CN107858562A

CN107858562A - 发动机气缸体用铝合金及其制备方法

Info

Publication number: CN107858562A
Application number: CN201711164515.5A
Authority: CN
Inventors: 谢昭民; 罗兵辉; 郑亚亚; 周超; 魏建军
Original assignee: Yiyang Instrument Technology Co Ltd
Current assignee: Yiyang Instrument Technology Co Ltd
Priority date: 2017-11-21
Filing date: 2017-11-21
Publication date: 2018-03-30

Abstract

本发明公开了一种强度高、耐腐蚀性好的发动机气缸体用铝合金，其特征是各元素质量百分比为：Mg：3.8～4.4 wt.﹪；Si：4.0～4.8 wt.﹪；Cu：0.25～0.85 wt.﹪；Mn：0.35～0.55 wt.﹪；Cr：0.25～0.35 wt.﹪；Zr：0.35～0.4 wt.﹪；Ti：0.2～0.3 wt.﹪；Sr：0.02～0.06 wt.﹪；Ag：0.3～0.45 wt.﹪，Fe：0.05～0.1 wt.﹪，其它杂质单个≤0.02 wt.﹪，总和≤0.1wt.﹪，余量为铝；其制备方法包括合金熔炼、均匀化处理、热处理等步骤；制备的气缸体用铝合金强度高、耐腐蚀，热稳定性高，适用于发动机气缸体苛刻的工作环境。

Description

发动机气缸体用铝合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种铝合金及生产方法，具体地说是一种发动机气缸体用铝合金及其制备方法，特别是涉及一种强度高、耐腐蚀性好的发动机气缸体用铝合金及其制备方法。

背景技术

随着汽车工业的高速发展，也带来了能源、安全和公害三大问题的产生。为此，在汽车生产中，已开始逐步提高高性能轻量化材料在整车上的的使用比例。铝合金因优异的力学性能、耐磨性和耐腐蚀性，在车辆上的使用越来越广泛，已成功应用于车轮，变速箱，发动机等部件。其中，作为整车核心部件的发动机，已开始向大功率密度、轻量化方向发展。但是，发动机缸体因发动机缸盖结构复杂，缸体直接与燃烧室接触，需反复承受高温高压的机械和热负荷，加之硫化物的存在，使得缸体材料需要在高温介质下具备较高的强度、优异的耐热及耐腐蚀等性能。而现有铝合金难以满足在高温环境下，强度和耐腐蚀性同时提高的需求。

为此，文献1：公开号为CN 105543585 A，发明名称为一种发动机机体用压铸铝合金及其生产方法和文献2：公开号为CN 101949337 A，发明名称为高硅稀土铝合金汽车发动机缸体的发明专利通过添加大量Cu，同时，加入少量微量元素来提高铝合金的力学性能，但是，上述方法容易导致铝合金的耐腐蚀性能急剧下降。

文献3：公开号为CN 103540812 A，发明名称为一种发动机缸盖用铝合金材料及其制备方法和文献4：公开号为CN 1809647A，发明名称为发动机机体用铝合金的发明专利通过将铝合金配比设计为高硅低镁，并引入少量的Fe及Cu元素，提高了铝合金的力学性能，但是，上述方法所得铝合金材料中通常存在大量硅单质，影响铝合金的产品性能，使产品质量得不到保证。

文献5：公开号为CN 104674081 A，发明名称为发动机机体用铝合金材料及其制备方法的发明专利通过添加大量Fe元素的方法，提供一种导热系数高的铝合金材料，但是，该方法忽略了铝合金材料中富Fe相的大量存在，容易导致缸体在高温、高压环境下提前腐蚀与老化，难以满足产品寿命要求，不利于产品周期的延长。

因此，合理的元素配比及微量元素的引入，以提高铝合金的强度、耐腐蚀性、高温稳定性，进而提高应用于发动机的铝合金缸体、气缸套等部件的使用性能及寿命，成为本领域技术人员函需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种强度高、耐腐蚀性好的发动机气缸体用铝合金及其制备方法。

