CN112962007A - 一种高强度、耐热、耐磨活塞用铝合金及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高强度、耐热、耐磨活塞用铝合金及其生产方法，铝合金由以下重量百分比的原料组成：S i 10.5‑13.0％，Fe≤0.5％，Cu 0.8‑1.2％，Mg 0.8‑1.1％，Cr≤0.10％，Ni 0.7‑1.0％，Zn≤0.25％，余量为Al及不可避免的杂质。生产方法主要包括配料、熔炼、铸造、均匀化热处理、挤压、离线淬火和人工时效。在该铝合金中，通过对现有的元素进行合理配比，使铝合金金相组织中初生α固溶体分散分布均匀，从而使铝合金具有良好的强度、散热性和耐磨性；该铝合金的生产方法具有生产批量化程度高，且过程易控，适于广泛实施的优点。

Description

一种高强度、耐热、耐磨活塞用铝合金及其生产方法
技术领域
本发明涉及铝合金生产技术领域，具体涉及一种高强度、耐热、耐磨活塞用铝合金及其生产方法。
背景技术
活塞是一种作往复运动的机件，主要包括顶部、头部和裙部。活塞的往复运动，使其工作条件还兼具有高压、高速和润滑不良的特点；活塞顶部是燃烧室的主要组成部分，使活塞在高温条件下工作，瞬时温度可达2500K以上，受热严重；另外，活塞在做功行程中，活塞顶部压力较大，在3-9MPa之间，使活塞产生冲击而承受较大的侧压力；活塞在气缸内以8-12m/s的速度往复运动，伴随着速度的不断变化，会产生很大的惯性力，使活塞受到很大的附加载荷；活塞在这些工作条件下工作，会产生变形、加速磨损，还会产生附加载荷和热应力，影响活塞的使用寿命。
由于活塞的使用条件苛刻，因此，需要对活塞用材料进行调整，以获得具有良好的强度和刚度、质量轻的活塞材料。目前的铝合金材料做活塞使用时，可使活塞具有质量轻、散热性好的特点，这些特点使活塞的惯性力变小、散热能力提高，且延缓机油变质，这使得铝合金材料做活塞具有广阔的应用前景。
目前市面上常见的铝合金材料为铸造铝合金，铸造铝合金含硅12％左右的共晶铝硅合金制造，并加入铜和镍，以保证活塞的热稳定性和高温下的机械性能，但是铸造铝合金强度、耐磨性能均不如变形铝合金，因此，提供一种具有高强度、耐热、耐磨性能的铝合金材料，进而减少活塞在受热、加压等条件下的变形，从而减少活塞与活塞壁之间的摩擦力在活塞制造中具有重要的意义。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种高强度、耐热、耐磨活塞用铝合金及其生产方法，在该铝合金中，通过对现有的元素进行合理配比，尤其是控制Si含量，使铝合金金相组织中初生α固溶体分散分布均匀，从而使铝合金具有良好的强度、散热性和耐磨性；该铝合金的生产方法具有生产批量化程度高，且过程易控，适于广泛实施的优点。
本发明的技术方案如下：
一种高强度、耐热、耐磨活塞用铝合金，由以下重量百分比的原料组成：Si 10.5-13.0％，Fe≤0.5％，Cu 0.8-1.2％，Mg 0.8-1.1％，Cr≤0.10％，Ni 0.7-1.0％，Zn≤0.25％，余量为Al及不可避免的杂质。
在本发明的铝合金原料中，将过量的Si元素添加到铝合金中，经均匀化热处理后在金属内部形成白色枝晶状为初生α固溶体、灰色共晶硅呈球状和椭圆状；从金相角度上分析，其形成共晶硅，在白色枝晶边缘的浅灰色骨骼状为AL8Mg3FeSi6相，少量浅灰色片状为β相，这些化合物均为铝合金；该合金属于铝硅系合金，其中Si含量在12％左右，以共晶Si形式存在，具有密度小、热膨胀系数小、耐磨性好、热传导性好等优点。
优选的，上述高强度、耐热、耐磨活塞用铝合金，由以下重量百分比的原料组成：Si11.5-12.5％，Fe 0.22-0.23％，Cu 0.9-1.2％，Mg 1.04％，Cr 0.004％，Ni 0.8-0.95％，Zn0.004-0.025％，余量为Al及不可避免的杂质。
进一步的，上述高强度、耐热、耐磨活塞用铝合金的生产方法，包括以下步骤：
a、配料：按照铝合金中组成原料的比例备料；
