CN106086490A - 一种用于铸造发动机缸盖的铝合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于铸造发动机缸盖的铝合金，铝合金成分的质量百分比为：6.5‑7.5%的Si，0.25‑0.45%的Mg，≤0.17%的Fe，0.08‑0.25%的Ti，0.005‑0.015%的Sr，其余为Al。本发明还涉及这种铝合金的制备方法，包括按上述成分要求备料；在坩埚炉中的纯铝锭、纯硅加热到760±10℃熔化；将纯镁、铝钛中间合金用钟罩压入铝、硅溶液底部，并将温度控制在810‑860℃之间进行合金化；待合金化完成后，将温度控制在740±10℃之间，加入铝锶中间合金AlSr；通高纯氮气进行除气；同时，加入覆盖剂；静置后扒渣；将合金液浇入预热的模具中，得到用于铸造发动机缸盖的铝合金。本发明经T6热处理后，抗拉强度达到305‑325MPa，屈服强度达到240‑260MPa，硬度达到90‑110HBS，延伸率达到6%；强度、韧性均能够满足发动机缸盖产品性能要求。

Description

一种用于铸造发动机缸盖的铝合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及铝合金材料，具体涉及一种用于铸造发动机缸盖的铝合金及其制备方法。特别是具有优良机械性能（高强度、高韧性）的铝合金材料。

背景技术

目前，各公司在生产汽车发动机缸盖产品时，其熔炼、浇铸、热处理等生产设备的差异性，采用的铸造、热处理工艺参数具有各自的使用体系；且不同公司在缸盖产品结构设计时对材料性能要求不一致，所以，各公司使用的铝合金材料均是在通用材料牌号的基础上进行优化设计，形成专用材料牌号。

随着发动机TC（涡轮增压技术）、GDI（汽油机直喷技术）、VVT（发动机可变气门正时技术）等新技术的集成应用，缸盖产品结构设计越来越复杂，铸造工艺性难度系数增大；缸盖底面和燃烧室面对铝合金材料性能的要求为高强度、高韧性，且需要对屈服强度提出具体数值要求，即抗拉强度保持在＞300MPa、屈服强度保持在＞240MPa水平的同时，延伸率须达到6%。AC4CH是发动机缸盖常用的铝合金材料，其主要成分为Si6.5-7.5%，Mg0.25-0.45%，Fe≤0.20%；但是，其经过T6热处理后，抗拉强度＞250MPa，延伸率达5%，对屈服强度没有要求；该材料无法满足TC、GDI、VVT等新技术集成的缸盖产品设计性能要求。

CN103540812A公开了“一种发动机缸盖用铝合金材料及其制备方法”，其中发动机缸盖用铝合金材料的组成按质量百分比构成为：Si7.5%，Mg0.35%，Cu0.5-1.5%，Ni0.7-2.3%，Mn0.2-0.8%，Fe0.3-0.9%，余量为Al。其制备方法，按以下步骤操作：按配比量称取工业纯铝、结晶硅、纯镍、Al-Cu50%中间合金、Al-Fe20%中间合金以及Al-Mn15%中间合金，将上述各原料加入坩埚电阻炉中，升温至850℃直至全部融化呈熔融状态,，然后降温至730-750℃，用钟罩压入配比量的Mg，搅拌均匀后静置20min；再加入复合磷盐变质剂，搅拌均匀后于730-750℃保温静置20min；随后加入脱气剂六氯乙烷，搅拌均匀后于730-750℃保温静置20min；扒去浮渣后将合金液浇入预热的模具中，冷却后取出，采用T6热处理工艺进行热处理后得到铝合金材料。与现有铝合金气缸盖材料相比，其常温(20℃)抗拉强度基本保持不变，而高温抗拉强度(300℃)明显提高。毫无疑问，这是所属技术领域的一次有益的尝试。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于铸造发动机缸盖的铝合金，其经T6热处理后，抗拉强度达到305-325MPa，屈服强度达到240-260MPa，硬度达到90-110HBS，延伸率达到6%；强度、韧性均能够满足TC、GDI、VVT等新技术集成发动机缸盖产品性能要求。

本发明还提供上述一种用于铸造发动机缸盖的铝合金的制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种用于铸造发动机缸盖的铝合金（Al-Si-Mg-Ti-Sr系），其特征是，铝合金成分的质量百分比为：6.5-7.5%的Si，0.25-0.45%的Mg，≤0.17%的Fe，0.08-0.25%的 Ti，0.005-0.015%的Sr，其余为Al。

