本发明涉及铝合金领域，且特别涉及一种用于制备发动机缸体的铝合金及其制备方法。
背景技术：
铝合金由于其密度小、比强度高，同时具有优异的铸造性能、耐腐蚀性能、可焊性及热膨胀性，可以用来生产形状复杂、薄壁、耐腐蚀、气密性要求高、承受中高静载荷或冲击载荷，以成为制造业中最受重视的结构材料之一。
随着汽车工业面临越来越严峻的能源、公害和安全三大问题的产生，故对节约能源、减少废气排放、降低噪音等问题的法规也在不断完善和严苛。汽车工业方面解决上述问题最有效的办法就是减轻汽车自身的质量，而减少汽车质量的主要途径是使汽车材料轻量化。铝合金在汽车的发动机、变速箱等零件制备的使用上也越来越多。
由于发动机的缸体要承受缸体内部的高压气体和活塞工作时产生的摩擦力以及由高温气体引起的热应力，所以制备发动机缸体所使用的铝合金要具有更强的耐磨性、抗拉强度等机械性能，现有技术主要通过增加铝合金的刚性来实现上述目的，但增加铝合金刚性势必增加其重量密度，不利于发动机的降温散热，极易影响发动机的使用寿命。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种用于制备发动机缸体的铝合金，其加工性能好、比重轻、耐腐蚀性能、室温性能和高温性能良好，且该铝合金具有很好的延展性和导热效率，利于使用过程中的降温，能够延长发动机缸体的使用寿命。
本发明的另一目的在于提供一种用于制备发动机缸体的铝合金的制备方法，其能够快速、充分的除去铝合金中的气体和杂质，减少制备出的铝合金中的气泡的数量和杂质的含量，在不增加铝合金的比重的情况下，提升铝合金的强度、抗拉性能、耐腐蚀性能和铝合金表面的光滑程度等，能够提升发动机缸体的散热性，有利于使用过程中的降温，提升发动机的使用效率和延长使用寿命。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
一种用于制备发动机缸体的铝合金，以重量百分比计，包括：硅8.5-11.5％，铜2-5％，铁0.7-0.9％，镁0.55-0.65％，锰0.15-0.35％，锌0.6-0.65％，镍0.04-0.06％，钛0.1-0.15％，锆0.1-0.25％，铒0.01-0.015％，铥0.002-0.004％，镥0.01-0.015％，余量为铝。
一种用于制备发动机缸体的铝合金的制备方法，包括按比例称取上述用于制备发动机缸体的铝合金的原料，将原料升温至705-720℃直至熔化于容器中；
从容器底部向熔融状态的原料通入预热了2-3min的氦气，并去除反应熔渣和浮渣，静置20-30min后浇铸到模具中，冷却后取出，得到初制缸体，然后对初制缸体进行淬火处理和时效处理；淬火处理的温度为410-430℃，时效处理的温度为180-200℃。
本发明实施例的用于制备发动机缸体的铝合金及其制备方法的有益效果是：该用于制备发动机缸体的铝合金中的硅元素能够在不增加铝合金比重的前提下增强铝合金的抗拉强度和硬度等机械性能，同时Cu加入到Al-Si合金中会形成α固溶体、CuAl2和Si相。α相分别与CuAl2和Si构成两相共晶体，同时这三个相又可共同构成三相共晶体。当铜作为强化相固溶于铝基体中或以颗粒状化合物存在时，可进一步显著提高发动机缸体的铝合金的强度和硬度，该铝合金的加工性能好、比重轻、耐腐蚀性能、室温性能和高温性能良好，由于比重未增加该铝合金具有良好的散热性，利于使用过程中的降温，能够延长发动机缸体的使用寿命；该制备方法能够快速、充分的除去铝合金中的气体和杂质，减少制备出的铝合金中的气泡的数量和杂质的含量，进一步在为增加比重的情况下提升铝合金的强度、抗拉性能、耐腐蚀性能和铝合金表面的光滑程度等，有利于提升发动机缸体的散热性，提升发动机的使用效率和延长使用寿命。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的用于制备发动机缸体的铝合金及其制备方法进行具体说明。
