CN102644012B - 共晶铝硅合金活塞材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种共晶铝硅合金活塞材料的制备方法。本发明是在ZL109合金的基础上，通过调整合金成分及合金微量成分V、Zr、P等并严格控制变质工艺，制备得到一种高强度，低热膨胀系数的新型共晶铝合金材料，Zr和V可细化再结晶组织，加P变质处理后，形成Al-P黑色核心，促进了初晶硅的异质形核，起到细化初晶硅的作用，平均晶粒尺寸约为12μm。本发明的合金具有高温性能优良，硬度高、热膨胀系数小、耐磨性好等特点，更符合高性能车用发动机活塞的要求。
Description
技术领域
本发明属于有色金属材料制备技术和变质处理工艺领域，具体涉及一种共晶铝硅合金活塞材料的制备方法。
背景技术
活塞是发动机的心脏，承受交变的机械负荷和热负荷，是发动机中工作条件最恶劣的关键零部件之一。在高温高压高速的情形下工作，决定着发动机的工作效率，因此要求活塞合金具有较好的体积稳定性和较高的高温强度。发动机性能的不断提高则使得活塞的工作负荷显著增加，因而对活塞性能尤其是高温性能提出了更高的要求，活塞材料则首当其冲。
目前国内业界仍普遍采用的ZL109等传统合金牌号已不能适应新开发的更高负荷和性能活塞尤其是高性能车用发动机活塞的要求，近年来更是常发生有的机型上出现断头或燃烧室口开裂的情况。
本发明是在ZL109合金的基础上，通过调整合金成分、加入微量元素、严格控制变质工艺，制备一种高强度，低热膨胀系数的新型共晶合金材料，符合高性能车用发动机活塞的要求。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种共晶铝硅合金活塞的材料及其制备方法，尤其适合用于车用发动机的活塞中。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种共晶铝硅合金活塞材料，以质量百分比计，含有Si：11～13％、Cu：3.8～4.5％、Ni：2.5～4.5％、Mg：0.5～1.0％、V：0.05～0.08％、Zr：0.05～0.08％、P：0.006～0.014％，余量为Al和不可避免的杂质。
优选的，所述共晶铝硅合金活塞材料，以质量百分比计，含有：Si：12.2～12.6％、Cu：3.8～4.5％、Ni：2.7～3.0％、Mg：0.6～0.9％、V：0.05～0.07％、Zr：0.05～0.07％、P：0.006～0.014％，余量为Al和不可避免的杂质。
进一步的，所述共晶铝硅合金活塞材料，还可以含有以下按质量百分比计的合金元素，Zn≤0.5％、Mn≤0.15％、Ti≤0.05％、Sn≤0.02％、Fe≤0.5％。
本发明还提供一种所述铝合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)按铝硅合金中合金元素所占质量百分比计Si：11～13％、Cu：3.8～4.5％、Ni：2.5～4.5％、Mg：0.5～1.0％、V：0.05～0.08％、Zr：0.05～0.08％、P：0.006～0.014％，余量为Al和不可避免的杂质；分别称取重熔用铝锭、重熔用镁锭、工业硅、电解铜、纯镍板、AlV5(铝钒中间合金)、AlZr10(铝锆中间合金)和AlP3(铝磷中间合金)；其中工业硅为破碎好的1～5cm3的小块；
(2)按总投料质量的0.1～0.2％称取无钠精炼剂；
(3)将步骤(1)、步骤(2)中的工业硅、电解铜、重熔用镁锭、纯镍板、AlV5、AlZr10、AlP3、重熔用铝锭和无钠精炼剂放入温度200-300℃的恒温预热干燥炉中干燥2～3h；
