CN106756295A - 用于制备船用气缸活塞的铝合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于制备船用气缸活塞的铝合金及其制备方法，属于铝合金领域。该铝合金按重量百分比计包括硅15‑17％、铜1.25‑2.45％、铁0.5‑1.5％、镁0.2‑0.4％、硼0.02‑0.05％、钛0.02‑0.07％、锆0.03‑0.07％、钒0.03‑0.08％、镨0.01‑0.02％、钪0.01‑0.02％、钬0.01‑0.02％、钇0.01‑0.03％，余量为铝。该铝合金具有较强的耐摩擦性能及屈服强度和抗蠕变性能。该制备方法包括按上述配方依次进行铸锭、热挤压、淬火以及时效处理制得铝合金，制备工艺简单，能有效去除合金内应力，增强合金力学性能。

Description

用于制备船用气缸活塞的铝合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金领域，且特别涉及一种用于制备船用气缸活塞的铝合金及其制备方法。
背景技术
铝合金是以铝为基础的合金总称，主要合金元素有铜、硅、镁、锌或锰，次要合金元素有镍、铁、钛、铬或锂等。铝合金的加工性能好，尤其是亚共晶硅铝合金，不仅加工性能好，而且比重轻，表面美观且耐腐蚀，铸造性能好，制品综合力学性能好，可用于制作多种形态的部件，在许多领域中得到广泛应用。鉴于上述优点，现有的船用活塞通常采用铝合金为材料进行铸造。
随着船舶行业的不断发展，船舶的载重量和航速不断的加快，其对动力的要求也越来越高，致使发动机的气缸在工作过程中对活塞产生的压力以及摩擦越来越强，用于制备船用气缸活塞的铝合金需要有更强的力学强度，现有技术主要通过增加铝合金的刚性来增加铝合金的耐摩擦性能，但是刚性的增强会使铝合金的屈服强度和抗蠕变性能下降，船用气缸活塞的寿命通常较短，需要经常进行更换。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于制备船用气缸活塞的铝合金，其兼具较强的耐摩擦性能及屈服强度和抗蠕变性能，用其加工制得的船用气缸活塞屈服强度高，抗磨和抗蠕变性能优良，使用寿命长。
本发明的另一目的在于提供上述用于制备船用气缸活塞的铝合金的制备方法，该方法能够显著降低原料内的杂质含量及铝合金液的表面张力，提高铝合金液的铸造流动性，增加铝合金的综合力学性能。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提出一种用于制备船用气缸活塞的铝合金，其按重量百分比计，包括：
硅15-17％、铜1.25-2.45％、铁0.5-1.5％、镁0.2-0.4％、硼0.02-0.05％、钛0.02-0.07％、锆0.03-0.07％、钒0.03-0.08％、镨0.01-0.02％、钪0.01-0.02％、钬0.01-0.02％、钇0.01-0.03％，余量为铝。
本发明提出一种用于制备船用气缸活塞的铝合金的制备方法，其包括：
按比例称取原料，将原料于容器中熔化，从容器底部向熔体内通入预热2-3min后的惰性气体静置30-40min使浮渣充分漂浮于表面，捞除浮渣后保温静置10-20min，浇铸成型得铝合金铸锭；
将铝合金铸锭依次进行热挤压处理、淬火处理以及时效处理；热挤压处理的温度为400-420℃，速度为0.2-0.5m/min；淬火处理的温度为530-540℃；时效处理的温度为180-200℃。
