CN103374674A - 一种柴油机高强度铝合金活塞及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种柴油机高强度铝合金活塞，其化学成分为：Si、Fe、Cu、Mn、Mg、Ni、Zn、Ti、Pb和Al。本发明的制备方法包括以下步骤：1）在熔炼炉中加入铝锭加热熔解，加入低温除渣剂搅拌吸附杂质；2）继续加入其余的化学组份，加热至所有组份完全融化，加入磷复合变质剂进行细化变质处理；3）投放高温除渣剂，液面搅拌后进行除气、静置；4）采用金属型浇注；5）对符合的活塞毛坯进行T5热处理。本发明不仅从配方上改进铝合金活塞的组份，提高铝合金活塞的高温强度和高温热稳定性；同时，通过对制备工艺的调整和改进提高铝合金活塞的机械性能。
Description
技术领域
本发明涉及柴油机活塞，尤其涉及柴油机高强度铝合金活塞的制备方法。
背景技术
为了减少能耗、降低大气污染、提高内燃机的效率，提高燃烧温度已成为内燃机的重要发展趋势，相应的对内燃机配件的高温强度及高温耐磨性提出了更高的要求。Al-Si合金的热膨胀系数小、耐磨性较高、重量较轻，是最常见的活塞材料。但Al-Si合金的高温强度较低，为改善合金的高温性能，需对活塞的成分及制备工艺进行改进。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有很好的高温强度和高温热稳定性的柴油机高强度铝合金活塞的制备方法。
本发明的技术方案为：一种柴油机高强度铝合金活塞，其化学成分及重量百分含量为
Si 11.5-13%；
Fe ≤0.5%；
Cu 3.0-4.0%；
Mn 0.1-0.3%；
Mg 0.8-1.3%；
Ni 1.75-2.5%；
Zn ≤0.1%；
Ti 0.07-0.15%；
Pb ≤0.1%；
余量为Al。
优选的，本发明所述的柴油机高强度铝合金活塞，其化学成分及重量百分含量为
Si 12%；
Fe 0.4%；
Cu 3.5%；
Mn 0.2%；
Mg 1.0%；
Ni 2.0%；
Zn 0.08%；
Ti 0.09%；
Pb 0.1%；
Al 80.03%。
为了使铝合金活塞达到高温强度和热稳定性的要求，本发明通过对铜、硅、镁、镍等对高温性能影响较大的合金元素按一定比例进行添加调整配比，从而提高材料的高温强度和高温热稳定性。
本发明所述的柴油机高强度铝合金活塞的制备方法，其包括以下步骤：
1）在熔炼炉中加入铝锭，加热至580-610℃，铝锭开始熔解，加入占总重量0.2-0.4%的低温除渣剂充分搅拌吸附铝熔液上层的杂质；
2）往步骤1）的熔融液中加入其余的化学组份，继续加热至所有组份完全融化，铝渣自动分离，在780-800℃加入占总重量0.2-0.3%磷复合变质剂进行细化变质处理；
3）将经步骤2）处理得到的铝液在760℃~800℃下保温50-70min，然后将铝液转至保温炉中，再投放占总重量0.1-0.2%高温除渣剂，液面搅拌后进行除气13-16min，再经静置6-10min；
4）将经步骤3）静置的铝液采用金属型重力浇注活塞毛坯，浇注温度为760-800℃ ；
5）对符合的活塞毛坯进行T5热处理。
所述步骤3）中的保温过程中，上下搅拌铝液2-3次，以加速金属Ni及Cu完全熔化；当金属Ni及Cu完全熔化，并经化学成份分析合格后将铝液转移到保温炉中。
本发明步骤3）的除气操作为往保温炉中通入氮气进行除氢及除渣精炼操作。其具体操作为：往保温炉的铝液底部通入氮气，通过伸入保温炉底部的石墨转子叶片的高速旋转，将氮气打成细小且分布均匀的小气泡，氮气气泡从保温炉中的铝液底部上浮过程中，因氮气气泡内的氢分压为零，气泡周围的氢气自动向氮气气泡内扩散，从而将氢气带出铝液。同时，经除渣处理仍未去除的细小夹杂物，被上浮的氮气气泡带离至液面，再被液面的高温除渣剂吸附进入高温除渣剂中，在捞除浮渣时去除，铝液得到净化。所以步骤3）的除气操作不仅可去除保温炉中生成的氢气，还可去除铝液中的夹渣，防止活塞中生成气孔，提高制备的活塞质量。
所述步骤5）中的T5热处理具体操作为：活塞在热处理炉中加热到210±20℃，保温6-9小时，出炉后空冷。
本发明的铝合金活塞制备过程中，经过步骤1）和步骤2）溶解、步骤2的变质处理等工艺，使活塞材料晶粒得到细化，组织致密，进一步提高了活塞的机械性能。再通过步骤5）热处理T5工艺控制，以提高活塞的机械性能和体积稳定性。
本发明制备的铝合金活塞常温抗拉强度可达到280MPa以上，高温抗拉强度为180MPa以上，体积稳定性≤0.020%D。
