专利名称：：高强耐热过共晶铝硅合金及其制备方法
技术领域：
：本发明属于冶金
技术领域：
，特别涉及一种高强耐热过共晶铝硅合金及其制备方法。
背景技术：
：过共晶铝硅合金具有优异的低膨胀性能，高耐磨性和耐蚀性,较小的密度和良好的导热性，是制造发动机活塞较理想的材料。目前这类合金在使用过程中发现高温强度低下，从而导致使用温度低，已经成为大功率内燃机(活塞工作温度30(TC以上)使用Al-Si活塞合金的制约因素。要改善过共晶铝硅合金的高温强韧性能，除了对共晶Si、初晶Si进行细化、球化，还要获得具高温稳定性的弥散分布第二相，目前这方面的研究较少。
发明内容针对以上技术问题，本发明提供一种高强耐热过共晶铝硅合金及其制备方法，目的在于解决现有过共晶铝硅合金耐热性差，抗拉强度低的问题。本发明的高强耐热过共晶铝硅合金化学成分按重量百分比为硅17.0~19.0%，铜1.0~2.0%，镁0.3~0.7%，镍0.51肌铁0.51肌锰0.3~0.7%，锆0~0.4%，铈0~0.28%，镧00.12%，镨0~0.02%，铌0~0.08%，铬0,5~1.0%，钼0.3~0.7%，磷0.07~0.15%，杂质总和^0.5%，余量为铝。本发明的制备方法包括精炼和浇注，然后进行热处理或不进行热处理，按以下步骤进行(1)精炼将金属铝加热至720820'C成为液态，按设定的合金成分重量配比加入硅、铜、镍、铁、锰、锆、铬、铈、镧、镨、铌和钼，然后在金属熔池中加入金属铝，或者按设定的合金成分重量配比加入硅、铜、镍、铁、锰、锆、铬、铈、镧、镨、铌和钼与铝的合金，在72082(TC条件下将全部金属熔化为液态。将熔化后的金属熔液经一次精炼或二次精炼，其中一次精炼为将铝箔包裹的金属镁加入金属溶池中，通过搅拌使金属镁在溶池中全部熔化，在72078CTC条件下保温515min;再加入变质剂，搅拌至变质剂全部熔化，在720780'C条件下保温515min;然后加入铝精炼剂精炼或进行吹氩精炼，加入精炼剂精炼的步骤为加入铝精炼剂，在720780'C条件下保温1020min后撇渣，然后静置5-10min;进行吹氩精炼的步骤为在720780'C条件下向溶池中喷吹氩气，氩气流量为0.25~0.4m3/h，喷吹量按每吨金属熔液喷吹氩气3~4m3，喷吹后静置10~15min后撇渣，撇渣后再静置5~10min。二次精炼为向金属熔池中第一次加入铝精炼剂，在720820'C条件下保温5~15min后撇渣，将铝箔包裹的金属镁加入金属溶池中，通过搅拌至金属镁全部熔化，在720780'C条件下保温515min;再向溶池中加入变质剂，搅拌至变质剂全部熔化，在720780。C条件下保温3040min;第二次加入铝精炼剂，在720780。C条件下保温1020min后撇渣，然后静置510min。其中一次精炼中，铝精炼剂的加入量为合金总量的0.5~1.0wt%。二次精炼中，第一次加入铝精炼剂时，铝精炼剂的加入量为合金总量的0.51.0wt。/。，第二次加入铝精炼剂时，铝精炼剂的加入量为合金总量的0.3~0.8wt%。上述的变质剂为为铜磷合金，成分按重量百分比为含磷8~15%，余量为铜；变质剂的加入量是磷在产品中的重量含量，为0.07~0.15%。(2)浇注先将铸模预热至25(TC土10'C，然后将精炼后的金属溶液浇注成高强耐热过共晶铝硅合金铸坯；其化学成分按重量百分比为硅17.019.0%，铜1.0~2.0%,镁0.3~0.7%，镍0.5~1.0%，铁0,5~1.0%，锰0.3~0.7%，锆0~0.4%，铈0~0.28%，镧0~0.12%，镨0~0.02%，铌00.08%，铬0.51肌钼0.3~0.7%，磷0.07~0.15°/0，杂质总和^).5%,余量为铝。