权利要求
1.一种耐热
铝合金，其特征在于，按重量百分比，其化学成分包括：Si：6~9%、Ni：2~4%、Mn：0~1%、Fe：0~1%，余量为Al及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的耐热铝合金，其特征在于，
Si的含量为：6.5~7.5%， Fe的含量为：0.1~0.5%，Mn的含量为0.1~0.6%。
3.一种耐热铝合金的制备方法，其特征在于，制备如权利要求1-2中任一项所述的耐热铝合金的方法，所述制备方法包括：
S1：将纯Al、Al-20Si中间合金、Al-10Ni中间合金、Al-20Fe中间合金、Al-10Mn中间合金按照重量百分比Si：6~9%、Ni：2~4%、Mn： 0~1%、Fe： 0~1%、余量为Al进行配料;
S2：将配好的原材料放入熔炼炉内进行熔炼，得到铝合金熔体;其中，熔炼温度为700~780℃，熔炼时间为30~50min;
S3：将所述铝合金熔体降温至第一预设温度，加入精炼剂进行除气扒渣处理，并静置预设时间，得到铝合金精炼熔体;
S4：将所述铝合金精炼熔体降温至第二预设温度，浇注至金属模具中，待所述铝合金精炼熔体凝固后，开模得到铝合金铸锭。
4.根据权利要求3所述的耐热铝合金的制备方法，其特征在于，
在S3中，所述第一预设温度为：720~745℃，所述预设时间为：10~20min。
5.根据权利要求3所述的耐热铝合金的制备方法，其特征在于，
所述精炼剂采用ClC4、MgCl2、KCl、KAlF4、KF、K2CO3任意一种。
6.根据权利要求3所述的耐热铝合金的制备方法，其特征在于，
在S4中，所述第二预设温度为700~725℃。
7.根据权利要求3所述的耐热铝合金的制备方法，其特征在于，
在S4中，采用电线圈预先对所述金属模具进行预热，预热温度为180℃~200℃。
8.根据权利要求3所述的耐热铝合金的制备方法，其特征在于，
所述耐热铝合金的室温抗拉强度为167～176MPa，延伸率为1.0～7.2%。
9.根据权利要求3所述的耐热铝合金的制备方法，其特征在于，
所述耐热铝合金的高温拉伸抗拉强度为120～134MPa，延伸率为4.0～5.2%。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及
铝合金材料及加工技术领域，更为具体地，涉及一种低成本高强度的耐热铝合金及其制备方法。
背景技术
[0002]铝合金因其密度小、强度高，在汽车、航空航天等领域广泛应用，如汽车发动机部件采用铝合金可显著减轻重量，提高燃油效率，降低能耗与尾气排放，满足环保与节能需求。随着内燃机技术发展，活塞、缸盖等部件工作温度升高，对铝合金耐热性能要求提升，传统铝合金如A356合金、ZL702合金，其耐热温度均小于250℃，难以满足高温下强度与稳定性的双重需求，限制了其在高温部件的应用范围。此外，传统铝合金中富铁相结构不稳定，在高温下易粗化或转变，影响合金整体性能，且难以通过常规手段有效调控，导致合金在高温下性能波动大，难以满足高温部件对性能稳定性的严格要求。
[0003]为了解决这一问题，研究者们通常采用两种策略：一是通过添加昂贵的Ce、Sc等
稀土元素，形成细小、稳定的Al3Re或A11Ce相，钉扎晶界并有效阻碍位错运动，从而提高合金的高温强度和组织稳定性，C. Suwanpreecha等在Al-Ni系合金中引入Sc，可使其在时效处理中形成高数量密度、共格的纳米级Al3Sc析出相，该相因Sc在Al中扩散缓慢而具有优异的热稳定性，能抵抗300℃以上的粗化，从而显著提升合金的高温强度(Acta Materialia 164(2019) 334-346);Meng Yi等在Al-Ce系合金中，进一步加入Sc微合金化并结合亚快速凝固技术，将Sc原子“冻结”在Al11Ce3相内，形成原子尺度的成分偶极子，使合金在300℃下表现出优异的蠕变抗力(Acta Materialia 276 (2024) 120-133)，但其成本高昂，难以在低成本部件中推广应用。第二种策略是严格限制Fe的含量(≤0.15%)，避免粗大富铁相的形成，确保合金的塑性与高温性能。难以充分利用再生铝低成本的优势，这使得材料成本增加，大规模应用受限;此外，也有研究通过添加Cu、Mg等元素，经时效处理形成θ'-Al2Cu、β'-Mg2Si等强化相，但这些相在长期高温服役中容易粗化，反而导致性能衰退，无法满足持续高温下的性能要求。在提升铝合金耐热性能时，需兼顾成本与性能平衡，避免因添加过多昂贵元素导致成本过高，影响市场竞争力，限制了高性能耐热铝合金的推广。