本发明中，所述步骤1中的低温除渣剂为市售产品，购买于张家港市溶剂二厂，牌号为L型除渣剂。
所述步骤2）中磷复合变质剂为市售产品，购买于张家港市溶剂二厂，牌号为 T3-813。
所述步骤3）中高温除渣剂为市售产品，购买于张家港市溶剂二厂，牌号为N406。
本发明活塞中的一些微量化学成分例如Fe（铁）、Zn（锌）、Pb（铅）等，因其他金属中会夹带微量的以上成分，所以在具体操作过程中，一般不再特意加入。
本发明中，不仅从配方上改进铝合金活塞的组份，通过按一定比例添加铜、硅、镁、镍等对高温性能影响较大的合金元素，从而提高铝合金活塞的高温强度和高温热稳定性；同时，通过对制备工艺的调整和改进，对完全熔解的原料熔液加入磷复合变质剂进行细化变质处理，并对活塞毛坯进行T5热处理，从而提高铝合金活塞的机械性能。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的技术方案为：一种柴油机高强度铝合金活塞，其化学成分及重量百分含量为
Si 11.5-13%；
Fe ≤0.5%；
Cu 3.0-4.0%；
Mn 0.1-0.3%；
Mg 0.8-1.3%；
Ni 1.75-2.5%；
Zn ≤0.1%；
Ti 0.07-0.15%；
Pb ≤0.1%；
余量为Al。
本发明所述的柴油机高强度铝合金活塞的制备方法，其包括以下步骤：
1）在熔炼炉中加入铝锭，加热至580-610℃，铝锭开始熔解，加入占总重量0.2-0.4%的低温除渣剂充分搅拌吸附铝熔液上层的杂质；
2）往步骤1）的熔融液中加入其余的化学组份，继续加热至所有组份完全融化，铝渣自动分离，在780-800℃加入占总重量0.2-0.3%磷复合变质剂进行细化变质处理；
3）将经步骤2）处理得到的铝液在760℃~800℃下保温50-70min，在保温过程中，上下搅拌铝液2-3次，以加速金属Ni及Cu完全熔化；当金属Ni及Cu完全熔化，经化学成份分析合格将铝液转移到保温炉中，再投放占总重量0.1-0.2%高温除渣剂，液面搅拌后进行除气13-16min，再经静置6-10min；
4）将经步骤3）静置的铝液采用金属型重力浇注活塞毛坯，浇注温度为760-800℃ ；
5）对符合的活塞毛坯进行T5热处理，将活塞在热处理炉中加热到210±20℃，保温6-9小时，出炉后空冷。
实施例1
1）先按以下配方称取活塞各组分：
Si 13 kg；
Cu 3.0 kg；
Mn 0.3 kg；
Mg 0.8 kg；
Ni 1.75 kg；
Ti 0.15 kg；
Al 81 kg。
2）在熔炼炉中加入铝锭，加热至580-610℃，铝锭开始熔解，加入占总重量0.4 kg的低温除渣剂充分搅拌吸附铝熔液上层的杂质；
3）往步骤1）的熔融液中加入其余的化学组份，继续加热至所有组份完全融化，铝渣自动分离，在780-800℃加入占总重量0.3 kg磷复合变质剂进行细化变质处理；
4）将经步骤2）处理得到的铝液在760℃~780℃下保温50min，在保温过程中，上下搅拌铝液2-3次，以加速金属Ni及Cu完全熔化；当金属Ni及Cu完全熔化，经化学成份分析合格将铝液转移到保温炉中，再投放占总重量0.2 kg高温除渣剂，液面搅拌后进行除气13min，再经静置10min；
5）将经步骤3）静置的铝液采用金属型重力浇注活塞毛坯，浇注温度为760-800℃ ；
6）对符合的活塞毛坯进行T5热处理，将活塞在热处理炉中加热到210±20℃，保温8小时，出炉后空冷。
实施例2
1）先按以下配方称取活塞各组分：
Si 11.5 kg；
Cu 4.0 kg；
Mn 0.1 kg；
Mg 1.3 kg；
Ni 2.5 kg；
Ti 0.07 kg；
Al 80.53 kg。
2）在熔炼炉中加入铝锭，加热至580-610℃，铝锭开始熔解，加入占总重量0.2 kg的低温除渣剂充分搅拌吸附铝熔液上层的杂质；
3）往步骤1）的熔融液中加入其余的化学组份，继续加热至所有组份完全融化，铝渣自动分离，在780-800℃加入占总重量0.2 kg磷复合变质剂进行细化变质处理；
4）将经步骤2）处理得到的铝液在780℃~800℃下保温70min，在保温过程中，上下搅拌铝液2-3次，以加速金属Ni及Cu完全熔化；当金属Ni及Cu完全熔化，经化学成份分析合格将铝液转移到保温炉中，再投放占总重量0.1 kg高温除渣剂，液面搅拌后进行除气16min，再经静置6min；
5）将经步骤3）静置的铝液采用金属型重力浇注活塞毛坯，浇注温度为760-800℃ ；
6）对符合的活塞毛坯进行T5热处理，将活塞在热处理炉中加热到210±20℃，保温7小时，出炉后空冷。
