一种高强低摩擦低膨胀高硅铝合金及其制备方法与流程

本发明涉及高硅铝合金熔炼领域，具体是一种高强低摩擦低膨胀高硅铝合金及其制备方法。

背景技术：

高硅铝合金具备优异的耐磨性、耐热性以及较低的热膨胀系数，是汽车发动机活塞的首选材料。同时，随着汽车轻量化、节能与高效的要求更加紧迫，而作为汽车的“心脏”发动机则对其综合性能要求甚高，其中关键构件活塞的材料性能则是与发动机寿命、节能息息相关。

目前，高硅铝合金(硅含量大于17％)由于硅含量较高，因此在铸造过程中易形成粗大的初生硅和共晶硅相，而现有的高硅铝合金铸造过程较为繁琐，变质剂和变质工艺较为复杂，难以实现高硅铝合金的工业化熔炼生产，这也是高硅铝合金铸造冶炼过程中遇到的主要问题。

技术实现要素：

本发明是要解决现有高硅铝合金难以进行工业化熔炼的问题，而提供一种高强低摩擦低膨胀高硅铝合金及其制备方法。

本发明一种高强低摩擦低膨胀高硅铝合金按质量百分比由17～19.5％si、2.9～4％cu、0.37～0.55％mg、0.1～0.3％mn、0.1～0.15％fe、0.1～0.3％zn、0.1～0.5％ti，余量为al和其他不可避免的杂质元素组成；其他不可避免的杂质元素的总质量不超过合金总质量的0.15％。

本发明一种高强低摩擦低膨胀高硅铝合金的制备方法是按以下步骤进行：

一、熔炼中间合金：按质量百分比17～19.5％si、2.9～4％cu、0.37～0.55％mg、0.1～0.3％mn、0.1～0.15％fe、0.1～0.3％zn、0.1～0.5％ti和余量为al进行备料，得到待熔炼金属，所述各个元素由纯铝锭、阴极铜、纯镁锭、铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝硅中间合金、铝铁中间合金和铝钛中间合金提供；将纯铝锭、阴极铜、铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝硅中间合金、铝铁中间合金和铝钛中间合金装炉，炉气温度设定为1050～1150℃，待全部熔化后将炉温从1050～1150℃降至750～800℃，在温度为750～800℃的条件下进行三次搅拌，每次搅拌时间为10～15min，搅拌间隔20min，其中第一次搅拌后扒渣，随后加入纯镁锭继续进行搅拌，最终得到熔体；

二、精炼升温：将熔体进行精炼，得到精炼后的熔体；

三、双级变质处理：精炼后温度升至810～825℃，在温度为810～825℃的条件下进行一级变质处理；然后再将熔体升温至835～850℃进行二级变质处理，得到变质处理后的熔体；

四、铸造：将变质处理后的熔体导入静置炉中，通入氩气精炼10～15min，待熔体温度稳定至750～770℃时，将熔体加入至铸造盘中铸造，即得到高强低摩擦低膨胀高硅铝合金。

本发明的有益效果是：

本发明通过调整合金元素含量，发明新型变质剂配比及二级变质工艺，有效控制高硅铝合金中初生硅和共晶硅的尺寸及形态，得到一种高强度、低摩擦及低膨胀等综合性能优异的新型高硅铝合金；同时变质剂成分简单，变质效果优异，变质工艺易实现工业化生产，具有显著的经济效益；制备的高硅铝合金的抗拉强度≥290mpa；热膨胀系数≤19×10^-6/℃；摩擦副铸铁时，摩擦系数＜0.38。

附图说明

附图1为实施例1中高强低摩擦低膨胀高硅铝合金的金相照片。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式一种高强低摩擦低膨胀高硅铝合金按质量百分比由17～19.5％si、2.9～4％cu、0.37～0.55％mg、0.1～0.3％mn、0.1～0.15％fe、0.1～0.3％zn、0.1～0.5％ti，余量为al和其他不可避免的杂质元素组成；其他不可避免的杂质元素的总质量不超过合金总质量的0.15％。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述高强低摩擦低膨胀高硅铝合金按质量百分比由18.6％si、3.5％cu、0.4％mg、0.15％mn、0.12％fe、0.2％zn、0.3％ti，余量为al和其他不可避免的杂质元素组成；其他不可避免的杂质元素的总质量不超过合金总质量的0.15％。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述高强低摩擦低膨胀高硅铝合金中si和cu的含量之和大于20.5％。其他与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述高强低摩擦低膨胀高硅铝合金中zn和ti的含量之和大于0.4％。其他与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式一种高强低摩擦低膨胀高硅铝合金的制备方法是按以下步骤进行：