[0004]因此，有必要在兼顾材料成本与再生铝利用的前提下，通过成分设计与工艺优化，开发一种组织稳定、高温性能优良且具备良好综合力学性能的耐热铝合金，以满足汽车、航空等领域高温部件对材料性能与成本的双重要求，推动高性能铝合金的更广泛应用。
发明内容
[0005]鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种耐热铝合金及其制备方法，以解决现有技术中传统Al-Si合金在低硅含量下高温强度不足的问题。
[0006]上述目的是通过以下技术方案的实施方式实现：
第一方面，本发明提供一种耐热铝合金，按重量百分比，其化学成分包括：Si：6~9%、Ni：2~4%、Mn： 0~1%、Fe： 0~1%，余量为Al及不可避免的杂质。
[0007]此外，可选的方案是，Si的含量为：6.5~7.5%， Fe的含量为：0.1~0.5%，Mn的含量为0.1~0.6%。
[0008]第二方面，本发明还提供一种耐热铝合金的制备方法，制备上述耐热铝合金的方法，所述制备方法包括：
S1：将纯Al、Al-20Si中间合金、Al-10Ni中间合金、Al-20Fe中间合金、Al-10Mn中间合金按照重量百分比Si：6~9%、Ni：2~4%、Mn： 0~1%、Fe： 0~1%、余量为Al进行配料;
S2：将配好的原材料放入熔炼炉内进行熔炼，得到铝合金熔体;其中，熔炼温度为700~780℃，熔炼时间为30~50min;
S3：将所述铝合金熔体降温至第一预设温度，加入精炼剂进行除气扒渣处理，并静置预设时间，得到铝合金精炼熔体;
S4：将所述铝合金精炼熔体降温至第二预设温度，浇注至金属模具中，待所述铝合金精炼熔体凝固后，开模得到铝合金铸锭。
[0009]此外，可选的方案是，在S3中，所述第一预设温度为：720~745℃，所述预设时间为：10~20min。
[0010]此外，可选的方案是，所述精炼剂采用ClC4、MgCl2、KCl、KAlF4、KF、K2CO3任意一种或几种。
[0011]此外，可选的方案是，在S4中，所述第二预设温度为700~725℃。
[0012]此外，可选的方案是，在S4中，采用电线圈预先对所述金属模具进行预热，预热温度为180~200℃。
[0013]此外，可选的方案是，所述耐热铝合金的室温抗拉强度为167～176MPa，延伸率为1.0～7.2%。
[0014]此外，可选的方案是，所述耐热铝合金的高温拉伸抗拉强度为120～134MPa，延伸率为4.0～5.2%。
[0015]从上面的技术方案可知，本发明提供的耐热铝合金及其制备方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：
1)本发明按质量百分比Si 6.5~7.5%、Ni 2~4%、Fe 0.1~0.5%、Mn 0.1~0.6%，余量为Al为原料制备的耐热铝合金，较传统的耐热铸造铝合金，选择近Al-Si共晶成分的Si添加量，确保合金的流动性能，通过Ni临界阈值调控与Mn/Fe协同控制，显著提高合金的机械性能和高温性能。
[0016]2)本发明通过Ni临界阈值(2~4%)调控与Mn/Fe协同控制(Mn：0.35%，Ni：2.5-3.5%，Fe：0.25-0.35%)，在凝固过程中形成热稳定性更高的层片状 Al6(FeNiMn) 相的同时，将Fe/Mn固定在0.75-1.0，从而形成低危害性α-Al(Fe，Mn)Si相，避免形成对机械性能有害的针状β-AlFeSi相。
[0017]3)本发明制备的耐热铝合金，室温抗拉强度和断后伸长率分别为167～176MPa 和1.0～7.2%，300℃抗拉强度和断后伸长率分别为120～134MPa 和4.0～5.2%。
[0018]为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。
附图说明