本发明是采用如下技术方案实现其发明目的的，一种发动机气缸体用铝合金，各元素质量百分比为：Mg：3.8～4.4 wt.﹪；Si：4.0 ～4.8 wt.﹪；Cu：0.25～0.85 wt.﹪；Mn：0.35～0.55 wt.﹪；Cr：0.25～0.35 wt.﹪；Zr：0.35 ～0.4 wt.﹪；Ti：0.2～0.3 wt.﹪；Sr：0.02～0.06 wt.﹪；Ag：0.3～0.45 wt.﹪，Fe：0.05～0.1 wt.﹪，其它杂质单个≤0.02wt.﹪，总和≤0.1wt.﹪，余量为铝。

一种如上所述发动机气缸体用铝合金的制备方法，它包括以下步骤：

⑴将熔炼炉炉温升温至750～760℃，同时，从炉底部通入预热后的惰性保护气体；

本发明在步骤⑴中，所述惰性保护气体预热后的温度为450℃。

⑵先按配比将铝块加入熔炼炉，待铝块熔化50﹪时，加入覆盖剂，随后按配比加入Ag、Al-Mn中间合金、Al-Si中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Fe中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Sr中间合金、Al-Cr中间合金，待上述中间合金全部熔化之后加入由铝箔包覆的Mg块；

本发明在步骤⑵中，原料投放时，室内相对湿度控制在40﹪以下。

⑶待炉料全部熔化，搅拌并静置10min后，降温至720～740℃；然后，将按配比总质量0.6﹪的C₂Cl₆分三次加入熔体中，至无黄色气体冒出；

⑷扒出熔体表面氧化渣，加入Al-Ti中间合金，经搅拌，静置15min，然后，降温至710～720℃，在水冷模中浇注成型得缸体铸件；

⑸对步骤⑷得到的缸体铸件先升温至300～350℃，保温10～15h，再升温至490～520℃，保温12～15h，然后，冷却至室温；

⑹对步骤⑸得到的缸体铸件加热到500～520℃，保温6～12h，然后，水淬至室温；将淬火后的铸锭放入150～160℃的炉中，时效6～10h。

本发明在步骤⑹中，水淬时，淬火转移时间不大于25s。

由于采用上述技术方案，本发明较好的实现了发明目的，通过优化合金化元素配比和热处理工艺，提高时效过程中耐高温强化相析出密度，控制合金晶界析出相密度，提高了铝合金的力学性能、耐腐蚀性能和耐高温性能；增加与基体保持共格关系的弥散型强化相；同时，稀土元素的加入，能在晶界处形成热稳定性良好的放射状稀土化合物，强化晶界，提高合金的高温性能，有利于使用过程中发动机缸体使用寿命的延长；制备的气缸体用铝合金在不增加比重的前提下，室温抗拉强度350MPa左右，300℃高温抗拉强度190MPa左右，导热系数260W/(m·K) 左右，晶间腐蚀1～2，剥落腐蚀N，适用于发动机气缸体苛刻的工作环境。

附图说明

图1是本发明实施例1所制备的气缸体用铝合金沿<001>_Al 方向TEM明场像；

图2是本发明实施例1所制备的气缸体用铝合金晶界附近TEM明场像；

图3是本发明实施例2所制备的气缸体用铝合金沿<001>_Al 方向TEM明场像；

图4是本发明实施例2所制备的气缸体用铝合金晶界附近TEM明场像；

图5是本发明实施例3所制备的气缸体用铝合金沿<001>_Al 方向TEM明场像；

图6是本发明实施例3所制备的气缸体用铝合金晶界附近TEM明场像。

具体实施方式

实施例1：

一种发动机气缸体用铝合金，各元素质量百分比为：Mg：3.8～4.4 wt.﹪；Si：4.0 ～4.8 wt.﹪；Cu：0.25～0.85 wt.﹪；Mn：0.35～0.55 wt.﹪；Cr：0.25～0.35 wt.﹪；Zr：0.35～0.4 wt.﹪；Ti：0.2～0.3 wt.﹪；Sr：0.02～0.06 wt.﹪；Ag：0.3～0.45 wt.﹪，Fe：0.05～0.1 wt.﹪，其它杂质单个≤0.02 wt.﹪，总和≤0.1wt.﹪，余量为铝。

