一种高热强度铝硅合金材料及其制造方法与流程

1.本发明涉及高强度合金及其制备领域，特别涉及一种高热强度铝硅合金材料及其制造方法。


背景技术：

2.铝硅合金是很重要的一种工业合金，广泛地应用于航空、交通、建筑、汽车等重要行业。不管是航空、航海还是陆上交通，都离不开发动机，活塞被称为发动机的心脏，它是发动机中最重要的零件之一。活塞在发动机中经受着高温、高压的热负荷和机械负荷，传统铝硅合金不能这种严苛的环境中长时间使用，传统铝硅合金的高温性能不足严重制约活塞的发展，故开发出高热强度铝硅合金材料十分必要。


技术实现要素：

3.针对上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种高热强度铝硅合金材料及其制造方法，具有更好的高温抗蠕变性能，更佳的高热强度，细化晶粒，金相组织更加均匀的优点。
4.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
5.一种高热强度铝硅合金材料，包括按质量百分比的成分：
6.si：8.5～10％；cu：3.0～4.5％；ni：2.0～3.0％；mg：1.0～2.5％；zr:0.05～0.3％；ti：0.05～0.3％；er：0.05～0.3％；pt：0.05～0.23％，剩余成分为al。
7.进一步的，包括按质量百分比的成分：zr:0.08～0.16％。
8.进一步的，包括按质量百分比的成分：er:0.08～0.15％。
9.进一步的，包括按质量百分比的成分：ti:0.08～0.16％。
10.一种制备高热强度铝硅合金材料的制造方法，包括以下步骤：
11.s1：准备各组分配制铝液，并且准备模具；
12.s2：将铝液注入到模具中凝固成型，成型之后得到铸件；
13.s3：铸件淬火；
14.s4：铸件回火。
15.进一步的，在步骤s2中，首先将铝液加热到760℃经模具浇道平稳充型至内腔。
16.进一步的，在步骤s3中，铸件放入水箱中进行淬火。
17.进一步的，在步骤s3中，水箱温度范围控制在60
‑
80℃，水箱的水位控制在铸件销孔中心处。
18.进一步的，在步骤s4中，将铸件放入烘箱中，以230℃的温度条件回火15h。
19.进一步的，在步骤s4中，铸件回火后硬度控制在105
‑
140hb。
20.综上所述，本发明具有以下有益效果：
21.1.材料中锆和铝形成zral3化合物，可阻碍再结晶过程，细化再结晶晶粒，铝基体中发生再结晶形核时，algzr质点又能起到阻碍作用，能够很好地钉扎晶界和位错，使得合
金的再结晶行为得到抑制，最终达到细化晶粒。
22.2.ti可在合金中形成tialz相，成结晶时的非自发核心，显著地细化了铸造组织，进一步提高材料的机械性能。
23.3.er在材料中产生alger相，其晶格常数与ai十分接近,熔点为1067℃，因而具有较高的热稳定性，al3er相的晶格常数接近于al,故可以与al基体共格，成为形核核心，从而提高形核率，也可以继续生
‑
长成粗大的初生相al3er，阻碍晶粒继续生长，能够有效地细化晶粒，提高材料性能。
附图说明
24.图1是高热强度铝硅合金材料制造方法的步骤示意图；
25.图2是ai
‑
er二元合金相图；
26.图3是试样1的金相图；
27.图4是试样2的金相图；
28.图5是试样3的金相图；
29.图6是试样4的金相图；
30.图7是试样5的金相图；
31.图8是试样6的金相图。
具体实施方式
32.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的装置作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
33.实施例1：一种高热强度铝硅合金材料，包括按质量百分比的成分：si：8.5～10％；cu：3.0～4.5％；ni：2.0～3.0％；mg：1.0～2.5％；zr:0.05～0.3％；ti：0.05～0.3％；er：0.05～0.3％；pt：0.05～0.23％，剩余成分为al。
34.进一步的，zr在铝硅合金中加入量为0.05％～0.25％，锆和铝形成zral3化合物，可阻碍再结晶过程，细化再结晶晶粒。锆亦能细化铸造组织，但比钛的效果小。由于锆对淬火敏感性的影响比铬和锰的小，因此宜用锆来代替铬和锰细化再结晶组织
35.进一步的，包括按质量百分比的成分：zr:0.08～0.16％。zr粒子与al有良好的共格关系，algzr质点细小，分布密集，进行包晶反应时a
‑
al又可依附在这些细小的algzr上形核，此时zr便起到了细化晶粒的作用。与此同时，铝基体中发生再结晶形核时，algzr质点又能起到阻碍作用，能够很好地钉扎晶界和位错，使得合金的再结晶行为得到抑制，最终达到细化晶粒的目的。晶粒的大小对合金的力学性能有着至关重要的影响，往往合金的晶粒越