本发明实施例的用于制备船用气缸活塞的铝合金及其制备方法的有益效果是：本发明提供的用于制备船用气缸活塞的铝合金加入硅元素及铜元素提高铝合金的强度，硅与铝可形成Al-Si共晶液相，其能够有效地提高铝合金液的铸造流动性；将铜加到该Al-Si合金中会形成α固溶体、CuAl2和Si相，α相分别与CuAl2和Si构成两相共晶体，同时这三个相又可共同构成三相共晶体，铜作为强化相固溶于铝基体中或以颗粒状化合物存在，用于显著提高铝合金的硬度和耐摩擦性能。但是，当铝合金中硅和铜含量的增加会使晶粒较大且分布不均匀，致使铝合金的屈服强度和抗蠕变性能显著下降。本发明在铝合金中加入微量的镨、钪、钬、钇四种稀土金属，并通过调节硅、铜与镨和钪共熔体的比例，能够降低α相的表面张力，减小α相的晶粒大小，使α相分布更均匀，从而改善铝合金的屈服强度和抗蠕变性能；钪、钬以及钇的共熔体能够有效去除铝合金中的金属及非金属杂质，其能够进一步提高铝合金的刚性。
该制备方法采用上述铝合金的配方进行铝合金的制备，其制得的铝合金兼具优良的耐摩擦性能、屈服强度及抗蠕变性能。制备过程中，将惰性气体通入熔体内，便于原料内部的气体及固体杂质上浮并去除，从而提高铝合金的综合性能。同时该制备方法工序简单且耗时较少，能够将制造周期缩短，符合短流程工艺的节能绿色要求。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的用于制备船用气缸活塞的铝合金及其制备方法进行具体说明。
本发明提出一种用于制备船用气缸活塞的铝合金，其按重量百分比计，包括：
硅15-17％、铜1.25-2.45％、铁0.5-1.5％、镁0.2-0.4％、硼0.02-0.05％、钛0.02-0.07％、锆0.03-0.07％、钒0.03-0.08％、镨0.01-0.02％、钪0.01-0.02％、钬0.01-0.02％、钇0.01-0.03％，余量为铝。
其中，硅元素和铜元素的主要作用是增加用于制备船用气缸活塞的铝合金的刚性和耐摩擦性能。
硅与铝可形成Al-Si共晶液相，能够有效地提高铝合金铸造流动性。硅含量越高，铝合金的铸造流动性越好；同时，硅晶粒的化学稳定性好且具有较高的硬度(HV870-1050)，能够提高合金的硬度。铝合金中硅元素含量的增加使铝合金具有比纯铝更高的耐磨性。
将铜加到该Al-Si合金中会形成α固溶体、CuAl2和Si相，α相分别与CuAl2和Si构成两相共晶体，同时这三个相又可共同构成三相共晶体，能够对铝合金进行固溶强化和弥散强化。当铜作为强化相固溶于铝基体中或以颗粒状化合物存在时，可显著提高铝合金的硬度及耐摩擦性能。
但是，当铝合金中硅和铜含量过高时，由于强化相的晶粒较大且分布不均匀，致使该用于制备船用气缸活塞的铝合金的屈服强度和抗蠕变性能显著下降，使船用气缸活塞在气缸内高压气体的冲击下易发生变形及断裂，船用气缸活塞的寿命较短。在此基础上，本发明提供的用于制备船用气缸活塞的铝合金在原料中加入微量的镨、钪、钬、钇四种稀土金属。
一方面，经发明人研究发现，通过调节硅、铜与镨和钪的共熔体的比例，将硅：铜：(镨+钪)的比例调整至15-16：1.25-2.45：0.02-0.04，优选为15.5-16.5：1.3-2.2：0.025-0.035的范围时，能够显著降低α相的表面张力，减小α相的晶粒大小，同时使α相分布更均匀，使铝合金在有较强的刚性的同时能够具有优良的屈服强度及抗拉伸性能。
另一方面，稀土元素的物理化学性质活泼，添加微量的混合稀土元素可与铝合金液中的氧、氢、氮、碳、磷、硫、铁、铅等杂质元素反应生成高熔点的化合物并沉淀，对铝合金液有净化作用，可以降低铝合金液的表面张力，消除金属和非金属杂质元素的危害，提高铝合金液的铸造流动性、铝合金的力学性能。且经研究人发现，当钪、钬以及钇的共熔体，其除杂效果优良，铝合金的综合性能显著提高。
