CN109355534A - 一种多元共晶Al-Si合金材料及其制备方法和活塞 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及合金技术领域，具体指一种多元共晶Al‑Si合金材料及其制备方法。该合金材料按质量百分数计含有12.35％至13.65％的Si，4.28％至4.73％的Cu，0.95％至1.05％的Mg，1.90％至2.10％的Ni，余量为铝和不可避免的杂质，所述杂质总量≤0.1％。该制备方法通过有针对性的合金成分设计，结合适当的热处理制度，可得到在高温(300℃)及室温条件下都具备较高抗拉强度的多元共晶Al‑Si合金材料。并且由于热处理过程中固溶及时效处理时间均较短，综合生产成本较低。

Description

一种多元共晶Al-Si合金材料及其制备方法和活塞
技术领域
本发明涉及合金技术领域，具体指一种多元共晶Al-Si合金材料及其制备方法以及用这种合金制成的活塞。
背景技术
铸造共晶Al-Si合金因具有良好的铸造性能、热稳定性、耐磨性、热膨胀系数低以及密度小和比强度高等优点广泛应用于活塞行业。在共晶Al-Si合金中添加Mg、Cu、Ni等金属元素能够形成M、θ、ε、δ、γ和Q等多种强化相，可增强合金的机械性能。尤其是添加适量Cu和Ni元素所形成的ε、δ、γ等高温强化相，能够有效提高合金的高温性能。然而在实际生产中，共晶Al-Si合金高温性能的提高通常伴随着室温性能的显著降低；反之，提高其室温性能的又会降低高温性能。由于不能在高温和室温条件下都保持良好的使用性能，这种合金的应用范围受到了较大的限制。
现代汽车工业对汽车发动机活塞的合金材料提出了越来越高的要求，特定车型要求制作活塞的合金材料在高温(300℃)环境下抗拉强度≥130MPa的同时，室温环境下的抗拉强度≥280MPa。
合理的热处理工艺可提高多元共晶Al-Si合金的室温性能。一方面，通过固溶处理，将合金铸态组织中的M、θ、Q等析出相充分固溶到α相铝基体中并在随后的时效过程中弥散析出，可起到固溶强化和沉淀强化作用；另一方面，固溶处理还可显著球化共晶硅组织，降低了硅棱角处的应力集中，同样可以提高合金室温性能。因此，有必要通过优化各种强化元素的配比并辅以适当的热处理手段开发符合特定要求的活塞用合金材料。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种在高温和室温环境下都满足较高的抗拉强度要求的多元共晶Al-Si合金材料。
本发明的第二目的是提供一种由上述多元共晶Al-Si合金材料制成的活塞。
本发明的第三目的是提供一种上述多元共晶Al-Si合金材料的制备方法。
为实现上述第一目的，本发明提供一种多元共晶Al-Si合金材料，该合金材料按质量百分比计含有12.35％至13.65％的Si，4.28％至4.73％的Cu，0.95％至1.05％的Mg，1.90％至2.10％的Ni，余量为铝和不可避免的杂质，杂质总量≤0.1％。
Si元素能显著改善铝合金的流动性、降低铝合金的热膨胀系数，同时提高铝合金的高温强度、疲劳强度和耐磨性。另外还能减小铝合金密度，减少疏松，提高致密性。Cu对多元共晶Al-Si合金可起到固溶强化和细晶强化作用，能够显著提高合金在热处理态下的力学性能。Mg既是多元共晶Al-Si合金中固溶强化相Mg2Si的构成元素，也是热稳定性较高的Al5Si6Cu2Mg8相的构成元素，因此在多元共晶Al-Si合金中适量添加Mg可显著提高热处理后合金的拉伸强度和屈服强度，并对合金中的Si相起到细化作用。在多元共晶Al-Si合金中添加适量Ni可以提高其高温强度。
为实现上述第二目的，本发明提供一种活塞，其特殊之处在于，该活塞由上述多元共晶Al-Si合金材料制成。
