CN118880126A - 一种耐热铸造铝合金 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种耐热铸造铝合金，其成分按照质量百分比计为：Si：10.0‑15.0%、Cu：5.5‑7.8%、Mg：0.5‑1.3%、Ti：0.14‑0.81%、Zr：0.26‑0.77%、V：0.37‑0.82%、W：0.78‑1.24%，余量为Al和不可避免的杂质元素，Cu、Mg、W的含量满足：Cu：Mg：W=（5‑12）：1：（0.85‑1.83）。

Description

一种耐热铸造铝合金

技术领域

本发明涉及一种耐热铸造铝合金，该铸造铝合金高温强度性能优异，尤其是，在350℃以上仍具有令人满意的强度特性，适用于高温用途的应用，例如活塞，气缸部件、涡轮增压器部件等等。

背景技术

铝合金是较为理想的轻质高强度材料，在汽车工业中有着较为广泛的应用。例如，为了实现低油耗高轻量化，一些汽车发动机的外壳均采用铝合金铸造获得。

实际上，除了发动机外壳之外，很多汽车部件都是通过铸造铝合金制备得到。特别是，在发动机中重量占比较大的活塞、气缸、涡轮增压器等部件，也较多的采用了铸造铝合金，以期能够最大幅度的为发动机减重。这些部件工作过程中承受的工况温度较高，因此通常采用Al-Si-Cu合金。然而，在一些重型汽车发动机或者高功率发动机中，传统的Al-Si-Cu合金无法使用。原因在于，Al-Si-Cu合金的主要强化相Al₂Cu和Al₂CuMg在250℃以上变得不稳定，逐渐变得粗大化并溶解，导致合金的强度急剧下降，而重型汽车发动机或高功率发动机的活塞、气缸、涡轮增压器等部件的工作温度通常在300℃以上，在全油门状态下能够达到400℃或更高，传统的Al-Si-Cu合金在这样的温度下无法确保持续稳定的力学性能，会导致过早失效报废。

故此，为了充分发挥铝合金轻质高强度的特性，在确保重型汽车发动机或高功率发动机轻量化低油耗的基础上，能够使其持续稳定的工作、源源不断的输出动力，开发一种耐热的铸造铝合金作为相应发动机高温工作部件的材质是十分必要的。

发明内容

本发明提出一种耐热铸造铝合金，该铸造铝合金高温强度性能优异，尤其是，在350℃以上仍具有令人满意的强度特性，适用于高温用途的应用，例如活塞，气缸部件、涡轮增压器部件等等。该铸造铝合金的高温力学性能如下：在350℃下抗拉强度在165MPa以上，在400℃下抗拉强度在120MPa以上。

本发明的技术方案如下。

本发明提供一种耐热铸造铝合金，所述耐热铸造铝合金的成分按照质量百分比计为：Si：10.0-15.0%、Cu：5.5-7.8%、Mg：0.5-1.3%、Ti：0.14-0.81%、Zr：0.26-0.77%、V：0.37-0.82%、W：0.78-1.24%，余量为Al和不可避免的杂质元素，Cu、Mg、W的含量满足：Cu：Mg：W=（5-12）：1：（0.85-1.83）。

下面，介绍本发明耐热铸造铝合金各成分的作用。

Si：硅是本发明铸造铝合金的基础合金化元素，其可以有效提高铝合金的强度和弹性模量，并且能够保证铝合金熔体的流动性，确保良好的可铸造性，硅还能够提高铝合金的表面硬度和耐磨性能，硅过低则强度和铸造性能、硬度耐磨性均无法保证，硅含量过高则会导致铝合金硬度和耐磨性过高，一方面是可加工性恶化，另一方面也会导致塑性延伸率的下降。本发明的铝合金中硅含量控制在10.0-15.0%。

Cu：铜是形成铝合金中强化相Al₂Cu和Al₂CuMg的基础元素，赋予铝合金较为优异的强度性能，对于高温强度特性具有突出的决定性作用，但是如背景技术所说，Al₂Cu和Al₂CuMg对于高温的耐受能力在250℃以下，单纯的依靠Al₂Cu和Al₂CuMg并无法获得本发明的耐热铸造铝合金。如果铜的含量过低，则高温强度无法保证，如果铜的含量过高则会因为析出相过多而影响基体的连续性，恶化铝合金的机械性能，本发明的铸造铝合金中铜的含量控制在5.7-7.8%。

Mg：镁是形成铝合金中强化相Mg₂Si和Al₂CuMg的基础元素，赋予铝合金较为优异的强度性能，对于高温强度特性具有突出的决定性作用。如果镁含量过低，这强化相不足，无法保证铸造铝合金优异的机械性能，如果镁含量过高，则会导致强化相的数量过多，破坏基体的连续性，恶化铸造铝合金的机械性能，本发明的铸造铝合金中镁的含量控制在0.5-1.3%。

