CN113088726A - 一种发动机活塞上铝合金材料的制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发动机活塞上铝合金材料的制备工艺，包括以下步骤：S1、将Al加入熔炼炉内，加热温度为680‑700℃，完全熔化后，使用搅拌装置搅动，保温30分钟；S2、在熔炼炉内加入铝箔包裹的Si颗粒和高温除渣剂，使用搅拌装置搅拌并保温2小时。本发明中，通过调整硅、铜和镍的含量，充分发挥铜、镍在铝基体中的固溶强化作用和热强作用，并使铝合金熔融溶液保持较好的流动性，提高铝合金的铸造性能，同时降低铝合金的线膨胀系数，提高铝合金的高温稳定性，其中Cu、Ni和Al形成的金属化合物Al4CuNi和Al6Cu3Ni，均匀的分布于Al基体中，有效增加铝合金材料的高温强度。

Description

一种发动机活塞上铝合金材料的制备工艺
技术领域
本发明涉及铝合金材料技术领域，尤其涉及一种发动机活塞上铝合金材料的制备工艺。
背景技术
目前，内燃机尾气的排放标准日益提高，内燃机的额定值、燃油经济性和耐久性等指标不断向强化方向发展，因此作为内燃机传递动力的活塞的要求也越来越高，通常，衡量铝合金活塞材料高温性能的方法是测试其在360℃高温的抗拉强度。
现有技术中，已经公开了多种可以用于制造内燃机活塞的铝合金材料，例如，GB/T1173中公布的铝合金代号为ZL109的铸造铝合金材料是目前活塞行业中最常用的材料，该材料在 360℃时的抗拉强度值约为70MPa，德国马勒公司生产的 M142型铝合金材料在360℃时的抗拉强度值约为80MPa，然而，以上两种现有的铝合金材料的高温抗拉强度值较小，为改善铝合金的高温性能，需对铝合金的制备工艺进行改进。
发明内容
为了解决上述背景技术中所提到的技术问题，而提出的一种发动机活塞上铝合金材料的制备工艺。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种发动机活塞上铝合金材料的制备工艺，所述铝合金材料组成的质量百分比为：Cu：0 .5％-0 .8％；Sc：0 .06％-0 .08％；Ti：0 .03％-0 .04％；Mn：0 .04％-0 .08％；Cr：0.12％- 0 .15％；Zn：0.16％-0 .26％；Ni：1.2％-2.1％；La：0 .02％-0.03％；Ce：0.01％-0 .04％；Si：22％-25％；Zr：0.04%-0.05%；Mg：0.8％-1.2％；余量为Al；
所述铝合金材料的制备工艺包括以下步骤：
S1、将Al加入熔炼炉内，加热温度为680-700℃，完全熔化后，使用搅拌装置搅动，保温30分钟；
S2、在熔炼炉内加入铝箔包裹的Si颗粒和高温除渣剂，使用搅拌装置搅拌并保温2小时；
S3、在熔炼炉的熔融溶液底部通入氮气，通过熔炼炉内的搅拌装置搅动，将氮气打成细小且分布均匀的小气泡，氮气气泡从熔炼炉内的熔融溶液底部上浮过程中，因氮气气泡内的氢分压为零，气泡周围的氢气自动向氮气气泡内扩散，从而将氢气带出熔融溶液，同时，熔融溶液内的细小夹杂物，被上浮的氮气气泡带离至液面，再被液面的高温除渣剂吸附进入高温除渣剂中，捞除高温除渣剂后，熔融溶液得到净化；
S4、以6-8℃/min的速率升温至750-780℃，保温1h后，在熔炼炉内加入Ti、Mn、Cr、Ni、Sc、Cu，待完全溶解后，使用搅拌装置搅动，保温30分钟，降温到720℃，在熔炼炉内加入Mg、Zn、Zr，使用搅拌装置搅动，保温30分钟；
S5、在熔炼炉内熔融溶液表面撒上覆盖剂，向熔融溶液中加入用铝箔包好的精炼剂，反应完毕后扒净浮渣；
S6、将熔融溶液升温到800-860℃，加入变质剂和La、Ce，混合搅拌反应完毕后，向熔融溶液表面再撒覆盖剂，静置30分钟，采用浇注模具浇注成活塞毛坯。
作为上述技术方案的进一步描述：
在步骤S5中，所述覆盖剂为冰晶石、Na3AlF6、Na2SiF6、NaCl、KCl、CaF2、NaF2中的一种。