为实现上述第三目的，本发明提供一种多元共晶Al-Si合金材料的制备方法，该方法包括下列步骤：
A、配料：按照多元共晶Al-Si合金材料中各元素质量百分比为Si：12.35％至13.65％、Cu：4.28％至4.73％、Mg：0.95％至1.05％、Ni：1.90％至2.10％和余量铝的比例，称取Al-Si中间合金、Al-Cu中间合金、工业纯镁、Al-Ni中间合金及工业纯铝；
B、熔炼：B1、将步骤A称取的工业纯铝和Al-Si中间合金作为基料投入熔炼炉中加热至770℃至790℃并保持恒温，待基料软化下塌时撒上覆盖剂，基料完全熔化后保温静置，然后加入Al-Cu中间合金和Al-Ni中间合金，完全熔化后充分搅拌并扒渣；B2、将步骤B1得到的熔体降温至715℃至725℃并加入以铝箔包裹的工业纯镁，随后撒上覆盖剂并搅拌至工业纯镁完全熔化，然后进行扒渣；B3、将步骤B2得到的溶体升温至770℃至790℃并撒上覆盖剂，随后向熔体中加入精炼剂排气排渣，保温静置后扒渣；
C、浇铸：向铸造模具内注入步骤B得到的熔体，冷却后得到合金铸锭；
D、固溶处理：将步骤C得到的合金铸锭加热至500℃至520℃，保温6h后淬火并冷却至室温；
E、时效处理：将步骤D得到的合金铸锭加热至185℃，保温6h后缓慢冷却至室温，得到多元共晶Al-Si合金材料。
由上述方案可见，合理的热处理工艺可提高合金的室温强度，上述多元共晶Al-Si合金适合采用固溶处理+人工时效(T6)的热处理方式，并且通过实验确定的最佳热处理制度为(500℃至520℃)×6h固溶(淬火)+185℃×6h时效。
热处理对多元共晶Al-Si合金的作用主要表现为：消除合金内部偏析，提高组织均匀性，并提高组织的稳定性，同时消除内应力，并改善机械加工性能；因合金元素在α相铝基体中有较大固溶度，将合金加热至固相线附近，保温一定时间，待强化相完全溶解后淬火，得到过饱固溶体，随后进行时效处理，使强化相重新弥散析出，起到固溶强化和沉淀强化作用，从而使合金力学性能提高；此外，热处理可显著球化共晶Si，使其均匀、弥散分布在基体中，同样可以改善合金力学性能。
由于Si、Cu、Ni单质的熔点较高，熔炼过程中可以中间合金形式加入，Al、Mg单质熔点低，熔炼过程中可以纯金属形式加入。另一方面，Al、Si为共晶Al-Si的组成元素，故工业纯铝和Al-Si中间合金可作为基料先进行熔炼，Cu、Ni熔点较高，为保证其充分溶解，Al-Cu中间合金和Al-Ni中间合金需在基料熔化后再投入熔炼。Mg易烧损，工业纯镁需以铝箔包裹并最后投入熔炼。
进一步的方案是，步骤B1中的保温静置时间为15min。
进一步的方案是，步骤B1至B3中覆盖剂的用量为配料总质量的0.5％至0.7％。
考虑到覆盖剂要兼顾对熔体的保温和表面抗氧化功能，将其用量控制在配料总质量的0.5％至0.7％较为经济合理。
进一步的方案是，步骤B3中的精炼剂为C2Cl6。
进一步的方案是，步骤B3中精炼剂的用量为配料总质量的0.5％至0.7％。
C2Cl6是较为常用的精炼剂，脱气效果较好。步骤B3中精炼剂的用量达到上述范围可充分起到排气排渣的作用的同时兼顾经济性。
进一步的方案是，步骤B3中的保温静置时间为30min。
保温静置过程达到上述时长可使熔体得到充分精炼，并彻底清除C2Cl6。
进一步的方案是，步骤D中淬火转移时间不大于25s。
上述淬火转移时间指合金铸锭从510℃的高温环境移入淬火介质中所花费的时间，将淬火转移时间控制在上述范围内可有效避免转移过程的温度变化影响合金铸锭的固溶处理效果。