b、熔炼：将步骤a配制的原料进行熔炼，熔炼后所得熔体进行精炼提纯，获得合金液Ⅰ；铸造前保温炉开启透气砖，进一步对合金液Ⅰ除气提纯，添加铝钛硼丝Al-5Ti-1B细化晶粒，经过除气机除气后再进行双级过滤，过滤后获得合金液Ⅱ；
c、铸造：步骤b所得合金液Ⅱ在一定温度、速度下进行油气润滑铸造，获得直径400-600mm的铝合金铸锭Ⅰ；
d、均匀化热处理:将步骤c得到的铸锭Ⅰ进行均匀化热处理，热处理后出炉冷却，冷却后依次进行检测低倍、金相组织，合格后机加工、切头、切尾、切定尺、车皮处理，获得铸锭Ⅱ；
e、将步骤d获得的铸锭Ⅱ经过挤压设备挤压获得该材料用的不同规格直径的铝合金棒料；
f、将步骤e获得的铝合金棒料经过离线淬火，人工时效后获得成品。
优选的，在步骤b中，熔炼时熔炼温度为700-750℃，熔炼时间为5-8h。
优选的，在步骤b中，对熔体精炼采用静置精炼，在静置精炼中，静置炉温度为720-740℃，静置时间为30-50min。
优选的，在步骤b中，对合金液Ⅰ过滤采用40目叠加60目双级过滤板进行双级过滤，过滤后的合金液Ⅱ经过流槽时，流槽测氢含量≤0.10mL/100gAL目的是铝液过滤除渣，测量氢含量保证铸棒组织疏松1级或优于1级。
优选的，在步骤c中，合金液Ⅱ在690-730℃条件下进行半连续铸造，铸造速度控制为35-50mm/min，获得的铸锭Ⅰ长度＞6000mm。
优选的，在步骤d中，对铸锭Ⅰ均匀化热处理条件为：在490-510℃条件下保温16-20h，然后出炉冷却，冷却至≤45℃，即可；经步骤d处理后得到的铸锭Ⅱ检测低倍要求疏松1级或优于1级，晶粒度2级或优于2级，偏析层深度控制在6mm以内，金相组织中初生α固溶体要分散分布均匀，不得出现变质不足的情况。
优选的，在步骤e中，对铸锭Ⅱ采用热挤压工艺，温度设置为380-420℃，挤压制品速度为1.5±0.5m/min，出口温度无要求；冷却方式为穿水冷却，拉伸量1.0-1.3％。
优选的，在步骤f中，铝合金棒料的淬火温度为520-540℃，保温2.5-4h；人工时效温度为160-175℃，保温10-12h。
相对于现有技术，本发明的有益效果在于：
1、利用本发明中铝合金原料及生产方法获得的铝合金，抗拉强度≥420MPa，屈服强度≥400MPa，伸长率≥5％，硬度≥130HBW。
2、本发明中，对铝合金原料的重量百分比进行限定，通过添加过量的Si元素，使经步骤d处理后得到的铸锭Ⅱ检测低倍要求疏松1级或优于1级，晶粒度2级或优于2级，偏析层深度控制在6mm以内，金相组织中初生α固溶体分散分布均匀，进而使获得的铝合金棒料具有良好的强度、耐热和耐磨性能。
3、本发明提供的铝合金生产方法，生产批量化程度高，且过程易控，适于广泛实施。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种高强度、耐热、耐磨活塞用铝合金，由以下重量百分比的原料组成：Si：11.5％，Fe：0.22％，Cu：0.93％，Mg:1.04％，Cr：0.004％，Ni：0.81％，Zn：0.004％，余量为Al及不可避免的杂质。
上述活塞用铝合金的生产方法，包括以下步骤：
a、配料：按照铝合金中组成原料的比例备料；
b、熔炼：将步骤a配制的原料进行熔炼，熔炼时熔炼温度为740±10℃，熔炼时间为5.8h；熔炼后所得熔体进行精炼提纯，对熔体精炼采用静置精炼，在静置精炼中，静置炉温度为735±5℃，静置时间为38min，获得合金液Ⅰ；
铸造前保温炉开启透气砖，进一步对合金液Ⅰ除气提纯，添加铝钛硼丝Al-5Ti-1B细化晶粒，经过除气机除气后再进行双级过滤，过滤后获得合金液Ⅱ；过滤后的合金液Ⅱ经过流槽时，流槽测氢含量≤0.10mL/100gAL目的是铝液过滤除渣，测量氢含量保证铸棒组织疏松1级或优于1级；
双级过滤为对合金液Ⅰ过滤采用40目叠加60目双级过滤板进行；
c、将步骤b所得合金液Ⅱ在700±10℃条件下进行半连续铸造，铸造速度控制为43mm/min，铸造成直径为454mm的铸锭Ⅰ，铸锭Ⅰ的长度6200mm；
d、均匀化热处理:将步骤c得到的铸锭Ⅰ进行均匀化热处理，热处理后出炉冷却，冷却后依次进行检测低倍、金相组织，合格后机加工、切头、切尾、切定尺、车皮处理，获得铸锭Ⅱ；