此外，在本发明中，铁的主要作用是减少铝合金的粘模，铁与硅和铝形成Al-Si-Fe系晶析物，有助于铝合金的分散强化，能够改善铝合金的机械强度和拉伸性能，从而提高铝基的抗张强度、屈服极限等。
镁的主要作用是细化晶粒，从而提高铝合金的屈服强度和抗蠕变性能；镁与硅可形成Mg2Si强化相，其能够增加铝合金的刚性。镁的加入能够减少铝合金液的粘模的倾向，使压铸件表面光滑，避免铝合金脱模时出现损伤。
钛和铝反应形成TiAl3化合物，可细化α-Al晶粒。添加微量的钛元素，可使α-Al晶粒从粗大的树枝状转变为细小均匀的等轴晶，提高铝合金液的铸造流动性，改善铝合金的组织均匀性，提高铝合金的屈服强度和抗蠕变性能。
在铝合金中引入少量硼元素也可以起到细化晶粒的作用，能够降低蠕变速率，并且改善铝合金的抗疲劳性能。
此外，在铝合金中引入锆元素和钒元素，锆和钒在形成稳定的第二相的同时，还能够细化铝合金的晶粒，起到强化作用，增强铝合金的屈服强度和抗蠕变性能。
一种用于制备船用气缸活塞的铝合金的制备方法，其包括：
按比例称取原料，将原料于容器中熔化，从容器底部向熔体内通入预热2-3min后的惰性气体静置30-40min使浮渣充分漂浮于表面，捞除浮渣后保温静置10-20min，浇铸成型得铝合金铸锭。
将铝合金铸锭依次进行热挤压处理、淬火处理以及时效处理；热挤压处理的温度为400-420℃，速度为0.2-0.5m/min；淬火处理的温度为530-540℃；时效处理的温度为180-200℃。
更优的，在原料投放时，首先将纯铝锭加入熔炼炉，升温至约600℃，其后逐渐升温至约700℃，升温速率为10-15℃/min，加入含有硅、铜、铁、镁、硼、钛、锆及钒与铝的中间合金，待容器内合金全熔后加入混合稀土金属合金。
上述分段式的升温方式能够使合金内的各组分充分混匀，有利于提高合金的机械强度。由于稀有金属的含量较低，为了制备性能更为均匀的合金，应尽量使稀有金属分散均匀，因此将其余合金溶解完后再加入混合稀土合金，当稀有金属瞬间接触比自身熔点更高的熔体时，自身温度急剧升高，其迅速熔融并迅速在熔体中分散，并且由于已熔化的元素的流动性，后添加的稀有金属元素能快速地、均匀地弥散于混合的熔体当中，减少气泡的生成，过程中，伴随惰性气体的鼓泡作用，浮渣和残渣等杂质被带离液面并除去，进一步减少后续加工过程中的材料缺陷，；同时，稀土金属和合金内的各组分能充分结合，使其晶粒细化效果好进一步提高合金的综合性能。
将惰性气体从底部通入熔体内，惰性气体由于其自身密度小同时反应活性极低的特点，其在上浮过程中会将熔体中的部分杂质、渣等裹挟并带往液面。采用预热后的惰性气体，一方面气体流动性强，除气效果好；另一方面，能够防止气体和铝合金液之间的温度差使晶体局部析出或聚集，从而影响晶粒的均匀性，降低铝合金的屈服强度。
热挤压处理、淬火处理及时效处理能够有效降低铝合金的表面张力，降低铝合金内部的应力，使该铝合金的屈服强度和抗蠕变性能增强。
淬火处理的温度为530-540℃，优选地，降温前进行10-20min的保温操作，其能够使第二相充分进行固溶，增强第二相中晶体分布的均匀性，从而提高铝合金的屈服强度和抗蠕变性能。
进一步地，保温操作后包括第一次降温操作及第二次降温操作，第一次降温操作为将铝合金铸锭于2-5min降温至300-350℃，快速降温的操作能够防止降温过程中不同晶体先后析出造成晶粒分布不均匀甚至结块的现象；第二次降温操作的降温速度为10-15℃/min，固溶相析出后采用慢速降温，其作用是减少合金内部的应力。该分段降温操作能够增强铝合金的屈服强度和抗蠕变性能。