(4)将步骤(3)中干燥后的工业硅、纯镍板、重熔用铝锭放入工业电炉内，设定工业电炉炉体温度为850℃；
(5)点火3h～4h，待炉内的重熔用铝锭、工业硅和纯镍板全部熔化，搅拌炉内铝液5～8min，然后在工业电炉中加入步骤(3)干燥后的电解铜、AlV5和AlZr10，继续点火升温，并设定炉内熔体温度800℃保温30min。
(6)待炉内所有物料全部熔化，调整温度至740～780℃，用钟罩将经步骤(3)干燥处理的重熔用镁锭压入铝合金熔体内部3～5min至重熔用镁锭全部熔化，迅速搅拌4～5min；
(7)将铝合金熔体温度调整到830℃，加入AlP3中间合金进行变质处理；
(8)变质30～50min后，充分搅拌，取样检测合金成分。
(9)测量铝合金熔体温度，在铝合金熔体温度800～815℃范围内将步骤(3)干燥后的无钠精炼剂的50％撒入铝合金熔体内进行充分搅拌，将剩余的50％无钠精炼剂放入自动喷粉机中，以惰性气体为载体将无钠精炼剂均匀的喷入铝合金熔体内进行精炼，喷入的时间控制在10～15min，进行打渣，打渣后铝液静置5～10min；
(10)在铝合金熔液温度800～815℃时出炉，得所述的共晶铝硅合金活塞材料。
优选的，所述方法包括如下步骤：
(1)按铝硅合金中合金元素的所占质量百分比计Si：12.5％，Cu：4.4％，Mg：0.8％，Ni：3.0％，Zr：0.065％，V：0.065％，P：0.010％，Al为余量，分别称取所述的工业硅、电解铜、重熔用镁锭、纯镍板、AlV5、AlZr10、重熔用铝锭和AlP3中间合金；其中工业硅为破碎好的1～5cm3的小块；
(2)按步骤(1)总投料质量的0.15％称取无钠精炼剂；
(3)将步骤(1)、步骤(2)中的工业硅、电解铜、重熔用镁锭、纯镍板、AlV5、AlZr10、AlP3、重熔用铝锭和无钠精炼剂放入温度250℃的恒温预热干燥炉中干燥3h；
(4)将步骤(3)中干燥后的工业硅、纯镍板、重熔用铝锭放入工业电炉内，设定工业电炉炉体温度为850℃；
(5)点火4h，待炉内的重熔用铝锭、工业硅和纯镍板全部熔化，搅拌炉内铝液8min，然后在工业电炉中加入步骤(3)干燥后的电解铜、AlV5和AlZr10，继续点火升温，并设定炉内熔体温度800℃保温30min。
(6)待炉内所有物料全部熔化，调整温度至760～780℃，用钟罩将经步骤(3)干燥处理的重熔用镁锭压入铝合金熔体内部5min至重熔用镁锭全部熔化，迅速搅拌5min；
(7)将铝合金熔体温度调整到830℃，加入AlP3中间合金进行变质处理；
(8)变质40min后，充分搅拌，取样检测合金成分。
(9)测量铝合金熔体温度，在铝合金熔体温度810℃时将步骤(3)干燥后的无钠精炼剂的50％撒入铝合金熔体内进行充分搅拌，将剩余的50％无钠精炼剂放入自动喷粉机中，以惰性气体为载体将无钠精炼剂均匀的喷入铝合金熔体内进行精炼，喷入的时间控制在10min，进行打渣，打渣后铝液静置5min；
(10)在铝合金熔液温度810℃时出炉，得所述的共晶铝硅合金活塞材料。
本发明中的纯镍板可用AlNi20(铝镍中间合金)替代实现，如果加入的是AlNi20，经过步骤(1)的称取后，接着在步骤(3)中进行干燥，然后在步骤(5)中随着电解铜一起加入。
当用AlNi20替代纯镍板实现本发明时，优选的，所述方法包括如下步骤：
(1)按铝硅合金中合金元素的所占质量百分比计Si：13％，Cu：4.0％，Mg：1.0％，Ni：4.0％，Zr：0.07％，V：0.07％，P：0.014％，Al为余量，分别称取所述工业硅、电解铜、重熔用镁锭、AlNi20、AlV5、AlZr10、重熔用铝锭、AlP3中间合金；其中工业硅为破碎好的1～5cm3的小块；
