一种高强抗疲劳原位纳米强化铝合金及其压铸方法与流程

本发明涉及铝基复合材料，特指一种高强抗疲劳原位纳米强化铝合金及其压铸方法。

背景技术：

随着经济和社会的发展，汽车已逐渐进入寻常百姓家，成为人们出行生活的必备工具。中国汽车工业协会统计显示，2016年中国品牌乘用车共销售1052.86万辆，同比增长20.50％。发动机作为汽车的心脏，其关键部件生产的高效率、低成本和高性能已成为各大汽车厂商提升产品竞争力的核心。

高压铸造以其生产效率高、经济性好、铸件精度高、表面光洁度好的优点，逐渐替代高成本的低压、重力铸造，成为铝制发动机缸体、油泵壳体、减震构件等汽车发动机关键零部件的主要制造方式。然而，高压铸造由于液态金属充填型腔速度高，流态不稳，所生产的铸件易于产生气孔、不能热处理，导致铸件中析出相通常呈粗大的针状或片状结构、强化效果不明显、易于产生应力集中，使其强塑性、抗疲劳性能偏低。从而使高压压铸件难以完全替代低压铸造、重力铸造件，尤其是难以应用于对性能要求高的中高端汽车用发动机。

技术实现要素：

本发明的目的就在于针对现有压铸用典型铝合金alsi9cu3强塑性、抗疲劳性能偏低，尤其是不能满足高性能发动机部件对其高强度、抗疲劳、高阻尼的技术要求的不足，通过合金成分调控和原位纳米强化，并结合优化的非线性高压压铸方法，在提高合金析出相含量、圆顿化和细化同时，实现晶内和晶界的原位纳米陶瓷增强体强化，显著提高压铸制品的强塑性、抗疲劳性和阻尼性能。

采用本发明技术生产的汽车发动机用减震支架和壳体的抗拉强度可达352mpa，屈服强度达到285mpa，延伸率可达10.6％。最终产品经专用台架进行耐久性试验，最少循环次数达到了100万次，远高于客户要求的50万次，达到了德国大众(减震支架)dinen1706-1998标准和日本马自达(减震壳体)mesmm621-adc12标准，同时也超过了采用低压铸造(固溶+时效热处理后)生产的减震支架性能(抗拉强度300mpa，屈服强度210mpa，延伸率7.5％)。

本发明的一种高强抗疲劳且阻尼性能好的压铸用原位纳米强化铝合金及其压铸方法，通过合金成分调控和原位纳米强化，并结合优化的非线性高压压铸获得晶内和晶界包含大量且分散均匀的纳米zrb2陶瓷增强体，晶内包含纳米al3er析出相，包括共晶si相，mg2si相，al2cu相和含fe相在内的合金析出相细小、圆顿的压铸件。借助纳米增强体和纳米析出相的弥散强化、界面阻尼效应以及低固溶度的er元素在合金熔体产生的al3er相晶粒细化作用，显著提高合金构件的强塑性、抗疲劳和阻尼性能；与此同时，mg、zn和fe元素含量的提高，以及mn和ni元素引入，在保障良好压铸性能、提高合金强化相含量的同时，使al-fe等合金强化相有效细化和圆顿化；从而，使本发明合金所生产的构件表现出高强塑性、高抗疲劳性和良好阻尼性能的特点。

本发明的制备方法包括以下步骤：

(1)合金熔炼：将alsi9cu3合金熔化至750-780℃并保温10min。所述的alsi9cu3合金为商用合金，其具体化学成分的元素质量百分比为：si8.0～11.0，cu2.0～3.5，zn1.0～1.5，mg0.3～0.5，fe≤0.8，mn0.1～0.5，余量为al。

(2)原位合成纳米zrb2纳米陶瓷增强体：将al-zr和al-b中间合金加入步骤(1)熔炼并保温的熔体中并迅速升温至840-860℃，同时采用石墨搅拌转子搅动熔体以促进合金的充分混合，保温时间为10-15min，使合金中的zr和b元素在自由能降低的驱动力下原位反应合成纳米zrb2陶瓷增强体，然后降温至730-750℃并保温。使得步骤(2)合金中锆硼元素的质量百分比达到zr：3.0-5.0，b：0.5-1.0。

