，合金的金相组织中包括α-Al固溶体、硅相和多种耐热颗粒相。

本发明为铝-硅合金，并在基体铝中加入了微量元素，采用了来源广泛，价格低的铜、镍、硅、锰、镁、钛、硼的添加反应物，采用普通铝-硅合金的熔炼方式制备成一种新的高强耐热的铝合金材料，在其金相组织中包括α-Al固溶体、硅相和耐热颗粒相。其力学性能优良，组织细小，强度、塑性和冲击韧性都得到提高，工艺简单，易于工业化生产。

本发明的实现还在于：该高强耐热铝合金，合金的α-Al固溶体中包括Ll₂晶体结构的Al₃X颗粒和hcc晶体结构的TiB₂颗粒，它们的点阵参数与铝基体的共格，在合金中均匀分布，尺寸在50～150nm。正是因为本发明的增强相具有高温稳定性，并与α-Al周溶体具有点阵共格关系，使材料的高温机械性能得到提高。

本发明的实现还在于：该高强耐热铝合金，合金的金相组织中的耐热颗粒相有三种耐热颗粒相，具体为θ’相(CuAl₂)、S’相(Al₂CuMg)、T相(Al₃(CuNi)₂)，在合金中均匀分布，尺寸在0.2～3μm。耐热颗粒相是铝合金高温性能的关键因素，多种耐热颗粒相即θ’相(CuAl₂)、S’相(Al₂CuMg)、T相(Al₃(CuNi)₂)的组合作用，尺寸细小以及在合金材料中的均匀分布，使得材料在高温下有良好的拉伸性能。

本发明的实现还在于在该高强耐热铝合金中，Ll₂晶体结构的Al₃X颗粒，X为Ti、Zr、Ni。Al₃X的高温增强作用和细化作用，材料整体的耐磨性强、尺寸稳定性高也有了良好的组织结构基础。

本发明高强耐热合金，不仅可以用于制备需要耐高温和耐磨损的零件，如活塞、缸体、缸盖、连杆，还可以作为基体材料制备金属基复合材料，也就是说，该合金可以作为制备金属基复合材料的基体材料，采用该高强耐热合金作为基体材料制备金属基复合材料的具体步骤为：

一.根据权利要求1的成分配比，将工业纯铝、纯镁、结晶Si、电解镍Ni、电解铜Cu、钛Ti、锰Mn或Al-Si、Al-Cu、Al-Ti、Al-Mn、Al-Ni中间合金在坩埚炉内熔配，变质、静止、浇注，制成本发明高强耐热铝合金；

二.重熔后精炼，用复合材料的制备工艺加入增强物；

三.再次精炼，浇注零件。

通过大量的实验和分析，本发明形成了高强耐热铝合金的组分构成和含量配比，在合金中具有大量的高温稳定相和hcc晶体结构的TiB₂颗粒。使本发明的增强相具有高温稳定性，并与α-Al固溶体具有点阵共格关系，从而解决了铝合金在高温状态下的性能稳定性问题，使材料的高温机械性能得到提高。同时本发明还具有低成本、耐磨性强、尺寸稳定性高、易于工业化生产等优点，可在350～400℃长期使用的高强耐热铝合金。

附图说明：

图1：本发明实施例1合金的热处理态金相组织照片；

图2：本发明实施例1合金的铸态金相组织照片；

图3：本发明实施例2合金的铸态金相组织照片；

图4：本发明实施例3合金纳米相Al₃Ti的TEM形貌；

图5：本发明实施例3合金中纳米相TiB₂的TEM形貌；

图6：本发明实施例3合金纳米相TiB₂的衍射斑点及与基体铝共格关系照片；

图7是本发明实施例3合金中纳米相TiB₂与基体的共格关系照片；

图8是采用本发明作为金属基复合材料的基体材料制备的发动机零件。

具体实施方式：

下面结合附图进行详细说明

实施例1：

参见图1，采用合金冶炼法熔配本发明合金，其化学成分(wt％)如下：Si：14.5、Cu：2.7、Ni：1.5、Mn：0.7、Mg：0.6、Ti：0.1、Fe：0.3、B：0.08、Zr：0.04、Cd：0.2、P：0.03、其余为铝。将工业纯铝、纯镁、结晶Si、电解镍Ni、电解铜Cu、钛Ti、锰Mn或Al-Si、Al-Cu、Al-Ti、Al-Mn、Al-Ni中间合金在坩埚炉内熔配，经精炼、变质、静止后浇注零件。所得的材料的室温拉伸强度在320～380MPa，高温(350℃)拉伸强度在120～160MPa，是普通铝-硅合金高温强度的3～4倍。硬度比铝-硅基体合金合金50％，弹性模量比铝-硅基体合金提高40％。图1是该合金的热处理金相组织照片；