本发明实施例提供的一种用于制备发动机缸体的铝合金，其以重量百分数计，包括：硅8.5-11.5％，铜2-5％，铁0.7-0.9％，镁0.55-0.65％，锰0.15-0.35％，锌0.6-0.65％，镍0.04-0.06％，钛0.1-0.15％，锆0.1-0.25％，铒0.01-0.015％，铥0.002-0.004％，镥0.01-0.015％，余量为铝。
本发明提供的一种用于制备发动机缸体的铝合金的制备方法，包括：按照比例配备上述的各种原料，将各种原料升温熔化于容器中，从容器的底部向熔融状态的原料通入预热的氦气，并去除反应熔渣和浮渣，静置后浇铸到模具中，冷却后取出，得到初制缸体，然后对初制缸体进行淬火处理和时效处理。
具体的，本发明的用于制备发动机缸体的铝合金及其制备方法按照以下步骤进行：
S1备料步骤：
按照比例配备原料，其中原料包括：8.5-11.5％的硅，2-5％的铜，0.7-0.9％的铁，0.55-0.65％的镁，0.15-0.35％的锰，0.6-0.65％的锌，0.04-0.06％的镍，0.1-0.15％的钛，0.1-0.25％的锆，0.01-0.015％的铒，0.002-0.004％的铥，0.01-0.015％的镥，余量为铝。
硅(Si)元素的主要作用是改善发动机缸体的铝合金的流动性，此外，硅晶粒的化学稳定性好且具有较强的硬度。通常，随着发动机缸体的铝合金中硅元素的含量的增加，能够提高发动机缸体的铝合金的抗拉强度和硬度，使含硅元素的发动机缸体的铝合金具有比纯铝更高的耐腐蚀和耐磨性，同时不会增加铝合金的比重，即不会降低铝合金的散热性。但是，发动机缸体的铝合金中的硅元素含量过高时，对发动机缸体的铝合金的热导性能会产生不利影响。本发明中硅元素优选的含量为8.5-9.5％，即能够保证发动机缸体的铝合金具有较强的抗拉强度、硬度耐磨性，又保证了发动机缸体的比重小，散热良好，从而还能够进一步保证了发动机缸体良好的耐腐蚀性等，延长发动机的使用寿命。
铜(Cu)元素的主要作用是改善发动机缸体的铝合金的机械强度及抗腐蚀性能。Cu加入到Al-Si合金中会形成α固溶体、CuAl2和Si相。α相分别与CuAl2和Si构成两相共晶体，同时这三个相又可共同构成三相共晶体。为了避免Si元素含量过高导致降低铝合金的导热性降低而减少了一定的Si元素的含量，可能会影响铝合金一定的强度和硬度，而Cu元素的合理添加可以有效的避免这一点，当铜作为强化相固溶于铝基体中或以颗粒状化合物存在时，可显著提高发动机缸体的铝合金的强度和硬度，避免缸体出现机械损伤，延长发动机的使用寿命。
铁(Fe)元素的主要作用是减少粘模，与硅和铝形成Al-Si-Fe系晶析物，有助于分散强化。但是如果铁元素的含量过高，则会对发动机缸体的铝合金的机械性能和导热性能产生不利影响。本发明中铁元素优选的含量为0.7-0.8％，即能够保证发动机缸体的铝合金具有强度，又保证了发动机缸体的铝合金良好的机械性能和导热性能，从而提高发动机缸体的散热性能，降低发动机的维修频率，延长发动机的使用寿命。
镁(Mg)元素的主要作用是细化晶粒，显著提高合金强度、硬度，减少粘模的倾向，使压铸件的表面光滑，避免缸体在脱模时出现损伤的现象。
锰(Mn)元素的主要作用是提高发动机缸体的铝合金的强度、韧性、抗应力腐蚀性能等。另一方面，锰能阻止发动机缸体的铝合金的再结晶过程，提高再结晶温度，并能显著细化再结晶晶粒。再结晶晶粒的细化主要是通过MnAl6化合物弥散质点对再结晶晶粒长大起阻碍作用，结晶晶粒被细化后，有利于铝合金的散热性能的提升。MnAl6的还有一作用是能溶解杂质铁，形成(Fe、Mn)Al6，减少铁的有害影响。
锌(Zn)元素的主要作用是改善铝合金的机械性能和铸造性能。但是，如果锌元素的含量过多会对铝合金的导热性产生不良的影响，降低发动机缸体的散热性能，所以本发明中将锌元素的含量控制在0.6-0.65％范围，既能够保证制得的铝合金有良好的机械性能和铸造性能，又具有良好的散热性能。
镍(Ni)元素的主要作用是提高铝合金的抗腐蚀性能和延展性等，能够提高发动机缸体的耐磨性、抗拉强度等机械性能。但是，镍的含量过高会不利于铝合金的散热，故优选的本发明中的镍元素的在0.04-0.06％范围，既能满足铝合金的抗腐蚀性能和延展性等，又能保证该铝合金有良好的散热能力，有利于发动机的降温。
