本發明涉及鋁合金領域，且特別涉及一種用于制備發動機缸體的鋁合金及其制備方法。
背景技術：
鋁合金由于其密度小、比強度高，同時具有優異的鑄造性能、耐腐蝕性能、可焊性及熱膨脹性，可以用來生產形狀復雜、薄壁、耐腐蝕、氣密性要求高、承受中高靜載荷或沖擊載荷，以成為制造業中最受重視的結構材料之一。
隨著汽車工業面臨越來越嚴峻的能源、公害和安全三大問題的產生，故對節約能源、減少廢氣排放、降低噪音等問題的法規也在不斷完善和嚴苛。汽車工業方面解決上述問題最有效的辦法就是減輕汽車自身的質量，而減少汽車質量的主要途徑是使汽車材料輕量化。鋁合金在汽車的發動機、變速箱等零件制備的使用上也越來越多。
由于發動機的缸體要承受缸體內部的高壓氣體和活塞工作時產生的摩擦力以及由高溫氣體引起的熱應力，所以制備發動機缸體所使用的鋁合金要具有更強的耐磨性、抗拉強度等機械性能，現有技術主要通過增加鋁合金的剛性來實現上述目的，但增加鋁合金剛性勢必增加其重量密度，不利于發動機的降溫散熱，極易影響發動機的使用壽命。
技術實現要素：
本發明的目的在于提供一種用于制備發動機缸體的鋁合金，其加工性能好、比重輕、耐腐蝕性能、室溫性能和高溫性能良好，且該鋁合金具有很好的延展性和導熱效率，利于使用過程中的降溫，能夠延長發動機缸體的使用壽命。
本發明的另一目的在于提供一種用于制備發動機缸體的鋁合金的制備方法，其能夠快速、充分的除去鋁合金中的氣體和雜質，減少制備出的鋁合金中的氣泡的數量和雜質的含量，在不增加鋁合金的比重的情況下，提升鋁合金的強度、抗拉性能、耐腐蝕性能和鋁合金表面的光滑程度等，能夠提升發動機缸體的散熱性，有利于使用過程中的降溫，提升發動機的使用效率和延長使用壽命。
本發明解決其技術問題是采用以下技術方案來實現的。
一種用于制備發動機缸體的鋁合金，以重量百分比計，包括：硅8.5-11.5％，銅2-5％，鐵0.7-0.9％，鎂0.55-0.65％，錳0.15-0.35％，鋅0.6-0.65％，鎳0.04-0.06％，鈦0.1-0.15％，鋯0.1-0.25％，鉺0.01-0.015％，銩0.002-0.004％，镥0.01-0.015％，余量為鋁。
一種用于制備發動機缸體的鋁合金的制備方法，包括按比例稱取上述用于制備發動機缸體的鋁合金的原料，將原料升溫至705-720℃直至熔化于容器中；
從容器底部向熔融狀態的原料通入預熱了2-3min的氦氣，并去除反應熔渣和浮渣，靜置20-30min后澆鑄到模具中，冷卻后取出，得到初制缸體，然后對初制缸體進行淬火處理和時效處理；淬火處理的溫度為410-430℃，時效處理的溫度為180-200℃。
本發明實施例的用于制備發動機缸體的鋁合金及其制備方法的有益效果是：該用于制備發動機缸體的鋁合金中的硅元素能夠在不增加鋁合金比重的前提下增強鋁合金的抗拉強度和硬度等機械性能，同時Cu加入到Al-Si合金中會形成α固溶體、CuAl2和Si相。α相分別與CuAl2和Si構成兩相共晶體，同時這三個相又可共同構成三相共晶體。當銅作為強化相固溶于鋁基體中或以顆粒狀化合物存在時，可進一步顯著提高發動機缸體的鋁合金的強度和硬度，該鋁合金的加工性能好、比重輕、耐腐蝕性能、室溫性能和高溫性能良好，由于比重未增加該鋁合金具有良好的散熱性，利于使用過程中的降溫，能夠延長發動機缸體的使用壽命；該制備方法能夠快速、充分的除去鋁合金中的氣體和雜質，減少制備出的鋁合金中的氣泡的數量和雜質的含量，進一步在為增加比重的情況下提升鋁合金的強度、抗拉性能、耐腐蝕性能和鋁合金表面的光滑程度等，有利于提升發動機缸體的散熱性，提升發動機的使用效率和延長使用壽命。