小，力学性能就越好。其次，zr元素的加入可以提高合金的抗腐蚀性，当zr的含量大于0.12％时，合金的再结晶速率明显降低，大量亚晶组成了未结晶部分，从而切断了连续腐蚀应力的扩张通道，提高了合金的抗剥落腐蚀能力。除此之外，zr元素还可以降低合金的淬火敏感性，提高铝硅合金的断裂韧性，还可在固溶于铝基体同时，使基体的晶格产生畸变，起到固溶强化的作用。综上所述，zr元素的加入有利于铝硅合金综合性能的提升，是铝硅合金强化一种重要微量元素。
36.进一步的，包括按质量百分比的成分：ti:0.08～0.16％。加入后ti可在铝硅合金中形成tialz相，形成结晶时的非自发核心，显著地细化了铸造组织，若与硼混合使用可获得更佳的细化效果。在合金中只需微量可使机械性能提高，但导电率却下降。al
‑
ti系合金产生包晶反应时，钛的临界含量约为0.16％。
37.进一步的，包括按质量百分比的成分：er:0.08～0.15％。如图2所示，根据ai
‑
er二元合金相图可知，铝端的共晶体a1
‑
alger，它的共晶温度为928k(625℃)，共晶点er的成分约为6％。
38.进一步的，er在铝中主要产生alger相，该化合物的晶格常数与ai十分接近,熔点为1067℃，因而具有较高的热稳定性。al3er相为立方晶系，l12型结构，晶格常数为4.215a，该相与al3sc属于同一种空间群，两者的晶格常数也十分接近，并与铝的结构非常相似，因而可以推断出er元素在铝和铝合金中很可能具有与sc相似的作用。
39.进一步的，al3er相的晶格常数接近于al,故可以与al基体共格，成为形核核心，从而提高形核率，也可以继续生
‑
长成粗大的初生相al3er，阻碍晶粒继续生长，能够有效地细化晶粒。同时，er也能在a1中形成过饱和度的固溶体，通过适当的热处理后，次生的al3er粒子从基体中析出，此粒子细小并弥散在基体中，能有效地对亚晶界和位错起到钉扎作用，从而提高了再结晶温度和合金的强度。此外,er的加入可以减少铝熔体的气体，净化合金组织，并能改善铸造铝合金的微观组织,提高其循环变形抗力和疲劳寿命。
40.实施例2：一种高热强度铝硅合金材料的制造方法，如图1所示，包括以下步骤：
41.s1、准备各组分配制铝液，并且准备模具。
42.s2、将铝液加热到760℃经模具浇道平稳充型至内腔，采用快速冷却的铸造方法，对活塞关键部位进行冷却，冷却水流量采用流量计精确控制后输出，模具用温度传感器进行控温。保证顶冒口向上。铝液冷却凝固成型之后，成型后开模取出铸件。
43.s3、放入60
‑
80℃的水箱中进行铸态淬火，其水位控制在销孔中心处。
44.s4、淬火完成的铸件放入到烘箱中，以230℃的温度条件下进行回火，时间为15h，保证回火后材料硬度控制在105
‑
140hb。
45.材料综合性能实验：
46.实验组准备：
47.试样1：采用实施例2快速冷却浇铸方式的强化材料。
48.试样2：采用非快速冷却浇铸方式制备的强化材料。
49.试样3：采用非快速冷却浇铸方式制备普通铝硅合金材料。
50.a、材料浇铸件金相组织检测。
51.实验结构及其分析：
52.试样1：金相如图3所示，组织中出现二次枝晶，并且其晶距均匀。
53.试样2：金相如图4所示，组织中出现二次枝晶，但是晶距不均匀。
54.试样3：金相如图5所示，组织中没有二次枝晶。
55.b、材料最终金相组织检测。
56.实验结构及其分析：
57.试样4：金相如图6所示，晶体组织细密并且均匀。
58.试样5：金相如图7所示，晶体组织细密并且均匀，但是其细密程度低于试样1，证明采用对关键部位快速冷却，使组织进一步细化。
59.试样6：金相如图8所示，晶体组织粗大，其作为对比组与试样4和试样5较大的差距。
60.结合上述两次金相检测结构，证明本发明公开的铝硅合金与传统的铝硅合金相比，微观组织更加细密且均匀，并且形成均匀的二次枝晶，使组织进一步细化。同时通过合理控制造方式，也进一步促使晶体组织细化。
61.材料综合性能实验：
62.实验准备：随机从不同批次的产品中，选取三组试样，记做试样a、试样b和试样c。
63.实验项目：在20℃、350℃、400℃的条件下进行性能测试。
64.实验结果：
[0065][0066]
表1，20℃合金综合性能表
[0067]
[0068]
表2，350℃合金综合性能表
[0069][0070]
表3，400℃合金综合性能表
[0071]
检测结果：合金在高温条件下仍然具有良好的综合力学性能。
[0072]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0073]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。