Si元素极少溶入到基体中，在合金中主要以共晶硅的形式存在，高温稳定性较好；在本发明的铸造及热处理条件下，极少量的Cu含量，能提高合金在室温和高温下的强度，并且ɑ相能分别富铜相及Si构成两相共晶体，同时又可共同构成三相共晶体，增强缸体的高温性能；适量的Mg元素能提高合金强度、硬度，减少粘模倾向，使压铸件的表面光滑，避免缸体在脱模时出现损伤的现象。Fe元素能与硅和铝形成Al-Si-Fe系晶析物，有助于分散强化，同时减少粘模。但是如果铁元素的含量过高，则会对合金的机械性能和导热性能产生不利影响。本发明中铁元素含量为Fe：0.05～0.1 wt.%，即能够保证合金的高强度，又能提高发动机缸体的散热性能，降低发动机的维修频率；Mn元素能阻止发动机缸体铝合金的再结晶过程，提高再结晶温度，细化再结晶晶粒，有利于铝合金的散热性能的提升，另外还能中和多余的铁，形成(Fe,Mn) Al6；少量Sr元素的加入可以大大降低合金的含氢量和针孔率，提升发动机缸体的散热性能，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，延长发动机的使用寿命，但含量较高时，会导致合金塑性降低，所以本发明中，优选的Sr含量为0.03～0.06 wt.﹪。

本发明在步骤⑹中，水淬时，淬火转移时间不大于25s。

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

一种发动机气缸体用铝合金，按照如下质量百分比称取原料，4.4 wt.﹪的Mg；4.8wt.﹪的Si；0.45wt.﹪的 Cu；0.55 wt.﹪ 的Mn；0.3 wt.﹪的 Cr；0.35 wt.﹪ 的Zr；0.3wt.﹪的 Ti；0.06 wt.﹪的 Sr；0.3 wt.﹪的 Ag，0.05 wt.﹪的Fe；其它杂质单个≤0.02wt.﹪，总和≤0.1 wt.﹪，余量为铝。

本发明的制备方法包括按照比例配备上述各种原料，将熔炉温升温至750～760℃进行熔炼，同时，为防止氧化，从炉底部通入预热后的惰性保护气体氦气，预热后的惰性保护气体温度为450℃；投料时，室内相对湿度严格控制在40﹪以下；首先，将铝加入熔炼炉，待铝块熔化50﹪时，加入覆盖剂，覆盖剂成分依照 YS/T 491-2005中RJ2-1国家行业标准，随后加入Ag及Al-Mn中间合金、Al-Si中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Fe中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Sr中间合金、Al-Cr中间合金，待上述中间合金全部熔化之后加用铝箔包覆的Mg块，当熔点较低的金属瞬间接触比自身熔点更高的熔体时，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，保证制得的铝合金具有良好的刚性和延展性。待炉料全部熔化，搅拌并静置10min，然后，降温至737℃，往熔体中分三次加入为配比总质量0.6﹪的C₂Cl₆，至无黄色气体冒出，除去熔体中的H₂气体，降低铝合金中的气孔，提高铝合金的耐磨、耐腐蚀性能；之后扒出熔体表面氧化渣，加入Al-Ti中间合金，经搅拌和静置15min，然后，降温至713℃，在水冷模中浇注成型，得缸体铸件。将缸体铸件升温至330℃，保温12h进行均匀化处理，再升温至514℃，保温13h，然后，冷却至室温。将均匀化处理后的缸体铸件升温至520℃，保温6h，然后，水淬至室温，其中淬火转移时间不大于25s；最后，将淬火后的缸体铸件放入155℃的炉中，时效8h即制得气缸体用铝合金。