具體實施方式
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。實施例中未注明具體條件者，按照常規條件或制造商建議的條件進行。所用試劑或儀器未注明生產廠商者，均為可以通過市售購買獲得的常規產品。
下面對本發明實施例的用于制備發動機缸體的鋁合金及其制備方法進行具體說明。
本發明實施例提供的一種用于制備發動機缸體的鋁合金，其以重量百分數計，包括：硅8.5-11.5％，銅2-5％，鐵0.7-0.9％，鎂0.55-0.65％，錳0.15-0.35％，鋅0.6-0.65％，鎳0.04-0.06％，鈦0.1-0.15％，鋯0.1-0.25％，鉺0.01-0.015％，銩0.002-0.004％，镥0.01-0.015％，余量為鋁。
本發明提供的一種用于制備發動機缸體的鋁合金的制備方法，包括：按照比例配備上述的各種原料，將各種原料升溫熔化于容器中，從容器的底部向熔融狀態的原料通入預熱的氦氣，并去除反應熔渣和浮渣，靜置后澆鑄到模具中，冷卻后取出，得到初制缸體，然后對初制缸體進行淬火處理和時效處理。
具體的，本發明的用于制備發動機缸體的鋁合金及其制備方法按照以下步驟進行：
S1備料步驟：
按照比例配備原料，其中原料包括：8.5-11.5％的硅，2-5％的銅，0.7-0.9％的鐵，0.55-0.65％的鎂，0.15-0.35％的錳，0.6-0.65％的鋅，0.04-0.06％的鎳，0.1-0.15％的鈦，0.1-0.25％的鋯，0.01-0.015％的鉺，0.002-0.004％的銩，0.01-0.015％的镥，余量為鋁。
硅(Si)元素的主要作用是改善發動機缸體的鋁合金的流動性，此外，硅晶粒的化學穩定性好且具有較強的硬度。通常，隨著發動機缸體的鋁合金中硅元素的含量的增加，能夠提高發動機缸體的鋁合金的抗拉強度和硬度，使含硅元素的發動機缸體的鋁合金具有比純鋁更高的耐腐蝕和耐磨性，同時不會增加鋁合金的比重，即不會降低鋁合金的散熱性。但是，發動機缸體的鋁合金中的硅元素含量過高時，對發動機缸體的鋁合金的熱導性能會產生不利影響。本發明中硅元素優選的含量為8.5-9.5％，即能夠保證發動機缸體的鋁合金具有較強的抗拉強度、硬度耐磨性，又保證了發動機缸體的比重小，散熱良好，從而還能夠進一步保證了發動機缸體良好的耐腐蝕性等，延長發動機的使用壽命。
銅(Cu)元素的主要作用是改善發動機缸體的鋁合金的機械強度及抗腐蝕性能。Cu加入到Al-Si合金中會形成α固溶體、CuAl2和Si相。α相分別與CuAl2和Si構成兩相共晶體，同時這三個相又可共同構成三相共晶體。為了避免Si元素含量過高導致降低鋁合金的導熱性降低而減少了一定的Si元素的含量，可能會影響鋁合金一定的強度和硬度，而Cu元素的合理添加可以有效的避免這一點，當銅作為強化相固溶于鋁基體中或以顆粒狀化合物存在時，可顯著提高發動機缸體的鋁合金的強度和硬度，避免缸體出現機械損傷，延長發動機的使用壽命。
鐵(Fe)元素的主要作用是減少粘模，與硅和鋁形成Al-Si-Fe系晶析物，有助于分散強化。但是如果鐵元素的含量過高，則會對發動機缸體的鋁合金的機械性能和導熱性能產生不利影響。本發明中鐵元素優選的含量為0.7-0.8％，即能夠保證發動機缸體的鋁合金具有強度，又保證了發動機缸體的鋁合金良好的機械性能和導熱性能，從而提高發動機缸體的散熱性能，降低發動機的維修頻率，延長發動機的使用壽命。