(3)引入er和ni元素，调整合金中fe和mn元素的含量并精炼除气：将al-er、al-fe和al-mn中间合金以及纯ni加入步骤(2)所获得的复合熔体中，并采用石墨搅拌转子搅动以促进合金的充分混合，保温搅拌时间为10-15min；然后将粒度小于500μm的粉末状复合精炼剂用惰性气体通过石墨转子的中空通道吹入熔体中，对熔体进行精炼除气，以去除合金高温熔炼和反应过程中产生的夹渣和熔体中溶入的氢，精炼温度为730-750℃，精炼保温时间为25-30min。最终使步骤(3)合金中铒镍铁元素含量达到er：0.1-0.15，fe：1.0～1.5，mn：0.5～1.0，ni0.5～1.0。

(4)调整mg，zn元素的含量：将步骤(3)获得的熔体降温至660-700℃并保温，然后将纯mg和纯zn采用钟罩压入精炼除气后的熔体中，启动石墨搅拌转子，并慢速搅拌，保温搅拌时间>15min，以使mg，zn溶入合金并避免熔体吸气，且使步骤(4)合金中镁锌元素含量达到mg：0.5～1.0，zn：1.5～2.5。

(5)非线性高压压铸：将步骤(4)获得的复合熔体置入压铸机的保温包中，采用优化的非线性压铸工艺进行压铸获得纳米复合强化压铸件，其中压射速度为从小到大的抛物线式压射、以实现前期缓慢充型2.5-3m/s，终了瞬间高速充型的非线性充型(最大压射速度达到40-50m/s，压铸压力达到100-150mpa)。

(6)时效处理：将步骤(5)获得的压铸件进行时效处理(自然时效或人工时效)，以获得高强抗疲劳且阻尼性能好的原位纳米强化铝合金压铸件。

所述的al-zr、al-b、al-er、al-fe和al-mn中间合金，优选合金化元素含量高的中间合金，如al-10zr、al-10b、al-20er、al-20fe和al-10mn。

所述的原位合成纳米zrb2纳米陶瓷增强体，是指利用该多元合金体系中zrb2的吉布斯自由能低，且zr在al中具有低溶解度和低热扩散系数的热力学-动力学特性，在合金中引入zr、b元素后，在熔体中原位合成纳米级的zrb2陶瓷颗粒，其尺寸为20-80nm，含量为合金质量的2-6wt.％，合成温度为840-860℃。从而在合金熔体凝固过程中：一方面，原位纳米zrb2陶瓷颗粒可作为异质形核核心提高合金的形核率，细化晶粒，并最终包含分散于合金晶粒内部，显著提高合金的强度、抗疲劳性能；另一方面，未成为形核核心的纳米zrb2陶瓷颗粒会在晶粒长大的过程中分散于晶界，可有效钉扎晶界并阻碍晶界的迁移，提高合金强度的同时、最大化发挥界面阻尼作用，提高合金的阻尼性能。

所述的引入er和ni元素，调整合金中fe和mn元素的含量并精炼除气，是指在合金中引入的0.1-0.15wt.％的er，一方面借助er在铝溶体中低的溶解度(0.1wt.％)，在合金熔体中析出al3er异质形核核心提高铝的形核率，细化合金，另一方面固溶于合金中er元素，会在合金时效时在晶内析出细小且与铝基体晶格匹配良好的l12型纳米al3er析出相，显著提高合金压铸件的时效强度和抗疲劳性能；在合金中增加fe元素的含量的目的是提高合金中fe析出相含量，提高合金强度的同时，进一步提高合金的抗粘模性能，避免合金析出相含量增高、膨胀系降低所导致脱模难和粘模问题，引入ni元素并提高mn元素含量的目的是通过ni、mn与合金中针片状的β-fe相转变成块状或汉字状的α-al(mn,fe)si和α-al(ni,fe)si相，避免fe含量的提高产生大量的针状β-fe相降低合金的塑韧性。

所述的调整mg，zn元素的含量，是进一步提高合金中析出相的含量，以提高合金强度，抗疲劳性能，并借助增加的相界提高合金的阻尼性能。

所述的非线性高压压铸工艺，是指采用压铸缸体速度可编程控制的新型压铸机，并优化其获得的非线性高压压铸工艺，以从避免熔体充型过程中的紊流和卷气、利于型腔中气体的排出并在充满型腔的瞬时高速高压下促进纳米增强体的浸润和分散，以获得组织缺陷少、性能优良的压铸产品。其中压射速度为从小到大的抛物线式压射、以实现前期缓慢充型2.5-3m/s，终了瞬间高速充型的非线性充型(最大压射速度达到40-50m/s，压铸压力达到100-150mpa)。

附图说明

图1(a)为常规alsi9cu3压铸件金相组织图，(b)为本发明制备的高强抗疲劳且阻尼性能好的原位纳米强化铝合金减震支架压铸件金相组织图，从两金相组织图可以看出，采用本专利所制备的压铸件中针状析出相消失，转化为颗粒状或短片状的圆顿析出相，提高了析出相的弥散程度，利于工件强塑性和疲劳性能的提高。

