CN109735748B - 一种耐热铸造铝合金活塞材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种耐热铸造铝合金活塞材料及其制备方法；该种耐热铸造铝合金活塞材料，各组分的质量百分比含量为：Si：13.0％～18.0％；Cu：4.0％～6.0％；Ni：2.50％～3.50％；Mg：0.60％～1.20％；Cr：0.20％～0.50％；Er：0.10％～0.30％；Zr：0.10％～0.50％；Ti：0.10％～0.20％；V：0.05％～0.20％；杂质元素≤0.30％；余量为Al；制备方法包括以下步骤(1)按组分配比配制原材料；(2)熔炼；(3)铸造；(4)热处理。该种铝合金活塞材料能缩小初晶硅尺寸以及增强耐热性能。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金材料，尤其涉及一种耐热铸造铝合金活塞材料。
背景技术
随着发动机功率密度的提高，活塞承受的燃烧压力和工作温度越来越高，对制备材料的耐热性能要求也越来越高。为满足高载荷柴油机对活塞材料耐热性能的要求，目前成熟的做法是采取钢顶铝裙的分体式活塞。但这种活塞偏重，市场上仍希望采用铝合金整体式活塞，并且要求铝合金活塞材料具有较高的室温性能和耐热性能，较低的热膨胀系数和较好的耐磨性能。
目前，国内外的活塞用铝合金材料主要为铝硅合金,如表1所示。这些铝合金材料主要通过添加Cu、Ni和Mg等元素进行强化，但它们存在的主要问题为：(1)初晶硅尺寸偏大，约为70微米；(2)耐热性能偏低，350℃抗拉强度约为80MPa。
表1国内外铝合金活塞材料的合金成分
在细化初晶硅方面，目前的解决措施主要包括：(1)采用磷盐、含磷中间合金对铝熔体进行变质处理，磷的添加量一般为0.002％～0.02％，并限制原材料、精炼剂中碱性杂质元素如Ca、Na等的含量，抑制其对磷变质效果的不利影响，一般要求铝合金中Ca＜0.003％，Na＜0.001％。(2)采用增加冷却速率的方式细化初晶硅，如挤压铸造、半连续铸造或在模具中增加水冷通道等。(3)铝合金熔体的超声处理。这些措施主要是从制备工艺上考虑，而没有从材料的成分上去考虑。
在提高耐热性能方面，目前的解决措施主要包括：(1)提高铝合金中Cu的含量，一般在3％～5％之间；(2)采取Zr、Ti、V、Co等微量元素进行改性，其添加量一般为0.05％～0.20％。这些措施对耐热性能的提升有限。
但是，目前缺乏一种同时有效解决上述两个问题的铸造铝合金活塞材料，希望初晶硅尺寸小于40微米，350℃抗拉强度大于90MPa。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是针对现有技术的现状提供一种能同时细化初晶硅和提高耐热性的耐热铸造铝合金活塞材料。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种用于制造前述耐热铸造铝合金活塞材料的制备方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该种耐热铸造铝合金活塞材料，各组分的质量百分比含量为：Si：13.0％～18.0％；Cu：4.0％～6.0％；Ni：2.50％～3.50％；Mg：0.60％～1.20％；Cr：0.20％～0.50％；Er：0.10％～0.30％；Zr：0.10％～0.50％；Ti：0.10％～0.20％；V：0.05％～0.20％；杂质元素≤0.30％；余量为Al。
本发明的杂质元素主要为Fe。
一种用于制备如前所述的耐热铸造铝合金活塞材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按组分配比配制原材料；
(2)熔炼；
(3)铸造；
(4)热处理。