钛(Ti)元素和锆(Zr)元素的主要作用是细化晶粒，改善发动机缸体的铝合金的塑性变形能力，有利于加工时变形均匀，使发动机缸体的铝合金的性能优异、塑性良好，有利于铸造及随后的塑性加工。
稀土(Re)元素铥(Tm)、镥(Lu)和铒(Er)可以改变合金的结晶条件，使其组织和性能得到改善。稀土元素较活泼，它熔于铝液中，极易填补合金相的表面缺陷，从而降低新旧两相界面上的表面张力，使得晶核生长的速度增大，同时还在晶粒与合金液之间形成表面活性膜，阻止生成的晶粒长大，使合金的组织细化。同时，铝和稀土形成的化合物在金属液结晶时作为外来的结晶晶核，会让晶核数大量增加从而使合金的组织细化。稀土对氢的吸附能力特别大，能大量吸附和溶解氢，且稀土与氢的化合物熔点较高，并且弥散分布于铝液中，以化合物形成的氢不会聚集形成气泡，大大降低铝的含氢量和针孔率，亦可以进一步提升发动机缸体的散热性能，延长发动机的使用寿命。当发动机缸体的铝合金中加入稀土元素，还可以有效地提高发动机缸体的铝合金的抗拉强度、硬度和塑性等。当稀土(Re)元素的含量较高时，可能会导致制得的铝合金变脆，不利于使用，所以本发明中，优选的，铥的含量为0.002-0.003％，铒的含量为0.01-0.012％，镥的含量为0.01-0.012％。
通常为了增加铝合金的刚性，需要将其中的Fe比例适当提高，但是由于Fe的比重较大，且增加Fe后，铝合金的延展性和导热性能会变差，不利于机械加工以及在制成发动机缸体后的降温散热。在此基础上，发明人发现通过提高Cu元素和Mn元素的比例，并且将Cu、Mn与Fe元素的比例调整到大致100：7：16的范围，既可以提高刚性，同时又不会降低其延展性，并且其导热效率与现有的缸体用铝合金相比相差不大，依然具有良好的导热效率，降温散热效果优良。
S2熔化步骤：
将按比例称取的原料放入容器中升温至705-720℃熔化至熔融状态，从容器的底部向熔融状态的原料通入预热2-3min的氦气，氦气由于其自身密度小同时反应活性极低的特点，其在上浮过程中会将熔体中的部分杂质、渣等裹挟并带往液面。此时去除反应熔渣和浮渣。上述容器优选的可以是熔炼炉。
氦气通入熔融状态原料的时间为3-5min，预热后的氦气与处于熔融状态下的原料的温差相对较小，使得氦气在熔融状态下的原料中的分布更加均匀，且更加容易在熔融的原料中长大，并形成弥散的分布，增大了精炼气泡与金属熔体实际的接触面积，有利于将熔体中的气体带出，起到显著的除气效果，且除气率高，可以减少氦气的使用量，降低生产成本。通过使用预热的氦气通入铝合金熔体可以减少制得的铝合金中的细小的气孔和针孔，提高铝合金的刚性和耐磨、耐腐蚀等机械性能，有利于延长发动机缸体的使用寿命。
更优地，在原料投放时，首先将铝加入熔炼炉，升温至705℃，其后逐渐升温，升温速率为5℃/min，直到温度达到720℃，依次加入锆、钛、镥、铥、铁、铒、镍、硅和锰，待上述元素全部熔化之后再加入铜、镁和锌；先将高熔点的元素置于熔炼炉内熔化，再将熔点相对较低的元素置于熔炼炉内熔化，当熔点较低的金属瞬间接触比自身熔点更高的熔体时，自身温度急剧升高，其迅速熔融并迅速在熔体中分散，并且由于已熔化的元素的流动性，后添加的低熔点元素能快速地、均匀地弥散于混合的熔体当中，减少气泡的生成，过程中，伴随氦气的鼓泡作用，浮渣和残渣等杂质被带完液面并除去，进一步减少后续加工过程中的材料缺陷，并且进一步地有助于铝合金中的各种晶粒之间的结合的更加紧实，减少铝合金中出现细小针孔的现象，进一步在铝合金的比重较轻的情况下，保证制得的铝合金具有良好的刚性和延展性，同时还因为较小的比重有良好的散热降温的性能。
S3浇铸步骤：
将除杂后的融化状态下的原料静置20-30min后浇铸到模具中，冷却后取出，得到初制缸体，然后对初制缸体进行淬火处理和时效处理。
将除杂后的融化状态的原料静置后再浇铸能够进一步的促使细小的氦气气泡弥散的分布在铝合金的熔体中，并且继续吸氢上浮、不断长大，直到溢出液面，即进一步减少铝合金中的氢含量，降低铝合金中的气孔，提高铝合金的耐磨、耐腐蚀性能；但是静置的时间不宜过长，因为如果静置的时间过长则会导致熔化状态铝合金的表面被氧化变成杂质，而这些杂质会慢慢吸附空气中的氢气，反而重新增加了铝合金中的氢含量，不利于铝合金中气泡的减少。
