CN108950265B - 内燃机发动机铝活塞专用的高铜高镍铝合金液熔炼方法 - Google Patents

内燃机发动机铝活塞专用的高铜高镍铝合金液熔炼方法 Download PDF

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Abstract

一种内燃机发动机铝活塞专用的高铜高镍铝合金液熔炼方法。涉及铝合金铸造领域，特别是属于一种内燃机发动机铝活塞专用的高铜高镍铝合金液熔炼方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）测定ZL109铝合金液的主要元素成分：（2）制备高铜高镍铝合金液：①计算铜、镍的加入量：②铜镍的溶解、熔化：（3）测定高铜高镍铝合金液中的铜、镍含量。本发明具有无需额外增加熔炼设备，节约熔炼成本，缩短熔炼周期的积极效果。

Description

内燃机发动机铝活塞专用的高铜高镍铝合金液熔炼方法
技术领域
本发明涉及铝合金铸造领域，特别是属于一种内燃机发动机铝活塞专用的高铜高镍铝合金液熔炼方法。
背景技术
内燃机发动机铸造铝活塞材料的牌号比较多，其中应用最多的是ZL109。在生产过程中，有些客户会定制增压内燃机发动机铝活塞，其使用的材料为高铜高镍铝合金。而现有的高铜高镍铝合金铝液熔炼方法是在熔化炉中按照材料比例加入铝锭、结晶硅、铜、镍等合金元素材料进行熔炼，不仅需要增加熔炼炉等熔炼设备，而且还需要设置专门的熔化工，从而需要增加设备投资和人工费用，存在着熔炼周期长，熔炼费用高的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在的缺陷而提供一种内燃机发动机铝活塞专用的高铜高镍铝合金液熔炼方法，以达到无需额外增加熔炼设备，节约熔炼成本，缩短熔炼周期的目的。
本发明主要开发一种内燃机发动机铝活塞专用的高铜高镍铝合金液熔炼方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）测定ZL109铝合金液的主要元素成分：
①将熔化炉内熔炼的ZL109铝合金液放入浇注用的电阻保温炉内，搅拌均匀；
②将电阻保温炉内的铝液，浇注到成分检测的试样模中，浇注用于光谱检测的试样；
③待试样冷却后，用车床将试样的激发检测面进行加工；
④用直读光谱仪对试样激发检测，可得ZL109铝合金液的主要元素成分的含量；
（2）制备高铜高镍铝合金液：
①计算铜（Cu）、镍（Ni）的加入量：
将熔化炉内熔炼的ZL109铝合金液放入浇注用的电阻保温炉内，称量出铝液的质量为M，浇注试样，用光谱检测得到各主要元素的含量，通过检测结果可知ZL109铝合金液的铜（Cu）含量为X1，镍（Ni）含量为Y1；
确定准备配制的高铜高镍铝合金液达到的铜（Cu）含量为X2，镍（Ni）含量为Y2；将需要加入的电解铜（Cu）设定为M1和电解镍（Ni）为M2；
将已知的X1、X2、Y1、Y2、M数值带入由方程式（a）和方程式（b）组成的方程组中
M1=X2*（M+M1+M2）-X1*M （a）
M2=Y2*（M+M1+M2）-Y1*M （b）
解方程组，即可得到需要加入的电解铜（Cu）M1和电解镍（Ni）M2；
②铜（Cu）、镍（Ni）的溶解、熔化：
按照计算结果，称量出需要补充增加的铜（Cu）、镍（Ni），预热后加入电阻保温炉内的铝合金液中，静置保温40分钟以上，使铜（Cu）、镍（Ni）在铝合金液中溶解、熔化，即可制备出高铜高镍铝合金液；