优选的，所述步骤(3)铸造：采用挤压铸造工艺进行制备，挤压铸造工艺参数为：浇注温度740～760℃，模具温度200～350℃，铸造压力100～150MPa，保压时间150～210min。该铝合金材料也可采用金属型重力铸造和低压铸造。
优选的，所述步骤(4)的热处理包括依次进行的固溶处理、时效处理；所述固溶处理工艺的固溶温度为495～515℃，保温时间为2～6h；所述时效处理工艺的时效温度为215～250℃，保温时间为3～8h。优选的，固溶处理步骤中的淬火过程为采用60～80℃热水淬火。
优选的，所述步骤(1)的所述原材料为铝硅中间合金、铝镍中间合金、铝铜中间合金、铝锆中间合金、铝钛中间合金、铝钒中间合金、铝铬中间合金、铝铒中间合金、纯镁锭和纯铝锭。
优选的，所述铝硅中间合金为ZLD102、AlSi20、AlSi30中的任意一种；所述铝镍中间合金为AlNi10、AlNi20中的任意一种；所述铝铜中间合金为AlCu50；所述铝锆中间合金为AlZr10；所述铝钛中间合金为AlTi10；所述铝钒中间合金为AlV10；所述铝铬中间合金为AlCr5；所述铝铒中间合金为AlEr5；所述纯镁锭为Mg99.90；所述纯铝锭为Al99.98、Al99.7中的任意一种。
优选的，所述步骤(2)熔炼包括以下步骤：
(a、将纯铝锭、铝硅中间合金、铝镍中间合金和铝铜中间合金熔化；
(b、当铝液温度升至780～820℃时，加入含磷量为8％～12％的磷铜合金或磷盐变质剂，加入量为炉料总量的0.3％～0.4％，加入后搅拌均匀并保温静置20～30分钟；
(c、当铝液温度至760～780℃时，分次加入铝铒中间合金、铝铬中间合金、铝锆中间合金、铝钛中间合金、铝钒中间合金和纯镁锭，并搅拌均匀；
(d、当铝液温度至740～760℃时，采用惰性气体精炼除气，除气后静置至少30分钟，待浇注。
优选的，在所述步骤(2)熔炼之后进行取样分析：对化学成分进行取样分析，化学成分全部合格后进行所述步骤(3)铸造。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的铝合金活塞材料的主要成分由元素Al、Si、Cu、Ni、Mg、Cr、Er、Zr、Ti和V组成，该组分通过多种元素的协同作用使得铝合金活塞材料具有较低的热膨胀系数，较高的室温强度、高温强度和耐磨性能。该组分通过微量元素Cr、Er、Zr、Ti和V的协同作用细化了初晶硅，可将初晶硅尺寸缩小到25～35微米；该铝合金活塞材料室温抗拉强度为280～360MPa，350℃抗拉强度为90～95MPa，适用于制备高载荷柴油机用铝合金活塞，比目前较为先进的Mahle174+铝合金活塞材料的室温强度更高，耐热性能更好，线膨胀系数更小；该铝合金活塞材料的初晶硅尺寸较小，平均尺寸约为25～35微米，提高了力学性能和耐磨性能。
附图说明
图1和2均为现有技术中未加Cr、Er、Zr、V和Ti元素的铝合金活塞材料的微观组织照片；
图3为本发明的实施例1中铝合金活塞厚大部位的微观组织照片；
图4为本发明的实施例2中Er含量为0.2％时铝合金活塞厚大部位的微观组织照片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
实施例1：
成分(质量分数)：Si 16.50％，Cu5.85％，Ni 3.15％，Mg 0.880％，Cr0.355％，Er0.125％，Zr 0.353％，Ti 0.105％，V 0.106％，Fe 0.185％
制备方法：
(1)原材料：AlSi30中间合金、AlNi202中间合金、AlCu50中间合金、AlZr10中间合金、AlTi10中间合金、AlV10中间合金、AlCr5中间合金、AlEr5中间合金、纯镁锭(Mg99.90)和纯铝锭(Al99.98)。
(2)熔炼：首先将纯铝锭、AlSi30铝合金、AlNi20中间合金和AlCu50中间合金熔化；当铝液温度升至800℃时，加入含磷量为10％的磷盐变质剂，加入量为炉料总质量的0.35％，保温静置25分钟；当铝液温度降至780℃时，分次加入AlEr5中间合金、AlCr5中间合金、AlZr10中间合金、AlTi10中间合金、AlV10中间合金和纯镁锭，并搅拌均匀；再降温至760℃，采用惰性气体精炼除气，除气后静置40分钟，取样分析。
