一種耐高溫納米陶瓷顆粒增強鋁合金及其制備方法與應用
【專利摘要】本發明涉及一種耐高溫納米陶瓷顆粒增強鋁合金及其制備方法與應用，耐高溫納米陶瓷顆粒增強鋁合金由以下質量百分比含量的組分構成：Si 5～9％、Mg 0.1～0.5％、Cu 2～6％、Fe 0.1～0.6％、Mn 0.1～0.6％、Zr 0.05～0.2％、V 0.05～0.2％、TiB2顆粒0.1～25％，余量為Al；耐高溫納米陶瓷顆粒增強鋁合金用于制作發動機缸蓋。與現有發動機用缸蓋材料相比，本發明制備得到的鋁合金的室溫(20℃)抗拉強度和高溫(250℃和300℃)抗拉強度都有大幅度的提高，能夠滿足高性能發動機對于更高工作溫度，更高爆發壓力的要求，可作為新型高性能發動機缸蓋材料使用。
【專利說明】
一種耐高溫納米陶瓷顆粒増強鋁合金及其制備方法與應用
技術領域
[0001] 本發明屬于鋁合金材料技術領域，尤其是涉及一種耐高溫納米陶瓷顆粒增強鋁合 金及其制備方法與應用。
【背景技術】
[0002] 鑄造鋁合金具有比重小，比強度高，鑄造成形性能和加工性能良好等一系列優點， 在汽車零部件當中被廣泛的使用。目前國內外大部分轎車的發動機缸體，缸蓋和活塞都采 用高強度的鑄造鋁合金生產。鑄造鋁合金在汽車上的廣泛使用，能夠有效的減輕汽車的重 量，提高發動機的燃油效率，減少汽車尾氣排放對大氣的污染。目前，作為汽車發動機缸蓋 材料使用的鑄造鋁合金主要有國內的ZL101，ZL104及ZL702A，美國的319.0，日本的AC4B，和 歐洲的G-AlSi6Cu4鋁合金。雖然這些傳統牌號的鋁硅合金已經滿足使用要求，但是當發動 機功率進一步提高時，這類鑄造鋁合金已經很難滿足發動機缸蓋的高溫使用要求。
[0003]近年來，隨著更加嚴苛的汽車尾氣排放標準的出臺，汽車發動機的設計功率亦是 不斷提高。這使得缸蓋承受的工作溫度和和工作壓力顯著提高。隨著燃燒室壓強由約14-16MPa上升至18-20MPa，缸蓋的進出氣口鼻梁溫度由約250°C提高到近300°C。這就要求發動 機缸蓋用鑄造鋁合金材料除具有良好的室溫性能以外，還應具有優異的高溫性能。相比與 普通鑄造鋁合金，納米陶瓷顆粒增強鋁合金具有高比強度，高比模量，優異的耐高溫性。在 發動機活塞，航空，航天和國防等工業領域有著廣泛的應用。但是，專門為發動機缸蓋用發 明和設計優化的納米陶瓷顆粒增強鋁合金仍未見報道。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種耐高溫納米陶 瓷顆粒增強鋁合金及其制備方法與應用，以滿足不斷提高的工作溫度對發動機缸蓋材料 的需求。
[0005] 本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：
[0006] -種耐高溫納米陶瓷顆粒增強鋁合金，由以下質量百分比含量的組分構成：Si 5 ~9%、Mg 0.1 ~0.5%、Cu 2~6%、Fe 0.1 ~0·6%、Μη 0.1 ~0.6%、Zr 0.05~0.2%、V 0 · 05~0 · 2%、TiB2顆粒0 · 1 ~25 %，余量為Α1。
[0007] 進一步地，所述的TiB2顆粒為粒徑在20_300nm的納米顆粒。
[0008] 進一步地，所述的TiB2顆粒的形狀為六方形或長方形。
[0009] 進一步地，所述的TiB2顆粒均勻分布在鋁合金中，界面干凈且無界面反應。
[0010] -種耐高溫納米陶瓷顆粒增強鋁合金的制備方法，該方法包括以下步驟：
[0011] (1)熔化鋁錠，升溫至880~1000°C;
[0012] ⑵將KBF4、K2TiF6按質量比為1:1.4-1.8均勻混合，烘干后加入恪體中，進行機械 攪拌，同時向熔體中通入惰性氣體，如Ar;
[0013] (3)取出反應熔渣，加入 Si、Mg&&Al-50%Cu、Al-20%Fe、Al-10%Mn、Al-10%Zr 和A1-5%V中間合金，在熔體中加入精煉劑進行除氣精煉，扒去浮渣，靜置后澆注到已預熱 至|J220°C的模具中，冷卻后取出，采用Τ6熱處理工藝進行熱處理，得到納米陶瓷顆粒增強鋁 合金。