(2)按步骤(1)总投料质量的0.16％称取无钠精炼剂；
(3)将步骤(1)、步骤(2)中的工业硅、电解铜、重熔用镁锭、AlV5、AlZr10、AlNi20、AlP3、重熔用铝锭和无钠精炼剂放入温度250℃的恒温预热干燥炉中干燥2h；
(4)将步骤(3)中干燥后的工业硅、重熔用铝锭放入工业电炉内，设定工业电炉炉体温度为850℃；
(5)点火4h，待炉内的重熔用铝锭和工业硅全部熔化，搅拌炉内铝液8min，然后在工业电炉中加入步骤(3)干燥后的电解铜、AlNi20、AlV5和AlZr10，继续点火升温，并设定炉内熔体温度800℃保温30min。
(6)待炉内所有物料全部熔化，调整温度至750℃，用钟罩将经步骤(3)干燥处理的重熔用镁锭压入铝合金熔体内部5min至重熔用镁锭全部熔化，迅速搅拌5min；
(7)将铝合金熔体温度调整到830℃，加入AlP3中间合金进行变质处理；
(8)变质45min后，充分搅拌，取样检测合金成分。
(9)测量铝合金熔体温度，在铝合金熔体温度810℃时将步骤(3)干燥后的无钠精炼剂的50％撒入铝合金熔体内进行充分搅拌，将剩余的50％无钠精炼剂放入自动喷粉机中，以惰性气体为载体将无钠精炼剂均匀的喷入铝合金熔体内进行精炼，喷入的时间控制在12min，进行打渣，打渣后铝液静置5min；
(10)在铝合金熔液温度805℃时出炉，得所述的共晶铝硅合金活塞材料。
优选的，上述惰性气体均为氩气。
本发明是一种添加多种强化元素的共晶铝硅合金材料，关键技术是变质工艺的控制及合金元素的添加。合金材料采用Al-P中间合金变质剂，变质温度是800℃，变质时间是30～50min。发明人还经过大量实验发现，铝合金浇注温度控制在800～815℃时材料性能最佳，从图1、图2的合金变质效果远优于图3、图4可以看出，当铝合金浇注温度低于此温度时，初晶硅易聚集且变质效果不佳。Al、Si、Cu、Mg、Ni、V、Zr生成了多种耐热相，起强化作用和细化作用，大大提高材料在高温下的抗拉强度。
本发明的优点和有益效果为：
1、本方法制备的合金材料具有高温性能优良，硬度高、热膨胀系数小、耐磨性好等特点，符合高性能车用发动机活塞的要求，为铝合金行业在新材料性能上的突破积累了经验。适量的Ni可大幅度提高已有高性能活塞合金的高温强度；Al、Si、Mg、Cu、Ni等在合金中形成化合物强化相和高温稳定相，起到综合强化活塞合金的作用；Zr和V可细化再结晶组织，加P变质处理后，形成Al-P黑色核心，促进了初晶硅的异质形核，起到细化初晶硅的作用，平均晶粒尺寸约为12μm。从表2也可以看出本发明的新型共晶铝合金活塞材料强度约为350Mpa，300℃高温抗拉强度约为205Mpa。
进一步的，本发明的合金中还可以添加Mn，它可作为合金化元素较小幅度提高活塞合金的高温性能。
2、在本发明所述的合金的最佳磷含量、变质温度、变质处理与精炼处理的配合和浇注温度的范围内，能够得到一种优良的磷变质工艺，从而制备得到本发明所述的性能优良的共晶铝硅合金。
附图说明
图1浇注温度为800℃合金的变质组织。
图2浇注温度为815℃合金的变质组织。
图3浇注温度为780℃合金的变质组织。
图4浇注温度为730℃合金的变质组织。
图5本发明合金与现有ZL109的摩擦磨损实验结果对比。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
实施例1：
(1)按质量百分比Si：12.3％，Cu：4.2％，Mg：0.8％，Ni：2.8％，Zr：0.060％，V：0.060％，P：0.010％，Al为余量，称取重熔用铝锭、重熔用镁锭、工业硅、电解铜、纯镍板及AlV5(铝钒中间合金)、AlZr10((铝锆中间合金)、AlP3(铝磷中间合金)；其中工业硅为破碎好的1～5cm3的小块；