鎂(Mg)元素的主要作用是細化晶粒，顯著提高合金強度、硬度，減少粘模的傾向，使壓鑄件的表面光滑，避免缸體在脫模時出現損傷的現象。
錳(Mn)元素的主要作用是提高發動機缸體的鋁合金的強度、韌性、抗應力腐蝕性能等。另一方面，錳能阻止發動機缸體的鋁合金的再結晶過程，提高再結晶溫度，并能顯著細化再結晶晶粒。再結晶晶粒的細化主要是通過MnAl6化合物彌散質點對再結晶晶粒長大起阻礙作用，結晶晶粒被細化后，有利于鋁合金的散熱性能的提升。MnAl6的還有一作用是能溶解雜質鐵，形成(Fe、Mn)Al6，減少鐵的有害影響。
鋅(Zn)元素的主要作用是改善鋁合金的機械性能和鑄造性能。但是，如果鋅元素的含量過多會對鋁合金的導熱性產生不良的影響，降低發動機缸體的散熱性能，所以本發明中將鋅元素的含量控制在0.6-0.65％范圍，既能夠保證制得的鋁合金有良好的機械性能和鑄造性能，又具有良好的散熱性能。
鎳(Ni)元素的主要作用是提高鋁合金的抗腐蝕性能和延展性等，能夠提高發動機缸體的耐磨性、抗拉強度等機械性能。但是，鎳的含量過高會不利于鋁合金的散熱，故優選的本發明中的鎳元素的在0.04-0.06％范圍，既能滿足鋁合金的抗腐蝕性能和延展性等，又能保證該鋁合金有良好的散熱能力，有利于發動機的降溫。
鈦(Ti)元素和鋯(Zr)元素的主要作用是細化晶粒，改善發動機缸體的鋁合金的塑性變形能力，有利于加工時變形均勻，使發動機缸體的鋁合金的性能優異、塑性良好，有利于鑄造及隨后的塑性加工。
稀土(Re)元素銩(Tm)、镥(Lu)和鉺(Er)可以改變合金的結晶條件，使其組織和性能得到改善。稀土元素較活潑，它熔于鋁液中，極易填補合金相的表面缺陷，從而降低新舊兩相界面上的表面張力，使得晶核生長的速度增大，同時還在晶粒與合金液之間形成表面活性膜，阻止生成的晶粒長大，使合金的組織細化。同時，鋁和稀土形成的化合物在金屬液結晶時作為外來的結晶晶核，會讓晶核數大量增加從而使合金的組織細化。稀土對氫的吸附能力特別大，能大量吸附和溶解氫，且稀土與氫的化合物熔點較高，并且彌散分布于鋁液中，以化合物形成的氫不會聚集形成氣泡，大大降低鋁的含氫量和針孔率，亦可以進一步提升發動機缸體的散熱性能，延長發動機的使用壽命。當發動機缸體的鋁合金中加入稀土元素，還可以有效地提高發動機缸體的鋁合金的抗拉強度、硬度和塑性等。當稀土(Re)元素的含量較高時，可能會導致制得的鋁合金變脆，不利于使用，所以本發明中，優選的，銩的含量為0.002-0.003％，鉺的含量為0.01-0.012％，镥的含量為0.01-0.012％。
通常為了增加鋁合金的剛性，需要將其中的Fe比例適當提高，但是由于Fe的比重較大，且增加Fe后，鋁合金的延展性和導熱性能會變差，不利于機械加工以及在制成發動機缸體后的降溫散熱。在此基礎上，發明人發現通過提高Cu元素和Mn元素的比例，并且將Cu、Mn與Fe元素的比例調整到大致100：7：16的范圍，既可以提高剛性，同時又不會降低其延展性，并且其導熱效率與現有的缸體用鋁合金相比相差不大，依然具有良好的導熱效率，降溫散熱效果優良。
S2熔化步驟：
將按比例稱取的原料放入容器中升溫至705-720℃熔化至熔融狀態，從容器的底部向熔融狀態的原料通入預熱2-3min的氦氣，氦氣由于其自身密度小同時反應活性極低的特點，其在上浮過程中會將熔體中的部分雜質、渣等裹挾并帶往液面。此時去除反應熔渣和浮渣。上述容器優選的可以是熔煉爐。