[0014]進一步地，所述的精煉劑為常規的含有鉀鹽、鈉鹽、氟鹽等無機鹽的鋁合金精煉劑 或六氯乙烷。
[0015] 進一步地，所述的Al-50%Cu中間合金中，Cu的質量百分比為50%，余量為A1;A1-20%Fe中間合金中，Fe的質量百分比為20%，余量為Α1 ;Α1-10%Μη中間合金中，Μη的質量百 分比為10%，余量為A1 ;Al-10%Zr中間合金中，Zr的質量百分比為10%，余量為A1 ;A1-5%V 中間合金中，V的質量百分比為5%，余量為A1。
[0016] 進一步地，鋁錠、KBF4、K2TiF6、Si、Mg、Al-50%Cu、Al-20%Fe、Al-10%Mn、Al-10% Zr和A1-5%V中間合金的加入量滿足所得耐高溫納米陶瓷顆粒增強鋁合金由以下質量百分 比含量的組分構成：Si 5~9%、Mg 0.1~0.5%、Cu 2~6%、Fe 0.1~0·6%、Μη 0.1~ 0.6%、Zr 0.05~0.2%、V 0.05~0.2%、TiB2顆粒0.1 ~25%，余量為Α1。
[0017] 所述的耐高溫納米陶瓷顆粒增強鋁合金用于制作發動機缸蓋。
[0018] 與現有技術相比，本發明中的Si顆粒提供了一定的高溫強度;Cu和Mg能在鋁合金 中形成穩定且擴散速率低的第二相，在高溫下能起到強化作用;Zr和V在形成具有熱穩定性 的第二相的同時，還能細化鋁合金組織以起到強化作用。最重要的是，TiB 2顆粒是從鋁熔體 中原位反應自生的，與鋁基體結合良好，且其作為陶瓷相高溫強度穩定性優異。此外，TiB2 顆粒尺度細小，均勻彌散的分布在合金基體上，有利于提高鋁合金的室溫和高溫性能。
[0019] 將本發明材料加工成直徑為6mm的標準拉伸試樣，根據GB/T228-2002《金屬材料室 溫拉伸實驗方法》和GB/T4338-2006《金屬材料高溫溫拉伸實驗方法》測試室溫(20°C)力學 性能和高溫(250 °C和300 °C )力學性能。高溫力學性能的試樣測試保溫時間為30分鐘。結果 見表1。本發明制備得到的納米陶瓷顆粒增強鋁合金，與現有發動機缸蓋用鋁合金相比，本 發明鋁合金材料的室溫(20 °C)抗拉強度和高溫(250 °C和300 °C)抗拉強度都有明顯的提高。 表1
[0020]
[0021]注：
[0022] (1 )ZL702A，319.0，AC4B和G-AlSi6Cu4分別為中國，美國，日本和歐洲典型的缸蓋 用鑄造鋁合金材料。
[0023] (2)表中數據為實測最佳值。
【具體實施方式】
[0024]下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。
[0025] 實施例1
[0026] -種發動機缸蓋用納米陶瓷顆粒增強鋁合金，由以下質量百分比含量的組分構 成：Si 9%、Mg 0.35%、Cu 5%、Fe 0.4%、Mn 0.4%、Zr 0.1%、V 0.1%、TiB2顆粒25%，余 量為A1。其中，TiB2顆粒為粒徑在20nm的納米顆粒，形狀為六方形。TiB 2顆粒均勻分布在鋁合 金中，界面干凈且無界面反應。
[0027] 發動機缸蓋用納米陶瓷顆粒增強鋁合金的制備方法，采用以下步驟：
[0028] (1)熔化鋁錠，升溫至880°C;
[0029] (2)將KBF4、K2TiF6按質量比為1:1.4均勻混合，烘干后加入熔體中，進行機械攪拌， 同時向熔體中通入Ar;
[0030] (3)取出反應熔渣，按照上述配方加入Si、Mg以及Al-50%Cu、Al-20%Fe、Al-10% Mn、Al-10%Zr和A1-5%V中間合金，在熔體中加入精煉劑(為常規的含有鉀鹽的鋁合金精煉 劑)進行除氣精煉，扒去浮渣，靜置后澆注到模具中，冷卻后取出，采用T6熱處理工藝進行熱 處理，得到納米陶瓷顆粒增強鋁合金。
