CN101070575A - 活塞用复合铝合金及其生产工艺 - Google Patents
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Abstract
活塞用复合铝合金及其生产工艺，其特征在于，所述的活塞用复合铝合金各组份的配比(占总重量的百分比)为：硅(Si)11％－13％；镁(Mg)0.5％－0.9％；镍(Ni)0.4％－0.7％；锰(Mn)0.4％－0.7％；铜(Cu)1.1％－1.7％；铁(Fe)0.3％－0.7％；钛(Ti)0.01％－0.15％；锌(Zn)0.15％－0.2％；余量为铝(Al)。具有良好的物理特性，能够替代现有材料，以节约成本。所述的活塞用复合铝合金的生产工艺包括原材料准备、熔炼、变质处理、精练等步骤，充分利用了回收活塞铝和回炉料，使资源得以回收利用。总之，本发明具有降低制造成本，提高活塞机械性能的积极效果。
Description
〖技术领域〗本发明涉及金属冶炼领域，特别是属于一种用于制作活塞的复合铝合金及其生产工艺。
〖背景技术〗活塞是发动机的核心部件，它的工作环境极为恶劣，随着发动机向低油耗、低噪音、低排放目标的发展，对活塞的可靠性要求也越来越高。在实际生产中，活塞原材料主要是以铸造铝合金ZL108、ZL109为主，其中ZL109材料主要用于高性能发动机活塞。由于汽车行业的迅速发展，高性能发动机活塞需求量大大提高，对ZL109材料的需求也水涨船高，但镍的短缺，成了广泛应用ZL109材料的一个制约条件。目前，有关生产厂家开始针对此问题进行相关的试验和研究，但也仅限于降低成本的研究，并不能全面解决上述问题，机械性能降低、工艺可靠性差，尚不能有效有效替代ZL109材料。
绝大多数内燃机活塞都采用具有低膨胀系数的共晶铝硅合金铸造，添加硅能降低铝的热膨胀系数，还使合金具有好的铸造性能、好的机加工性能、好的耐磨耐蚀性能。添加少量的铜、锰、镍能提高合金机械性能，镍还有降低热膨胀系数的作用。镁有弥散强化作用。钛可使晶粒细化。但是，随着国际能源紧张，原材料价格的上涨，特别是镍价格猛涨，已大大增加了活塞生产制造的成本。并且随着科学技术的飞速发展，人们对发动机的设计越来越先进，对活塞的质量要求越来越高，目前现有铝合金材料已不能满足制造需求。
〖发明内容〗本发明的目的即在于提供一种活塞用复合铝合金及其生产工艺，替代现有材料，以达到降低制造成本，提高活塞机械性能的目的。
本发明所公开的活塞用复合铝合金，其特征在于，各组份的配比(占总重量的百分比)为：硅(Si)11％-13％；镁(Mg)0.5％-0.9％；镍(Ni)0.4％-0.7％；锰(Mn)0.4％-0.7％；铜(Cu)1.1％-1.7％；铁(Fe)0.3％-0.7％；钛(Ti)0.01％-0.15％；锌(Zn)0.15％-0.2％；余量为铝(Al)。
本发明所公开的活塞用复合铝合金的生产工艺，其特征在于包括以下步骤：
1)原材料准备：收集回收活塞铝，即使用后更换下的旧活塞重新回收利用；收集回炉料，即活塞毛坯加工过程中切除的浇冒口料和活塞机械加工过程中产生的铝屑重熔成铝锭；外购铝锭；外购中间合金：Al-12Si合金、Al-10Mg合金、Al-10Mn合金、Al-10Ni合金，作为添加硅、镁、锰、镍的来源；
取上述回收活塞铝、回炉料、外购铝锭作为炉料；其中，各种炉料占总重量的百分比为：回收活塞铝20％-40％、回炉料30％-50％、外购铝锭20％-40％；