Ti、V、Zr：钛、钒、锆分别与基体铝元素形成单一Al₃Ti、Al₃V、Al₃Zr相，或者形成Al₃X（X为Ti、V、Zr中的两个或三个）相，这些相在铸造铝合金高温工作过程中以细小弥散的形式析出，对于提高铸造铝合金的高温强度具有重要作用。为了充分发挥上述作用，本发明中钛的添加量为0.14-0.81%、锆的添加量为0.26-0.77%、钒的添加量为0.37-0.82%。

W：本发明的铸造铝合金特意添加了钨，发明人发现，添加钨之后铸造铝合金的耐热特性出现了显著提升，推测可能是钨的添加对Al₂Cu和Al₂CuMg相形成了掺杂效应，使其在更高的温度下（250℃以上）仍能够保持良好的稳定性，从而提高了铸造铝合金的耐热性能。为了获得上述效果，本发明的钨添加量为0.78-1.24%，钨添加量过低则铸造铝合金的高温强度的改善效果不足，钨添加量过高也同样会导致铸造铝合金的高温强度恶化。

不限于上述描述，发明人发现，仅仅是添加如前所述含量的钨，也并不是总能够对铸造铝合金的高温强度产生令人满意的效果，发明人通过试验分析归纳总结发现，当将Cu、Mg、W的含量比例控制在一定的范围内时，总能够让铸造铝合金拥有优异的高温强度特性，这也从侧面证实了添加钨对于铸造铝合金高温强度的改善应该与钨对Al₂Cu和Al₂CuMg相的影响有关，经过反复试验，发明人确定了最合适的Cu、Mg、W含量比例范围，即Cu：Mg：W=（5-12）：1：（0.85-1.83）。

更进一步的，本发明的耐热铸造铝合金的Si和Mg含量满足：Si：Mg=12-24，Mg₂Si同样是本发明耐热铸造铝合金中重要的强化相，通过将Si和Mg控制在合理范围内，能够有效确保本发明的铝合金具有优异的高温强度特性。

作为非限定性的描述，本发明耐热铸造铝合金中的Fe≤0.05%、Mn≤0.05%，铁和锰都是本发明铸造铝合金中的杂质元素，由原料不可避免的带来，铁和锰的含量都是越低越好，但是出于成本因素考虑和工艺水平限制，控制铁和锰的上限均在0.05%时并不影响本发明铸造铝合金优异高温强度的获得。

作为非限定性的描述，本发明的耐热铸造铝合金在铸造后需要进行时效热处理，从而促进Al₂Cu和Al₂CuMg相的形成，并且有利于提高铸造铝合金整体的强度和硬度。根据本发明的成分，发明人确定了其时效热处理温度优选设置在230-280℃，时效时间控制在6-12h。

作为可选的步骤，所述时效前还可以进行固溶处理步骤。固溶处理可以消除铸造铝合金中的过饱和固溶相，消除元素偏析，促进元素的均匀分布，提高铸造铝合金的机械性能。由于本发明铝合金特别适用于高温工况，因此，如果本发明铝合金工作温度在280℃以上，则可以不进行固溶处理而直接进行时效。在需要进行固溶处理时，固溶处理为在490-550℃内保持1-3h。

作为进一步的描述，本发明的耐热铸造铝合金具有优异的高温性能，其在350℃下抗拉强度在165MPa以上，在400℃下抗拉强度在120MPa以上。可以满足高温工况持续稳定工作。

基于以上公开，可知，本发明的铸造铝合金具有十分优异的高温力学性能，因此，特别适用于于活塞、气缸部件、涡轮增压器部件等高温工况部件的制备。

本发明具有以下有益效果。

本发明通过对铸造铝合金的成分进行优化配置，获得了具有优异高温强度的铸造铝合金。特别是，本发明的铸造铝合金添加了钨元素，并且对Cu、Mg、W的比例进行协同控制，发现可以显著的提高铸造铝合金的耐热性能。推测应当是钨的添加对Al₂Cu和Al₂CuMg相产生了影响，使其在更高的温度下（250℃以上）仍能够保持良好的稳定性，从而提高了铸造铝合金的耐热性能。最终，本发明获得的铸造铝合金在350℃下抗拉强度在165MPa以上，在400℃下抗拉强度在120MPa以上。可以满足高温工况持续稳定工作的需求，适于制造重型、高速、高功率发动机的高温部件，诸如活塞、气缸部件、涡轮增压器部件等等。

具体实施方式

为使本领域普通技术人员充分理解本发明的技术方案和有益效果，以下结合具体的试验例做进行进一步说明。

冶炼铝合金熔体，杂质Fe和Mn均控制在0.03±0.005%，熔炼完毕后采用砂型铸造，得到20cm×20cm×40cm的铸件，对各铸件进行265℃下8.5h的时效处理。各铸件的成分如表1所示。

将每个铸件切割出两个试样，分别在350℃下保温240h后在350℃下测量其抗拉强度、在400℃下保温240h后在400℃下测量其抗拉强度。试样的尺寸和高温强度测试均参照GB/T228.2-2015（金属材料 拉伸试验 第2部分 高温试验方法）要求进行，高温强度测试结果记录于表2中。