进一步地，本发明的制备方法中时效处理的时间为2-6小时，优选地为3-6小时，其能够充分消除合金内的残余应力且耗时较短，能缩短制造周期，符合短流程工艺的节能绿色要求。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
一种用于制备船用气缸活塞的铝合金的制备方法，包括：
按照表1的组成配制铝合金原料，将原料在容器中熔化后得熔体。从容器底部向熔体内通入预热2min后的惰性气体并静置30min使浮渣充分漂浮于铝合金液表面，捞除浮渣静置10min后浇铸成型的铝合金铸锭。将铝合金铸锭在400℃温度下以0.2m/min的挤压速度进行热挤压。将热挤压处理过后的铝合金铸锭加热至530℃并保温10min；将保温后的铝合金铸锭于5min之内降温至300℃，再以10℃/min的降温速度降温至室温完成淬火处理。将淬火处理过后的铝合金铸锭加热至180℃并保温6小时。
实施例2
一种用于制备船用气缸活塞的铝合金的制备方法，包括：
按照表1的组成配制铝合金原料，将原料在容器中熔化后得熔体。从容器底部向熔体内通入预热2min后的惰性气体并静置30min使浮渣充分漂浮于铝合金液表面，捞除浮渣静置10min后浇铸成型的铝合金铸锭。将铝合金铸锭在400℃温度下以0.3m/min的挤压速度进行热挤压。将热挤压处理过后的铝合金铸锭加热至530℃并保温10min；将保温后的铝合金铸锭于4min之内降温至315℃，再以10℃/min的降温速度降温至室温完成淬火处理。将淬火处理过后的铝合金铸锭加热至180℃并保温5小时。
实施例3
一种用于制备船用气缸活塞的铝合金的制备方法，包括：
按照表1的组成配制铝合金原料，将原料在容器中熔化后得熔体。从容器底部向熔体内通入预热3min后的惰性气体并静置35min使浮渣充分漂浮于铝合金液表面，捞除浮渣静置15min后浇铸成型的铝合金铸锭。将铝合金铸锭在410℃温度下以0.3m/min的挤压速度进行热挤压。将热挤压处理过后的铝合金铸锭加热至535℃并保温15min；将保温后的铝合金铸锭于4min之内降温至330℃，再以12℃/min的降温速度降温至室温完成淬火处理。将淬火处理过后的铝合金铸锭加热至190℃并保温4小时。
实施例4
一种用于制备船用气缸活塞的铝合金的制备方法，包括：
按照表1的组成配制铝合金原料，将原料在容器中熔化后得熔体。从容器底部向熔体内通入预热3min后的惰性气体并静置40min使浮渣充分漂浮于铝合金液表面，捞除浮渣静置15min后浇铸成型的铝合金铸锭。将铝合金铸锭在420℃温度下以0.5m/min的挤压速度进行热挤压。将热挤压处理过后的铝合金铸锭加热至540℃并保温20min；将保温后的铝合金铸锭于3min之内降温至340℃，再以15℃/min的降温速度降温至室温完成淬火处理。将淬火处理过后的铝合金铸锭加热至200℃并保温3小时。
实施例5
一种用于制备船用气缸活塞的铝合金的制备方法，包括：
按照表1的组成配制铝合金原料，将原料在容器中熔化后得熔体。从容器底部向熔体内通入预热3min后的惰性气体并静置40min使浮渣充分漂浮于铝合金液表面，捞除浮渣静置20min后浇铸成型的铝合金铸锭。将铝合金铸锭在420℃温度下以0.5m/min的挤压速度进行热挤压。将热挤压处理过后的铝合金铸锭加热至540℃并保温20min；将保温后的铝合金铸锭于2min之内降温至350℃，再以15℃/min的降温速度降温至室温完成淬火处理。将淬火处理过后的铝合金铸锭加热至200℃并保温2小时。
对比例1
一种用于制备船用气缸活塞的铝合金的制备方法，包括：