对铸锭Ⅰ均匀化热处理条件为：在495±5℃条件下保温17h，然后出炉冷却，冷却至≤45℃，即可；经步骤d处理后得到的铸锭Ⅱ检测低倍要求疏松1级或优于1级，晶粒度2级或优于2级，偏析层深度控制在6mm以内，金相组织中初生α固溶体要分散分布均匀，不得出现变质不足的情况；
e、将步骤d获得的铸锭Ⅱ经过挤压设备挤压获得φ82mm棒料，对铸锭Ⅱ采用的热挤压工艺，温度设置为390±5℃，挤压制品速度为1.5±0.5m/min，出口温度无要求；冷却方式为穿水冷却，拉伸量1.1％；
f、将步骤e获得的铝合金棒料经过离线淬火，铝合金棒料的淬火制度为525±5℃，保温3h；人工时效制度为165±5℃，保温10h，获得成品；成品的抗拉强度≥420MPa，屈服强度≥400MPa，伸长率≥5％，硬度≥130HBW。
对比例1
该对比例的铝合金中降低Si元素含量到10.2％，其它制备步骤及参数均与实施例1相同。
实施例2
一种高强度、耐热、耐磨活塞用铝合金，由以下重量百分比的原料组成：：Si：12.5％，Fe：0.23％，Cu：1.12％，Mg:1.04％，Cr：0.004％，Ni：0.95％，Zn：0.025％，余量为Al及不可避免的杂质。
上述活塞用铝合金的生产方法，包括以下步骤：
a、配料：按照铝合金中组成原料的比例备料；
b、熔炼：将步骤a配制的原料进行熔炼，熔炼时熔炼温度为740±10℃，熔炼时间为8h；熔炼后所得熔体进行精炼提纯，对熔体精炼采用静置精炼，在静置精炼中，静置炉温度为725±10℃，静置时间为45min，获得合金液Ⅰ；
铸造前保温炉开启透气砖，进一步对合金液Ⅰ除气提纯，添加铝钛硼丝Al-5Ti-1B细化晶粒，经过除气机除气后再进行双级过滤，过滤后获得合金液Ⅱ；过滤后的合金液Ⅱ经过流槽时，流槽测氢含量≤0.10mL/100gAL目的是铝液过滤除渣，测量氢含量保证铸棒组织疏松1级或优于1级；
双级过滤为对合金液Ⅰ过滤采用40目叠加60目双级过滤板进行；
c、将步骤b所得合金液Ⅱ在720±10℃条件下进行半连续铸造，铸造速度控制为37mm/min，铸造成直径为515mm的铸锭Ⅰ，铸锭Ⅰ的长度6400mm；
d、均匀化热处理:将步骤c得到的铸锭Ⅰ进行均匀化热处理，热处理后出炉冷却，冷却后依次进行检测低倍、金相组织，合格后机加工、切头、切尾、切定尺、车皮处理，获得铸锭Ⅱ；
对铸锭Ⅰ均匀化热处理条件为：在500±10℃条件下保温19h，然后出炉冷却，冷却至≤45℃，即可；经步骤d处理后得到的铸锭Ⅱ检测低倍要求疏松1级或优于1级，晶粒度2级或优于2级，偏析层深度控制在6mm以内，金相组织中初生α固溶体要分散分布均匀，不得出现变质不足的情况；
e、将步骤d获得的铸锭Ⅱ经过挤压设备挤压获得φ105mm棒料，对铸锭Ⅱ采用的热挤压工艺，温度设置为410±5℃，挤压制品速度为1.5±0.5m/min，出口温度无要求；冷却方式为穿水冷却，拉伸量1.2％；
f、将步骤e获得的铝合金棒料经过离线淬火，铝合金棒料的淬火制度为535±5℃，保温3.5h；人工时效制度为170±5℃，保温12h，获得成品；成品的抗拉强度≥420MPa，屈服强度≥400MPa，伸长率≥5％，硬度≥130HBW。
对比例2：
该对比例的铝合金产品少量添加Ni元素Ni：0.6％，其它制备步骤及参数均与实施例2相同。
将实施例1、实施例2、对比例1和对比例2的产品进行性能测试，结果见表1。
表1铝合金性能测试结果
Figure BDA0002933876160000081
尽管通过参考优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种高强度、耐热、耐磨活塞用铝合金，其特征在于，由以下重量百分比的原料组成：Si 10.5-13.0％，Fe≤0.5％，Cu 0.8-1.2％，Mg 0.8-1.1％，Cr≤0.10％，Ni 0.7-1.0％，Zn≤0.25％，余量为Al及不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的高强度、耐热、耐磨活塞用铝合金，其特征在于，由以下重量百分比的原料组成：Si 11.5-12.5％，Fe 0.22-0.23％，Cu 0.9-1.2％，Mg 1.04％，Cr 0.004％，Ni 0.8-0.95％，Zn 0.004-0.025％，余量为Al及不可避免的杂质。