2)熔炼：将各种炉料去除灰尘、杂物，置于炉面预热，保证加入的炉料无水份；按回炉料、外购铝锭、回收活塞铝的顺序将各种炉料加入熔化炉中；使炉料快速熔化，控制铝液温度为600℃-850℃；待各种炉料熔化后，捞取炉渣及铁，然后放至紧邻的保温炉中，并升温至800±5℃；
炉前进行光谱分析，添加中间合金以调整其化学成分；所述的中间合金中，Al-12Si合金、Al-10Mg合金、Al-10Mn合金、Al-10Ni合金分别的添加量，根据本发明所公开的活塞用复合铝合金中硅、镁、锰、镍的含量计算；
将温度升至820±5℃，用转运包转移到电阻炉保温坩埚中，以待变质精炼；
3)变质处理：将预先配制好的变质剂用钟形罩对熔液进行变质处理；变质温度765±5℃；每坩埚(150Kg)加入变质剂480±20克；变质时间控制在5～10分钟，至变质剂与铝液无剧烈反应时为止；
4)精炼：变质完毕后将预先配制好的精炼剂(每包500±20克)用钟形罩对熔液进行精炼处理；每坩埚(150Kg)加入精炼剂500±20克；用钟形罩将精炼剂压入坩埚的中下部进行除气精炼，精炼时间控制在6～12分钟，直至反应完毕，没有气泡产生为止；加入清渣剂500±20克，清除合金的熔渣，然后反复搓揉，去除渣灰，然后静置10～15分钟。
普通AlSi12CuMgNi型合金中存在一系列杂质元素。铁的存在导致针状Al-Si-Fe化合物的形成，使合金脆性增加。加Mn能使该针状化合物转变成鱼骨状Al-Fe-Mn-Si相，降低脆性倾向，并且该相还能显著提高高温强度。但如果完全以Mn代替Ni，则会出现活塞体积稳定性变差、不耐磨、易拉缸，活塞寿命缩短等现象，Ni的存在能明显的降低热膨胀系数，并增强耐磨性，再通过合理的熔炼工艺，使活塞的抗拉强度、金相组织、体积稳定性等各项性能指标均有所提高，并且能提高合金的流动性、成型率、铸造出品率、机械加工工艺性能等。综上所述，本发明所公开的活塞用复合铝合金，具有良好的物理特性，能够替代现有材料，本发明所公开的活塞用复合铝合金的生产工艺，充分利用了回收活塞铝和回炉料，使资源得以回收利用。总之，本发明具有降低制造成本，提高活塞机械性能的积极效果。
〖具体实施方式〗根据本发明所公开的活塞用复合铝合金的生产工艺，取回收活塞铝1204Kg；回炉料A，即活塞毛坯加工过程中切除的浇冒口料796Kg；回炉料B，即活塞机械加工过程中产生的铝屑重熔成铝锭802Kg；外购铝锭1198Kg。去除灰尘、杂物后，置于炉面预热，保证加入的炉料无水份。
按回炉料A、回炉料B、外购铝锭、回收活塞铝的顺序将各种炉料加入熔化炉中，加入炉料时防止被溅起的金属液烫伤。使炉料快速熔化，控制铝液温度为600℃-850℃。在熔炼过程中，尽量少搅动，以减少气体的溶解量。待各种炉料熔化后，将炉渣及铁捞净，然后放至紧邻的保温炉中，并升温至800℃。
炉前进行光谱分析，此合金主要化学成分如下：硅(Si)12.58％；镁(Mg)0.75％；镍(Ni)0.45％；锰(Mn)0.58％；铜(Cu)1.41％；铁(Fe)0.48％；钛(Ti)0.02％；锌(Zn)0.16％。各元素含量在要求范围之内，无需添加中间合金调整化学成分。
将温度升至820℃，用转运包转移到电阻炉保温坩埚中，将预先配制好的变质剂用钟形罩对熔液进行变质处理；变质温度765℃；每坩埚(150Kg)加入变质剂480克；变质时间约8分钟，变质剂与铝液无剧烈反应时为止。