[0019]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0020]图1为实施例1所述的高强度的耐热铝合金的扫描电镜图;
图2为实施例2所述的高强度的耐热铝合金的扫描电镜图;
图3为实施例3所述的高强度的耐热铝合金的扫描电镜图;
图4为对比例1所述的铝合金金相组织图;
图5为对比例2所述的铝合金扫描电镜图;
图6为对比例3所述的铝合金扫描电镜图。
具体实施方式
[0021]在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。
[0022]在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0023]本发明可施加各种变更并可具有各种实施例，将特定实施例示例于附图并进行说明。但是，本发明并非限定于该特定实施方式，涵盖落入本发明的思想及技术范围的所有变更、等同物以及替代物，应理解为都包括在内。
[0024]包括诸如第一、第二等的序数术语可用于说明各种构成要素，但是所述构成要素并非限定于所述术语。所述术语仅用于区分一个构成要素与另一个构成要素。例如，在不脱离本发明的权利要求范围下，第二构成要素可被命名为第一构成要素，类似地，第一构成要素也可被命名为第二构成要素。术语及/或包括多个被关联记载的项目的组合或多个被关联记载的项目中的某一项目。
[0025]应当理解，当提及某一构成要素与其他构成要素“连接”或“接触”时，这不仅包括与其他构成要素直接连接或接触的情况，还应理解为包括在其中间存在其他构成要素的情况。反之，当提及某一构成要素与其他构成要素“直接连接”或“直接接触”时，应理解为其中间不存在其他构成要素。
[0026]针对前述提出的现有技术中传统Al-Si合金在低硅含量下高温强度不足的问题，本发明提出了一种耐热铝合金及其制备方法。本发明通过Ni临界阈值调控与Mn/Fe协同控制(Mn：0.35%, Ni：2.5-3.5%, Fe：0.25-0.35%)，在凝固过程中形成热稳定性更高的层片状Al6(FeNiMn) 相的同时，将Fe/Mn固定在0.75-1.0，从而形成低危害性α-Al(Fe,Mn)Si相，避免形成对机械性能有害的针状β-AlFeSi相。合金的室温抗拉强度167～176MPa，延伸率1.0～7.2%，300℃保温30min后的高温拉伸抗拉强度为120～134MPa，延伸率4.0～5.2%，从而满足现代工业发展的需求。
[0027]本发明提供的耐热铝合金，按重量百分比，其化学成分包括：Si：6~9%、Ni：2~4%、Mn： 0~1%、Fe： 0~1%，余量为Al及不可避免的杂质。
[0028]优选地，Si的含量为：6.5~7.5%， Fe的含量为：0.1~0.5%，Mn的含量为0.1~0.6%。
[0029]本发明相较传统的耐热铸造铝合金，选择近Al-Si共晶成分的Si添加量，确保合金的流动性能，通过Ni临界阈值调控与Mn/Fe协同控制，显著提高合金的机械性能和高温性能。
[0030]本发明还提供一种耐热铝合金的制备方法，制备上述耐热铝合金的方法，所述制备方法包括：
S1：将纯Al、Al-20Si中间合金、Al-10Ni中间合金、Al-20Fe中间合金、Al-10Mn中间合金按照重量百分比Si：6~9%、Ni：2~4%、Mn： 0~1%、Fe： 0~1%、余量为Al进行配料;
S2：将配好的原材料放入熔炼炉内进行熔炼，得到铝合金熔体;其中，熔炼温度为700~780℃，熔炼时间为30~50min，确保完全熔解与成分均匀化;
S3：将所述铝合金熔体降温至第一预设温度，加入精炼剂进行除气扒渣处理，并静置预设时间，得到铝合金精炼熔体;
S4：将所述铝合金精炼熔体降温至第二预设温度，浇注至金属模具中，待所述铝合金精炼熔体凝固后，开模得到铝合金铸锭。
[0031]其中，在S3中，所述第一预设温度为：720~745℃，所述预设时间为：10~20min，确保精炼剂高效反应、充分去除熔体中气体和夹杂物的同时，有效抑制铝液的过度氧化与合金元素烧损。
[0032]所述精炼剂采用ClC4、MgCl2、KCl、KAlF4、KF、K2CO3任意一种或几种。其作用为除气、出渣作用，具体地，除气：去除铝液中氢气，避免铸件气孔、疏松;吸附氧化夹渣并随气泡上浮从而起到出渣的作用。
