一种耐热铸造铝合金的制作方法

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：

1、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。

2、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。

3、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。

技术实现思路

1、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。

2、本发明的技术方案如下。

3、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）。

4、下面，介绍本发明耐热铸造铝合金各成分的作用。

5、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%。

6、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%。

7、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%。

8、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%。

9、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。

10、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）。

11、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。

12、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。

13、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。

14、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。

15、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。

16、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。

17、本发明具有以下有益效果。

18、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。