(3)热处理将铸坯加热至525土5'C,保温35h进行固溶，固溶后的铸坯在60~80°C的水中淬火，然后在175士2'C条件下保温至少10h。热处理步骤能够提高铝合金的力学性能。当浇注完成后获得的高强耐热过共晶铝硅合金铸坯的力学性能满足要求时，热处理步骤不再执行。本发明在过共晶Al-Si合金的基础上，通过添加Cu、Fe、Ni、Mg、Cr、Mo等合金元素，在合金中形成大量弥散分布的高温耐热相Al6Cu3Ni和AlSiMnCrFeMo,从而提高了合金的耐热性。本发明通过合金化方法增加了合金中耐热强化相的数量，并弥散均匀分布，使合金具有较高的强度及耐热性能。本发明的方法工艺简单，成本低，提高了过共晶A1-Si合金的耐热性，目前可广泛的用于航空、汽车等行业的轻质耐热零部件。本发明的过共晶Al-Si合金的高温力学性能(30(TC)均高于现有的国内外其它牌号的过共晶A1-Si活塞合金。图1为本发明实施例1中获得的高强耐热过共晶铝硅合金显微组织图，图中(a)低倍显微组织图，(b)高倍显微组织图。具体实施例方式本发明实施例中采用的铝、铜、锰、镍、铬、铁、锆、钼、镁为重量纯度99.9%以上的工业产品。本发明实施例中采用的硅为重量纯度97%以上的工业结晶硅。5本发明实施例中选用的铝精炼剂为市购VS-AJo2c铝精炼剂，主要成分为六氯乙垸。本发明的制备方法适用市场上任意铝精炼剂产品，不限于本发明实施例中选用的产品。本发明实施例中采用的铝硅合金、铝铜合金、铝镍合金、铝铬合金、铝铁合金、铝锰合金、铝锆合金、铝稀土合金、铝钼合金为工业产品，重量纯度不小于99%。实施例1将金属铝加热至72(TC成为液态，加入铝硅合金、铝铜合金、铝镍合金、铝铬合金、铝铁合金、铝锰合金、铝锆合金、铝稀土合金、铝钼合金，其中稀土成分占铝稀土合金重量的10%,稀土成分按重量百分比为铈占56%，镧占24%,镨占4%，铌占16%;在720'C条件下保温至全部金属熔化为液态，第一次加入铝精炼剂，在720'C条件下保温15min后撇渣，将铝箔包裹的金属镁用金属罩压入金属溶池中，通过搅拌至金属镁全部熔化，在72(TC条件下保温15min;向溶池中加入变质剂铜磷合金，搅拌至变质剂全部熔化，在720。C条件下保温40min。第二次加入铝精炼剂，在720'C条件下保温20min后撇渣，然后静置10min。其中变质剂铜磷合金的成分按重量百分比为含磷10%,余量为铜，变质剂的加入量是磷在产品中的重量含量，为0.10%;全部原料的加入量按设定成分加入。其中第一次加入铝精炼剂的加入量为铝精炼剂占全部物料的0.5wt%，第二次加入铝精炼剂的加入量为铝精炼剂占全部物料的0.3wt%。将铸模预热至250°C土1(TC，将精炼后的金属溶液浇注成高强耐热过共晶铝硅合金铸坯；其化学成分按重量百分比为硅18.2%，铜1.7%,镁0.6%，镍0.8%，铁0.7%，锰0.5%，锆0.2%,铈0.14%，镧0.06%，镨0.01%，铌0.04%,铬b.8%,钼0.6%，磷0.10%，杂质总和0.4%，余量为铝。将获得的铸坯在室温条件下和高温条件下分别进行拉伸试验，室温时平均抗拉强度((Tb)为234MPa，伸长率(S)为0.9%，按相同速率升温到300°C，在温度波动范围最小的情况下保温30分钟，然后进行拉伸试验，平均抗拉强度(cjb)为126MPa，伸长率(S)为2.4%。将获得的铸坯进行固溶热处理，热处理方法为将铸坯加热至525士5'C，保温5h固溶；然后将固溶后的铸坯在608(TC的水中淬火，再在175土2'C条件下保温llh。