按照表1的组成配制铝合金原料，将原料在容器中熔化后得熔体。从容器底部向熔体内通入预热3min后的惰性气体并静置35min使浮渣充分漂浮于铝合金液表面，捞除浮渣静置15min后浇铸成型的铝合金铸锭。将铝合金铸锭在410℃温度下以0.3m/min的挤压速度进行热挤压。将热挤压处理过后的铝合金铸锭加热至535℃并保温15min；将保温后的铝合金铸锭于4min之内降温至330℃，再以12℃/min的降温速度降温至室温完成淬火处理。将淬火处理过后的铝合金铸锭加热至190℃并保温4小时。
对比例2
一种用于制备船用气缸活塞的铝合金的制备方法，包括：
按照表1的组成配制铝合金原料，将原料在容器中熔化后得熔体。从容器底部向熔体内通入预热3min后的惰性气体并静置35min使浮渣充分漂浮于铝合金液表面，捞除浮渣静置15min后浇铸成型的铝合金铸锭。将铝合金铸锭在410℃温度下以0.3m/min的挤压速度进行热挤压。将热挤压处理过后的铝合金铸锭加热至535℃并保温15min；将保温后的铝合金铸锭于4min之内降温至330℃，再以12℃/min的降温速度降温至室温完成淬火处理。将淬火处理过后的铝合金铸锭加热至190℃并保温4小时。
对比例3
一种用于制备船用气缸活塞的铝合金的制备方法，包括：
按照表1的组成配制铝合金原料，将原料在容器中熔化后得熔体。从容器底部向熔体内通入预热3min后的惰性气体并静置35min使浮渣充分漂浮于铝合金液表面，捞除浮渣静置15min后浇铸成型的铝合金铸锭。将铝合金铸锭在410℃温度下以0.3m/min的挤压速度进行热挤压。将热挤压处理过后的铝合金铸锭加热至535℃并保温15min；将保温后的铝合金铸锭于4min之内降温至330℃，再以12℃/min的降温速度降温至室温完成淬火处理。将淬火处理过后的铝合金铸锭加热至190℃并保温4小时。
对比例4
一种用于制备船用气缸活塞的铝合金的制备方法，包括：
按照表1的组成配制铝合金原料，将原料在容器中熔化后得熔体。将熔体静置35min使浮渣充分漂浮于铝合金液表面，捞除浮渣静置15min后浇铸成型的铝合金铸锭。将铝合金铸锭在410℃温度下以0.3m/min的挤压速度进行热挤压。将热挤压处理过后的铝合金铸锭加热至535℃后于5-10min之内降温至室温完成淬火处理。将淬火处理过后的铝合金铸锭加热至190℃并保温4小时。
表1*
*：以铝合金的总量为基准，按重量百分比计，余量为铝。
采用维式硬度计对实施例1-5以及对比例1-4的铝合金进行耐摩擦性能测试。将直径为12.7mm且厚度为3mm的铝合金圆片在压入力为3kg且保压时间为15s的条件下进行至少3次测试，取得到的数据的平均值为作为该铝合金的硬度，其结果如表2所示。
根据ISO 6892-1中规定的测试方法，采用万能力学试验机对实施例1-5以及对比例1-4制得的铝合金进行拉伸试验，得到屈服强度，其中，屈服强度为产生0.2％残余变形的屈服极限，其结果如表2所示。
同时采用高温蠕变机对实施例1-5以及对比例1-4制得的铝合金进行抗蠕变性能测试，其结果如表2所示。
表2性能测试表
编号 硬度(HV) 屈服强度(MPa) 平均蠕变速率(％/h)
实施例1 150 210 0.05
实施例2 152 215 0.45
实施例3 155 212 0.47
实施例4 159 220 0.43
实施例5 163 218 0.46
对比例1 153 180 0.65
对比例2 156 185 0.7
对比例3 155 182 0.68
对比例4 132 178 0.62