图2本发明制备的高强抗疲劳且阻尼性能好的原位纳米强化铝合金减震支架压铸件tem组织图，从图中可以看出，采用本专利所制备的压铸件的晶内和晶界存在的原位纳米zrb2陶瓷增强相和更加细小均匀纳米al3er纳米析出相，利于工件强塑性、抗疲劳性能和阻尼性能的综合提高。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施方案进一步描述：以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

以al-10zr、al-10b、al-20er、al-20fe、al-10mn中间合金和纯ni、纯mg、纯zn，以及alsi9cu3为原料，采用优化的非线性高压压铸技术制备汽车发动机用减震支架。

将熔融的500kg商用alsi9cu3合金(760℃)转入中间保温炉中，然后将al-10zr和al-10b中间合金加入保温炉中并升温至850℃，同时采用石墨搅拌转子搅动熔体以促进合金的充分混合，保温时间为15min，然后将合金降温至750℃并保温；将al-20er、al-20fe和al-10mn以及纯ni加入熔体中，搅拌保温15min后将粒径小于500μm的粉末状复合精炼剂用惰性气体通过石墨转子的中空通道吹入熔体中，对熔体进行精炼除气，以去除合金高温熔炼和反应过程中产生的夹渣和熔体中溶入的氢，精炼时间为30min，温度保持在750℃，精炼除气结束后降温至680℃并将纯mg和纯zn用钟罩压入精炼除气后的熔体中，启动石墨搅拌转子，并慢速搅拌，保温搅拌时间18min，使合金最终成分达到si9.5，cu3，zr3.5，b0.75，zn1.5，mg0.8，fe1.3，mn1.0，ni0.7，er0.12，余量为al，最后将获得的复合熔体以优化的非线性高压压铸工艺制备减震支架，其中前期为3m/s缓慢充型，以实现平流充型并利于模具型腔中气体的顺利排出，待型腔充满(冒口未充满)的瞬间，提高压射速度至40m/s，并在保持压力至100mpa，保压时间为15s，获得压铸减震支架。

将切除浇冒口和飞边的压铸毛坯，放入热处理炉中进行人工时效，时效温度的300℃，时效时间为8小时。

取样分析表明，减震支架的硬度大于97hbs，抗拉强度达到了352mpa，屈服强度达到了285mpa，延伸率为10.6％，在7.6kn载荷下拉压疲劳试验寿命大于2×10⁶次，最终产品经专用台架进行耐久性试验，最少循环次数达到了100万次，远高于客户要求50万次。产品达到德国大众(减震支架)dinen1706-1998标准和日本马自达(减震壳体)mesmm621-adc12标准。如图1b所示为采用本实施例工艺所制备的减震支架的金相组织图，从图中可以看出相比常规alsi9cu3压铸件，本专利所制备的压铸件中的针状析出相消失，转化为颗粒状或短片状的圆顿析出相，提高了析出相的弥散程度，利于工件强塑性和疲劳性能的提高。图2为本实施例工艺所制备减震支架压铸件tem组织图，从图中可以看出，采用本专利所制备的压铸件的晶内和晶界存在大量的原位纳米zrb2陶瓷增强相和更加细小均匀纳米al3er纳米析出相，利于工件强塑性、抗疲劳性能和阻尼性能的综合提高。

实施例2

以al-10zr、al-5b、al-10er、al-10fe、al-10mn中间合金和纯ni、纯mg、纯zn，以及alsi9cu3为原料，采用优化的非线性高压压铸技术制备汽车发动机用减震壳体(壳体结构复杂充型和排出气体难度高，通常降低mg含量，提高压铸压力，提高压铸件性能和成品率)。

将熔融的500kg商用alsi9cu3合金(750℃)转入中间保温炉中，然后将al-10zr和al-5b中间合金加入保温炉中并升温至840℃，同时采用石墨搅拌转子搅动熔体以促进合金的充分混合，保温时间为10min，然后将合金降温至740℃并保温；将al-10er、al-10fe和al-10mn以及纯ni加入熔体中，搅拌保温10min后将粒径小于500μm的粉末状复合精炼剂用惰性气体通过石墨转子的中空通道吹入熔体中，对熔体进行精炼除气，以去除合金高温熔炼和反应过程中产生的夹渣和熔体中溶入的氢，精炼时间为25min，温度保持在740℃，精炼除气结束后降温至660℃并将纯mg和纯zn用钟罩压入精炼除气后的熔体中，启动石墨搅拌转子，并慢速搅拌，保温搅拌时间20min，使合金最终成分达到si11，cu3.5，zr5.0，b1.0，zn2.0，mg0.5，fe1.5，mn1.0，ni0.5，er0.15，余量为al，最后将获得的复合熔体以优化的非线性高压压铸工艺制备减震壳体，其中前期为5m/s缓慢充型，以实现平流充型并利于模具型腔中气体的顺利排出，待型腔充满(冒口未充满)的瞬间，提高压射速度至50m/s，并在保持压力至150mpa，时间为15s，获得压铸减震壳体。