将热处理后的高强耐热过共晶铝硅合金在室温条件下和高温条件下分别进行拉伸试验，室温时平均^t拉强度(a)为278MPa，伸长率(S)为1.5%，按相同速率升温到300°C，在温度波动范围最小的情况下保温30分钟，然后进行拉伸试验，平均抗拉强度(a)为152MPa，伸长率(S)为3.0%。高强耐热过共晶铝硅合金的显微组织如图1所示，其力学性能明显由于国内外其它牌号的过共晶Al-Si活塞合金。部分国内外过共晶Al-Si活塞合金的高温力学性能(300°C)如表1所示<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>实施例2将金属铝加热至820。C成为液态，加入铝硅合金、铝铜合金、铝镍合金、铝铬合金、铝铁合金、铝锰合金、铝钼合金，在82(TC条件下保温至全部金属熔化为液态，第一次加入铝精炼剂，在820。C条件下保温lOmin后撇渣，将铝箔包裹的金属镁用金属罩压入金属溶池中，通过搅拌至金属镁全部熔化，在75(TC条件下保温10min;向溶池中加入变质剂铜磷合金，搅拌至变质剂全部熔化，在750'C条件下保温35min。第二次加入铝精炼剂，在75(TC条件下保温15min后撇渣，然后静置9min。其中变质剂铜磷合金的成分按重量百分比为含磷8%，余量为铜，变质剂的加入量是磷在产品中的重量含量，为0.07%;全部原料的加入量按设定成分加入。其中第一次加入铝精炼剂的加入量为合金总量的1.0wt%，第二次加入铝精炼剂的加入量为合金总量的0.8wt%。浇注方式同实施例1，高强耐热过共晶铝硅合金铸坯的化学成分按重量百分比为硅19%，铜1.0°/。，镁0.7%，镍0.5%，铁1.0°/。，锰0.3%，铬1.0%，钼0.3%，磷0.07%，杂质总和0.1%，余量为铝。实施例3将金属铝加热至78(TC成为液态，加入硅、铜、镍、铁、锰、锆、铬和钼，加入铝稀土合金，然后再加入金属铝将上述金属或合金覆盖，其中铝稀土合金中含稀土成分占铝稀土合金重量的10%，稀土成分中按重量百分比为铈占56%，镧占24%，镨占4%，铌占16%;在780°C条件下保温至全部金属熔化为液态，第一次加入铝精炼剂，在78(TC条件下保温5min后撇渣，将铝箔包裹的金属镁用金属罩压入金属溶池中，通过搅拌至金属镁全部熔化，在78(TC条件下保温5min;向溶池中加入变质剂铜磷合金，搅拌至变质剂全部熔化，在780。C条件下保温30min。第二次加入铝精炼剂，在780。C条件下保温10min后撇渣，然后静置5min。其中变质剂铜磷合金的成分按重量百分比为含磷15%，余量为铜，变质剂的加入量是磷在产品中的重量含量，为0.15%;全部原料的加入量按设定成分加入。其中第一次加入铝精炼剂的加入量为合金总量的0.8wt%，第二次加入铝精炼剂的加入量为合金总量的0.5wt%。浇注方式同实施例1,获得的高强耐热过共晶铝硅合金铸坯化学成分按重量百分比为硅17%，铜2%，镁0.3%，镍1.0%，铁0.5%，锰0.7%，锆0.4%，铈0.28%,镧0.12°/o，镨0.02%，铌0.08%,铬0.5%，钼0.7%，磷0.15%，杂质总和0.5%，余量为铝。将获得的铸坯进行固溶热处理，热处理方法为将铸坯加热至525±5"，保温3h固溶；然后将铸坯在6080'C的水中淬火，再在175士2'C条件下保温10h。