（3）测定高铜高镍铝合金液中的铜（Cu）、镍（Ni）含量：
①将步骤（2）制备的高铜高镍铝合金液分别静置保温40分钟、60分钟、80分钟后，用铝液变质精炼一体机搅拌5分钟，搅拌均匀；
②将电阻保温炉内的铝液，浇注到成分检测的试样模中，浇注用于光谱检测的试样；
③待试样冷却后，用车床将试样的激发检测面进行加工；
④用直读光谱仪对试样激发检测，可得高铜高镍铝合金液的主要元素成分的含量。
本发明所提供的内燃机发动机铝活塞专用的高铜高镍铝合金液熔炼方法，通过试验验证，在不增加设备、人员的情况下，利用现有设备，方案能够快速高效生产出满足生产需要的铝液，不仅保证了材料成分满足产品技术要求，还提高了熔炼生产效率，降低了用电阻保温炉熔炼铝锭或另外开设熔化炉熔炼的电力和燃气费用，很大程度上降低了生产成本。因此，本发明具有无需额外增加熔炼设备，节约熔炼成本，缩短熔炼周期的积极效果。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步说明。
（1）测定ZL109铝合金液的主要元素成分：
①将LX1500型燃气反射熔化炉内熔炼的生产用的ZL109铝合金液放入浇注用的500kgRBG-45-10型电阻保温炉内，使用ALP-1000型变质精炼一体机充分搅拌均匀；
②使用浇勺舀取RBG-45-10型电阻保温炉内的铝液，浇注到成分检测的试样模中，浇注用于光谱检测的试样；
③待试样冷却后，用CL6132A型普通车床将试样的激发检测面进行加工，要求车削光滑、纹理清晰、平整，无油污、杂质；
④用DF100型直读光谱仪对试样三次激发检测，每次一个点，取三个点激发检测结果的平均值，可得ZL109铝合金液的主要元素成分硅（Si）、镁（Mg）、铜（Cu）、镍（Ni）、铁(Fe)、锰（Mn）的含量，见下表：
元素 Si Mg Cu Ni Fe Mn
ZL109标准含量 11.0～13.0 0.8～1.3 0.5～1.5 0.8～1.5 ≤0.4 ≤0.2
试样一次激发值 12.499 0.936 1.126 0.896 0.381 0.144
试样一次激发值 12.387 0.932 1.127 0.902 0.378 0.141
试样一次激发值 12.477 0.941 1.127 0.898 0.381 0.141
试样激发平均值 12.454 0.936 1.127 0.899 0.380 0.142
（2）制备高铜高镍铝合金液：
①计算铜（Cu）、镍（Ni）的加入量：
将熔化炉中熔炼的车间正常生产使用的ZL109铝合金液，放入浇注使用的500kgRBG-45-10型电阻保温炉中，称量出铝液的质量为M为445kg，浇注试样，用光谱检测得到各主要元素的含量，通过检测结果可知ZL109铝合金液的铜（Cu）含量为X1为1.127%，镍（Ni）含量为Y1为0.899%。
确定准备配制的高铜高镍铝合金液达到的铜（Cu）含量为X2，镍（Ni）含量为Y2，设定预配制的高铜高镍铝合金液的铜（Cu）含量X2为3.0%，镍（Ni）含量Y2为2.3%。
将需要加入的电解铜（Cu）设定为M1和电解镍（Ni）为M2(忽略过程中的烧损以及电解铜、镍中杂质影响)；
将已知的X1、X2、Y1、Y2、M数值带入由方程式（a）和方程式（b）组成的方程组中：
M1=X2*（M+M1+M2）-X1*M （a）