上述的淬火处理按照以下的步骤进行，首先，将初制缸体置于410-430℃，保温8-10h，可以使初制缸体内部的温度均匀一致，使第二相充分固溶，增强第二相中晶体分布的均匀性，从而提高铝合金的抗力学腐蚀性能。然后进行第一次降温操作，将初制缸体在2-5min温度降至200-250℃；之后再进行第二次降温操作，第二次降温操作的降温速度为8-12℃/min。淬火处理可以有效地减少马氏体转变的内应力，减少工件变形开裂的倾向，增加铝合金缸体的硬度，提升铝合金的耐磨性，延长使用寿命。同时降温冷却的过程中降温的速度选择要合理，过快或过慢的降温速度都可能导致制得的初制缸体的内部由于热胀冷缩不均匀造成内应力，反而使制得的缸体变形或开裂。
淬火处理完成之后即可在180-200℃下时效处理5-7h，经过时效处理的铝合金缸体中的内应力有所降低，硬度和强度均有所增加，即可以增加缸体的耐磨和耐腐蚀的性能。
以下结合实施例对本发明的用于制备发动机缸体的铝合金及其制备方法作进一步的详细描述。
实施例1
按照比例称取原料，其中：8.5％的硅，2％的铜，0.7％的铁，0.55％的镁，0.15％的锰，0.65％的锌，0.06％的镍，0.15％的钛，0.25％的锆，0.015％的铒，0.004％的铥，0.015％的镥，余量为铝。
将原料装入容器中升温至在705℃直至熔化，从容器的底部向熔融状态的原料通入预热了2min的氦气，氦气通入的时间为5min，并在除去反应熔渣和浮渣后，将熔融状态的原料静置20min，再浇铸到模具中，冷却后取出，得到初制缸体；然后进行淬火处理，在410℃下保温10h后，进行第一次降温操作，2min将初制缸体的温度降至200℃，之后在以8℃/min的降温速度进行第二次降温；最后在180℃下时效处理5h，即可制得发动机缸体。
实施例2
按照比例称取原料，其中：11.5％的硅，5％的铜，0.9％的铁，0.65％的镁，0.35％的锰，0.6％的锌，0.04％的镍，0.1％的钛，0.1％的锆，0.01％的铒，0.002％的铥，0.01％的镥，余量为铝。
先将铝放入熔炼炉中升温至705℃，在以5℃/min的升温速度进行升温，直到温度达到720℃，依次加入锆、钛、镥、铥、铁、铒、镍、硅和锰，待上述元素全部熔化之后再加入铜、镁和锌，从熔炼炉的底部向熔融状态的原料通入预热了3min的氦气，氦气通入的时间为3min，并在除去反应熔渣和浮渣后，将熔融状态的原料静置30min，再浇铸到模具中，冷却后取出，得到初制缸体；然后进行淬火处理，在430℃下保温8h后，进行第一次降温操作，5min将初制缸体的温度降至250℃，之后在以12℃/min的降温速度进行第二次降温；最后在200℃下时效处理7h，即可制得发动机缸体。
实施例3
按照比例称取原料，其中：9.5％的硅，3.5％的铜，0.8％的铁，0.6％的镁，0.25％的锰，0.61％的锌，0.05％的镍，0.12％的钛，0.15％的锆，0.012％的铒，0.003％的铥，0.012％的镥，余量为铝。
将原料装入容器中升温至在715℃直至熔化，从容器的底部向熔融状态的原料通入预热了2.5min的氦气，氦气通入的时间为4min，并在除去反应熔渣和浮渣后，将熔融状态的原料静置25min，再浇铸到模具中，冷却后取出，得到初制缸体；然后进行淬火处理，在420℃下保温9h后，进行第一次降温操作，4min将初制缸体的温度降至220℃，之后在以10℃/min的降温速度进行第二次降温；最后在190℃下时效处理6h，即可制得发动机缸体。
实施例4
按照比例称取原料，其中：10.5％的硅，3.5％的铜，0.82％的铁，0.58％的镁，0.25％的锰，0.62％的锌，0.05％的镍，0.13％的钛，0.18％的锆，0.013％的铒，0.003％的铥，0.013％的镥，余量为铝。
