CN101775530A - 一种过共晶铝硅合金活塞材料 - Google Patents

Abstract

一种过共晶铝硅合金活塞材料，合金化学成分(wt％)为：Si：24-26；Cu：0.5-1.0；Ni：1.5-3.0；Mg：05-1.0；Mn：0.15～0.25；Fe：0.45～0.55；Zr：0.5-1.0；Ti：0.2-0.5；Al为余量。对此铝硅合金在850℃熔炼，降温到720～760℃时，在氮气保护下压入磷类压块变质剂和富Ce混合稀土变质剂，其中磷类压块变质剂组成质量百分数为：磷粉：40-50；铝粉：20-30；氟硼酸钾：20-40。保温30分钟，然后用C₂Cl₆除气，搅拌，静置，扒渣，最后浇注，对铸件采取T6热处理。通过提高Si含量来保障活塞的体积稳定性和降低热膨胀系数，提高添加热强元素和复合变质来提高活塞的常温及高温抗拉强度。

Description

一种过共晶铝硅合金活塞材料

一、技术领域

本发明涉及一种用于制造铝合金活塞的材料，具体的说是一种过共晶铝硅合金活塞材料。

二、背景技术

Al-Si系合金中Si是主要合金化元素，在铝合金中加Si，能显著改善合金的流动性，降低合金的热膨胀系数，减少热裂倾向，减轻合金比重，提高耐磨性、刚度和疲劳强度。按合金中Si含量的多少，该系合金可分为三类：亚共晶(Si，8-10％)，共晶(Si，11-13％)和过共晶(Si，16-26％)铝硅合金。

共晶和亚共晶型铝硅合金具有较好的力学性能、铸造性能和切削性能，是中小型内燃机活塞的首选材料，国内常用的该类合金以ZL108和Z1109为典型代表。目前该两类合金的制备工艺已趋于成熟，在实际生产中得到了广泛应用。

过共晶铝硅合金含硅高达16-26％，因而合金的比重更小、线膨胀系数更低、抗磨性和体积稳定性更高，是理想的活塞材料。随着高功率及增压内燃机的出现，国内外已将过共晶铝硅合金应用于活塞生产。

过共晶铝硅合金按含硅量多少大致可分为三组：第一组含硅16-19％；第二组含硅20-23％；第三组含硅24-26％。前两组合金有较好的使用性能，铸造性能尚可。这两类合金目前应用较多，常见的有美国的A390，A393，日本的AC9B，俄国的AK21，国产的Al-17Si，Al-18Si，76-1和ZL117等。第三组含硅24-26％的过共晶合金由于含硅量更高，因而合金的热膨胀系数更低、耐磨性和耐蚀性更好，使用性能优于前两组合金，因而极有可能被用于高速发动机活塞。但是，由于硅的大量加入导致组织中出现大量粗大的不规则块状初晶硅和长条状或粗大针状共晶硅，如图1所示，合金的脆性变大、抗拉强度尤其是高温抗拉强度显著下降，这些不利因素限制了过共晶铝硅合金在活塞中的应用。

因此，提高合金强度尤其是高温强度、细化初晶Si相和Al-Si共晶相组织，是高功率高速发动机活塞所必须解决的问题。目前，解决的方法主要有两种：其一添加合金化元素以提高强度；其二变质处理以细化组织。下面分别叙述。

其一添加合金化元素以提高强度。合金化元素有许多，如Fe、Cu、Mg、Mn、Ni、Ti、Zr等，不同用途和不同生产厂家生产的活塞其合金化元素及配方都不尽相同。

其二变质处理以细化组织活塞。对于共晶硅的细化变质，一般采用稀土类变质。对于初生硅的变质细化，磷变质是迄今为止最常用和最有效的解决方法，目前国内外主要应用的磷类变质剂有赤磷、磷盐复合变质剂和磷的中间合金等。然而，上述变质剂，以及变质方法都存在诸多问题：

(1)赤磷变质剂，由于磷的燃点和升华温度低，运输和保存都不安全；磷类变质剂主要用来变质初晶硅，对共晶硅的细化变质不是很明显。

(2)磷盐复合变质剂，产生大量渣和有害气体，污染环境，腐蚀炉衬，变质不稳定。

(3)含磷中间合金，熔点高，密度大易偏析。

CN101195877A公开了一种磷类压块变质剂对共晶硅细化变质，该变质剂由一定比例的磷粉、铝粉、氯化物和氟化物混合均匀后压成块状。

三、发明内容

本发明旨在提供一种含硅量24～26％高硅过共晶铝硅合金活塞材料，所要解决的技术问题是细化初晶硅相和铝硅共晶相组织。

本发明解决这一问题的技术方案是对硅含量24～26％高硅过共晶铝硅合金，一方面添加热强元素Ni、Cu、Mg、Zr、Ti、Fe、Mn等进行改性，另一方面采用富铈混合稀土和磷类压块变质剂对过共晶铝硅合金进行复合变质。这样得到的过共晶铝硅合金活塞材料其化学成分质量百分比(wt％，下同)为：