作为上述技术方案的进一步描述：
在步骤S5中，所述精炼剂为氯化锌、六氯乙烷、膨胀石墨、硝酸钠中的一种。
作为上述技术方案的进一步描述：
搅拌装置包括中心轴，所述熔炼炉内转动安装有中心轴，所述中心轴上固定安装有转动块，所述转动块上固定安装有斜块，所述斜块的底部固定安装有搅拌块，所述搅拌块由石墨材料制成，所述熔炼炉内固定安装有固定盘，所述固定盘内开设有内轮齿，所述熔炼炉内转动安装有与固定盘同轴心的第二齿轮，所述第二齿轮上啮合连接有第一齿轮，所述第一齿轮一端固定安装有第二固定柱，所述斜块上固定安装有第一固定柱，所述第一固定柱与第二固定柱之间通过钢丝绳安装，所述熔炼炉内设有驱动搅拌块转动的驱动机构。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述驱动机构包括驱动电机，所述熔炼炉内固定安装有驱动电机，所述驱动电机的输出轴与第二齿轮传动连接。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述熔炼炉的底部固定安装有底座，所述底座上固定安装有多个喷气嘴。
作为上述技术方案的进一步描述：
多个所述喷气嘴在底座上等间距设置。
作为上述技术方案的进一步描述：
在步骤S3中，所述搅拌装置的工作步骤如下：
S11、在喷气嘴内通入氮气；
S12、启动驱动电机转动，带动第二齿轮转动，根据卡齿的啮合传动原理，驱动第一齿轮绕着第二齿轮的轴线转动，通过钢丝绳带动斜块转动，进而驱动搅拌块对熔炼炉内的熔融溶液进行搅拌。
作为上述技术方案的进一步描述：
在步骤S5中，所述覆盖剂的重量占整个熔融溶液重量的0 .09％-0 .15％；在步骤S6中，所述覆盖剂的重量占整个熔融溶液重量的0 .02％-0 .06％。
作为上述技术方案的进一步描述：
在步骤S3中，所述高温除渣剂的重量占整个熔融溶液重量的0 .01％-0 .02％。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明中，通过调整硅、铜和镍的含量，充分发挥铜、镍在铝基体中的固溶强化作用和热强作用，并使铝合金熔融溶液保持较好的流动性，提高铝合金的铸造性能，同时降低铝合金的线膨胀系数，提高铝合金的高温稳定性，其中Cu、Ni和Al形成的金属化合物Al4CuNi和Al6Cu3Ni，均匀的分布于Al基体中，有效增加铝合金材料的高温强度。
2、本发明中，通过加入适量的Ti、Zr、Sc等元素，上述元素分别与铝形成 Al3Ti、Al3Zr、Al3Sc 等第二相粒子，通过第二相弥散强化作用和沉淀硬化作用进一步提高铝合金材料在高温下的变形抗力，本发明还调整了Mn的含量，少量的Mn用于与Fe、Al和Si形成块状的AlFeMnSi化合物，不仅可以降低铝合金材料的脆性，还可提高合金的高温强度。
3、本发明中，在喷气嘴内通入氮气，启动驱动电机转动，带动第二齿轮转动，根据卡齿的啮合传动原理，驱动第一齿轮绕着第二齿轮的轴线转动，通过钢丝绳带动斜块转动，进而驱动搅拌块对熔炼炉内的熔融溶液进行搅拌，将氮气打成细小且分布均匀的小气泡，氮气气泡从熔炼炉内的熔融溶液底部上浮过程中，因氮气气泡内的氢分压为零，气泡周围的氢气自动向氮气气泡内扩散，从而将氢气带出熔融溶液，同时，熔融溶液内的细小夹杂物，被上浮的氮气气泡带离至液面，再被液面的高温除渣剂吸附进入高温除渣剂中，捞除高温除渣剂后，熔融溶液得到净化。
附图说明
图1示出了根据本发明实施例提供的搅拌装置示意图；
图2示出了根据本发明实施例提供的熔炼炉内部示意图。
图例说明：
