本發明屬于金屬鑄造領域，涉及一種鋁合金及其鑄造方法，具體為一種增強鋁基復合材料及其重力鑄造方法。
背景技術：
顆粒增強金屬基復合材料自身的特點是優良的耐磨性，比剛度、比強度高以及重量輕等，被很大一部分人看作是一種相對理想的結構材料，以至于在汽車工業、航空工業上扮演了至關重要的角色。與此同時，為了有效地借助上述這類自身有著十分突出優勢的新材料，有必要進一步明確該材料的斷裂機理以及室溫機械性能。
為了能夠減少能耗、降低大氣污染、提高發動機的效率，提高燃燒溫度已經成為發動機的重要發展趨勢，相應的對發動機配件的高溫強度提出了更高的要求。活塞被稱為發動機的心臟，它是發動機中最重要的零件之一，其功用是承受氣體壓力，并通過活塞銷傳給連桿驅使曲軸旋轉。在發動機工作時，活塞直接與瞬時溫度2200℃的高溫氣體接觸，其頂部溫度達300～400℃，且還承受著很大的氣體壓力，汽油機達4～5mpa，柴油機高達8～9mpa，甚至更高。因此活塞承受著高溫、高壓的熱負荷和機械負荷。隨著發動機功率的不斷提高，對活塞鋁合金的力學性能、耐熱性及耐磨性等性能提出了更高的要求。
由于活塞主要在高溫下使用，而主要提高合金室溫強度的mg2si、al2cu等時效析出相在高溫下粗化，難以再對晶界起到有效的釘軋作用。而稀土的化學活性介于堿金屬和堿土金屬之間，比其他金屬活潑。稀土在鋁合金鑄造過程中起到細化初晶硅和共晶硅、微合金及凈化熔體等作用。鋁合金中大多數含鐵相的結晶組織都十分粗大，直接影響合金的機械性能，降低合金的流動性，增加組織不均勻性，添加稀土，可以改變鐵相的存在形態，提高鋁合金的鑄造性能。稀土與鋁合金中的多種元素形成許多含稀土的金屬間化合物，這些呈彌散分布的高熔點化合物具有很好的耐熱性與穩定性，呈網狀分布于晶界或枝晶間，細化了組織，有效地阻礙了基體變形和晶界移動并對位錯移動起到很好的釘扎作用，從而明顯提高合金的高溫性能。
中國專利201510039579.7一種耐熱鑄造鋁合金及其重力鑄造方法，所述鋁合金與現有技術中的al-si相比改善了鑄造性能，大幅度提高了合金的室溫及高溫機械性能，擴大了al-si系鑄造鋁合金的應用范圍。但是其存在室溫抗拉伸性差及易斷裂的缺陷。
技術實現要素：
本發明解決的技術問題是：為了克服現有技術的缺陷，獲得一種耐磨性好、比剛度和比強度高、抗拉伸、耐高溫的鋁合金，本發明提供了一種增強鋁基復合材料及其重力鑄造方法。
技術方案：一種增強鋁基復合材料，包含以下各組分，其質量分數百分比為5.6～8.6wt.％碳化硅、2.2～4.5wt.％鉻、1.3～4.6wt.％銅、1.1～3.8wt.％鐵、5.8～11.5wt.％鎂、0.2～1.5wt.％石墨、1.2～3.5wt.％氧化錳、1.1～4.3wt.％氧化鑭、0.5～1.2wt.％二氧化鈦，余量為鋁。
優選的，碳化硅的質量分數百分比為6.8～8.2wt.％。
優選的，銅元素的質量分數百分比為2.1～4.2wt.％。
優選的，鐵元素的質量分數百分比為1.9～3.2wt.％。
優選的，鋁元素與碳化硅的質量比大于等于5.6。
優選的，鋁元素與鎂元素的質量比大于等于6.2。
優選的，鋁元素與氧化錳的質量比大于等于11.5。
一種增強鋁基復合材料的重力鑄造方法，包含以下步驟：
(1)將純鋁、純鎂、鋁-銅中間合金和鋁-鐵中間合金同時置于220～260℃下進行預熱；
(2)將純鋁進行熔化，待其熔化一半時加入鋁-銅中間合金和鋁-鐵中間合金，待三者全部熔化后，在700～750℃加入純鎂，保溫后攪拌均勻；
(3)添加碳化硅、鉻、石墨、氧化錳、氧化鑭和二氧化鈦后保溫攪勻，在750～780℃時加入精煉劑進行精煉，精煉后靜置20～40分鐘，在700～720℃撇去表面浮渣，得到鋁合金熔體；
(4)對鋁合金熔體進行重力鑄造，得到鋁合金鑄件；將鑄件依次進行固溶處理、冷卻處理和時效處理后即可制得增強鋁基復合材料。
優選的，固溶處理的溫度為480～530℃，時間為3～17小時。
優選的，時效處理的溫度為185～265℃，時間為12～48小時。
有益效果：(1)本發明所述增強鋁基復合材料耐磨性好、比剛度和比強度高、抗拉伸、耐高溫；(2)所述增強鋁基復合材料大大提高了合金的室溫和高溫強度，且初晶硅和共晶硅得到細化，延伸率得到提高。
具體實施方式
實施例1