氦氣通入熔融狀態原料的時間為3-5min，預熱后的氦氣與處于熔融狀態下的原料的溫差相對較小，使得氦氣在熔融狀態下的原料中的分布更加均勻，且更加容易在熔融的原料中長大，并形成彌散的分布，增大了精煉氣泡與金屬熔體實際的接觸面積，有利于將熔體中的氣體帶出，起到顯著的除氣效果，且除氣率高，可以減少氦氣的使用量，降低生產成本。通過使用預熱的氦氣通入鋁合金熔體可以減少制得的鋁合金中的細小的氣孔和針孔，提高鋁合金的剛性和耐磨、耐腐蝕等機械性能，有利于延長發動機缸體的使用壽命。
更優地，在原料投放時，首先將鋁加入熔煉爐，升溫至705℃，其后逐漸升溫，升溫速率為5℃/min，直到溫度達到720℃，依次加入鋯、鈦、镥、銩、鐵、鉺、鎳、硅和錳，待上述元素全部熔化之后再加入銅、鎂和鋅；先將高熔點的元素置于熔煉爐內熔化，再將熔點相對較低的元素置于熔煉爐內熔化，當熔點較低的金屬瞬間接觸比自身熔點更高的熔體時，自身溫度急劇升高，其迅速熔融并迅速在熔體中分散，并且由于已熔化的元素的流動性，后添加的低熔點元素能快速地、均勻地彌散于混合的熔體當中，減少氣泡的生成，過程中，伴隨氦氣的鼓泡作用，浮渣和殘渣等雜質被帶完液面并除去，進一步減少后續加工過程中的材料缺陷，并且進一步地有助于鋁合金中的各種晶粒之間的結合的更加緊實，減少鋁合金中出現細小針孔的現象，進一步在鋁合金的比重較輕的情況下，保證制得的鋁合金具有良好的剛性和延展性，同時還因為較小的比重有良好的散熱降溫的性能。
S3澆鑄步驟：
將除雜后的融化狀態下的原料靜置20-30min后澆鑄到模具中，冷卻后取出，得到初制缸體，然后對初制缸體進行淬火處理和時效處理。
將除雜后的融化狀態的原料靜置后再澆鑄能夠進一步的促使細小的氦氣氣泡彌散的分布在鋁合金的熔體中，并且繼續吸氫上浮、不斷長大，直到溢出液面，即進一步減少鋁合金中的氫含量，降低鋁合金中的氣孔，提高鋁合金的耐磨、耐腐蝕性能；但是靜置的時間不宜過長，因為如果靜置的時間過長則會導致熔化狀態鋁合金的表面被氧化變成雜質，而這些雜質會慢慢吸附空氣中的氫氣，反而重新增加了鋁合金中的氫含量，不利于鋁合金中氣泡的減少。
上述的淬火處理按照以下的步驟進行，首先，將初制缸體置于410-430℃，保溫8-10h，可以使初制缸體內部的溫度均勻一致，使第二相充分固溶，增強第二相中晶體分布的均勻性，從而提高鋁合金的抗力學腐蝕性能。然后進行第一次降溫操作，將初制缸體在2-5min溫度降至200-250℃；之后再進行第二次降溫操作，第二次降溫操作的降溫速度為8-12℃/min。淬火處理可以有效地減少馬氏體轉變的內應力，減少工件變形開裂的傾向，增加鋁合金缸體的硬度，提升鋁合金的耐磨性，延長使用壽命。同時降溫冷卻的過程中降溫的速度選擇要合理，過快或過慢的降溫速度都可能導致制得的初制缸體的內部由于熱脹冷縮不均勻造成內應力，反而使制得的缸體變形或開裂。
淬火處理完成之后即可在180-200℃下時效處理5-7h，經過時效處理的鋁合金缸體中的內應力有所降低，硬度和強度均有所增加，即可以增加缸體的耐磨和耐腐蝕的性能。
以下結合實施例對本發明的用于制備發動機缸體的鋁合金及其制備方法作進一步的詳細描述。
實施例1
按照比例稱取原料，其中：8.5％的硅，2％的銅，0.7％的鐵，0.55％的鎂，0.15％的錳，0.65％的鋅，0.06％的鎳，0.15％的鈦，0.25％的鋯，0.015％的鉺，0.004％的銩，0.015％的镥，余量為鋁。
