[发明专利]一种发动机缸盖用铝合金材料及其制备方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种铝合金材料及其制备方法，具体地说是一种发动机缸盖用铝合金材料及其制备方法。

二、背景技术

近年来，随着发动机功率的不断提高使得缸盖的工作温度和工作压力显著增加，燃烧室压强上升至18-20MPa，进出气口鼻梁温度接近300℃。为了适应发动机缸盖恶劣工作条件的要求，这就要求发动机缸盖用铸造铝合金材料除具有良好的室温性能外，还应保证其高温性能。

目前，国内外气缸盖主要在铝硅合金的基础上添加Mg、Cu等合金元素来改善合金性能，形成了Al-Si-Cu-Mg系列合金材料，常见的合金牌号主要有A356、319.0、AC4B、ZL101A、ZL114A及欧洲标准G-AlSi₆Cu₄等。上述气缸盖用的铸造铝合金主要靠Mg₂Si、CuAl₂来提高合金强度。但随着发动机功率的提高，仅靠这两种强化相已经很难满足发动机气缸盖的高温使用要求。

因此，选择合适的合金元素来提高铝合金的高温强度，是适应发动机功率提高的必然途径。常见的合金化元素有：Fe、Mn、Ni、Ti、Zr、Zn等。其中在铝合金缸盖铸造过程中铁往往被当做有害元素来处理，但研究发现通过添加合金元素等途径可以改善合金中铁相形态，能大幅度提高铝合金的高温性能，例如单纯添加Mn元素来改善铁相形态。在缸盖中同时添加Ni、Mn元素来改善Fe相形态的研究还未见报道，同时Ni元素本身在铝合金中也有很好的高温强化效果，所以合理添加Fe、Mn、Ni元素对提高缸盖高温强度具有实际意义。

三、发明内容

本发明旨在提供一种发动机缸盖用铝合金材料及其制备方法，所要解决的技术问题是遴选合适的合金元素以提高铝合金材料的高温强度。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明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。

优选为：

Si7.5%，Mg0.35%，Cu1.0%，Ni0.7%，Mn0.5%，Fe0.9%，余量为Al。

本发明发动机缸盖用铝合金材料的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已预热到200℃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。

Al-Cu50%中间合金中Cu的质量百分含量为50%，余量为Al；Al-Fe20%中间合金中Fe的质量百分含量为20%，余量为Al；Al-Mn15%中间合金中Mn的质量百分含量为15%，余量为Al。

所述复合磷盐变质剂按质量百分比构成为：磷酸二氢钙65wt%，氯化钾20wt%，氯化钠10wt%和氟化钙5wt%。

本发明铝合金材料中的强化元素与铝生成了AlFeMnNiSi、A1-Ni-Cu、Al₃Ni、CuAl₂等耐热强化相，起到了高温强化的作用，其中最为明显的高温强化相是Al-Fe相，添加Mn、Ni元素后使铁相形态得到很大改善，由有害的针片状变成鱼骨状（图3）或花瓣状或块状（图5）的AlFeMnNiSi相，使得材料在高温下有良好的高温抗拉强度。

本发明铝合金材料主要有以下优点：

1、与现有铝合金气缸盖材料相比，本发明铝合金材料的常温（20℃）抗拉强度基本保持不变，而高温抗拉强度（300℃）明显提高（见表1）。

表1

注：1、AC₄B、319.0和G-AlSi₆Cu₄分别为日本、美国和欧洲用典型铸造铝合金缸盖材料；

2、表中数据为实测最佳值。

2、本发明添加了被认为对铝合金有害的元素Fe，通过添加Mn、Ni元素后使铁相形态得到改善，从而使铝合金材料的高温强度得到明显提升。