(2)按总投料质量的0.15％称取无钠精炼剂；
(3)将步骤(1)、步骤(2)中的工业硅、电解铜、重熔用镁锭、纯镍板、AlV5、AlZr10、ALP3、重熔用铝锭和无钠精炼剂放入温度250℃的恒温预热干燥炉中干燥3h；
(4)将步骤(3)中干燥后的工业硅、纯镍板、重熔用铝锭放入CX-GR-150型工业电炉内，设定工业电炉炉体温度为850℃。
(5)点火4h，待炉内的重熔用铝锭、工业硅和纯镍板全部熔化，大力搅拌炉内铝合金熔体8min，然后在工业电炉中小心加入步骤(3)中的电解铜、AlV5和AlZr10，继续点火升温至850℃。
(6)待炉内所有物料全部熔化，调整温度至765℃，用钟罩将经步骤(3)干燥处理的重熔用镁锭压入铝合金熔体内部5min至重熔用镁锭全部熔化，迅速搅拌5min；
(7)将铝合金熔体温度调整到830℃，加入AlP3中间合金进行变质处理；
(8)变质45min后，充分搅拌，取样检测合金成分；
(9)测量铝合金熔体温度，在铝合金熔体温度815℃将步骤(3)中完全干燥的无钠精炼剂的50％撒入铝合金熔体内进行充分搅拌，将剩余的50％无钠精炼剂放入自动喷粉机中，以惰性气体氩气为载体将无钠精炼剂均匀的喷入铝合金熔体内进行精炼，氩气喷入的时间为10min，进行打渣，打渣后静置5min；
(10)在铝合金熔液温度815℃时出炉。
(11)对合金材料进行T6热处理。
通过检验，本实验方法制备的铝合金热处理状态抗拉强度为333Mpa，300℃高温抗拉强度198Mpa，350℃高温抗拉强度157Mpa，热膨胀系数15.8×10-6/℃。
所述无钠精炼剂为本行业内常规用于铝合金制备的精炼剂，举例如上海虹光金属熔剂厂生产的HGJB-2精炼剂。
实施例2
(1)按铝硅合金中合金元素的所占质量百分比计Si：12.5％，Cu：4.4％，Mg：0.8％，Ni：3.0％，Zr：0.065％，V：0.065％，P：0.010％，Al为余量，分别称取所述的工业硅、电解铜、重熔用镁锭、纯镍板、AlV5、AlZr10、重熔用铝锭和AlP3中间合金；其中工业硅为破碎好的1～5cm3的小块；
(2)按步骤(1)总投料质量的0.15％称取无钠精炼剂；
(3)将步骤(1)、步骤(2)中的工业硅、电解铜、重熔用镁锭、纯镍板、AlV5、AlZr10、AlP3、重熔用铝锭和无钠精炼剂放入温度250℃的恒温预热干燥炉中干燥3h；
(4)将步骤(3)中干燥后的工业硅、纯镍板、重熔用铝锭放入工业电炉内，设定工业电炉炉体温度为850℃；
(5)点火4h，待炉内的重熔用铝锭、工业硅和纯镍板全部熔化，搅拌炉内铝液8min，然后在工业电炉中加入步骤(3)干燥后的电解铜、AlV5和AlZr10，继续点火升温，并设定炉内熔体温度800℃保温30min。
(6)待炉内所有物料全部熔化，调整温度至760～780℃，用钟罩将经步骤(3)干燥处理的重熔用镁锭压入铝合金熔体内部5min至重熔用镁锭全部熔化，迅速搅拌5min；
(7)将铝合金熔体温度调整到830℃，加入AlP3中间合金进行变质处理；
(8)变质40min后，充分搅拌，取样检测合金成分。
(9)测量铝合金熔体温度，在铝合金熔体温度810℃时将步骤(3)干燥后的无钠精炼剂的50％撒入铝合金熔体内进行充分搅拌，将剩余的50％无钠精炼剂放入自动喷粉机中，以惰性气体为载体将无钠精炼剂均匀的喷入铝合金熔体内进行精炼，喷入的时间控制在10min，进行打渣，打渣后铝液静置5min；
(10)在铝合金熔液温度810℃时出炉。
(11)对合金材料进行T6热处理。