一種增強鋁基復合材料，包含以下各組分，其質量分數百分比為5.6wt.％碳化硅、2.2wt.％鉻、1.3wt.％銅、1.1wt.％鐵、5.8wt.％鎂、0.2wt.％石墨、1.2wt.％氧化錳、1.1wt.％氧化鑭、0.5wt.％二氧化鈦，余量為鋁。
一種增強鋁基復合材料的重力鑄造方法，包含以下步驟：
(1)將純鋁、純鎂、鋁-銅中間合金和鋁-鐵中間合金同時置于220℃下進行預熱；
(2)將純鋁進行熔化，待其熔化一半時加入鋁-銅中間合金和鋁-鐵中間合金，待三者全部熔化后，在700℃加入純鎂，保溫后攪拌均勻；
(3)添加碳化硅、鉻、石墨、氧化錳、氧化鑭和二氧化鈦后保溫攪勻，在750℃時加入精煉劑進行精煉，精煉后靜置20分鐘，在700℃撇去表面浮渣，得到鋁合金熔體；
(4)對鋁合金熔體進行重力鑄造，得到鋁合金鑄件；將鑄件依次進行固溶處理、冷卻處理和時效處理后即可制得增強鋁基復合材料。
其中，固溶處理的溫度為480℃，時間為3小時；時效處理的溫度為185℃，時間為12小時。
實施例2
一種增強鋁基復合材料，包含以下各組分，其質量分數百分比為6.7wt.％碳化硅、2.9wt.％鉻、2.1wt.％銅、1.8wt.％鐵、7.2wt.％鎂、0.6wt.％石墨、1.8wt.％氧化錳、1.9wt.％氧化鑭、0.7wt.％二氧化鈦，余量為鋁。
一種增強鋁基復合材料的重力鑄造方法，包含以下步驟：
(1)將純鋁、純鎂、鋁-銅中間合金和鋁-鐵中間合金同時置于230℃下進行預熱；
(2)將純鋁進行熔化，待其熔化一半時加入鋁-銅中間合金和鋁-鐵中間合金，待三者全部熔化后，在720℃加入純鎂，保溫后攪拌均勻；
(3)添加碳化硅、鉻、石墨、氧化錳、氧化鑭和二氧化鈦后保溫攪勻，在760℃時加入精煉劑進行精煉，精煉后靜置30分鐘，在705℃撇去表面浮渣，得到鋁合金熔體；
(4)對鋁合金熔體進行重力鑄造，得到鋁合金鑄件；將鑄件依次進行固溶處理、冷卻處理和時效處理后即可制得增強鋁基復合材料。
其中，固溶處理的溫度為500℃，時間為5小時；時效處理的溫度為205℃，時間為15小時。
實施例3
一種增強鋁基復合材料，包含以下各組分，其質量分數百分比為7.5wt.％碳化硅、3.6wt.％鉻、3.5wt.％銅、2.3wt.％鐵、8.5wt.％鎂、0.9wt.％石墨、2.1wt.％氧化錳、2.4wt.％氧化鑭、0.9wt.％二氧化鈦，余量為鋁。
一種增強鋁基復合材料的重力鑄造方法，包含以下步驟：
(1)將純鋁、純鎂、鋁-銅中間合金和鋁-鐵中間合金同時置于245℃下進行預熱；
(2)將純鋁進行熔化，待其熔化一半時加入鋁-銅中間合金和鋁-鐵中間合金，待三者全部熔化后，在730℃加入純鎂，保溫后攪拌均勻；
(3)添加碳化硅、鉻、石墨、氧化錳、氧化鑭和二氧化鈦后保溫攪勻，在770℃時加入精煉劑進行精煉，精煉后靜置35分鐘，在710℃撇去表面浮渣，得到鋁合金熔體；
(4)對鋁合金熔體進行重力鑄造，得到鋁合金鑄件；將鑄件依次進行固溶處理、冷卻處理和時效處理后即可制得增強鋁基復合材料。
其中，固溶處理的溫度為515℃，時間為9小時；時效處理的溫度為225℃，時間為25小時。
實施例4
一種增強鋁基復合材料，包含以下各組分，其質量分數百分比為8.6wt.％碳化硅、4.5wt.％鉻、4.6wt.％銅、3.8wt.％鐵、11.5wt.％鎂、1.5wt.％石墨、3.5wt.％氧化錳、4.3wt.％氧化鑭、1.2wt.％二氧化鈦，余量為鋁。
一種增強鋁基復合材料的重力鑄造方法，包含以下步驟：
(1)將純鋁、純鎂、鋁-銅中間合金和鋁-鐵中間合金同時置于260℃下進行預熱；
(2)將純鋁進行熔化，待其熔化一半時加入鋁-銅中間合金和鋁-鐵中間合金，待三者全部熔化后，在750℃加入純鎂，保溫后攪拌均勻；
(3)添加碳化硅、鉻、石墨、氧化錳、氧化鑭和二氧化鈦后保溫攪勻，在780℃時加入精煉劑進行精煉，精煉后靜置40分鐘，在720℃撇去表面浮渣，得到鋁合金熔體；
(4)對鋁合金熔體進行重力鑄造，得到鋁合金鑄件；將鑄件依次進行固溶處理、冷卻處理和時效處理后即可制得增強鋁基復合材料。
其中，固溶處理的溫度為530℃，時間為17小時；時效處理的溫度為185～265℃，時間為12～48小時。
對實施例1～4制備獲得的增強鋁基復合材料進行性能測試，結果如下表所示：