由图1、图2可知，合金强化相尺寸细小，密度大，同时，合金晶界无明无沉淀析出带，有利于合金宏观力学性能与耐腐蚀性能的提高。

上述方法还可用于发动机的框架、油缸等部件的制造。

实施例2：

一种发动机气缸体用铝合金，按照如下质量百分比称取原料，4.2wt.﹪的Mg；4.5wt.﹪的Si；0.55wt.﹪的 Cu；0.45 wt.﹪的Mn；0.25 wt.﹪的Cr；0.40 wt.﹪ 的Zr；0.28wt.﹪的Ti；0.05 wt.﹪的Sr；0.35 wt.﹪的Ag；0.08 wt.﹪的Fe；其它杂质单个≤0.02wt.﹪，总和≤0.1 wt.﹪，余量为铝。

本发明的制备方法包括按照比例配备上述各种原料，将熔炉温升温至755℃进行熔炼，同时，为防止氧化，从炉底部通入预热后的惰性保护气体氦气，预热后的惰性保护气体温度为450℃；投料时，室内相对湿度严格控制在40﹪以下；首先，将铝加入熔炼炉，待铝块熔化50﹪时，加入覆盖剂，覆盖剂成分依照 YS/T 491-2005中RJ2-1国家行业标准，随后加入Ag及Al-Mn中间合金、Al-Si中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Fe中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Sr中间合金、Al-Cr中间合金，待上述中间合金全部熔化之后加用铝箔包覆的Mg块；当熔点较低的金属瞬间接触比自身熔点更高的熔体时，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，保证制得的铝合金具有良好的刚性和延展性。待炉料全部熔化，搅拌并静置10min，然后，降温至735℃，往熔体中分三次加入为配比总质量0.6﹪的C₂Cl₆，至无黄色气体冒出，除去熔体中的H₂气体，降低铝合金中的气孔，提高铝合金的耐磨、耐腐蚀性能；之后扒出熔体表面氧化渣，加入Al-Ti中间合金，经搅拌和静置15min，然后，降温至715℃，在水冷模中浇注成型，得缸体铸件。将缸体铸件升温至320℃，保温11h进行均匀化处理，再升温至495℃，保温13h，然后，冷却至室温。将均匀化处理后的缸体铸件升温至510℃，保温9h，然后，水淬至室温，其中淬火转移时间不大于25s；最后，将淬火后的缸体铸件放入160℃的炉中，时效8h即制得气缸体用铝合金。

由图3、图4可知，合金强化相尺寸细小，密度大，同时，合金晶界无明无沉淀析出带，有利于合金宏观力学性能与耐腐蚀性能的提高。

余同实施例1。

实施例3：

一种发动机气缸体用铝合金，按照如下质量百分比称取原料，4.2wt.﹪的Mg；4.3wt.﹪的Si；0.6wt.﹪的 Cu；0.5 wt.﹪的Mn；0.28 wt.﹪的Cr；0.4wt.﹪的Zr；0.29 wt.﹪的Ti；0.03 wt.﹪的 Sr；0.40 wt.﹪的Ag，0.09 wt.﹪的Fe；其它杂质单个≤0.02 wt.﹪，总和≤0.1 wt.﹪，余量为铝。