一、熔炼中间合金：按质量百分比17～19.5％si、2.9～4％cu、0.37～0.55％mg、0.1～0.3％mn、0.1～0.15％fe、0.1～0.3％zn、0.1～0.5％ti和余量为al进行备料，得到待熔炼金属，所述各个元素由纯铝锭、阴极铜、纯镁锭、铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝硅中间合金、铝铁中间合金和铝钛中间合金提供；将纯铝锭、阴极铜、铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝硅中间合金、铝铁中间合金和铝钛中间合金装炉，炉气温度设定为1050～1150℃，待全部熔化后将炉温从1050～1150℃降至750～800℃，在温度为750～800℃的条件下进行三次搅拌，每次搅拌时间为10～15min，搅拌间隔20min，其中第一次搅拌后扒渣，随后加入纯镁锭继续进行搅拌，最终得到熔体；

二、精炼升温：将熔体进行精炼，得到精炼后的熔体；

三、双级变质处理：精炼后温度升至810～825℃，在温度为810～825℃的条件下进行一级变质处理；然后再将熔体升温至835～850℃进行二级变质处理，得到变质处理后的熔体；

四、铸造：将变质处理后的熔体导入静置炉中，通入氩气精炼10～15min，待熔体温度稳定至750～770℃时，将熔体加入至铸造盘中铸造，即得到高强低摩擦低膨胀高硅铝合金。

本发明中通过改变高硅铝合金中元素的含量，进行合金中初生硅和共晶硅尺寸及形态的第一重控制，其中，要求硅和铜的含量要求要大于20.5％，主要的目的是适当提高铜元素的含量，能够形成更过有效的以铜元素为初生硅和共晶硅结晶的核心；此外，要求锌和钛元素的含量不小于0.4％，主要的目的是锌和钛能够有效的细化作用，针对初生硅和共晶硅的具有明显的细化作用。

本实施方式中双级变质处理的主要目的是在不同的变质温度区间，发挥变质剂中不同成分的作用，其中变质剂a的主要成分为al-p、zns和re(稀土)混合物，三者的含量分别为60～70％、15～20％和10～35％。变质剂b的主要成分为al-p、zns和re混合物，三者的含量分别为10～35％、15～20％和60～70％。一级变质过程中主要发挥al-p的主要变质作用，二级变质过程主要发挥re(稀土)的主要变质作用，而zns为辅助变质作用，初生硅及共晶硅为细小的球状和针状，非常有利于其综合性能的提高。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是：步骤二中所述精炼为喷粉精炼，精炼剂为含钠精炼剂，含量为0.2％，精炼时间不少于10min。其他与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五或六不同的是：步骤三中所述一级变质处理是加入变质剂ⅰ，搅拌10～15min后保温2～5h。其他与具体实施方式五或六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式五至七之一不同的是：所述变质剂ⅰ为al-p、zns和re的混合物，三者的含量分别为60～70％、15～20％和10～35％。其他与具体实施方式五至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式五至八之一不同的是：步骤三中所述二级变质处理是加入变质剂ⅱ，搅拌10～15min后保温2～5h。其他与具体实施方式五至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式五至九之一不同的是：所述变质剂ⅱ为al-p、zns和re的混合物，三者的含量分别为10～35％、15～20％和60～70％。其他与具体实施方式五至九之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例1：一种高强低摩擦低膨胀高硅铝合金的制备方法是按以下步骤进行：