本发明通过有针对性的合金成分设计，结合适当的热处理制度，可得到在高温(300℃)及室温条件下都具备较高抗拉强度的多元共晶Al-Si合金材料。该合金的高温(300℃)抗拉强度不小于130MPa，室温抗拉强度不小于280MPa，可用于制作在高温和室温条件下均有较高使用性能要求的发动机活塞，并且由于热处理过程中固溶及时效处理时间均较短，综合生产成本较低。
附图说明
图1是多元共晶Al-Si合金铸锭的DTA曲线图。
图2是实施例1中多元共晶Al-Si合金T6态金相照片。
图3是实施例2中多元共晶Al-Si合金T6态金相照片。
图4是实施例3中多元共晶Al-Si合金T6态金相照片。
图5是对比例中多元共晶Al-Si合金的铸态SEM照片。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
具体实施方式
制备多元共晶Al-Si合金材料前需要对用到的石墨黏土坩埚、搅拌棒、扒渣勺、模具等可接触到熔体的工具表面进行清理，之后在其表面均匀涂覆隔离涂料(该隔离涂料由20wt％的ZnO、10wt％的水玻璃和70wt％的水调配而成)，并烘干备用，烘烤温度为250℃至300℃。
实施例1
A、配料：按照多元共晶Al-Si合金材料中各元素质量百分比为Al：79.5％、Si：13.0％、Cu：4.5％、Mg：1.0％、Ni：2.0％的比例称取工业纯铝(99.99％)、Al-20％Si中间合金(硅的质量占中间合金总质量的20％)、Al-50％Cu中间合金(铜的质量占中间合金总质量的50％)、工业纯镁(99.99％)及Al-10％Ni中间合金(镍的质量占中间合金总质量的10％)进行配料。
B、熔炼：B1：将工业纯铝、Al-20％Si中间合金作为基料加入已预热至280℃的石墨黏土坩埚中，然后放入井式熔炼炉中加热到770℃并保持恒温，待基料软化下塌时在其表面撒上用量为配料总重量的0.6％的覆盖剂(由15wt％至25wt％的CaO、15wt％至30wt％的Al2O3以及40wt％至50wt％的SiO2混合后得到)。基料完全熔化后保温静置15min，然后加入Al-50％Cu中间合金和Al-10％Ni中间合金，完全熔化后充分搅拌并扒渣。扒渣前视熔体表面的实际氧化情况还可再酌情添加少量的覆盖剂，促进熔渣与熔体分离并减少带出的金属量，扒渣过程要平稳，防止熔渣卷入熔体内，同时扒渣要尽量彻底，以避免熔渣清除不彻底造成熔体含气量增加。
B2：将步骤B1得到的熔体降温至720℃并用钟罩压入以铝箔包裹的工业纯镁，随后在熔体表面撒上用量为配料总重量的0.5％的覆盖剂并搅拌至工业纯镁完全熔化，然后进行扒渣。扒渣的具体操作方法同步骤B1。
B3：将步骤B2得到的溶体升温至780℃并撒上用量为配料总重量的0.7％的覆盖剂，随后用钟罩向熔体中压入用量为配料总重量的0.6％的C2Cl6作为精炼剂排气排渣，待无黄色气体冒出后继续保温静置30min并扒渣，扒渣的具体操作方法同步骤B1。
C、浇注：向钢制铸造模具内注入熔炼好的熔体，冷却后得到300×50×50mm的合金铸锭，浇注过程需保证快速平稳。
采用电感耦合等离子体原子发射光谱仪(LEEMANLabs，SPEC-E型)对步骤C得到的多元共晶Al-Si合金铸锭进行成分检测，检测结果见表1。由表1可以看出本实施例采用的熔炼工艺能够制备出成分满足设计要求的合金铸锭。
表1：实施例1得到的合金铸锭中各元素的实际占比
对步骤C得到的合金铸锭进行差热分析得出的DTA曲线图如图1所示。从图1可以看出该合金在538℃出现吸热现象，该温度下的共晶反应式为(α-Al)+(Si)+γ+Q+T→L，因此该合金的固溶温度不得超过538℃。考虑到热处理炉的热冲击，固溶温度范围应控制在500℃至520℃。进一步通过实验可以确定该合金适合采用固溶处理+人工时效(T6)的方式进行热处理，并且最佳的热处理制度为(500℃至520℃)