M2=Y2*（M+M1+M2）-Y1*M （b）
得到：
M1=3.0%*（445+ M1+M2）-1.127%*445 （a）
M2=2.3%*（445+ M1+M2）-0.899%*445 （b）
解方程组，即可得到需要加入的电解铜（Cu）M1=8.79kg和电解镍（Ni）M2=6.59kg(忽略过程中的烧损以及电解铜、镍中杂质影响)。
②铜镍的溶解、熔化：
按照计算结果，称量出需要补充增加的铜（Cu）、镍（Ni），预热后加入RBG-45-10型电阻保温炉内的铝合金液中，利用两台电阻保温炉交替使用的时间间隔，静置保温40分钟以上，使铜（Cu）、镍（Ni）在铝合金液中溶解、熔化，即可制备出高铜高镍铝合金液；
（3）测定高铜高镍铝合金液中的铜（Cu）、镍（Ni）含量：
①将步骤（2）制备的高铜高镍铝合金液分别静置保温40分钟、60分钟、80分钟后，用ALP-1000型铝液变质精炼一体机搅拌5分钟，充分搅拌均匀；
②使用浇勺舀取RBG-45-10型电阻保温炉内的铝液，浇注到成分检测的试样模中，浇注用于光谱检测的试样；
③待试样冷却后，用CL6132A型普通车床将试样的激发检测面进行加工，要求车削光滑、纹理清晰、平整，无油污、杂质；
④用DF100型直读光谱仪对试样三次激发检测，每次一个点，取三个点激发检测结果的平均值，可得高铜高镍铝合金液的主要元素成分硅（Si）、镁（Mg）、铜（Cu）、镍（Ni）、铁(Fe)、锰（Mn）的含量。
称取出需要的铜（Cu）、镍（Ni），预热干燥后加入RBG-45-10型电阻保温炉内的ZL109铝合金液中，静置40分钟后，使用ALP-1000型变质精炼一体机进行搅拌5分钟后，取试样1进行光谱分析；然后继续静置15分钟后，使用ALP-1000型变质精炼一体机进行搅拌5分钟后，取试样2进行光谱分析；然后继续静置15分钟后，使用ALP-1000型变质精炼一体机进行搅拌5分钟后，取试样3进行光谱分析，可得高铜高镍铝合金液的主要元素成分硅（Si）、镁（Mg）、铜（Cu）、镍（Ni）、铁(Fe)、锰（Mn）的含量，见下表：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
通过取样进行成分检测的结果可以看出：
①主要元素成分铜（Cu）、镍（Ni）的含量与理论值相比虽有差异，但是非常接近，说明制备方案的计算方法可行；
②40分钟、60分钟、80分钟静置后，三个时间段取样的成分检测结果中，铜（Cu）、镍（Ni）的含量比较接近，并且与理论值差异很小，说明铜（Cu）、镍（Ni）加入40分钟以上即可完全熔化，达到合格；
③其它元素受到铜（Cu）、镍（Ni）加入的影响，含量会稍有下降，但是变化比较小，都能够保持在合格范围内。
上述三次试样光谱分析结果，铜（Cu）、镍（Ni）含量非常接近，并且检测含量与理论值基本一致。
与在熔化炉中铜（Cu）、镍（Ni）需要1000℃以上的高温及较长时间熔化不同，本发明的铜（Cu）、镍（Ni）在750～800℃铝合金液中通过溶解、扩散、搅拌，可在40～50分钟的时间内完成合金化过程，提高了生产效率。
在制备高铜高镍铝合金液时，铜（Cu）、镍（Ni）的溶解、熔化可采用两台电阻保温炉交替使用，其中一台炉盛放铝合金液用于浇注（一般每炉合金液可使用1～2小时），另一台电阻保温炉盛放铝合金液进行变质精炼处理，变质精炼处理结束后，静置保温等待使用。所以电阻保温炉中加入的铜、镍有足够的时间溶解、熔化。