3.一种如权利要求1或2所述的高强度、耐热、耐磨活塞用铝合金的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、配料：按照铝合金中组成原料的比例备料；
b、熔炼：将步骤a配制的原料进行熔炼，熔炼后所得熔体进行精炼提纯，获得合金液Ⅰ；铸造前保温炉开启透气砖，进一步对合金液Ⅰ除气提纯，添加铝钛硼丝Al-5Ti-1B细化晶粒，经过除气机除气后再进行双级过滤，过滤后获得合金液Ⅱ；
c、铸造：步骤b所得合金液Ⅱ在一定温度、速度下进行油气润滑铸造，获得直径400-600mm的铝合金铸锭Ⅰ；
d、均匀化热处理:将步骤c得到的铸锭Ⅰ进行均匀化热处理，热处理后出炉冷却，冷却后依次进行检测低倍、金相组织，合格后机加工、切头、切尾、切定尺、车皮处理，获得铸锭Ⅱ；
e、将步骤d获得的铸锭Ⅱ经过挤压设备挤压获得该材料用的不同规格直径的铝合金棒料；
f、将步骤e获得的铝合金棒料经过离线淬火，人工时效后获得成品。
4.如权利要求3所述的高强度、耐热、耐磨活塞用铝合金的生产方法，其特征在于，在步骤b中，熔炼时熔炼温度为700-750℃，熔炼时间为5-8h。
5.如权利要求3所述的高强度、耐热、耐磨活塞用铝合金的生产方法，其特征在于，在步骤b中，对熔体精炼采用静置精炼，在静置精炼中，静置炉温度为720-740℃，静置时间为30-50min。
6.如权利要求3所述的高强度、耐热、耐磨活塞用铝合金的生产方法，其特征在于，在步骤b中，对合金液Ⅰ过滤采用40目叠加60目双级过滤板进行双级过滤，过滤后的合金液Ⅱ经过流槽时，流槽测氢含量≤0.10mL/100gAL。
7.如权利要求3所述的高强度、耐热、耐磨活塞用铝合金的生产方法，其特征在于，在步骤c中，合金液Ⅱ在690-730℃条件下进行半连续铸造，铸造速度控制为35-50mm/min，获得的铸锭Ⅰ长度＞6000mm。
8.如权利要求3所述的高强度、耐热、耐磨活塞用铝合金的生产方法，其特征在于，在步骤d中，对铸锭Ⅰ均匀化热处理条件为：在490-510℃条件下保温16-20h，然后出炉冷却，冷却至≤45℃，即可。
9.如权利要求3所述的高强度、耐热、耐磨活塞用铝合金的生产方法，其特征在于，在步骤e中，对铸锭Ⅱ采用热挤压工艺，温度设置为380-420℃，挤压制品速度为1.5±0.5m/min，出口温度无要求；冷却方式为穿水冷却，拉伸量1.0-1.3％。
10.如权利要求3所述的高强度、耐热、耐磨活塞用铝合金的生产方法，其特征在于，在步骤f中，铝合金棒料的淬火温度为520-540℃，保温2.5-4h；人工时效温度为160-175℃，保温10-12h。
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Denomination of invention: An aluminum alloy for high-strength, heat-resistant, and wear-resistant pistons and its production method

Effective date of registration: 20230907

Granted publication date: 20220809

Pledgee: China Huarong Asset Management Limited by Share Ltd. Shandong branch

Pledgor: SHANDONG YUHANG SPECIAL ALLOY EQUIPMENT CO.,LTD.

Registration number: Y2023980055733

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