(3)铸造：采用挤压铸造工艺制备铝合金活塞，挤压铸造工艺参数为：模具温度250～350℃，浇注温度747℃，压强150MPa，保压时间150min，
(4)热处理：将铸造好的铝合金活塞依次进行固溶处理、时效处理。固溶处理工艺为515℃保温2h，70℃热水淬火；时效处理工艺为250℃保温3h。
(5)性能：室温抗拉强度、断后伸长率为290MPa、1.0％，350℃抗拉强度、断后伸长率为95MPa、6.0％。
(6)组织：图1和图2为未加微量Cr、Er、Zr、V和Ti元素的现有技术的铝合金活塞材料的微观组织，初晶硅尺寸为80微米；图3为本实施例的铝合金活塞材料的微观组织，初晶硅尺寸为30微米。本发明添加微量Cr、Er、Zr、V和Ti元素，以及与其他元素的协同作用下，初晶硅平均尺寸由80微米降至30微米，细化效果明显。
实施例2：
成分(质量分数)：Si 13.50％，Cu 4.25％，Ni 2.55％，Mg 0.630％，Cr0.255％，Er0～0.3％，Zr 0.125％，Ti 0.155％，V 0.086％，Fe 0.245％
制备方法：
(1)原材料：ZLD102铝合金、AlSi30中间合金、AlNi10中间合金、AlCu50中间合金、AlZr10中间合金、AlTi10中间合金、AlV10中间合金、AlCr5中间合金、AlEr5中间合金和纯镁锭(Mg99.90)。
(2)熔炼：首先将ZLD102铝合金、AlNi10中间合金和AlCu50中间合金熔化；当铝液温度升至780℃时，加入含磷量为8％的磷铜合金，加入量为炉料总质量的0.3％，保温静置20分钟；当铝液温度降至760℃时，分次加入AlCr5中间合金、AlZr10中间合金、AlTi10中间合金、AlV10中间合金和纯镁锭，并搅拌均匀；当铝液温度降至750℃，采用惰性气体精炼除气，除气后静置30分钟待浇注。通过分次加入AlEr5中间合金逐渐增加铝合金中Er的含量，并采用挤压铸造工艺制备铝合金活塞，研究Er含量对本发明的铝合金活塞材料微观组织与力学性能的影响关系。
(3)铸造：采用挤压铸造工艺制备铝合金活塞，挤压铸造工艺参数为：模具温度200～300℃，浇注温度755℃，压强120MPa，保压时间180min，
(4)热处理：将铸造好的铝合金活塞依次进行固溶处理、时效处理。固溶处理工艺为495℃保温6h，80℃热水淬火；时效处理工艺为215℃保温8h。
(5)性能：表2为Er含量对本发明的铝合金活塞的室温性能和高温性能的影响关系。随着Er含量的增加，室温抗拉强度和350℃抗拉强度均提高。
(6)组织：图4为Er含量为0.2％时本实施例的铝合金活塞材料微观组织照片，Er元素在铝合金中形成了大量的针状相。
表2 Er对本发明的铝合金活塞材料力学性能的影响
实施例3：
成分(质量分数)：Si 17.80％，Cu5.50％，Ni 3.45％，Mg 0.112％，Cr0.475％，Er0.295％，Zr 0.483％，Ti 0.184％，V 0.142％，Fe 0.265％
制备方法：
(1)原材料：AlSi20中间合金，AlSi30中间合金、AlNi20中间合金、AlCu50中间合金、AlZr10中间合金、AlTi10中间合金、AlV10中间合金、AlCr5中间合金、AlEr5中间合金和纯镁锭(Mg99.90)。
(2)熔炼：首先将AlSi20中间合金、AlSi30铝合金、AlNi20中间合金和AlCu50中间合金熔化；当铝液温度升至820℃，加入含磷量为12％的磷铜中间合金，加入量为炉料总质量的0.40％，保温静置30分钟；当铝液温度降至775℃时，分次加入AlEr5中间合金、AlCr5中间合金、AlZr10中间合金、AlTi10中间合金、AlV10中间合金和纯镁锭，并搅拌均匀；再降温至750℃，采用惰性气体精炼除气，除气后静置30分钟，取样分析。