变质完毕后将预先配制好的精炼剂用钟形罩对熔液进行精炼处理；每坩埚(150Kg)加入精炼剂500克；用钟形罩将精炼剂压入坩埚的中下部进行除气精炼，精炼时间约10分钟，直至没有气泡产生为止。再加入清渣剂500克，清除合金的熔渣，然后反复搓揉，去除渣灰，然后静置12分钟，即得到本发明所公开的活塞用复合铝合金。
对上述活塞用复合铝合金进行四组测试，得到的结果如下：
测试项目 测试结果
Si Mg Mn Cu Ni Ti Zn Fe
化学成分
12.58 0.75 0.58 1.41 0.45 0.02 0.16 0.48
高温抗拉强度 115MPa、118Mpa、120MPa、126MPa
常温抗拉强度 235MPa、245MPa、240MPa、240MPa
α-固溶体细小，共晶硅呈短条状，部分呈小块状，
显微组织 初晶硅(边长≤0.04mm)呈小块状，分布均匀，
Al-Fe-Mn-Si相呈鱼骨状
宏观组织 孔洞集中较轻微，最大孔洞直径≤0.20mm
硬度 118HBS、120HBS、122HBS、122HBS
Claims (2)
1、一种活塞用复合铝合金，其特征在于，各组份的配比(占总重量的百分比)为：硅(Si)11％-13％；镁(Mg)0.5％-0.9％；镍(Ni)0.4％-0.7％；锰(Mn)0.4％-0.7％；铜(Cu)1.1％-1.7％；铁(Fe)0.3％-0.7％；钛(Ti)0.01％-0.15％；锌(Zn)0.15％-0.2％；余量为铝(Al)。
2、根据权利要求1所述的活塞用复合铝合金的生产工艺，其特征在于包括以下步骤：
1)原材料准备：收集回收活塞铝，即使用后更换下的旧活塞重新回收利用；收集回炉料，即活塞毛坯加工过程中切除的浇冒口料和活塞机械加工过程中产生的铝屑重熔成铝锭；外购铝锭；外购中间合金：Al-12Si合金、Al-10Mg合金、Al-10Mn合金、Al-10Ni合金，作为添加硅、镁、锰、镍的来源；
取上述回收活塞铝、回炉料、外购铝锭作为炉料；其中，各种炉料占总重量的百分比为：回收活塞铝20％-40％、回炉料30％-50％、外购铝锭20％-40％；
2)熔炼：将各种炉料去除灰尘、杂物，置于炉面预热，保证加入的炉料无水份；按回炉料、外购铝锭、回收活塞铝的顺序将各种炉料加入熔化炉中；使炉料快速熔化，控制铝液温度为600℃-850℃；待各种炉料熔化后，捞取炉渣及铁，然后放至紧邻的保温炉中，并升温至800±5℃；
炉前进行光谱分析，添加中间合金以调整其化学成分；所述的中间合金中，Al-12Si合金、Al-10Mg合金、Al-10Mn合金、Al-10Ni合金分别的添加量，根据硅、镁、锰、镍的含量计算；
将温度升至820±5℃，用转运包转移到电阻炉保温坩埚中，以待变质精炼；
3)变质处理：将预先配制好的变质剂用钟形罩对熔液进行变质处理；变质温度765±5℃；每150千克熔液加入变质剂480±20克；变质时间控制在5～10分钟，至变质剂与铝液无剧烈反应时为止；
4)精炼：变质完毕后将预先配制好的精炼剂用钟形罩对熔液进行精炼处理；每150千克加入精炼剂500±20克；精炼时间控制在6～12分钟，直至反应完毕，没有气泡产生为止；加入清渣剂500±20克，清除合金的熔渣，然后反复搓揉，去除渣灰，然后静置10～15分钟。
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