一种用于铸造发动机缸盖的铝合金的制备方法，其特征是，包括以下步骤：

第一步，按上述成分的质量百分比要求准备纯铝锭（工业纯铝）、纯硅、纯镁、铝钛中间合金、铝锶中间合金；

第二步，在坩埚炉中加入第一步中配好的纯铝锭、纯硅加热到760±10℃熔化；

第三步，待所加的纯铝锭、纯硅全部熔化完成后，将第一步中准备好的纯镁、铝钛中间合金用钟罩压入铝、硅溶液底部，并将温度控制在810-860℃之间进行合金化；

第四步，待合金化完成后，将温度控制在740±10℃之间，加入第一步中准备好的铝锶中间合金AlSr，作为变质剂；

第五步，通入纯度不小于99.997%的高纯氮气进行除气，除气时间为20-30min；同时，按合金液重量的0.2-0.5%加入覆盖剂；

第六步，通气完成后，静置10-15min后扒渣；

第七步，将合金液浇入预热的模具中，冷却后取出，得到用于铸造发动机缸盖的铝合金。

本发明的有益效果如下：

（1）由于添加了0.08-0.25%的Ti合金，形成的TiAl₃金属间化合物，该物质为结晶时的非自发核心，尺寸微小且数量众多、弥散分布，起到细化铸造组织的作用，改善合金显微组织结构，提高强度与延伸率。

（2）由于添加了0.002-0.015%的Sr合金，对α枝晶生长有显著的影响，Sr能使α枝晶数量增加，并且能够使未变质时的一次枝晶明显变短小，且二次枝晶也得到改善变小，经热处理后，硅相呈细小点状或球状，从而保证了Mg₂Si强化机体的作用及铝基体的塑性得到充分发挥，从而提高了铝合金的性能。

铸造铝合金中的共晶Si呈粗大的针状或片状，对整个Al基体起到切割作用，会显著降低产品的强度及韧性。变质就是将这些粗大的针状或片状共晶Si的形状变成球形或接近球形，从而减少其对Al基体的切割作用，提高产品强度。

（3）本发明提供的铝合金，经T6热处理后抗拉强度达到305-325MPa，屈服强度达到240-260MPa，硬度达到90-110HBS，延伸率达到6%；突破了类似牌号铸造铝合金综合机械性能不高的瓶颈，其高强度、高韧性能够满足TC、GDI、VVT等新技术集成发动机缸盖产品性能要求。

附图说明

图1为未加锶合金的铝合金显微组织结构图（可见明显的粗针状的共晶硅）；

图2为加锶合金后的铝合金在T6热处理后的显微组织结构图（可见组织明显细化，粗针状的共晶硅已变为短杆状或点状，且合金相弥散分布在基体中）。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的说明。

实施例1：

第一步，准备纯铝锭624Kg、纯硅49Kg、纯镁2.5Kg、铝钛中间合金23.8Kg、铝锶中间合金0.7Kg，原料总重700Kg。

第二步，在坩埚炉中加入第一步中配好的纯铝锭、纯硅加热到760℃±10℃熔化；

第三步，待所加的纯铝锭、纯硅全部熔化完成后，将第一步中准备好的纯镁、铝钛中间合金用钟罩压入铝、硅溶液底部，将温度控制在860℃左右进行合金化。

第四步，待合金化完成后，将温度控制在740℃±10℃之间，加入第一步中准备好的铝锶中间合金AlSr，作为变质剂；

第五步，通入纯度不小于99.997%的高纯氮气进行除气，除气时间为25min；同时，按合金液重量的0.2-0.5%加入覆盖剂，以减少铝合金的吸气量与氧化；

第六步，通气完成后，静置15min后扒渣；

第七步，将合金液浇入预热的模具中，冷却后取出，得到用于铸造发动机缸盖的铝合金。

得到用于铸造发动机缸盖的铝合金；其成分的质量百分比为：Si7.10%，Mg0.36%，Fe0.11%，Ti0.17%，Sr0.010%，余量Al；该铝合金经T6热处理后，屈服强度为248MPa，抗拉强度为316MPa，硬度为105HBS，延伸率为6.8%。