实施例4将金属铝加热至780'C成为液态，加入铝硅合金、铝铜合金、铝镍合金、铝铬合金、铝铁合金、铝锰合金、铝锆合金、铝稀土合金、铝钼合金，其中铝稀土合金中含稀土成分占铝稀土合金重量的10%，稀土成分中按重量百分比为铈占56%，镧占24%，镨占4%，铌占16%;将铝箔包裹的金属镁用金属罩压入金属溶池中，通过搅拌使金属镁在溶池中全部熔化，在780'C条件下保温5min;加入变质剂，搅拌至变质剂全部熔化，在78(TC条件下保温5min。在金属熔池中加入铝精炼剂，在78(TC条件下保温10min后撇渣，然后静置5min。其中变质剂为铜磷合金，成分按重量百分比为含磷10%，余量为铜；变质剂的加入量是磷在产品中的重量含量，为0.10%;铝稀土合金中的稀土成分为铈、镧、镨和铌，全部原料的加入量按设定成分加入。铝精炼剂的加入量为合金总量的0.5wt%。浇注方式同实施例1，获得的高强耐热过共晶铝硅合金铸坯化学成分按重量百分比为硅18%，铜1.4%,镁0.6%,镍0.8%，铁0.9%，锰0.4%，锆0.1%,铈0.14%，镧0.06%,镨0.01%，铌0.04°/。，铬0.6%，钜0.6%，磷0.10%，杂质总和0.5%，余量为铝。将获得的铸坯进行固溶热处理，热处理方法为将铸坯加热至525士5。C，保温4h固溶；然后将铸坯在6080。C的水中淬火，再在175士2。C条件下保温10h。实施例5将金属铝加热至820'C成为液态，加入铝硅合金、铝铜合金、铝镍合金、铝铁合金、铝锰合金、铝稀土合金、铝钼合金，其中铝稀土合金中含稀土成分占铝稀土合金重量的10%,稀土成分中按重量百分比为铈占56%,镧占24%，镨占4%，铌占16%;将铝箔包裹的金属镁用金属罩压入金属溶池中，通过搅拌使金属镁在溶池中全部熔化，在76(TC条件下保温10min;加入变质剂，搅拌至变质剂全部熔化，在760'C条件下保温10min。在金属熔池中加入铝精炼剂，在760'C条件下保温15min后撇渣，然后静置6min。其中变质剂为铜磷合金，成分按重量百分比为含磷7%，余量为铜；变质剂的加入量是磷在产品中的重量含量，为0.07%;铝稀土合金中的稀土成分为铈、镧、镨和铌，全部原料的加入量按设定成分加入。铝精炼剂的加入量为合金总量的0.3wt%。浇注方式同实施例1，获得的高强耐热过共晶铝硅合金铸坯化学成分按重量百分比为硅17%，铜1.1%，镁0.7%，镍0.5%，铁1.0%，锰0.3%，铈0.28%，镧0.12%,镨0.02%，铌0.08%，钼0.3%，磷0.07%，杂质总和0.4%，余量为铝。将获得的铸坯进行固溶热处理，热处理方法为将铸坯加热至525士5'C,保温3h固溶；然后将铸坯在608(TC的水中淬火，再在175士2'C条件下保温10h。实施例6将金属铝加热至720'C成为液态，加入铝硅合金、铝铜合金、铝镍合金、铝铬合金、铝铁合金、铝锰合金、铝锆合金、铝钼合金，将铝箔包裹的金属镁用金属罩压入金属溶池中，通过搅拌使金属镁在溶池中全部熔化，在720'C条件下保温5min;加入变质剂，搅拌至变质剂全部熔化，在720'C条件下保温5min。在金属熔池中加入铝精炼剂,在72(TC条件下保温10min后撇渣，然后静置5min。其中变质剂为铜磷合金，成分按重量百分比为含磷15%，余量为铜；变质剂的加入量是磷在产品中的重量含量，为0.15%;全部原料的加入量按设定成分加入。铝精炼剂的加入量为合金总量的0.8wt%。浇注方式同实施例1，获得的高强耐热过共晶铝硅合金铸坯化学成分按重量百分比为硅19%，铜1.9%，镁0.3%，镍1.0%，铁0.5%，锰0.7%，锆0.4%，铬0.5%，钼0.7%，磷0.15%，杂质总和0.4%,余量为铝。将获得的铸坯进行固溶热处理，热处理方法为将铸坯加热至525士5'C,保温5h固溶；然后将铸坯在6080'C的水中淬火，再在175土2。