[发明专利]一种高强抗疲劳原位纳米强化铝合金及其压铸方法

说明书

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。通过原位纳米强化和合金成分调控，并结合优化的非线性高压压铸工艺获得压铸件。借助原位纳米ZrB₂增强体和纳米Al₃Er析出相的尺度效应、界面效应、异质形核效应，显著提高合金的强度、抗疲劳性能和阻尼性能；与此同时，提高了Mg、Zn和Fe元素含量，并引入Mn和Ni元素，在提高强化相含量、获得高强度的同时，使Al‑Fe等有害的粗大析出相有效细化和圆顿化，并保障合金良好的压铸性能；从而，采用本发明合金及其压铸方法所生产的构件表现出高强塑性、高抗疲劳性、高阻尼性能以及良好的压铸性能的特点。

技术领域

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。

发明内容

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)DIN EN1706-1998标准和日本马自达(减震壳体)MES MM 621-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：Si 8.0～11.0，Cu 2.0～3.5，Zn 1.0～1.5，Mg 0.3～0.5，Fe≤0.8，Mn 0.1～0.5，余量为Al。