1、熔炼炉；2、中心轴；3、转动块；4、斜块；5、搅拌块；6、钢丝绳；7、固定盘；701、内轮齿；8、第一齿轮；9、第二齿轮；10、驱动电机；11、第一固定柱；12、第二固定柱；13、底座；14、喷气嘴。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种发动机活塞上铝合金材料的制备工艺，铝合金材料组成的质量百分比为：Cu：0.5％-0.8％；Sc：0.06％-0.08％；Ti：0.03％-0.04％；Mn：0.04％-0 .08％；Cr：0.12％- 0.15％；Zn：0.16％-0.26％；Ni：1.2％-2.1％；La：0 .02％-0 .03％；Ce：0 .01％-0.04％；Si：22％-25％；Zr：0.04%-0.05%；Mg：0.8％-1.2％；余量为Al；
铝合金材料的制备工艺包括以下步骤：
S1、将Al加入熔炼炉1内，加热温度为680-700℃，完全熔化后，使用搅拌装置搅动，保温30分钟；
S2、在熔炼炉1内加入铝箔包裹的Si颗粒和高温除渣剂，使用搅拌装置搅拌并保温2小时；
S3、在熔炼炉1的熔融溶液底部通入氮气，通过熔炼炉1内的搅拌装置搅动，将氮气打成细小且分布均匀的小气泡，氮气气泡从熔炼炉1内的熔融溶液底部上浮过程中，因氮气气泡内的氢分压为零，气泡周围的氢气自动向氮气气泡内扩散，从而将氢气带出熔融溶液，同时，熔融溶液内的细小夹杂物，被上浮的氮气气泡带离至液面，再被液面的高温除渣剂吸附进入高温除渣剂中，捞除高温除渣剂后，熔融溶液得到净化，高温除渣剂的重量占整个熔融溶液重量的0 .01％-0 .02％；
S4、以6-8℃/min的速率升温至750-780℃，保温1h后，在熔炼炉1内加入Ti、Mn、Cr、Ni、Sc、Cu，待完全溶解后，使用搅拌装置搅动，保温30分钟，降温到720℃，在熔炼炉1内加入Mg、Zn、Zr，使用搅拌装置搅动，保温30分钟；
S5、在熔炼炉1内熔融溶液表面撒上覆盖剂，向熔融溶液中加入用铝箔包好的精炼剂，反应完毕后扒净浮渣，覆盖剂为冰晶石，精炼剂为氯化锌，覆盖剂的重量占整个熔融溶液重量的0 .09％-0 .15％；
S6、将熔融溶液升温到800-860℃，加入变质剂和La、Ce，混合搅拌反应完毕后，向熔融溶液表面再撒覆盖剂，覆盖剂的重量占整个熔融溶液重量的0 .02％-0 .06％，静置30分钟，采用浇注模具浇注成活塞毛坯。
本制备工艺制出的铝合金材料在360℃时的抗拉强度值测量值为 100-110MPa，相比于ZL109铸造铝合金材料和M142型铝合金材料提高了铝合金的高温性能。
搅拌装置包括中心轴2，熔炼炉1内转动安装有中心轴2，中心轴2在熔炼炉1内，中心轴2上固定安装有转动块3，转动块3上固定安装有斜块4，斜块4的底部固定安装有搅拌块5，搅拌块5由石墨材料制成，熔炼炉1内固定安装有固定盘7，固定盘7内开设有内轮齿701，熔炼炉1内转动安装有与固定盘7同轴心的第二齿轮9，第二齿轮9上啮合连接有第一齿轮8，第一齿轮8一端固定安装有第二固定柱12，斜块4上固定安装有第一固定柱11，第一固定柱11与第二固定柱12之间通过钢丝绳6安装，熔炼炉1内设有驱动搅拌块5转动的驱动机构，驱动机构包括驱动电机10，熔炼炉1内固定安装有驱动电机10，驱动电机10的输出轴与第二齿轮9传动连接，熔炼炉1的底部固定安装有底座13，底座13上固定安装有多个喷气嘴14，多个喷气嘴14在底座13上等间距设置；
搅拌装置的工作步骤如下：
S11、在喷气嘴14内通入氮气；
S12、启动驱动电机10转动，带动第二齿轮9转动，根据卡齿的啮合传动原理，驱动第一齿轮8绕着第二齿轮9的轴线转动，通过钢丝绳6带动斜块4转动，进而驱动搅拌块5对熔炼炉1内的熔融溶液进行搅拌；将氮气打成细小且分布均匀的小气泡，氮气气泡从熔炼炉1内的熔融溶液底部上浮过程中，因氮气气泡内的氢分压为零，气泡周围的氢气自动向氮气气泡内扩散，从而将氢气带出熔融溶液，同时，熔融溶液内的细小夹杂物，被上浮的氮气气泡带离至液面，再被液面的高温除渣剂吸附进入高温除渣剂中，捞除高温除渣剂后，熔融溶液得到净化；