实施例3
1）先按以下配方称取活塞各组分：
Si 12 kg；
Cu 3.5 kg；
Mn 0.2 kg；
Mg 1.0 kg；
Ni 2.0 kg；
Ti 0.09 kg；
Al 81.21 kg。
2）在熔炼炉中加入铝锭，加热至580-610℃，铝锭开始熔解，加入占总重量0.3 kg的低温除渣剂充分搅拌吸附铝熔液上层的杂质；
3）往步骤1）的熔融液中加入其余的化学组份，继续加热至所有组份完全融化，铝渣自动分离，在780-800℃加入占总重量0.3 kg磷复合变质剂进行细化变质处理；
4）将经步骤2）处理得到的铝液在770℃~790℃下保温50min，在保温过程中，上下搅拌铝液2-3次，以加速金属Ni及Cu完全熔化；当金属Ni及Cu完全熔化，经化学成份分析合格将铝液转移到保温炉中，再投放占总重量0.2 kg高温除渣剂，液面搅拌后进行除气14min，再经静置8min；
5）将经步骤3）静置的铝液采用金属型重力浇注活塞毛坯，浇注温度为760-800℃ ；
6）对符合的活塞毛坯进行T5热处理，将活塞在热处理炉中加热到210±20℃，保温6小时，出炉后空冷。
实施例4
1）先按以下配方称取活塞各组分：
Si 12.5 kg；
Cu 3.7 kg；
Mn 0.2 kg；
Mg 1.2 kg；
Ni 1.9 kg；
Ti 0.12 kg；
Al 80.38 kg。
2）在熔炼炉中加入铝锭，加热至580-610℃，铝锭开始熔解，加入占总重量0.4 kg的低温除渣剂充分搅拌吸附铝熔液上层的杂质；
3）往步骤1）的熔融液中加入其余的化学组份，继续加热至所有组份完全融化，铝渣自动分离，在780-800℃加入占总重量0.2 kg磷复合变质剂进行细化变质处理；
4）将经步骤2）处理得到的铝液在770℃~790℃下保温60min，在保温过程中，上下搅拌铝液2-3次，以加速金属Ni及Cu完全熔化；当金属Ni及Cu完全熔化，经化学成份分析合格将铝液转移到保温炉中，再投放占总重量0.1 kg高温除渣剂，液面搅拌后进行除气15min，再经静置7min；
5）将经步骤3）静置的铝液采用金属型重力浇注活塞毛坯，浇注温度为760-800℃ ；
6）对符合的活塞毛坯进行T5热处理，将活塞在热处理炉中加热到210±20℃，保温9小时，出炉后空冷。
Claims (5)
1.一种柴油机高强度铝合金活塞，其特征在于：所述铝合金活塞的化学成分及重量百分含量为
Si 11.5-13%；
Fe ≤0.5%；
Cu 3.0-4.0%；
Mn 0.1-0.3%；
Mg 0.8-1.3%；
Ni 1.75-2.5%；
Zn ≤0.1%；
Ti 0.07-0.15%；
Pb ≤0.1%；
余量为Al。
2.根据权利要求1所述的柴油机高强度铝合金活塞，其特征在于：所述铝合金活塞的化学成分及重量百分含量为
Si 12%；
Fe 0.4%；
Cu 3.5%；
Mn 0.2%；
Mg 1.0%；
Ni 2.0%；
Zn 0.08%；
Ti 0.09%；
Pb 0.1%；
Al 80.03%。
3.根据权利要求1所述的柴油机高强度铝合金活塞的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：
1）在熔炼炉中加入铝锭，加热至580-610℃，铝锭开始熔解，加入占总重量0.2-0.4%的低温除渣剂充分搅拌吸附铝熔液上层的杂质；
2）往步骤1）的熔融液中加入其余的化学组份，继续加热至所有组份完全融化，铝渣自动分离，在780-800℃加入占总重量0.2-0.3%磷复合变质剂进行细化变质处理；
3）将经步骤2）处理得到的铝液在760℃~800℃下保温50-70min，然后将铝液转至保温炉中，再投放占总重量0.1-0.2%高温除渣剂，液面搅拌后进行除气13-16min，再经静置6-10min；
4）将经步骤3）静置的铝液采用金属型重力浇注活塞毛坯，浇注温度为760-800℃ ；
5）对符合的活塞毛坯进行T5热处理。
4.根据权利要求3所述的柴油机高强度铝合金活塞的制备方法，其特征在于：所述步骤3）中的保温过程中，上下搅拌铝液2-3次，至金属Ni及Cu完全熔化。
5.根据权利要求3所述的柴油机高强度铝合金活塞的制备方法，其特征在于：所述步骤3）的除气操作为：往保温炉的铝液底部通入氮气，通过伸入保温炉底部的石墨转子叶片的高速旋转，将氮气打成小气泡，氮气气泡从保温炉中的铝液底部上浮过程中，将氢气带出铝液。
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