C条件下保温10h。实施例7将金属铝加热至79(TC成为液态，加入铝硅合金、铝铜合金、铝镍合金、铝铬合金、铝铁合金、铝锰合金、铝锆合金、铝稀土合金、铝钼合金，铝稀土合金成分同实施例4;将铝箔包裹的金属镁用金属罩压入金属溶池中，通过搅拌使金属镁在溶池中全部熔化，在760'C条件下保温5min;加入变质剂，搅拌至变质剂全部熔化，在750。C条件下保温5min。向金属熔池中喷吹氩气，氩气流量为0.25m3/h，喷吹量按每吨金属熔液喷吹氩气3m3，喷吹后静置15min后撇渣，撇渣后静置10min。喷吹时金属熔液的温度为75(TC。变质剂的加入量是磷在产品中的重量含量，为0.15%。浇注方法同实施例4，获得高强耐热过共晶铝硅合金。热处理方法同实施例4。实施例8精炼方法同实施例7,不同点在于向金属熔池中喷吹氩气时，氩气流量为0.4m3/h，喷吹量按每吨金属熔液喷吹氩气4m3，喷吹后静置10min后撇渣，撇渣后静置5min。浇注方法同实施例4，获得高强耐热过共晶铝硅合金。热处理方法同实施例4。实施例9精炼方法同实施例7，不同点在于向金属熔池中喷吹氩气时，氩气流量为0.3m3/h，喷吹量按每吨金属熔液喷吹氩气3.5m3，喷吹后静置12min后撇渣，撇渣后静置8min。浇注方法同实施例4，获得高强耐热过共晶铝硅合金。热处理方法同实施例4。权利要求1、一种高强耐热过共晶铝硅合金，其特征在于该合金的化学成分按重量百分比为硅17.0～19.0％，铜1.0～2.0％，镁0.3～0.7％，镍0.5～1.0％，铁0.5～1.0％，锰0.3～0.7％，锆0～0.4％，铈0～0.28％，镧0～0.12％，镨0～0.02％，铌0～0.08％，铬0.5～1.0％，钼0.3～0.7％，磷0.07～0.15％，杂质总和≤0.5％，余量为铝。2、权利要求1所述的一种高强耐热过共晶铝硅合金的制备方法，包括精炼、浇注和热处理，其特征在于按以下步骤进行(1)精炼将金属铝加热至720820'C成为液态，按设定的合金成分重量配比加入硅、铜、镍、铁、锰、锆、铬、铈、镧、镨、铌和钼，然后在金属熔池中加入金属铝，或者按设定的合金成分重量配比加入硅、铜、镍、铁、锰、锆、铬、铈、镧、镨、铌和钼与铝的合金，在720820'C条件下将全部金属熔化为液态；将熔化后的金属熔液经一次精炼或二次精炼，所述的一次精炼是将铝箔包裹的金属镁加入金属溶池中，通过搅拌使金属镁在溶池中全部熔化，在720780。C条件下保温515min;加入变质剂，搅拌至变质剂全部熔化，在72078(TC条件下保温515min;然后加入铝精炼剂精炼或进行吹氩精炼，加入精炼剂精炼是加入铝精炼剂，在720780'C条件下保温1020min后撇渣，然后静置510min;进行吹氩精炼是在720780"C条件下向溶池中喷吹氩气，氩气流量为0.25~0.4m3/h，喷吹量按每吨金属熔液喷吹氩气3~4m3，喷吹后静置1015min后撇渣，撇渣后静置510min;所述的二次精炼是向金属熔池中第一次加入铝精炼剂，在72082(TC条件下保温515min后撇渣，将铝箔包裹的金属镁加入金属溶池中，通过搅拌至金属镁全部熔化，在72078(TC条件下保温515min;向溶池中加入变质剂，搅拌至变质剂全部熔化，在720780'C条件下保温3040min;第二次加入铝精炼剂，在720780'C条件下保温1020miti后撇渣，然后静置510min;(2)浇注将精炼后的金属熔液浇注成铸坯；(3)热处理将铸坯加热至525±5。C，保温35h进行固溶，固溶后的铸坯在608(TC的水中淬火，然后在175士2'C条件下保温至少10h。