CN100482826C - 活塞用新型无镍高钛铝硅合金及其活塞的热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种活塞用新型无镍高钛铝硅合金，其组成为(重量%)：Si：12.5～13.5，Cu：1.5～2，Mg：0.9～1.5，Mn≤0.45，Ti：0.25～0.4，V：0.1～0.2，Fe≤0.7，其余为Al；以及公开了该合金的熔炼以及该合金活塞的两级时效的热处理工艺。它取消了高成本的镍，加入高温强化元素Ti、V，同时对Si、Cu、Mn等含量进行优化，使合金材料成本降低、体积稳定性，线胀系数，360℃高温性能均有明显提高。
Description
技术领域
本发明涉及合金材料，具体来说是用于制造发动机活塞的特种铝硅合金，及其熔炼工艺和活塞处理工艺。
背景技术
现有含镍铝硅合金的热膨胀系数小、耐磨性较高、是最常用的活塞材料。如，目前发动机活塞广泛采用的ZL109含镍铝硅合金，其成分规范如下：Si：11-13％，Cu：0.5—1.5％，Mg：0.8—1.5％，Mn：≤0.2％，Ni：0.8—1.5％，Fe：≤0.7％；ZL109机械性能：体积稳定性；≤0.03％D，线胀系数：(20—300℃)≤22.3×10-6抗拉强度：常温：≥196Mpa，300℃≥100Mpa，360℃60—70MPa(由于现发动机要求提高，现要求控制360℃高温强度，原国家标准不要求)。
中国专利文献公开了中国轻骑集团曲阜活塞厂的“一种活塞用铝基复合材料及其制备方法”(CN1257299C)，基体合金组成为(％)Si：9～16，Ni：0.5～2.0，Mg：0.2～1.5，Ti：0.2～2.0，其余为Al。中国专利文献还披露了东北轻合金有限责任公司的“铝合金活塞的制造方法”(CN1693507A)，其合金成分为(％)：Si：11.5～13.5，Fe：≤0.10，Cu：0.5～1.3，Mn：≤0.20，Mg：0.8～1.3，Ni：0.5～1.3，Zn：≤0.25，Cr：≤0.10，Ti：≤0.15。
随着我国经济的快速发展和经济结构的调整，金属原材料价格上涨幅度很大。特别是金属镍，由于资源日益枯竭，市场需求突飞猛长，其价格在短期内以翻番的速度增长。为了降低成本，同时在保证材料的物理和力学性能的前提条件下，开发出活塞用无Ni铝硅合金是我们所面临的、急需解决的技术课题。
发明内容
本发明的目的是提供一种不采用金属镍仍能满足活塞材料的物理、力学性能要求的活塞用新型无镍高钛铝硅合金。
实现本发明目的的技术方案是：一种活塞用新型无镍高钛铝硅合金，其特征是：所述合金中重量百分比计的各成分组成如下：
Si：12.5-13.5％，Cu：1.5-2％，Mg：0.9—1.5％，Mn：≤0.45％，Ti：0.25—0.4％，V：0.1—0.2％，Fe≤0.7％，其余为Al。
本发明的另一个目的是提供上述合金的熔炼以及热处理工艺。
本发明的另一目的是这样实现的：一种铝硅合金的熔炼工艺，熔炼工艺步骤如下：
a)、先将所需的全部硅均匀分布于天然气反射炉的炉膛底部，然后用加料板将配备好的纯铝锭总量的60—80％进炉，将硅全部覆盖，完后将铜板加在靠近喷火口的中上层，开始点火熔化；
b)、升温至表面铝液呈糊状后，加入钒合金和Al-Ti中间合金，同时将剩余铝锭加入，点火继续升温至850-880℃进行保温扩散熔炼，保温扩散时间为10—20分钟；
c)、经保温扩散熔炼的铝液静置15-20分钟后，进行精炼除气处理，加入覆盖剂0.3-0.5％，无毒精炼剂：在760-780℃温度下进行充分搅拌，静置5分钟后取样，待成份合格后，进行出水操作；
d)、出水时使用过滤网，中途搅拌一次；