[0031] 本實施例中制備的納米陶瓷顆粒增強鋁合金常溫的抗拉強度為410MPa，高溫的拉 強度分別為 353MPa(250°C)和 208MPa(300°C)。
[0032] 實施例2
[0033] -種發動機缸蓋用納米陶瓷顆粒增強鋁合金，由以下質量百分比含量的組分構 成：Si 6%、Mg 0.2%、Cu 3%、Fe 0.2%、Mn 0.2%、Zr 0.05%、V 0.1%、TiB2顆粒8%，余 量為A1。其中，TiB2顆粒為粒徑在300nm的納米顆粒，形狀為長方形。TiB 2顆粒均勻分布在鋁 合金中，界面干凈且無界面反應。
[0034] 發動機缸蓋用納米陶瓷顆粒增強鋁合金的制備方法，采用以下步驟：
[0035] (1)熔化鋁錠，升溫至ΙΟΟΟΓ;
[0036] (2)將KBF4、K2TiF6按質量比為1:1.8均勻混合，烘干后加入熔體中，進行機械攪拌， 同時向熔體中通入Ar;
[0037] (3)取出反應熔渣，按照上述配方加入Si、Mg以及Al-50%Cu、Al-20%Fe、Al-10% Mn、Al-10%Zr和A1-5%V中間合金，在熔體中加入精煉劑(為常規的含有鈉鹽的鋁合金精煉 劑)進行除氣精煉，扒去浮渣，靜置后澆注到模具中，冷卻后取出，采用T6熱處理工藝進行熱 處理，得到納米陶瓷顆粒增強鋁合金。
[0038]本實施例中制備的納米陶瓷顆粒增強鋁合金常溫的抗拉強度為370MPa，高溫的抗 拉強度分別為 285MPa(250°C)和177MPa(300°C)。
[0039] 實施例3
[0040] -種耐高溫納米陶瓷顆粒增強鋁合金，由以下質量百分比含量的組分構成：Si 5%、Mg 0.1%、Cu 2%、Fe 0·1%、Μη 0.1%、Zr 0.05%、V 0.05%、TiB2顆粒0.1%，余量為 A1。其中，TiB2顆粒為粒徑在20-30nm的納米顆粒。TiB2顆粒的形狀為六方形。TiB 2顆粒均勻 分布在鋁合金中，界面干凈且無界面反應。
[0041] -種耐高溫納米陶瓷顆粒增強鋁合金的制備方法，該方法包括以下步驟：
[0042] (1)熔化鋁錠，升溫至900°C;
[0043] (2)將KBF4、K2TiF6按質量比為1:1.6均勻混合，烘干后加入熔體中，進行機械攪拌， 同時向熔體中通入惰性氣體Ar;
[0044] (3)取出反應熔渣，加入 Si、Mg&&Al-50%Cu、Al-20%Fe、Al-10%Mn、Al-10%Zr 和A1-5%V中間合金，在熔體中加入精煉劑(是常規的含有氟鹽的鋁合金精煉劑)進行除氣 精煉，扒去浮渣，靜置后澆注到已預熱到220°C的模具中，冷卻后取出，采用T6熱處理工藝進 行熱處理，得到納米陶瓷顆粒增強鋁合金。
[0045]本實施例中制備的納米陶瓷顆粒增強鋁合金常溫的抗拉強度為380MPa，高溫的拉 強度分別為 300MPa(250°C)和180MPa(300°C)。
[0046] 實施例4
[0047] -種耐高溫納米陶瓷顆粒增強鋁合金，由以下質量百分比含量的組分構成：Si 9%、Mg 0.5%、Cu 6%、Fe 0·6%、Μη 0.6%、Zr0.2%、V 0.2%、TiB2顆粒25%，余量為A1。 其中，TiB2顆粒為粒徑在200-300nm的納米顆粒，TiB 2顆粒的形狀為長方形，TiB2顆粒均勻分 布在鋁合金中，界面干凈且無界面反應。
[0048] -種耐高溫納米陶瓷顆粒增強鋁合金的制備方法，該方法包括以下步驟：
[0049] (1)熔化鋁錠，升溫至880~1000°C;
[0050] (2)將KBF4、K2TiF6按質量比為1:1.8均勻混合，烘干后加入熔體中，進行機械攪拌， 同時向熔體中通入惰性氣體Ar;
[0051] (3)取出反應熔渣，加入 Si、Mg&&Al-50%Cu、Al-20%Fe、Al-10%Mn、Al-10%Zr 和A1 -5 % V中間合金，在熔體中加入精煉劑(六氯乙烷)進行除氣精煉，扒去浮渣，靜置后澆 注到已預熱到220°C的模具中，冷卻后取出，采用T6熱處理工藝進行熱處理，得到納米陶瓷 顆粒增強鋁合金。