一、熔炼中间合金：按质量百分比17.5％si、3.5％cu、0.45％mg、0.2％mn、0.15％fe、0.2％zn、0.3％ti和余量为al进行备料，得到待熔炼金属，所述各个元素由纯铝锭、阴极铜、纯镁锭、铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝硅中间合金、铝铁中间合金和铝钛中间合金提供；将纯铝锭、阴极铜、铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝硅中间合金、铝铁中间合金和铝钛中间合金装炉，炉气温度设定为1050℃，待全部熔化后将炉温从1050℃降至750℃，在温度为750℃的条件下进行三次搅拌，每次搅拌时间为15min，搅拌间隔20min，其中第一次搅拌后扒渣，随后加入纯镁锭继续进行搅拌，最终得到熔体；

二、精炼升温：将熔体进行精炼，得到精炼后的熔体；所述精炼为喷粉精炼，精炼剂为含钠精炼剂，含量为0.2％，精炼时间不少于10min，精炼后温度提升至810℃；

三、双级变质处理：然后当温度升至815℃时进行一级变质处理；然后再将熔体升温至835℃进行二级变质处理，得到变质处理后的熔体；所述一级变质处理是加入变质剂ⅰ，搅拌10min后保温3h；所述变质剂ⅰ为al-p、zns和re的混合物，三者的含量分别为60～70％、15～20％和10～35％；所述二级变质处理是加入变质剂ⅱ，搅拌15min后保温5h；所述变质剂ⅱ为al-p、zns和re的混合物，三者的含量分别为10～35％、15～20％和60～70％；

四、铸造：将变质处理后的熔体导入静置炉中，通入氩气精炼15min，待熔体温度稳定至770℃时，将熔体加入至铸造盘中铸造，即得到高强低摩擦低膨胀高硅铝合金。实施例2：本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤三中当温度升至825℃时进行一级变质处理；然后再将熔体升温至845℃进行二级变质处理，得到变质处理后的熔体；所述一级变质处理是加入变质剂ⅰ，搅拌10min后保温5h；所述变质剂ⅰ为al-p、zns和re的混合物，三者的含量分别为60～70％、15～20％和10～35％；所述二级变质处理是加入变质剂ⅱ，搅拌15min后保温3h；所述变质剂ⅱ为al-p、zns和re的混合物，三者的含量分别为10～35％、15～20％和60～70％；

对比例1：

与实施例1不同的合金铜元素含量为2.5％，锌和钛元素的含量分别为0.15％和0.2％，其余与实施例1中均相同。

对比例2：

与实施例1不同是的双级变质处理中，变质剂均选择变质剂a，其余与实施例1中均相同。

附图1为实施例1中高强低摩擦低膨胀高硅铝合金的金相照片，从图中可以看出，铝合金中初生硅及共晶硅的形貌主要是细小的球状和针状，平均的尺寸低于40μm。

表1实施例和对比例试验结果一览表

由上表实施例1和实施例2的试验数据比较可知，通过采用本发明的制备方法，具有本发明组分及含量的高硅铝合金中初生硅和共晶硅的尺寸细化效果十分的显著，经过变质处理后两者的尺寸均低于40μm，同时该新型铝合金具有优异的力学性能，证明了本发明中新型高硅铝合金熔炼制备方法是具有先进性的。

由表1中实施例1和对比例1的试验数据比较可知：当合金中硅和铜含量之和低于20.5％，锌和钛的元素含量之和低于0.4％时，铝合金中中初生硅和共晶硅的尺寸具有明显的细化效果，但是其尺寸并没有低于40μm，这证明合金元素配比的重要性。

由表1中实施例1和对比例2的试验数据比较可知：同样采用双级变质工艺处理，但是并未采用不用的变质剂进行作用，虽然共晶硅和初生硅的尺寸处于70～90μm之间，但是仍旧为达到理想的变质效果，由此可见，双级变质工艺中变质剂的选择和变质工艺参数，对铝合金变质效果的影响是十分显著的。

综上，本发明通过调整高硅铝合金中部分合金元素的含量，同时采取了双级变质工艺处理，改善了高硅铝合金中初生硅及共晶硅的尺寸及形态分布，控制器尺寸低于40μm，制备出了一种高强度、低摩擦、低膨胀等综合性能优良的新型高硅铝合金。