上述铝硅合金活塞的热处理工艺按以下步骤进行：
e)、对浇铸活塞采用全部水淬，淬火温度为60-90℃；再对活塞进行裙部淬：取出活塞立即放入淬火箱中，淬火位置：止口向下，浸入深度不低于销孔中心，不超过销孔顶端；
f)、最后对活塞进行两级时效处理，第一级时效为：170℃×3h，第二级时效为：260℃×1.5h。
本发明对现有活塞用铝硅合金材料的成分进行了调整，经反复试验、筛选，通过取消高成本的Ni，加入高温强化元素Ti、V，同时对Si、Cu、Mn等含量进行优化，最后得到了上述合金。
本发明的有益效果是：
1、合金材料的成本得到降低
取消了高成本的金属镍，从而有效降低产品成本，从而提高了产品竞争力。
2、合金材料的力学性能、高温机械性能有所提高。
经测试，本发明无Ni铝硅合金的机械性能如下：体积稳定性≤0.025％D；线胀系数：20—300℃≤22×10-6/℃；抗拉强度：常温：≥196Mpa，300℃≥100Mpa，360℃≥65Mpa。
与现有ZL109合金相比，体积稳定性、线胀系数、360℃高温性能有明显提高。
3、针对本合金材料，相应研发出一套熔炼后热处理工艺，因此，本发明活塞在300-350℃的高温强度有所提高，耐磨性能更好。
具体实施方式
本发明合金材料的配比如下(各组分重量含量％)
| Si | Cu | Mg | Mn | Ti | V | Fe | 加铝至100 | |
| 合金1 | 12.5 | 1.5 | 0.9 | 0.45 | 0.25 | 0.1 | 0.7 | 同上 |
| 合金2 | 13.5 | 2 | 1.5 | 0.40 | 0.4 | 0.2 | 0.5 | 同上 |
| 合金3 | 12 | 1.8 | 1.2 | 0.42 | 0.3 | 0.15 | 0.6 | 同上 |
经测试，合金1的性能指标如下：体积稳定性：0.020％D；线胀系数20-300℃：20×10-6/℃，
抗拉强度：常温：201Mpa，300℃：110Mpa，360℃：68Mpa；
合金2的性能指标如下：
体积稳定性：0.025％D；线胀系数20-300℃：22×10-6/℃，
抗拉强度：常温：196Mpa，300℃：100Mpa，360℃：65Mpa；
合金3的性能指标如下：
0.023％D；线胀系数20-300℃：21×10-6/℃，
抗拉强度：常温：198Mpa，300℃：105Mpa，360℃：66Mpa；
从总体上来看，本发明合金材料性能指标为：体积稳定性：≤0.025％D；线胀系数：20—300℃≤22×10-6/℃；抗拉强度：常温：≥196Mpa，300℃≥100Mpa，360℃≥65Mpa。
本发明无镍合金材料的材料性能多项指标达到和部分超过现有ZL109含Ni铝硅合金的指标。
1、本发明合金熔炼工艺：
(1)熔炼设备.工具及炉前准备：
熔炼设备：鼓风机，天燃气反射炉2T，称，破碎机，热电偶测温仪；
熔炼工具：加料铲.打渣耙.搅拌工具.堵塞.过滤网.运渣车.备料车.合金锭模；
炉前准备：
按化学成份要求技术员填写配料通知单，合金班根据配料通知单从库房领用验收合格的原材料(由于硅是自己破碎，注意块度：20-50mm)，填好配料原始记录：
打渣耙、搅拌工具合金锭模必须涂氧化锌，浇瓢必须涂石墨水溶液，烘干后才能使用；
(2)加料熔炼
a)、先将所需的全部硅均匀分布于天然气反射炉的炉膛底部，然后用加料板将配备好的纯铝锭总量的60—80％进炉，将硅全部覆盖，完后将铜板加在靠近喷火口的中上层，开始点火熔化；
b)、升温至表面铝液呈糊状后，加入钒合金和Al-Ti中间合金，同时将剩余铝锭加入，点火继续升温至850-880℃进行保温扩散熔炼，保温扩散时间为10—20分钟；