將原料裝入容器中升溫至在705℃直至熔化，從容器的底部向熔融狀態的原料通入預熱了2min的氦氣，氦氣通入的時間為5min，并在除去反應熔渣和浮渣后，將熔融狀態的原料靜置20min，再澆鑄到模具中，冷卻后取出，得到初制缸體；然后進行淬火處理，在410℃下保溫10h后，進行第一次降溫操作，2min將初制缸體的溫度降至200℃，之后在以8℃/min的降溫速度進行第二次降溫；最后在180℃下時效處理5h，即可制得發動機缸體。
實施例2
按照比例稱取原料，其中：11.5％的硅，5％的銅，0.9％的鐵，0.65％的鎂，0.35％的錳，0.6％的鋅，0.04％的鎳，0.1％的鈦，0.1％的鋯，0.01％的鉺，0.002％的銩，0.01％的镥，余量為鋁。
先將鋁放入熔煉爐中升溫至705℃，在以5℃/min的升溫速度進行升溫，直到溫度達到720℃，依次加入鋯、鈦、镥、銩、鐵、鉺、鎳、硅和錳，待上述元素全部熔化之后再加入銅、鎂和鋅，從熔煉爐的底部向熔融狀態的原料通入預熱了3min的氦氣，氦氣通入的時間為3min，并在除去反應熔渣和浮渣后，將熔融狀態的原料靜置30min，再澆鑄到模具中，冷卻后取出，得到初制缸體；然后進行淬火處理，在430℃下保溫8h后，進行第一次降溫操作，5min將初制缸體的溫度降至250℃，之后在以12℃/min的降溫速度進行第二次降溫；最后在200℃下時效處理7h，即可制得發動機缸體。
實施例3
按照比例稱取原料，其中：9.5％的硅，3.5％的銅，0.8％的鐵，0.6％的鎂，0.25％的錳，0.61％的鋅，0.05％的鎳，0.12％的鈦，0.15％的鋯，0.012％的鉺，0.003％的銩，0.012％的镥，余量為鋁。
將原料裝入容器中升溫至在715℃直至熔化，從容器的底部向熔融狀態的原料通入預熱了2.5min的氦氣，氦氣通入的時間為4min，并在除去反應熔渣和浮渣后，將熔融狀態的原料靜置25min，再澆鑄到模具中，冷卻后取出，得到初制缸體；然后進行淬火處理，在420℃下保溫9h后，進行第一次降溫操作，4min將初制缸體的溫度降至220℃，之后在以10℃/min的降溫速度進行第二次降溫；最后在190℃下時效處理6h，即可制得發動機缸體。
實施例4
按照比例稱取原料，其中：10.5％的硅，3.5％的銅，0.82％的鐵，0.58％的鎂，0.25％的錳，0.62％的鋅，0.05％的鎳，0.13％的鈦，0.18％的鋯，0.013％的鉺，0.003％的銩，0.013％的镥，余量為鋁。
將原料裝入容器中升溫至在710℃直至熔化，從容器的底部向熔融狀態的原料通入預熱了2min的氦氣，氦氣通入的時間為3.5min，并在除去反應熔渣和浮渣后，將熔融狀態的原料靜置24min，再澆鑄到模具中，冷卻后取出，得到初制缸體；然后進行淬火處理，在415℃下保溫8.5h后，進行第一次降溫操作，4.5min將初制缸體的溫度降至225℃，之后在以11℃/min的降溫速度進行第二次降溫；最后在185℃下時效處理6.5h，即可制得發動機缸體。
實施例5
按照比例稱取原料，其中：9.0％的硅，4.2％的銅，0.75％的鐵，0.62％的鎂，0.22％的錳，0.63％的鋅，0.053％的鎳，0.13％的鈦，0.18％的鋯，0.011％的鉺，0.002％的銩，0.011％的镥，余量為鋁。