表1 各铝合金铸件的化学成分（以质量百分比计，%，余量为Al）。

表2 各铝合金铸件的性能。

下面，结合表1、表2进行具体分析。

表1中试验序号1-10的铸造铝合金各元素含量以及Cu:Mg:W比例值均符合本发明要求，试验证实其最终得到的铸造铝合金具有优异的高温力学性能，350℃的抗拉强度均在165MPa以上，400℃的抗拉强度均在120MPa以上，试验序号1-10均是本发明的实施例；并且，从Si:Mg比值来看，Si:Mg在12-24范围内的试验序号1、2、4、5、7、8、10铸造铝合金，其体现出更优异的高温性能，350℃的抗拉强度均在180MPa以上，400℃的抗拉强度均在135MPa以上，说明合理的Si:Mg有利于获得高温强度性能更加突出优异的铸造铝合金。

表1中试验序号11-20的铸造铝合金成分中Cu、Mg、W、以及Cu:Mg:W比例值的至少之一不满足本发明要求，最终铸造铝合金的高温抗拉强度无法满足本发明的要求。因此，试验序号11-20均是本发明的对比例。

下面对各个对比例做详细分析。

对比例11、12、13、15、17分别是实施例1、2、3、5、7的对比例，相对于实施例1、2、35、7分别调整了Mg、Mg、Cu、W、W，虽然调整后的Mg、W、Cu仍在发明要求范围内，但是Cu:Mg:W不符合发明要求，从高温强度实验结果来看，对比例11、12、13、15、17的铸造铝合金高温抗拉强度不能够满足本发明的要求，说明将Cu:Mg:W控制在合理范围内，对于铸造铝合金获得优异的高温强度是至关重要的。

对比例14、16、18、19、20分别是实施例4、6、8、9、10的对比例，相对于实施例4、6、8、9、10分别调整了W、Cu、Mg、W、Cu，虽然调整后Cu:Mg:W仍在发明要求范围内，但是由于W、Cu、Mg、W、Cu过高或者过低，导致Al₂Cu、Al₂CuMg强化相形成不足或者过多，以及W对于Al₂Cu和Al₂CuMg的掺杂作用不足或者过剩，最终从高温强度实验结果来看，对比例14、16、18、19、20的铸造铝合金高温抗拉强度不能够满足本发明的要求，说明将Cu、W、Mg含量控制在合理区间范围内，对于铸造铝合金获得优异的高温强度有着至关重要的作用。

通过以上实施例和对比例的比对不难证实，本发明通过对铸造铝合金的成分进行优化，特别是特意添加了W并且协同控制Cu:Mg:W，使铸造铝合金的高温强度特性产生了较为显著的提升，其350℃的抗拉强度达到165MPa以上，400℃的抗拉强度达到120MPa以上，在此基础上，协同控制Si:Mg可以进一步提升铸造铝合金的高温机械性能。本发明所展示的铝合金，高温强度性能突出，可以满足高温工况持续稳定工作的需求，特别适于制造重型、高速、高功率发动机的高温部件，诸如活塞、气缸部件、涡轮增压器部件等等。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对于这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的，本文所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (10)

1.一种耐热铸造铝合金，其特征在于，所述耐热铸造铝合金的成分按照质量百分比计为：Si：10.0-15.0%、Cu：5.5-7.8%、Mg：0.5-1.3%、Ti：0.14-0.81%、Zr：0.26-0.77%、V：0.37-0.82%、W：0.78-1.24%，余量为Al和不可避免的杂质元素，Cu、Mg、W的含量满足：Cu：Mg：W=（5-12）：1：（0.85-1.83）。

2.根据权利要求1所述的耐热铸造铝合金，其特征在于，所述耐热铸造铝合金的Si和Mg含量满足：Si：Mg=12-24。

3.根据权利要求2所述的耐热铸造铝合金，其特征在于，所述耐热铸造铝合金中的Fe≤0.05%、Mn≤0.05%。

4.根据权利要求1-3任一项权利要求所述的耐热铸造铝合金，其特征在于，所述耐热铸造铝合金在铸造后进行时效热处理。

5.根据权利要求4所述的耐热铸造铝合金，其特征在于，所述时效为在230-280℃内保持6-12h。

6.根据权利要求5所述的耐热铸造铝合金，其特征在于，在所述时效前还可选的包括固溶处理步骤。

7.根据权利要求6所述的耐热铸造铝合金，其特征在于，所述固溶处理为在490-550℃内保持1-3h。

8.根据权利要求1-7任一项权利要求所述的耐热铸造铝合金，其特征在于，所述耐热铸造铝合金在350℃下抗拉强度在165MPa以上。

9.根据权利要求1-8任一项权利要求所述的耐热铸造铝合金，其特征在于，所述耐热铸造铝合金在400℃下抗拉强度在120MPa以上。

10.根据权利要求1-9任一项权利要求所述的耐热铸造铝合金，其特征在于，所述耐热铸造铝合金用于活塞、气缸部件、涡轮增压器部件等高温工况部件的制备。