×6h固溶(淬火)+185℃×6h时效。
D、固溶处理：采用热处理炉(合肥科晶，KSL-1700X型)将步骤C得到的多元共晶Al-Si合金铸锭加热至500℃，保温6h，然后水淬(转移到水中进行淬火)并冷却至室温，淬火转移时间不大于25s。
E、时效处理：采用热处理炉将步骤D获得的多元共晶Al-Si合金材料升温至185℃，保温6h，然后缓慢冷却至室温，即得到多元共晶Al-Si合金材料。
本实例制得的T6态多元共晶Al-Si合金材料的金相照片如图2所示，图2中能够看出共晶Si球化充分，大小适中，且均匀分布在α-Al基体中。分别依照GB/T 228.2-2015和GB/T 228.1-2010标准对该合金材料进行拉伸试验，测得其在300℃下的抗拉强度为139MPa，室温下的抗拉强度为285MPa，可用于制作在高温和室温条件下均有较高使用性能要求的发动机活塞。
实施例2
本实施按照与实施例1基本相同的方法制备T6态多元共晶Al-Si合金材料，区别仅在于：
步骤A中按照Al：79.85wt％、Si：12.7wt％、Cu：4.4wt％、Mg：1.05wt％、Ni：2.0wt％的比例称取工业纯铝、Al-20％Si中间合金、Al-50％Cu中间合金、工业纯镁及Al-10％Ni中间合金进行配料；
步骤B1、B2、B3中的熔炼温度分别为780℃、715℃和770℃，覆盖剂的用量分别为配料总重的0.5％、0.6％和0.6％；步骤B3中C2Cl6的用量为配料总重量的0.5％，步骤D中将合金铸锭加热至510℃。
采用电感耦合等离子体原子发射光谱仪对步骤C得到的多元共晶Al-Si合金铸锭进行成分检测，检测结果见表2。由表2可以看出本实施例采用的熔炼工艺能够制备出成分满足设计要求的合金铸锭。
表2：实施例2得到的合金铸锭中各元素的实际占比
本实例制得的T6态多元共晶Al-Si合金材料的金相照片如图3所示，图3中可以看出共晶Si球化充分，大小适中，且均已分布在α-Al基体中。分别依照GB/T 228.2-2015和GB/T 228.1-2010标准对该合金材料进行拉伸试验，测得其在300℃下的抗拉强度为132MPa，室温下的抗拉强度为290MPa，可用于制作高温和室温条件下具有较高使用性能要求的发动机活塞。
实施例3
本实施按照与实施例1基本相同的方法制备T6态多元共晶Al-Si合金材料，区别仅在于：
步骤A按照Al：79.5wt％、Si：13.1wt％、Cu：4.4wt％、Mg：1.0wt％、Ni：2.0wt％的比例称取工业纯铝、Al-20％Si中间合金、Al-50％Cu中间合金、工业纯镁及Al-10％Ni中间合金进行配料；
步骤B1、B2、B2中的熔炼温度分别为790℃、725℃和790℃，覆盖剂的用量分别为配料总重的0.7％、0.7％和0.5％；步骤B3中C2Cl6的用量为配料总重量的0.7％，步骤D中将合金铸锭加热至520℃。
采用电感耦合等离子体原子发射光谱仪对步骤C得到的多元共晶Al-Si合金铸锭进行成分检测，检测结果见表3。由表3可以看出本实施例采用的熔炼工艺能够制备出成分满足设计要求的合金铸锭。
表3：实施例3得到的合金铸锭中各元素的实际占比
本实例制得的T6态多元共晶Al-Si合金材料的金相照片如图4所示，图4中可以看出共晶Si球化充分，大小适中，且均已分布在α-Al基体中。分别依照GB/T 228.2-2015和GB/T 228.1-2010标准对该合金材料进行拉伸试验，测得其300℃下的抗拉强度为141MPa，室温下的抗拉强度为281MPa，可用于制作在高温和室温条件下均有较高使用性能要求的发动机活塞。
对比例