[0033]在S4中，所述第二预设温度为700~725℃，保了熔体具备良好的流动性以完整填充模具型腔，同时避免了因温度过高导致的过度吸气、氧化及凝固收缩增大。
[0034]采用电线圈预先对所述金属模具进行预热，预热温度为180℃~200℃ 。
[0035]为了详细说明采用本发明的效果，具体实施例如下。如无特殊说明，本发明的实施例中的原料均通过商业途径购买，即工业级原料。
[0036]实施例1
[0037]本发明提供的一种高强度的耐热铝合金的制备方法，具体步骤如下：
(1)将纯Al(>99.9%)、Al-20Si中间合金、Al-10Ni中间合金、Al-20Fe中间合金、Al-10Mn中间合金按照重量百分比为Si: 7.0%、Ni: 3.0%、Fe:0.3%、Mn: 0.35%、其余为Al进行配料。
[0038](2)将上述原料放入熔炼炉内熔炼，熔炼温度为750℃，熔炼时间30~50分钟得到铝合金熔体，降温至735℃，加入ClC4精炼剂进行除气扒渣处理，并静置10~20分钟得到铝合金精炼熔体。
[0039](3)将铝合金精炼熔体降温至720℃，浇注至金属模具中，待合金熔体凝固后开模得到铝合金铸锭。
[0040]实施例2
[0041]本发明提供的一种高强度的耐热铝合金的制备方法，具体步骤如下：
(1)将纯Al(>99.9%)、Al-20Si中间合金、Al-10Ni中间合金、Al-20Fe中间合金、Al-10Mn中间合金按照重量百分比为Si: 7.0%、Ni:2.0%、Fe:0.3%、Mn: 0.35%、其余为Al进行配料。
[0042](2)将上述原料放入熔炼炉内熔炼，熔炼温度为750℃，熔炼时间30~50分钟得到铝合金熔体，降温至735℃，加入ClC4精炼剂进行除气扒渣处理，并静置10~20分钟得到铝合金精炼熔体。
[0043](3)将铝合金精炼熔体降温至720℃，浇注至金属模具中，待合金熔体凝固后开模得到铝合金铸锭。
[0044]实施例3
[0045]本发明提供的一种高强度的耐热铝合金的制备方法，具体步骤如下：
(1)将纯Al(>99.9%)、Al-20Si中间合金、Al-10Ni中间合金、Al-20Fe中间合金、Al-10Mn中间合金按照重量百分比为Si: 7.0%、Ni: 4.0%、Fe:0.3%、Mn: 0.35%、其余为Al进行配料。
[0046](2)将上述原料放入熔炼炉内熔炼，熔炼温度为750℃，熔炼时间30~50分钟得到铝合金熔体，降温至735℃，加入ClC4精炼剂进行除气扒渣处理，并静置10~20分钟得到铝合金精炼熔体。
[0047](3)将铝合金精炼熔体降温至720℃，浇注至金属模具中，待合金熔体凝固后开模得到铝合金铸锭。
[0048]对比例1
[0049]本实施例提供的一种耐热铝合金的制备方法，具体步骤如下：
(1)将纯Al(>99.9%)、Al-20Si中间合金、纯镁按照重量百分比为Si: 7.0%、Mg:0.4%、其余为Al进行配料。
[0050](2)将纯Al(>99.9%)、Al-20Si中间合金放入熔炼炉内熔炼，熔炼温度为750℃，熔炼时间30~50分钟得到铝合金熔体，降温至720℃，加入纯镁，保温20 min后加入ClC4精炼剂进行除气扒渣处理，并静置10~20分钟得到铝合金精炼熔体。
[0051](3)将得到的精炼熔体浇注至金属模具中，待合金熔体凝固后开模得到铝合金铸锭。
[0052]对比例2
[0053]本实施例提供的一种高强度的耐热铝合金的制备方法，具体步骤如下：
(1)将纯Al(>99.9%)、Al-20Si中间合金、Al-10Ni中间合金、Al-20Fe中间合金、Al-10Mn中间合金按照重量百分比为Si: 7.0%、Ni: 1.0%、Fe:0.3%、Mn: 0.35%、其余为Al进行配料。
[0054](2)将上述原料放入熔炼炉内熔炼，熔炼温度为750℃，熔炼时间30~50分钟得到铝合金熔体，降温至735℃，加入ClC4精炼剂进行除气扒渣处理，并静置10~20分钟得到铝合金精炼熔体。
[0055](3)将铝合金精炼熔体降温至720℃，浇注至金属模具中，待合金熔体凝固后开模得到铝合金铸锭。
[0056]对比例3