(3)铸造：采用挤压铸造工艺制备铝合金活塞，挤压铸造工艺参数为：模具温度266～320℃，浇注温度760℃，压强100MPa，保压时间210min，
(4)热处理：将铸造好的铝合金活塞依次进行固溶处理、时效处理。固溶处理工艺为505℃保温4h，60℃热水淬火；时效处理工艺为215℃保温5h。
(5)性能：室温抗拉强度、断后伸长率为282MPa、0.5％，350℃抗拉强度、断后伸长率为94MPa、5.0％，
(6)组织：铝合金活塞厚大部位的初晶硅平均尺寸为30微米。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种耐热铸造铝合金活塞材料，其特征在于各组分的质量百分比含量为：Si：13.0％～18.0％；Cu：4.0％～6.0％；Ni：2.50％～3.50％；Mg：0.60％～1.20％；Cr：0.20％～0.50％；Er：0.10％～0.30％；Zr：0.10％～0.50％；Ti：0.10％～0.20％；V：0.05％～0.20％；杂质元素≤0.30％；余量为Al。
2.一种用于制备如权利要求1所述的耐热铸造铝合金活塞材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按组分配比配制原材料；
(2)熔炼；
(3)铸造；
(4)热处理。
3.根据权利要求2所述的耐热铸造铝合金活塞材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)铸造：采用挤压铸造工艺进行制备，挤压铸造工艺参数为：模具温度200～350℃，浇注温度740～760℃，压强100～150MPa，保压时间150～210min。
4.根据权利要求3所述的耐热铸造铝合金活塞材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)的热处理包括依次进行的固溶处理、时效处理；所述固溶处理工艺的固溶温度为495～515℃，保温时间为2～6h，60～80℃热水淬火；所述时效处理工艺的时效温度为215～250℃，保温时间为3～8h。
5.根据权利要求4所述的耐热铸造铝合金活塞材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)的所述原材料为铝硅中间合金、铝镍中间合金、铝铜中间合金、铝锆中间合金、铝钛中间合金、铝钒中间合金、铝铬中间合金、铝铒中间合金、纯镁和纯铝锭。
6.根据权利要求5所述的耐热铸造铝合金活塞材料的制备方法，其特征在于：所述铝硅中间合金为ZLD102、AlSi20、AlSi30中的任意一种；所述铝镍中间合金为AlNi10、AlNi20中的任意一种；所述铝铜中间合金为AlCu50；所述铝锆中间合金为AlZr10；所述铝钛中间合金为AlTi10；所述铝钒中间合金为AlV10；所述铝铬中间合金为AlCr5；所述铝铒中间合金为AlEr5；所述纯镁锭为Mg99.90；所述纯铝锭为Al99.98、Al99.7中的任意一种。
7.根据权利要求6所述的耐热铸造铝合金活塞材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)熔炼的包括以下步骤：
(a、将纯铝锭、铝硅中间合金、铝镍中间合金和铝铜中间合金熔化；
(b、当铝液升温至780～820℃时，加入含磷量为8％～12％的磷铜合金或磷盐变质剂，加入量为炉料总量的0.3％～0.4％质量分数，加入后搅拌均匀并保温静置20～30分钟；
(c、当铝液降温至760～780℃时，加入铝铒中间合金、铝铬中间合金、铝锆中间合金、铝钛中间合金、铝钒中间合金和纯镁锭，并搅拌均匀；
(d、当铝液降温至740～760℃时，采用惰性气体精炼除气，除气后静置。
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