按照Al：79.45wt％、Si：12.9wt％、Cu：4.5wt％、Mg：1.05wt％、Ni：2.1wt％的比例称取工业纯铝、Al-20％Si中间合金、Al-50％Cu中间合金、工业纯镁及Al-10％Ni中间合金进行配料。并按照实施例1中步骤B和步骤C所述过程进行熔炼和浇注，但不进行固溶处理和时效处理。
对比例所得铸态多元共晶Al-Si合金材料的SEM照片如图5所示，可以看出，合金组织呈典型的铸态组织形态。采用电感耦合等离子体原子发射光谱仪对得到的多元共晶Al-Si合金铸锭进行成分检测，检测结果见表4。分别依照GB/T 228.2-2015和GB/T 228.1-2010标准对该合金材料进行拉伸试验，测得其在300℃下的抗拉强度为151MPa，室温抗拉强度为214MPa，通过比较实施例和对比例得到的合金材料在对应温度下的抗拉强度值可知合理的固溶和时效处理能够保证多元共晶Al-Si合金材料在具备一定的高温(300℃)抗拉性能的同时还具备较好的室温抗拉性能。
表4：对比例得到的合金铸锭中各元素的实际占比

Claims (9)

1.一种多元共晶Al-Si合金材料，其特征在于，按质量百分数计含有12.35％至13.65％的Si，4.28％至4.73％的Cu，0.95％至1.05％的Mg，1.90％至2.10％的Ni，余量为铝和不可避免的杂质，所述杂质总量≤0.1％。
2.一种活塞，其特征在于，所述活塞由权利要求1所述的多元共晶Al-Si合金材料制成。
3.一种多元共晶Al-Si合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、配料：按照多元共晶Al-Si合金材料中各元素质量百分比为Si：12.35％至13.65％、Cu：4.28％至4.73％、Mg：0.95％至1.05％、Ni：1.90％至2.10％和余量铝的比例，称取Al-Si中间合金、Al-Cu中间合金、工业纯镁、Al-Ni中间合金及工业纯铝；
B、熔炼：B1、将步骤A称取的工业纯铝和Al-Si中间合金作为基料投入熔炼炉中加热至770℃至790℃并保持恒温，待基料软化下塌时撒上覆盖剂，基料完全熔化后保温静置，然后加入Al-Cu中间合金和Al-Ni中间合金，完全熔化后充分搅拌并扒渣；B2、将步骤B1得到的熔体降温至715℃至725℃并加入以铝箔包裹的工业纯镁，随后撒上覆盖剂并搅拌至工业纯镁完全熔化，然后进行扒渣；B3、将步骤B2得到的溶体升温至770℃至790℃并撒上覆盖剂，随后向熔体中加入精炼剂排气排渣，保温静置后扒渣；
C、浇铸：向铸造模具内注入步骤B得到的熔体，冷却凝固后得到合金铸锭；
D、固溶处理：将步骤C得到的合金铸锭加热至500℃至520℃，保温6h后淬火并冷却至室温；
E、时效处理：将步骤D得到的合金铸锭加热至185℃，保温6h后缓慢冷却至室温，得到多元共晶Al-Si合金材料。
4.如权利要求3所述的多元共晶Al-Si合金材料的制备方法，其特征在于，步骤B1中的保温静置时间为15min。
5.如权利要求3所述的多元共晶Al-Si合金材料的制备方法，其特征在于，步骤B1至B3中覆盖剂的用量为配料总质量的0.5％至0.7％。
6.如权利要求3所述的Al-Si-Cu-Mg-Ni-Sr合金材料的制备方法，其特征在于，步骤B3中的精炼剂为C2Cl6。
7.如权利要求3所述的多元共晶Al-Si合金材料的制备方法，其特征在于，步骤B3中精炼剂的用量为配料总质量的0.5％至0.7％。
8.如权利要求3所述的多元共晶Al-Si合金材料的制备方法，其特征在于，步骤B3中的保温静置时间为30min。
9.如权利要求3所述的多元共晶Al-Si合金材料的制备方法，其特征在于，步骤D中淬火转移时间不大于25s。
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