Si：24～26     Ni：1.5～3.0  Cu：0.5～1.0   Mg：0.5～1.0   Zr：0.5～1.0

Fe：0.45～0.55 Ti：0.2～0.5  Mn：0.15～0.25 Al：余量。

本过共晶铝硅合金活塞材料的制备方法以工业纯铝、结晶硅为原料，包括熔炼改性、变质处理以及铸锭和热处理，所述的熔炼改性是将配比量Al、Si和改性元素Ni、Cu、Zr、Fe、Ti和Mn投入坩埚炉中升温至全部熔化呈熔融状态(约850℃)，然后降温至720～760℃下用钟罩压入配比量的Mg，搅拌均匀后静置20min；所述的变质处理是在上述熔融液中于氮气保护下压入炉料总质量1.0～1.4％富铈混合稀土和0.1～0.2％磷类压块变质剂，搅拌均匀并保温30min，然后搅拌下通入C₂Cl₆除气，静置20min后升温至820～850℃保温半小时，最后扒去浮渣，将合金液浇入预热的模具中，冷却后取出，用常规的T6活塞处理工艺进行热处理。磷类压块变质剂组成为40～50wt％磷粉、20～30wt％铝粉和20～40wt％氟硼酸钾。

本合成材料中热强元素与铝生成了Al₃Ni、Al₃Zr、Al₃Ti、CuAl₂、Al₂CuMg、Al₃(CuNi)₂等耐热颗粒相，起高温增强作用和细化作用，使得材料在高温下有良好的抗拉强度。此外，采用富铈混合稀土和磷类压块变质剂使得材料初晶Si相和Al-Si共晶相组织细化。

本发明所述合金材料主要有以下优点：

(1)与现有低于24％Si的铝硅活塞合金相比，本发明制备的合金具有更低的热膨胀系数，而常温抗拉强度和高温(300℃)抗拉强度基本保持不变；与现有24-26％的铝硅活塞合金相比，本发明制备的合金具有更高的高温(300℃)抗拉强度，而热膨胀系数和常温抗拉强度基本保持不变(见表1)。

表1

注：1.KS282为国际上典型的铸造高硅铝合金活塞材料，ZL109和ZL117分别为我国共晶型和过共晶型典型的铸造高硅铝合金活塞材料；2.表中数据为实测最佳值。

(2)本发明熔炼过程简单易操作，有利于普及，具有通用性。只要按要求的合金配比都可以达到预期的效果。

(3)本发明制备的合金具有优良的铸造性，广泛用于汽车用高功率高速重载发动机铝合金活塞中。

四、附图说明

图1含硅24wt％的合金未变质的组织。

图2含硅24wt％的合金经变质后的组织。

图3含硅26wt％的合金未变质的组织。

图4含硅26wt％的合金经变质后的组织。

五、具体实施方式

下面通过具体实施例子进一步阐述本发明的实质特点，但是本发明决非仅限于实施例。

实施例一：

含硅24wt％的过共晶铝硅合金，含Si：24；Cu：0.6；Ni：1.8；Mg：05-1.0；Mn：0.8；Fe：0.5；Zr：0.7；Ti：04；Al为余量。

具体步骤如下：

1.将配比量的工业纯铝、纯铁、结晶硅、电解镍、电解铜、钛、锰、锆等炉料放进炉中，然后加热到850℃，保温直至炉料全部熔化。

2.将温度降至740℃，用钟罩压入配比量的Mg，搅拌静置20分钟。

3.氮气保护下压入炉料总质量1.1wt％富铈混合稀土和0.15wt％磷类压块变质剂进行变质，磷类压块变质剂由45wt％磷粉、25wt％铝粉和30wt％氟硼酸钾混合均匀后压块。

4.保温30分钟，然后用C₂Cl₆除气，搅拌，静置20分钟，再升温至820℃～850℃，保温30分钟，扒渣，最后将金属液浇入预热200℃的金属模中。

5.与其他活塞热处理工艺一样采取T6热处理。

实施例二：

一种含硅26wt％的过共晶铝硅合金，含Si：26；Cu：0.8；Ni：1.5-3.0；Mg：2.5；Mn：0.6；Fe：0.5；Zr：0.6；Ti：0.3；Al为余量。

具体步骤同方案一。

Claims (2)

1.一种过共晶铝硅合金活塞材料，其特征在于：对过共晶铝硅合金同时进行热强改性和富铈混合稀土及磷类压块剂复合变质后得到的一种合金材料，其化学成分的质量百分比为：

Si：24～26       Ni：1.5～3.0   Cu：0.5～1.0     Mg：0.5～1.0   Zr：0.5～1.0

Fe：0.45～0.55   Ti：0.2～0.5   Mn：0.15～0.25   Al：余量。

2.如权利要求1所述的过共晶铝硅合金活塞材料的制备方法，以工业纯铝和结晶硅为原料，包括熔炼改性、变质处理以及铸锭和热处理，其特征在于：所述的熔炼改性是将配比量的Al、Si和改性元素Ni、Cu、Zr、Ti、Fe、Mn投入坩埚炉中加热熔融，然后降温至720～760℃下用钟罩压入配比量的Mg，搅拌均匀静置20min；所述的变质处理是在上述熔融液中于氮气保护下压入炉料总质量1.0～1.4％富铈混合稀土和0.1～0.2％磷类压块变质剂，搅拌均匀并保温30min，最后通入C₂Cl₆除气后升温至820～850℃保温半小时；磷类压块变质剂由40～50wt％、20～30wt％铝粉和20～40wt％氟硼酸钾组成。

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