本发明的制备方法包括按照比例配备上述各种原料，将熔炉温升温至750℃进行熔炼，同时，为防止氧化，从炉底部通入预热后的惰性保护气体氦气，预热后的惰性保护气体温度为450℃；投料时，室内相对湿度严格控制在40﹪以下；首先，将铝加入熔炼炉，待铝块熔化50﹪时，加入覆盖剂，覆盖剂成分依照 YS/T 491-2005中RJ2-1国家行业标准，随后加入Ag及Al-Mn中间合金、Al-Si中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Fe中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Sr中间合金、Al-Cr中间合金，待上述中间合金全部熔化之后加用铝箔包覆的Mg块；当熔点较低的金属瞬间接触比自身熔点更高的熔体时，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，保证制得的铝合金具有良好的刚性和延展性。待炉料全部熔化，搅拌并静置10min，然后，降温至730℃，往熔体中分三次加入为配比总质量0.6﹪的C₂Cl₆，至无黄色气体冒出，除去熔体中的H₂气体，降低铝合金中的气孔，提高铝合金的耐磨、耐腐蚀性能；之后扒出熔体表面氧化渣，加入Al-Ti中间合金，经搅拌和静置15min，然后，降温至715℃，在水冷模中浇注成型，得缸体铸件。将缸体铸件升温至335℃，保温14h进行均匀化处理，再升温至515℃，保温13h，然后，冷却至室温。将均匀化处理后的缸体铸件升温至510℃，保温10h，然后，水淬至室温，其中淬火转移时间不大于25s；最后，将淬火后的缸体铸件放入155℃的炉中，时效9h即制得气缸体用铝合金。

由图5、图6可知，合金强化相尺寸细小，密度大，同时，合金晶界无明无沉淀析出带，有利于合金宏观力学性能与耐腐蚀性能的提高。

余同实施例1。

本发明三个实施例制备的气缸体用铝合金经试验、检测，检测标准按照HB 5143-96；GB/T 7998-2005；GB/T 22639-2008进行，其抗拉强度、高温抗拉强度、导热性能及耐腐蚀性能均有较大提高，结果见表1。

表1：气缸体用铝合金的抗拉强度、导热系数和耐腐蚀性能指标

本发明通过优化合金化元素配比和热处理工艺，提高时效过程中耐高温强化相析出密度，控制合金晶界析出相密度，提高了铝合金的力学性能、耐腐蚀性能和耐高温性能；增加与基体保持共格关系的弥散型强化相；同时，稀土元素的加入，能在晶界处形成热稳定性良好的放射状稀土化合物，强化晶界，提高合金的高温性能，有利于使用过程中发动机缸体使用寿命的延长；制备的气缸体用铝合金在不增加比重的前提下，室温抗拉强度350MPa左右，300℃高温抗拉强度190MPa左右，导热系数260W/(m·K) 左右，晶间腐蚀1～2，剥落腐蚀N，适用于发动机气缸体苛刻的工作环境。

Claims

1.一种发动机气缸体用铝合金，其特征是各元素质量百分比为：Mg：3.8～4.4 wt.﹪；Si：4.0 ～4.8 wt.﹪；Cu：0.25～0.85 wt.﹪；Mn：0.35～0.55 wt.﹪；Cr：0.25～0.35wt.﹪；Zr：0.35 ～0.4 wt.﹪；Ti：0.2～0.3 wt.﹪；Sr：0.02～0.06 wt.﹪；Ag：0.3～0.45wt.﹪，Fe：0.05～0.1 wt.﹪，其它杂质单个≤0.02 wt.﹪，总和≤0.1wt.﹪，余量为铝。

2.一种如权利要求1所述发动机气缸体用铝合金的制备方法，其特征是它包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述发动机气缸体用铝合金的制备方法，其特征是在步骤⑴中，所述惰性保护气体预热后的温度为450℃。

4.根据权利要求2所述发动机气缸体用铝合金的制备方法，其特征是在步骤⑵中，原料投放时，室内相对湿度控制在40﹪以下。

5.根据权利要求2所述发动机气缸体用铝合金的制备方法，其特征是在步骤⑹中，水淬时，淬火转移时间不大于25s。