将切除浇冒口和飞边的压铸毛坯，放入热处理炉中进行人工时效，时效温度的250℃，时效时间为10小时。

取样分析表明，减震支架的硬度大于92hbs，抗拉强度达到了315mpa，屈服强度达到了243mpa，延伸率为8.9％，在7.6kn载荷下拉压疲劳试验寿命大于1.5×10⁶次，最终产品经专用台架进行耐久性试验，最少循环次数达到了100万次，远高于客户要求50万次。

实施例3

以al-10zr、al-5b、al-20er、al-20fe、al-5mn中间合金和纯nii、纯mg、纯zn，以及alsi9cu3为原料，采用优化的非线性高压压铸技术制备汽车发动机用油泵壳体。

将熔融的500kg商用alsi9cu3合金(780℃)转入中间保温炉中，然后将al-10zr和al-5b中间合金加入保温炉中并升温至860℃，同时采用石墨搅拌转子搅动熔体以促进合金的充分混合，保温时间为15min，然后将合金降温至750℃并保温；将al-20er、al-20fe和al-50mn以及纯ni加入熔体中，搅拌保温10min后将超细的粉末状精炼剂用惰性气体通过石墨转子的中空通道吹入熔体中，对熔体进行精炼除气，以去除合金高温熔炼和反应过程中产生的夹渣和熔体中溶入的氢，精炼时间为30min，温度保持在750℃，精炼除气结束后降温至680℃并将纯mg和纯zn用钟罩压入精炼除气后的熔体中，启动石墨搅拌转子，并慢速搅拌，保温搅拌时间20min，使合金最终成分达到si11，cu2.5，zr5.0，b1.0，zn2.5，mg1.0，fe1.5，mn1.0，ni1.0，er0.1，余量为al，最后将获得的复合熔体以优化的非线性高压压铸工艺制备油泵壳体，其中前期为4m/s缓慢充型，以实现平流充型并利于模具型腔中气体的顺利排出，待型腔充满(冒口未充满)的瞬间，提高压射速度至50m/s，并在保持压力至130mpa，时间为15s，获得压铸油泵壳体。

将切除浇冒口和飞边的压铸毛坯，放入热处理炉中进行人工时效，时效温度的220℃，时效时间为15小时。

取样分析表明，减震支架的硬度大于93hbs，抗拉强度达到了330mpa，屈服强度达到了250mpa，延伸率为7.8％，在7.6kn载荷下拉压疲劳试验寿命大于1.2×10⁶次，最终产品经专用台架进行耐久性试验，最少循环次数达到了100万次，远高于客户要求50万次。

对比实施方式

对比实施例1

以alsi9cu3合金为原料，采用优化的非线性高压压铸技术制备汽车发动机用减震支架。

将熔融的500kg商用alsi9cu3合金(700℃)采用优化的非线性高压压铸技术制备汽车发动机用减震支架，并对切除浇冒口和飞边的压铸毛坯进行人工时效，时效温度的300℃，时效时间为8小时。

取样分析表明，减震支架的硬度大于82hbs，抗拉强度达到了285mpa，屈服强度达到了193mpa，延伸率为6.4％，在7.6kn载荷下拉压疲劳试验寿命大于1×10⁶次。

对比实施例2

以al-10zr、al-10b、al-20er、al-20fe、al-10mn中间合金和纯ni、纯mg、纯zn，以及alsi9cu3为原料，采用常规压铸技术制备汽车发动机用减震支架。

原位合成纳米zrb2增强体及合金成分调控与实施例1相同，将获得温度为680℃，成分为si9.5，cu3，zr3.5，b0.75，zn1.5，mg0.8，fe1.3，mn1.0，ni0.7，er0.12，余量为al的合金熔体，采用常规压铸工艺获得压铸减震支架。

采用实施例1相同的时效工艺对压铸件进行时效处理。

取样分析表明，减震支架的硬度大于93hbs，抗拉强度达到了335mpa，屈服强度达到了263mpa，延伸率为9.2％，在7.6kn载荷下拉压疲劳试验寿命大于1.8×10⁶次。