将原料装入容器中升温至在710℃直至熔化，从容器的底部向熔融状态的原料通入预热了2min的氦气，氦气通入的时间为3.5min，并在除去反应熔渣和浮渣后，将熔融状态的原料静置24min，再浇铸到模具中，冷却后取出，得到初制缸体；然后进行淬火处理，在415℃下保温8.5h后，进行第一次降温操作，4.5min将初制缸体的温度降至225℃，之后在以11℃/min的降温速度进行第二次降温；最后在185℃下时效处理6.5h，即可制得发动机缸体。
实施例5
按照比例称取原料，其中：9.0％的硅，4.2％的铜，0.75％的铁，0.62％的镁，0.22％的锰，0.63％的锌，0.053％的镍，0.13％的钛，0.18％的锆，0.011％的铒，0.002％的铥，0.011％的镥，余量为铝。
将原料装入容器中升温至在710℃直至熔化，从容器的底部向熔融状态的原料通入预热了3min的氦气，氦气通入的时间为3min，并在除去反应熔渣和浮渣后，将熔融状态的原料静置26min，再浇铸到模具中，冷却后取出，得到初制缸体；然后进行淬火处理，在425℃下保温9.5h后，进行第一次降温操作，4.5min将初制缸体的温度降至235℃，之后在以11.5℃/min的降温速度进行第二次降温；最后在195℃下时效处理5h，即可制得发动机缸体。
实施例6
按照比例称取原料，其中：10.2％的硅，5％的铜，0.8％的铁，0.62％的镁，0.35％的锰，0.63％的锌，0.053％的镍，0.13％的钛，0.18％的锆，0.011％的铒，0.002％的铥，0.011％的镥，余量为铝。
先将铝放入熔炼炉中升温至705℃，在以5℃/min的升温速度进行升温，直到温度达到720℃，依次加入锆、钛、镥、铥、铁、铒、镍、硅和锰，待上述元素全部熔化之后再加入铜、镁和锌，从熔炼炉的底部向熔融状态的原料通入预热了3min的氦气，氦气通入的时间为3min，并在除去反应熔渣和浮渣后，将熔融状态的原料静置26min，再浇铸到模具中，冷却后取出，得到初制缸体；然后进行淬火处理，在425℃下保温9.5h后，进行第一次降温操作，4.5min将初制缸体的温度降至235℃，之后在以11.5℃/min的降温速度进行第二次降温；最后在195℃下时效处理5h，即可制得发动机缸体。
比较实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5、实施例6和对比例1、对比例2和对比例3的导热系数和抗拉强度。对比例1、对比例2和实施例1类似，不同之处在于，对比例1的原料中没有添加稀土元素铒、铥和镥，对比例2中仅添加了0.01％的铒；对比例3和实施例1类似，不同之处在于对比例3中通入的氦气未预热，除杂之后没有静置，直接浇铸，同时淬火工艺中也没有采取两次降温操作，仅降温了一次。根据《GB/T228-2015》的第一部分《室温试验方法》和第二部分《高温试验方法》测试上述9组铝合金的力学性能；根据ASTM E 1461-07中规定的测试方法，分析上述9组铝合金的导热系数。结果见表1。
表1各个铝合金缸体的抗拉强度和导热系数
根据表1的结果可知，本发明的6组实施例的铝合金缸体在室温抗拉能力和高温抗拉能力方面均强于对比例1、对比例2和对比例3，说明本发明的铝合金缸体具有良好的抗裂、抗高压、延展性等机械性能；同时本发明的6组实施例的铝合金缸体的导热系数均大于对比例1、对比例2和对比例3的导热系数，说明本发明的铝合金缸体同时添加的三种稀土元素有利于提升散热性，浇铸前通入预热后的氦气、静置，并在淬火时采取两次降温也能在进一步保证铝合金的硬度和延展性等机械强度和良好的散热性，即能够有利于延长发动机的使用寿命。
综上所述，本发明实施例的用于制备发动机缸体的铝合金及其制备方法，该用于制备发动机缸体的铝合金的加工性能好、比重轻、耐腐蚀性能、室温性能和高温性能良好，且该铝合金的散热性良好，利于使用过程中的降温，能够延长发动机缸体的使用寿命；该制备方法能够快速、充分的除去铝合金中的气体和杂质，减少制备出的铝合金中的气泡的数量和杂质的含量，提升铝合金的强度、抗拉性能、耐腐蚀性能和铝合金表面的光滑程度等，并能够提升发动机缸体的散热性，有利于使用过程中的降温，提升发动机的使用效率和延长使用寿命。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。