图2是该合金的铸态金相组织照片。

实施例2：

制备方法同实施例1，采用合金冶炼技术制备本发明合金。其化学成分(wt％)如下：Si：7.0、Cu：2..0、Ni：1.5、Mn：0.7、Mg：0.6、Ti：0.15、Fe：0.3、B：0.08、Zr：0.04、Cd：0.2、P：0.005、其余为铝，所得的材料的室温拉伸强度在320～400MPa，高温(350℃)拉伸强度在120～140MPa，硬度比铝-硅基体合金提高32％。图3是该合金的铸态金相组织照片

实施例3

制备方法同实施例1，采用合金冶炼技术制备本发明合金。其化学成分(wt％)如下：Si 7、Cu 2、Ni 0.5、Mn 0.2、Mg 0.6、Ti 0.08、Fe 0.3、B 0.02、Zr0.04、Cd 0.15、P 0.01、其余为铝，由于该合金包括分布均匀L1₂晶体结构的Al₃X颗粒(X为Ti、Zr、Ni)和hcc晶体结构的TiB₂，它们的点阵参数与铝基体的共格，高温稳定性好，在合金中起到晶粒细化和高温强化的作用。所得的材料的室温拉伸强度在340～410MPa，高温(350℃)拉伸强度在80～120MPa，硬度比铝-硅基体(相同硅含量的铝-硅二元合金)合金30％。图4是该合金中共格纳米相Al₃Ti的TEM形貌图；图5是该合金共格纳米相TiB₂的TEM形貌图，其尺寸为120纳米，图6是该合金纳米相TiB₂的衍射斑点，图7是该合金纳米相TiB₂与基体铝共格关系照片。

实施例4

本发明的合金可以用低成本的铸造工艺直接浇注零件，如：金属型铸造、砂型铸造、压力铸造等，也可以作为复合材料的基体材料运用。以本发明为基体合金用合金冶炼法和液态搅拌法制备的金属基复合材料的的具体步骤为：

一.基体合金的化学成分(wt％)如下：Si 14.5％、Cu 2.7、Ni 1.5、Mn 0.7、Mg 0.6、Ti 0.1、Fe 0.3、B 0.08、Zr 0.04、Cd 0.2、P 0.03、其余为铝。将工业纯铝、纯镁、结晶Si、电解镍Ni、电解铜Cu、钛Ti、锰Mn或Al-Si、Al-Cu、Al-Ti、Al-Mn、Al-Ni中间合金在坩埚炉内熔配，经变质、静止后浇注，制成本发明高强耐热铝合金；

二.重熔后精炼，用液态搅拌法加入5％的SiC颗粒；

三.再次精炼，浇注大功率发动机活塞。所得的该材料的室温拉伸强度在300～340Mpa，比ZL109提高了30％；高温拉伸强度在100～120MPa，比ZL109提高了30％；其硬度比ZL109提高近一倍，弹性模量比ZL109提高40％，磨损性能比ZL109提高70％。采用本发明作基体合金制备的大功率发动机活塞可在350℃长期使用。参见图8。

Claims (5)

1.一种高强耐热铝合金，按重量百分比(wt％)该合金的化学成分为：

        Si                6.5～17.5

        Cu                2.5～5.0

        Ni                1.0～3.0

        Mn                0.4～1.0

        Mg                0.4～1.2

        Ti                0.1～1.0

        B                 0.02～0.2

        Zr                0.1～1.0

        Cd                0.1～0.6

        P                 0.005～0.05

        Al                余量

Si/Mg为10～20，Cu/Mg为4～13，合金的金相组织中包括α-Al固溶体、硅相和多种耐热颗粒相。

2.根据权利要求1所述的高强耐热合金，其特征在于：合金的α-Al固溶体中包括Ll₂晶体结构的Al₃X颗粒和hcc晶体结构的TiB₂颗粒，它们的点阵参数与铝基体的共格，在合金中均匀分布，尺寸在50～150nm。

3.根据权利要求1所述的高强耐热合金，其特征在于：合金的金相组织中的耐热颗粒相是三种耐热颗粒相，具体为θ’相(CuAl₂)、S’相(Al₂CuMg)、T相(Al₃(CuNi)₂)，在合金中均匀分布，尺寸在0.2～3μm。

4.根据权利要求2所述的高强耐热合金，其特征在于：Ll₂晶体结构的Al₃X颗粒，X为Ti、Zr、Ni。

5.一种高强耐热合金，其特征在于：该合金可以作为制备金属基复合材料的基体材料，采用该高强耐热合金作为基体材料制备金属基复合材料的具体步骤为：

一.根据权利要求1的成份和配比，将工业纯铝、纯镁、结晶Si、电解镍Ni、电解铜Cu、钛Ti、锰Mn或Al-Si、Al-Cu、Al-Ti、Al-Mn、Al-Ni中间合金在坩埚炉内熔配，经变质、静止后浇注，制成本发明高强耐热铝合金；

二.重熔后精炼，用复合材料的制备工艺加入增强物；

三.再次精炼，浇注零件。

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