[0052]本實施例中制備的納米陶瓷顆粒增強鋁合金常溫的抗拉強度為370MPa，高溫的拉 強度分別為 280MPa(250°C)和175MPa(300°C)。
[0053]上述的對實施例的描述是為便于該技術領域的普通技術人員能理解和使用發明。 熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般 原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本發明不限于上述實施例，本領 域技術人員根據本發明的揭示，不脫離本發明范疇所做出的改進和修改都應該在本發明的 保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種耐高溫納米陶瓷顆粒增強鋁合金，其特征在于，由以下質量百分比含量的組分 構成：Si 5~9%、Mg 0.1 ~0.5%、Cu 2~6%、Fe 0.1 ~0·6%、Μη 0.1 ~0.6%、Zr 0.05~ 0.2%、V 0.05~0.2%、TiB2顆粒0· 1 ~25%，余量為Al。2. 根據權利要求1所述的一種耐高溫納米陶瓷顆粒增強鋁合金，其特征在于，所述的 TiB2顆粒為粒徑在20-300nm的納米顆粒。3. 根據權利要求1所述的一種耐高溫納米陶瓷顆粒增強鋁合金，其特征在于，所述的 TiB2顆粒的形狀為六方形或長方形。4. 根據權利要求1所述的一種耐高溫納米陶瓷顆粒增強鋁合金，其特征在于，所述的 TiB2顆粒均勻分布在鋁合金中。5. -種如權利要求1所述的耐高溫納米陶瓷顆粒增強鋁合金的制備方法，其特征在于， 該方法包括以下步驟： (1) 熔化鋁錠，升溫至880~1000 °C; (2) 將KBF4、K2TiF6按質量比為1:1.4-1.8均勻混合，烘干后加入熔體中，進行機械攪拌， 同時向熔體中通入惰性氣體； (3) 取出反應熔渣，加入 Si、Mg以及Al-50%Cu、Al-20%Fe、Al-10%Mn、Al-10%Zr和Al-5%V中間合金，在熔體中加入精煉劑進行除氣精煉，扒去浮渣，靜置后澆注到模具中，冷卻 后取出，采用T6熱處理工藝進行熱處理，得到納米陶瓷顆粒增強鋁合金。6. 根據權利要求5所述的一種耐高溫納米陶瓷顆粒增強鋁合金的制備方法，其特征在 于，所述的精煉劑為常規的含有無機鹽的鋁合金精煉劑或六氯乙烷。7. 根據權利要求5所述的一種耐高溫納米陶瓷顆粒增強鋁合金的制備方法，其特征在 于，所述的Al-50%Cu中間合金中，Cu的質量百分比為50%，余量為Al;Al-20%Fe中間合金 中，Fe的質量百分比為20%，余量為Al ;Α1-10%Μη中間合金中，Mn的質量百分比為10%，余 量為Al;Al-10%Zr中間合金中，Zr的質量百分比為10%，余量為Al ;Al-5%V中間合金中，V 的質量百分比為5%，余量為A1。8. 根據權利要求5所述的一種耐高溫納米陶瓷顆粒增強鋁合金的制備方法，其特征在 于，鋁錠、仙卩4、1(211卩6、31、]\%、厶1-50%〇1、厶1-20%卩6、厶1-10%]\111、厶1-10%2『和厶1-5%￥中間 合金的加入量滿足所得耐高溫納米陶瓷顆粒增強鋁合金由以下質量百分比含量的組分構 成：Si 5~9%、Mg 0.1 ~0.5%、Cu 2~6%、Fe 0.1 ~0·6%、Μη 0.1 ~0.6%、Zr 0.05~ 0.2%、V 0.05~0.2%、TiB2顆粒0· 1 ~25%，余量為Al。9. 一種如權利要求1所述的耐高溫納米陶瓷顆粒增強鋁合金的應用，其特征在于，所述 的耐高溫納米陶瓷顆粒增強鋁合金用于制作發動機缸蓋。
【文檔編號】C22C21/16GK105886847SQ201610381546
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月1日
【發明人】汪明亮, 陳哲, 陳東, 夏存娟, 王浩偉, 王鵬舉
【申請人】上海交通大學