通过检验，本实验方法制备的铝合金热处理状态抗拉强度越为330Mpa，300℃高温抗拉强度约为200Mpa，350℃高温抗拉强度约为161Mpa，热膨胀系数约为16.0×10-6/℃。
实施例3
(1)按质量百分比Si：12.5％，Cu：4.0％，Mg：0.9％，Ni：3.0％，Zr：0.07％，V：0.07％，P：0.014％，Al为余量，称取重熔用铝锭、重熔用镁锭、工业硅、电解铜、AlNi20(铝镍中间合金)、AlV5(铝钒中间合金)、AlZr10((铝锆中间合金)、AlP3(铝磷中间合金)；其中工业硅为破碎好的1～5cm3的小块；
(2)按总投料质量的0.16％称取无钠精炼剂；
(3)将步骤(1)、步骤(2)中的工业硅、电解铜、重熔用镁锭、AlNi20、AlV5、AlZr10、AlP3、重熔用铝锭和无钠精炼剂放入温度250℃的恒温预热干燥炉中干燥2h；
(4)将步骤(3)中干燥后的工业硅、重熔用铝锭放入CX-GR-150型工业电炉内，设定工业电炉炉体温度为850℃。
(5)点火4h，待炉内的重熔用铝锭和工业硅全部熔化，大力搅拌炉内铝合金熔体5min，然后在工业电炉中小心加入步骤(3)中的电解铜、AlNi20、AlV5和AlZr10，继续点火升温，并设定炉内熔体温度800℃保温30min。
(6)待炉内所有物料全部熔化，调整温度至760℃，用钟罩将经步骤(3)干燥处理的重熔用镁锭压入铝合金熔体内部5min至重熔用镁锭全部熔化，迅速搅拌5min；
(7)将铝合金熔体温度调整到830℃，加入AlP3中间合金进行变质处理；
(8)变质50min后，充分搅拌，取样检测合金成分；
(9)测量铝合金熔体温度，在铝合金熔体温度813℃将步骤(3)中完全干燥的无钠精炼剂的50％撒入铝合金熔体内进行充分搅拌，将剩余的50％无钠精炼剂放入自动喷粉机中，以惰性气体氩气为载体将无钠精炼剂均匀的喷入铝合金熔体内进行精炼，氩气喷入的时间为11min，然后进行打渣，打渣后铝液静置8min；
(10)在铝合金熔液温度810℃时出炉。
(11)对合金材料进行T6热处理。
通过检验，本实验方法制备的铝合金热处理状态抗拉强度为342Mpa，300℃高温抗拉强度201Mpa，350℃高温抗拉强度159Mpa，热膨胀系数16.3×10-6/℃。
实施例4
(1)按铝硅合金中合金元素的所占质量百分比计Si：13％，Cu：4.0％，Mg：1.0％，Ni：4.0％，Zr：0.07％，V：0.07％，P：0.014％，Al为余量，分别称取所述工业硅、电解铜、重熔用镁锭、AlNi20、AlV5、AlZr10、重熔用铝锭、AlP3中间合金；其中工业硅为破碎好的1～5cm3的小块；
(2)按步骤(1)总投料质量的0.16％称取无钠精炼剂；
(3)将步骤(1)、步骤(2)中的工业硅、电解铜、重熔用镁锭、AlV5、AlZr10、AlNi20、AlP3、重熔用铝锭和无钠精炼剂放入温度250℃的恒温预热干燥炉中干燥2h；
(4)将步骤(3)中干燥后的工业硅和重熔用铝锭放入工业电炉内，设定工业电炉炉体温度为850℃；
(5)点火4h，待炉内的重熔用铝锭和工业硅全部熔化，搅拌炉内铝液8min，然后在工业电炉中加入步骤(3)干燥后的电解铜、AlV5、AlNi20和AlZr10，继续点火升温，并设定炉内熔体温度800℃保温30min。
(6)待炉内所有物料全部熔化，调整温度至750℃，用钟罩将经步骤(3)干燥处理的重熔用镁锭压入铝合金熔体内部5min至重熔用镁锭全部熔化，迅速搅拌5min；
(7)将铝合金熔体温度调整到830℃，加入AlP3中间合金进行变质处理；
(8)变质45min后，充分搅拌，取样检测合金成分。