实施例2：

第一步，准备纯铝锭612Kg、纯硅52Kg、纯镁3Kg、铝钛中间合金32Kg、铝锶中间合金1Kg，原料总重700Kg。

第二步，在坩埚炉中加入第一步中配好的纯铝锭、纯硅加热到760℃±10℃熔化；

第三步，待所加的纯铝锭、纯硅全部熔化完成后，将第一步中准备好的纯镁、铝钛中间合金用钟罩压入铝、硅溶液底部，将温度控制在810℃左右进行合金化。

第四步，待合金化完成后，将温度控制在740℃±10℃之间，加入第一步中准备好的铝锶中间合金AlSr，作为变质剂；

第五步，通入纯度不小于99.997%的高纯氮气进行除气，除气时间为25min；同时，按合金液重量的0.2-0.5%加入覆盖剂，以减少铝合金的吸气量与氧化；

第六步，通气完成后，静置15min后扒渣；

第七步，将合金液浇入预热的模具中，冷却后取出，得到用于铸造发动机缸盖的铝合金。

得到用于铸造发动机缸盖的铝合金；其成分的质量百分比为：Si7.43%，Mg0.43%，Fe0.12%，Ti0.23%，Sr0.014%，余量Al；该铝合金经T6热处理后，屈服强度为251MPa，抗拉强度为315MPa，硬度为106HBS，延伸率为6.8%。

实施例3：

第一步，准备纯铝锭639.5Kg、纯硅46Kg、纯镁2Kg、铝钛中间合金12Kg、铝锶中间合金0.5Kg，原料总重700Kg。

第二步，在坩埚炉中加入第一步中配好的纯铝锭、纯硅加热到760±10℃熔化；

第三步，待所加的纯铝锭、纯硅全部熔化完成后，将第一步中准备好的纯镁、铝钛中间合金用钟罩压入铝、硅溶液底部，将温度控制在840℃左右进行合金化。

第四步，待合金化完成后，将温度控制在740℃±10℃之间，加入第一步中准备好的铝锶中间合金AlSr，作为变质剂；

第五步，通入纯度不小于99.997%的高纯氮气进行除气，除气时间为25min；同时，按合金液重量的0.2-0.5%加入覆盖剂，以减少铝合金的吸气量与氧化；

第六步，通气完成后，静置15min后扒渣；

第七步，将合金液浇入预热的模具中，冷却后取出，得到用于铸造发动机缸盖的铝合金。

得到用于铸造发动机缸盖的铝合金；其成分的质量百分比为：Si6.57%，Mg0.28%，Fe0.12%，Ti0.086%，Sr0.0071%，余量Al；该铝合金经T6热处理后，屈服强度为249MPa，抗拉强度为314MPa，硬度为105HBS，延伸率为6.7%。

以上三个实施例所述覆盖剂的牌号为 KL－FG ，为徐州坤龙金属材料有限公司的产品；也可选择其它牌号的覆盖剂。

Claims (2)

1.一种用于铸造发动机缸盖的铝合金，其特征是，铝合金成分的质量百分比为：6.5-7.5%的Si，0.25-0.45%的Mg，≤0.17%的Fe，0.08-0.25%的 Ti，0.005-0.015%的Sr，其余为Al。

2.如权利要求1所述一种用于铸造发动机缸盖的铝合金的制备方法，其特征是，包括以下步骤：

第一步，按上述成分的质量百分比要求准备纯铝锭（工业纯铝）、纯硅、纯镁、铝钛中间合金、铝锶中间合金；

第二步，在坩埚炉中加入第一步中配好的纯铝锭、纯硅加热到760±10℃熔化；

第三步，待所加的纯铝锭、纯硅全部熔化完成后，将第一步中准备好的纯镁、铝钛中间合金用钟罩压入铝、硅溶液底部，并将温度控制在810-860℃之间进行合金化；

第四步，待合金化完成后，将温度控制在740±10℃之间，加入第一步中准备好的铝锶中间合金AlSr，作为变质剂；

第五步，通入纯度不小于99.997%的高纯氮气进行除气，除气时间为20-30min；同时，按合金液重量的0.2-0.5%加入覆盖剂；

第六步，通气完成后，静置10-15min后扒渣；

第七步，将合金液浇入预热的模具中，冷却后取出，得到用于铸造发动机缸盖的铝合金。