[0057]本实施例提供的耐热铝合金的制备方法，具体步骤如下：
(1)将纯Al(>99.9%)、Al-20Si中间合金、Al-10Ni中间合金、Al-20Fe中间合金、Al-10Mn中间合金按照重量百分比为Si: 7.0%、Ni: 5.0%、Fe:0.3%、Mn: 0.35%、其余为Al进行配料。
[0058](2)将上述原料放入熔炼炉内熔炼，熔炼温度为750℃，熔炼时间30~50分钟得到铝合金熔体，降温至735℃，加入ClC4精炼剂进行除气扒渣处理，并静置10~20分钟得到铝合金精炼熔体。
[0059](3)将铝合金精炼熔体降温至720℃，浇注至金属模具中，待合金熔体凝固后开模得到铝合金铸锭。
[0060]测定了上述实施例的耐热铝合金的室温、高温力学性能。结果如下表：
[0061]实施例1检测结果表明：如图1所示，获得了α-Al+Si+ Al6(FeNiMn)四元共晶成分，Al6(FeNiMn)相为六方结构，滑移系少，在高温下能够有效阻碍位错运动，室温抗拉强度和断后伸长率分别为171±4.6 MPa和2.0±0.1%，300℃抗拉强度和断后伸长率分别为130±4.3 MPa和4.5±0.3%。
[0062]实施例2检测结果表明：如图2所示，获得了α-Al+Si+ Al6(FeNiMn)四元共晶成分，其中Al6(FeNiMn)相大部分为鱼骨状，与共晶硅构成的三位网状结构，在高温受载时能够有效承载并传递应力，从而显著提升合金的高温强度，，室温抗拉强度和断后伸长率分别为168±1.1 MPa和6.7±0.3%，300℃抗拉强度和断后伸长率分别为121±8 MPa和5.0±1.0%。
[0063]实施例3检测结果表明：如图3所示，骨骼状的Al6(FeNiMn)相进一步增多，室温抗拉强度和断后伸长率分别为163±6 MPa和1.2±0.3%，300℃抗拉强度和断后伸长率分别为110±4.1 MPa和1.9±0.5%。
[0064]对比例1检测结果表明：如图4所示，共晶硅呈长针状，尺寸粗大，室温抗拉强度和断后伸长率分别为157±3.9 MPa和1.1±0.3%，300℃抗拉强度和断后伸长率分别为89±4.1 MPa和1.5±0.5%。
[0065]对比例2检测结果表明：如图5所示，Al6(FeNiMn)相尺寸较小，大部分呈片层状，共晶硅仍呈长针状，尺寸粗大，室温抗拉强度和断后伸长率分别为161±3.5 MPa和8.6±0.5%，300℃抗拉强度和断后伸长率分别为102±2.1 MPa和9.4 ± 0.2%。
[0066]对比例3检测结果表明：如图6所示，共晶硅呈长针状，尺寸粗大，室温抗拉强度和断后伸长率分别为149±2.9 MPa和1.2±0.3%，300℃抗拉强度和断后伸长率分别为89±4.1 MPa和3.1±0.2%。
[0067]通过实施例1-3与对比例1-3相比得出：相比对比例1-3的耐热铸造铝合金(纯Al(>99.9%)、Al-20Si中间合金、纯镁按照重量百分比为Si: 7.0%、Mg: 0.4%、其余为Al进行配料)，实施例1-3选择近Al-Si共晶成分的Si添加量，确保合金的流动性能，通过Ni临界阈值调控与Mn/Fe协同控制，显著提高合金的机械性能和高温性能。实施例1-3制备的耐热铝合金，室温抗拉强度和断后伸长率分别为167～176MPa 和1.0～7.2%，300℃抗拉强度和断后伸长率分别为125～134MPa 和4.0～5.2%。
[0068]以上仅为本发明的优选实施例而已，其并非因此限制本发明的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，通过常规的替代或者能够实现相同的功能在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行变化、修改、替换、整合和参数变更均落入本发明的保护范围内。
说明书附图(6)
声明：
“耐热铝合金及其制备方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：北方有色网
来源：深圳领威科技有限公司, 华南理工大学
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2026年08月06日 ~ 08日 