(9)测量铝合金熔体温度，在铝合金熔体温度810℃时将步骤(3)干燥后的无钠精炼剂的50％撒入铝合金熔体内进行充分搅拌，将剩余的50％无钠精炼剂放入自动喷粉机中，以惰性气体为载体将无钠精炼剂均匀的喷入铝合金熔体内进行精炼，喷入的时间控制在12min，进行打渣，打渣后铝液静置5min；
(10)在铝合金熔液温度805℃时出炉。。
(11)对合金材料进行T6热处理。
通过检验，本实验方法制备的铝合金热处理状态抗拉强度为345Mpa，300℃高温抗拉强度203Mpa，350℃高温抗拉强度160Mpa，热膨胀系数17×10-6/℃。
下面以本发明合金材料与现有ZL109合金进行对比，摩擦磨损实验结果对比如图5所示。从图5可以看出，本发明合金的摩擦系数远低于ZL109合金，耐磨性能更好，更符合高性能车用发动机活塞的要求。
此外，本发明还提供了本发明合金材料与现有ZL109合金元素成分对比、两种铝合金常温和高温下力学性能对比(参见表1及表2)。从表2可以看出，本发明的合金其铸态抗拉强度、热处理后常温抗拉强度、300℃高温抗拉强度、350℃高温抗拉强度明显优于ZL109合金，而热膨胀系数则明显低于ZL109合金，说明本发明的合金是一种高强度，低热膨胀系数的新型共晶合金材料，相比ZL109合金，更符合高性能车用发动机活塞的要求。
表1
表2
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (2)
1.一种共晶铝硅合金活塞材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)按铝硅合金中合金元素所占质量百分比计Si：11～13%、Cu：3.8～4.5%、Ni：2.5～4.5%、Mg：0.5～1.0%、V：0.05～0.08%、Zr：0.05～0.08%、P：0.006～0.014%，余量为Al和不可避免的杂质；分别称取重熔用铝锭、重熔用镁锭、工业硅、电解铜、纯镍板、AlV5、AlZr10和AlP3；其中工业硅为破碎好的1～5cm3的小块；
(2)按总投料质量的0.1～0.2%称取无钠精炼剂；
(3)将步骤(1)、步骤(2)中的工业硅、电解铜、重熔用镁锭、纯镍板、AlV5、AlZr10、AlP3、重熔用铝锭和无钠精炼剂放入温度200-300℃的恒温预热干燥炉中干燥2～3h；
(4)将步骤(3)中干燥后的工业硅、纯镍板、重熔用铝锭放入工业电炉内，设定工业电炉炉温为850℃；
(5)点火3h～4h，待炉内的重熔用铝锭、工业硅和纯镍板全部熔化，搅拌炉内铝液熔体5～8min，然后在工业电炉中加入步骤(3)干燥后的电解铜、AlV5和AlZr10，继续点火升温，并设定炉内熔体温度800℃保温30min；
(6)待炉内所有物料全部熔化呈熔融状态，调整温度至740～780℃，用钟罩将经步骤(3)干燥处理的重熔用镁锭压入铝合金熔体内部3～5min至重熔用镁锭全部熔化，迅速搅拌4～5min；
(7)将铝合金熔体温度调整到830℃，加入AlP3中间合金进行变质处理；
(8)变质30～50min后，充分搅拌，取样检测合金成分；
(9)测量铝合金熔体温度，在铝合金熔体温度800～815℃范围内将步骤(3)干燥后的无钠精炼剂的50%撒入铝合金熔体内进行充分搅拌，将剩余的50%无钠精炼剂放入自动喷粉机中，以惰性气体为载体将无钠精炼剂均匀的喷入铝合金熔体内进行精炼，喷入的时间控制在10～15min，进行打渣，打渣后铝液静置5～10min；
(10)在铝合金熔液温度800～815℃时出炉，得所述的共晶铝硅合金活塞材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述惰性气体为氩气。
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