Claims (10)

1.一种内燃机发动机铝活塞专用的高铜高镍铝合金液熔炼方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）测定ZL109铝合金液的主要元素成分：
①将熔化炉内熔炼的ZL109铝合金液放入浇注用的电阻保温炉内，搅拌均匀；
②将电阻保温炉内的铝合金液，浇注到成分检测的试样模中，浇注用于光谱检测的试样；
③待试样冷却后，用车床将试样的激发检测面进行加工；
④用直读光谱仪对试样激发检测，可得ZL109铝合金液的主要元素成分的含量；
（2）制备高铜高镍铝合金液：
①计算铜、镍的加入量：
将熔化炉内熔炼的ZL109铝合金液放入浇注用的电阻保温炉内，称量出铝合金液的质量为M，浇注试样，用光谱检测得到各主要元素的含量，通过检测结果可知ZL109铝合金液的铜含量为X1，镍含量为Y1；
确定准备配制的高铜高镍铝合金液达到的铜含量为X2，镍含量为Y2；将需要加入的电解铜设定为M1和电解镍为M2；
将已知的X1、X2、Y1、Y2、M数值带入由方程式（a）和方程式（b）组成的方程组中：
M1=X2*（M+M1+M2）-X1*M （a）
M2=Y2*（M+M1+M2）-Y1*M （b）
解方程组，即可得到需要加入的电解铜M1和电解镍M2；
②铜镍的溶解、熔化：
按照计算结果，称量出需要补充增加的铜镍，预热后加入电阻保温炉内的铝合金液中，静置保温40分钟以上，使铜镍在铝合金液中溶解、熔化，即可制备出高铜高镍铝合金液；
（3）测定高铜高镍铝合金液中的铜、镍含量：
①将步骤（2）制备的高铜高镍铝合金液静置保温40分钟后，用铝液变质精炼一体机搅拌5分钟，搅拌均匀；
②将电阻保温炉内的铝合金液，浇注到成分检测的试样模中，浇注用于光谱检测的试样；
③待试样冷却后，用车床将试样的激发检测面进行加工；
④用直读光谱仪对试样激发检测，可得高铜高镍铝合金液的主要元素成分的含量；
高铜高镍铝合金液主要元素成分的标准含量为：Si 11.0～13.0，Mg 0.8～1.3，Cu 2.8～3.5，Ni 2.0～2.7，Fe ≤0.4，Mn ≤0.2。
2.根据权利要求1所述的内燃机发动机铝活塞专用的高铜高镍铝合金液熔炼方法，其特征在于，所述步骤（2）制备高铜高镍铝合金液时，铜镍的溶解、熔化采用两台电阻保温炉交替使用，其中一台炉盛放铝合金液用于浇注，另一台电阻保温炉盛放铝合金液进行变质精炼处理，变质精炼处理结束后，静置保温等待使用。
3.根据权利要求1所述的内燃机发动机铝活塞专用的高铜高镍铝合金液熔炼方法，其特征在于，所述步骤（1）测定ZL109铝合金液的主要元素成分时，用直读光谱仪对试样三次激发检测，每次一个点，取三个点激发检测结果的平均值，可得ZL109铝合金液的主要元素成分硅（Si）、镁（Mg）、铜（Cu）、镍（Ni）、铁(Fe)、锰（Mn）的含量。
4.根据权利要求1所述的内燃机发动机铝活塞专用的高铜高镍铝合金液熔炼方法，其特征在于，所述步骤（3）测定高铜高镍铝合金液中的铜、镍含量时，用直读光谱仪对试样三次激发检测，每次一个点，取三个点激发检测结果的平均值，可得高铜高镍铝合金液的主要元素成分硅（Si）、镁（Mg）、铜（Cu）、镍（Ni）、铁(Fe)、锰（Mn）的含量。
5.根据权利要求1所述的内燃机发动机铝活塞专用的高铜高镍铝合金液熔炼方法，其特征在于，所述熔化炉为LX1500型燃气反射熔化炉。
6.根据权利要求1所述的内燃机发动机铝活塞专用的高铜高镍铝合金液熔炼方法，其特征在于，所述电阻保温炉为500kgRBG-45-10型电阻保温炉。
7.根据权利要求1所述的内燃机发动机铝活塞专用的高铜高镍铝合金液熔炼方法，其特征在于，所述车床为CL6132A型普通车床。
8.根据权利要求1所述的内燃机发动机铝活塞专用的高铜高镍铝合金液熔炼方法，其特征在于，所述直读光谱仪为DF100型直读光谱仪。
9.根据权利要求1所述的内燃机发动机铝活塞专用的高铜高镍铝合金液熔炼方法，其特征在于，所述步骤（1）测定ZL109铝合金液的主要元素成分时，将熔化炉内熔炼的生产用的ZL109铝合金液放入浇注用的500kgRBG-45-10型电阻保温炉内，使用铝液变质精炼一体机充分搅拌均匀。
10.根据权利要求1或9所述的内燃机发动机铝活塞专用的高铜高镍铝合金液熔炼方法，其特征在于，所述铝液变质精炼一体机为ALP-1000型铝液变质精炼一体机。
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