c)、经保温扩散熔炼的铝液静置15-20分钟后，进行精炼除气处理，加入覆盖剂0.3—0.5％，无毒精炼剂：在760-780℃温度下进行充分搅拌，静置5分钟后取样，待成份合格后，进行出水操作；
d)、出水时使用过滤网，中途搅拌一次；
上述铝硅合金活塞的热处理工艺按以下步骤进行：
e)、对浇铸活塞采用全部水淬，淬火温度为60-90℃；再对活塞进行裙部淬：取出活塞立即放入淬火箱中，淬火位置：止口向下，浸入深度不低于销孔中心，不超过销孔顶端；
f)、最后对活塞进行两级时效处理，第一级时效为：170℃×3h，第二级时效为：260℃×1.5h。
现场熔炼：
(1)熔炼使用工具：钟罩.除渣瓢.热电偶在使用前必须涂料；
(2)熔炼工首线应清理干净现场坩埚，加入同一牌号熔炼好的合金进行保温。
(3)铝液温度至760-780℃时，加入P(磷)盐变质剂
0.1—0.2％，进行变质处理，处理方法为：用涂过料的钟罩将变质剂压入接近埚底，平行地轻轻移动直至反应完毕，压入深度可根据反应剧烈程度适当调整，用除气机处理12分钟，静置15-20分钟，加入打渣剂进行扒渣。检查三角式样，确定气体合变质效果.铁相，合格后方可使用。正常良好式样表面应有龟斑状出现，断口为细密组织，有均匀初晶硅亮点，反之，必须再静置，重新变质精炼处理，直至合格。(如两次以上处理达不到要求，可将不合格铝液分成2-3埚，重新加料进行熔化处理)。
3.热处理工艺：
铸淬要求：对浇铸活塞采用全部水淬，淬火温度60-90℃
全部淬火活塞：活塞温度≮420℃待活塞取出后，第二只浇完，立即放入水中(注意：φ120以上活塞淬裂，φ120以下活塞淬火温度偏低，入水时间可适当前后调整)；再对活塞进行裙部淬：取出活塞立即放入淬火箱中，淬火位置：止口向下，浸入深度不低于销孔中心，不超过销孔顶端。
发明的Al-Si系合金的特点是，将传统的Al-Si系合金的Ni完全去掉，添加Ti、V合金元素，通过Ti、V复合合金化，得到新型Al-Si合金；针对本发明合金，开发出一套新型热处理技术。
Claims (5)
1、一种活塞用新型无镍高钛铝硅合金，其特征是：所述合金中按重量百分比计的各成分组成如下：
Si：12.5—13.5％，Cu：1.5—2％，Mg：0.9—1.5％，Mn：≤0.45％，Ti：0.25—0.4％，V：0.1—0.2％，Fe≤0.7％，其余为Al。
2、根据权利要求1所述活塞用新型无镍高钛铝硅合金，其特征是：所述合金成分组成如下：
Si：12.5％，Cu：1.5％，Mg：0.9％，Mn：0.45％，Ti：0.25％，V：0.1％，Fe：0.7％，其余为Al。
3、根据权利要求1所述活塞用新型无镍高钛铝硅合金，其特征是：所述合金成分组成如下：Si：13.5％，Cu：2％，Mg：1.5％，Mn：0.40％，Ti：0.4％，V：0.2％，Fe：0.5％，其余为Al。
4、根据权利要求1所述活塞用新型无镍高钛铝硅合金，其特征是：所述合金成分组成如下：Si：12％，Cu：1.8％，Mg：1.2％，Mn：0.42％，Ti：0.3％，V：0.15％，Fe：0.6％，其余为Al。
5、一种如权利要求1所说的铝硅合金的活塞的热处理工艺，其特征是：按以下步骤进行：
a)、对浇铸活塞采用全部水淬，活塞温度不小于420℃，淬火温度为60-90℃；再对活塞进行裙部淬：取出活塞立即放入淬火箱中，淬火位置：止口向下，浸入深度不低于销孔中心，不超过销孔顶端；
b)、最后对活塞进行两级时效处理，第一级时效为：170℃×3h，第二级时效为：260℃×1.5h。
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