请参阅表2，将实施例1-5进行对比可知，在一定程度上，随着硅和铜含量的增加，铝合金的硬度增大，耐摩擦性能增强。将实施例3与对比例1-3进行对比可以看出，当铝合金中不含镨、钪、钬以及钇四种稀土金属或只含其中一部分时，铝合金的屈服强度和抗蠕变性能显著下降。此外，将实施3与对比例3进行对比还可以看出，惰性气体的通入以及采用的两次降温操作使制得的铝合金的耐摩擦性能、屈服强度及抗蠕变性能都能得到显著的提高。
综上所述，本发明实施例的用于制备船用气缸活塞的铝合金，通过增大硅和铜的含量提高铝合金的硬度，增加铝合金的耐摩擦性能。通过加入镨、钪、钬以及钇四种特定的稀土金属对晶粒进行细化，同时利用稀土金属除去合金原料中的杂质，减小铝合金的表面张力，增强了铝合金的屈服强度及抗蠕变性能。
该铝合金的制备方法采用上述铝合金的配方进行铝合金的制备，其制得的铝合金兼具优良的耐摩擦性能、屈服强度及抗蠕变性能。制备过程中，将惰性气体通入熔体内，便于原料内部的气体及固体杂质上浮并去除，从而提高铝合金的综合性能。同时该制备方法工序简单且耗时较少，能够将制造周期缩短，符合短流程工艺的节能绿色要求。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种用于制备船用气缸活塞的铝合金，其特征在于，按重量百分比计，包括：硅15-17％、铜1.25-2.45％、铁0.5-1.5％、镁0.2-0.4％、硼0.02-0.05％、钛0.02-0.07％、锆0.03-0.07％、钒0.03-0.08％、镨0.01-0.02％、钪0.01-0.02％、钬0.01-0.02％、钇0.01-0.03％，余量为铝。
2.根据权利要求1所述的用于制备船用气缸活塞的铝合金，其特征在于，按重量百分比计，所述钪以及所述镨的总含量为0.025-0.035％。
3.根据权利要求1所述的用于制备船用气缸活塞的铝合金，其特征在于，按重量百分比计，所述钪、所述钬以及所述钇的总含量为0.035-0.065％。
4.根据权利要求1所述的用于制备船用气缸活塞的铝合金，其特征在于，按重量百分比计，所述硅的含量为15.5-16.5％。
5.根据权利要求1所述的用于制备船用气缸活塞的铝合金，其特征在于，按重量百分比计，所述铜的含量为1.3-2.2％。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的用于制备船用气缸活塞的铝合金的制备方法，其特征在于，包括：
按比例称取原料，将所述原料于容器中熔化，从容器底部向熔体内通入预热2-3min后的惰性气体静置30-40min使浮渣充分漂浮于表面，捞除所述浮渣后保温静置10-20min，浇铸成型得铝合金铸锭；
将所述铝合金铸锭依次进行热挤压处理、淬火处理以及时效处理；热挤压处理的温度为400-420℃，速度为0.2-0.5m/min；淬火处理的温度为530-540℃；时效处理的温度为180-200℃。
7.根据权利要求6所述的用于制备船用气缸活塞的铝合金的制备方法，其特征在于，淬火处理依次包括第一次降温操作及第二次降温操作，第一次降温操作为将铝合金铸锭降温至300-350℃，降温时间为2-5min；第二次降温操作的降温速度为10-15℃/min。
8.根据权利要求7所述的用于制备船用气缸活塞的铝合金的制备方法，其特征在于，淬火处理还包括于第一次降温操作前进行的保温操作，保温操作的保温温度为530-540℃，保温时间为10-20min。
9.根据权利要求6所述的用于制备船用气缸活塞的铝合金的制备方法，其特征在于，时效处理的时间为2-6h。
10.根据权利要求9所述的用于制备船用气缸活塞的铝合金的制备方法，其特征在于，时效处理的温度为190-200℃，时效处理的时间为3-6h。
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