將原料裝入容器中升溫至在710℃直至熔化，從容器的底部向熔融狀態的原料通入預熱了3min的氦氣，氦氣通入的時間為3min，并在除去反應熔渣和浮渣后，將熔融狀態的原料靜置26min，再澆鑄到模具中，冷卻后取出，得到初制缸體；然后進行淬火處理，在425℃下保溫9.5h后，進行第一次降溫操作，4.5min將初制缸體的溫度降至235℃，之后在以11.5℃/min的降溫速度進行第二次降溫；最后在195℃下時效處理5h，即可制得發動機缸體。
實施例6
按照比例稱取原料，其中：10.2％的硅，5％的銅，0.8％的鐵，0.62％的鎂，0.35％的錳，0.63％的鋅，0.053％的鎳，0.13％的鈦，0.18％的鋯，0.011％的鉺，0.002％的銩，0.011％的镥，余量為鋁。
先將鋁放入熔煉爐中升溫至705℃，在以5℃/min的升溫速度進行升溫，直到溫度達到720℃，依次加入鋯、鈦、镥、銩、鐵、鉺、鎳、硅和錳，待上述元素全部熔化之后再加入銅、鎂和鋅，從熔煉爐的底部向熔融狀態的原料通入預熱了3min的氦氣，氦氣通入的時間為3min，并在除去反應熔渣和浮渣后，將熔融狀態的原料靜置26min，再澆鑄到模具中，冷卻后取出，得到初制缸體；然后進行淬火處理，在425℃下保溫9.5h后，進行第一次降溫操作，4.5min將初制缸體的溫度降至235℃，之后在以11.5℃/min的降溫速度進行第二次降溫；最后在195℃下時效處理5h，即可制得發動機缸體。
比較實施例1、實施例2、實施例3、實施例4、實施例5、實施例6和對比例1、對比例2和對比例3的導熱系數和抗拉強度。對比例1、對比例2和實施例1類似，不同之處在于，對比例1的原料中沒有添加稀土元素鉺、銩和镥，對比例2中僅添加了0.01％的鉺；對比例3和實施例1類似，不同之處在于對比例3中通入的氦氣未預熱，除雜之后沒有靜置，直接澆鑄，同時淬火工藝中也沒有采取兩次降溫操作，僅降溫了一次。根據《GB/T228-2015》的第一部分《室溫試驗方法》和第二部分《高溫試驗方法》測試上述9組鋁合金的力學性能；根據ASTM E 1461-07中規定的測試方法，分析上述9組鋁合金的導熱系數。結果見表1。
表1各個鋁合金缸體的抗拉強度和導熱系數
根據表1的結果可知，本發明的6組實施例的鋁合金缸體在室溫抗拉能力和高溫抗拉能力方面均強于對比例1、對比例2和對比例3，說明本發明的鋁合金缸體具有良好的抗裂、抗高壓、延展性等機械性能；同時本發明的6組實施例的鋁合金缸體的導熱系數均大于對比例1、對比例2和對比例3的導熱系數，說明本發明的鋁合金缸體同時添加的三種稀土元素有利于提升散熱性，澆鑄前通入預熱后的氦氣、靜置，并在淬火時采取兩次降溫也能在進一步保證鋁合金的硬度和延展性等機械強度和良好的散熱性，即能夠有利于延長發動機的使用壽命。
綜上所述，本發明實施例的用于制備發動機缸體的鋁合金及其制備方法，該用于制備發動機缸體的鋁合金的加工性能好、比重輕、耐腐蝕性能、室溫性能和高溫性能良好，且該鋁合金的散熱性良好，利于使用過程中的降溫，能夠延長發動機缸體的使用壽命；該制備方法能夠快速、充分的除去鋁合金中的氣體和雜質，減少制備出的鋁合金中的氣泡的數量和雜質的含量，提升鋁合金的強度、抗拉性能、耐腐蝕性能和鋁合金表面的光滑程度等，并能夠提升發動機缸體的散熱性，有利于使用過程中的降溫，提升發動機的使用效率和延長使用壽命。
以上所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。本發明的實施例的詳細描述并非旨在限制要求保護的本發明的范圍，而是僅僅表示本發明的選定實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。