3、权利要求1所述的一种高强耐热过共晶铝硅合金的制备方法，包括精炼和浇注，其特征在于按以下步骤进行(1)精炼将金属铝加热至72082(TC成为液态，按设定的合金成分重量配比加入硅、铜、镍、铁、锰、锆、铬、铈、镧、镨、铌和钼，然后在金属熔池中加入金属铝，或者按设定的合金成分重量配比加入硅、铜、镍、铁、锰、锆、铬、铈、镧、镨、铌和钼与铝的合金，在72082(TC条件下将全部金属熔化为液态；将熔化后的金属熔液经一次精炼或二次精炼，所述的一次精炼是将铝箔包裹的金属镁加入金属溶池中，通过搅拌使金属镁在溶池中全部熔化，在720780'C条件下保温515min;加入变质剂，搅拌至变质剂全部熔化，在72078(TC条件下保温515min;然后加入铝精炼剂精炼或进行吹氩精炼，加入精炼剂精炼是加入铝精炼剂，在72078(TC条件下保温10~20min后撇渣，然后静置5-10min;进行吹氩精炼是在72078(TC条件下向溶池中喷吹氩气，氩气流量为0.25~0.4m3/h，喷吹量按每吨金属熔液喷吹氩气3~4m3，喷吹后静置1015min后撇渣，撇渣后静置510min;所述的二次精炼是向金属熔池中第一次加入铝精炼剂，在72082(TC条件下保温515min后撇渣，将铝箔包裹的金属镁加入金属溶池中，通过搅拌至金属镁全部熔化，在720780'C条件下保温515min;向溶池中加入变质剂，搅拌至变质剂全部熔化，在72078(TC条件下保温3040min;第二次加入铝精炼剂，在72078(TC条件下保温10~20min后撇渣，然后静置510min;(2)浇注将精炼后的金属熔液浇注成铸坯。4、根据权利要求2或3所述的一种高强耐热过共晶铝硅合金的制备方法，其特征在于所述的变质剂为铜磷合金，成分按重量百分比为含磷8~15%，余量为铜；变质剂的加入量是磷在合金产品中的重量含量，为0.07~0.15%。5、根据权利要求2或3所述的一种高强耐热过共晶铝硅合金的制备方法，其特征在于所述的一次精炼中，铝精炼剂的加入量为合金总量的0.5~1.0wt%。6、根据权利要求2或3所述的一种高强耐热过共晶铝硅合金的制备方法，其特征在于所述的二次精炼中，第一次加入铝精炼剂时，铝精炼剂的加入量为合金总量的0.51.0wt。/。，第二次加入铝精炼剂时，铝精炼剂的加入量为合金总量的0.3~0.8wt%。7、根据权利要求2或3所述的一种高强耐热过共晶铝硅合金的制备方法，其特征在于所述的浇注步骤中先将铸模预热至250°C±10°C，然后将精炼后的金属溶液浇注成铝硅合金铸坯。全文摘要一种高强耐热过共晶铝硅合金，属于冶金
技术领域：
，其成分按重量百分比为硅17.0～19.0％，铜1.0～2.0％，镁0.3～0.7％，镍0.5～1.0％，铁0.5～1.0％，锰0.3～0.7％，锆0～0.4％，铈0～0.28％，镧0～0.12％，镨0～0.02％，铌0～0.08％，铬0.5～1.0％，钼0.3～0.7％，磷0.07～0.15％，杂质总和≤0.5％，余量为铝。制备方法为将铝加热熔化，加入其他金属，熔化，加入变质剂，加入精炼剂精炼或吹氩气精炼，然后进行浇注和热处理。本发明的方法工艺简单，成本低；本发明制备的过共晶Al-Si合金的高温力学性能均高于现有的国内外其它牌号的过共晶Al-Si活塞合金。文档编号C22C21/02GK101560620SQ20091001173公开日2009年10月21日申请日期2009年5月27日优先权日2009年5月27日发明者曲迎东,李润霞,李荣德,袁晓光,陈玉金申请人:沈阳工业大学