通过调整硅、铜和镍的含量，充分发挥铜、镍在铝基体中的固溶强化作用和热强作用，并使铝合金熔融溶液保持较好的流动性，提高铝合金的铸造性能，同时降低铝合金的线膨胀系数，提高铝合金的高温稳定性，其中Cu、Ni和Al形成的金属化合物Al4CuNi和Al6Cu3Ni，均匀的分布于Al基体中，有效增加铝合金材料的高温强度；通过加入适量的Ti、Zr、Sc等元素，上述元素分别与铝形成 Al3Ti、Al3Zr、Al3Sc 等第二相粒子，通过第二相弥散强化作用和沉淀硬化作用进一步提高铝合金材料在高温下的变形抗力，本发明还调整了Mn的含量，少量的Mn用于与Fe、Al和Si形成块状的AlFeMnSi化合物，不仅可以降低铝合金材料的脆性，还可提高合金的高温强度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种发动机活塞上铝合金材料的制备工艺，其特征在于，所述铝合金材料组成的质量百分比为：Cu：0.5％-0.8％；Sc：0.06％-0.08％；Ti：0.03％-0.04％；Mn：0.04％-0.08％；Cr：0.12％- 0.15％；Zn：0.16％-0 .26％；Ni：1.2％-2.1％；La：0.02％-0.03％；Ce：0.01％-0 .04％；Si：22％-25％；Zr：0.04%-0.05%；Mg：0.8％-1.2％；余量为Al；
所述铝合金材料的制备工艺包括以下步骤：
S1、将Al加入熔炼炉（1）内，加热温度为680-700℃，完全熔化后，使用搅拌装置搅动，保温30分钟；
S2、在熔炼炉（1）内加入铝箔包裹的Si颗粒和高温除渣剂，使用搅拌装置搅拌并保温2小时；
S3、在熔炼炉（1）的熔融溶液底部通入氮气，通过熔炼炉（1）内的搅拌装置搅动，将氮气打成细小且分布均匀的小气泡，氮气气泡从熔炼炉（1）内的熔融溶液底部上浮过程中，因氮气气泡内的氢分压为零，气泡周围的氢气自动向氮气气泡内扩散，从而将氢气带出熔融溶液，同时，熔融溶液内的细小夹杂物，被上浮的氮气气泡带离至液面，再被液面的高温除渣剂吸附进入高温除渣剂中，捞除高温除渣剂后，熔融溶液得到净化；
S4、以6-8℃/min的速率升温至750-780℃，保温1h后，在熔炼炉（1）内加入Ti、Mn、Cr、Ni、Sc、Cu，待完全溶解后，使用搅拌装置搅动，保温30分钟，降温到720℃，在熔炼炉（1）内加入Mg、Zn、Zr，使用搅拌装置搅动，保温30分钟；
S5、在熔炼炉（1）内熔融溶液表面撒上覆盖剂，向熔融溶液中加入用铝箔包好的精炼剂，反应完毕后扒净浮渣；
S6、将熔融溶液升温到800-860℃，加入变质剂和La、Ce，混合搅拌反应完毕后，向熔融溶液表面再撒覆盖剂，静置30分钟，采用浇注模具浇注成活塞毛坯。
2.根据权利要求1所述的一种发动机活塞上铝合金材料的制备工艺，其特征在于，在步骤S5中，所述覆盖剂为冰晶石、Na3AlF6、Na2SiF6、NaCl、KCl、CaF2、NaF2中的一种。
3.根据权利要求2所述的一种发动机活塞上铝合金材料的制备工艺，其特征在于，在步骤S5中，所述精炼剂为氯化锌、六氯乙烷、膨胀石墨、硝酸钠中的一种。
4.根据权利要求3所述的一种发动机活塞上铝合金材料的制备工艺，其特征在于，搅拌装置包括中心轴（2），所述熔炼炉（1）内转动安装有中心轴（2），所述中心轴（2）上固定安装有转动块（3），所述转动块（3）上固定安装有斜块（4），所述斜块（4）的底部固定安装有搅拌块（5），所述搅拌块（5）由石墨材料制成，所述熔炼炉（1）内固定安装有固定盘（7），所述固定盘（7）内开设有内轮齿（701），所述熔炼炉（1）内转动安装有与固定盘（7）同轴心的第二齿轮（9），所述第二齿轮（9）上啮合连接有第一齿轮（8），所述第一齿轮（8）一端固定安装有第二固定柱（12），所述斜块（4）上固定安装有第一固定柱（11），所述第一固定柱（11）与第二固定柱（12）之间通过钢丝绳（6）安装，所述熔炼炉（1）内设有驱动搅拌块（5）转动的驱动机构。
5.根据权利要求4所述的一种发动机活塞上铝合金材料的制备工艺，其特征在于，所述驱动机构包括驱动电机（10），所述熔炼炉（1）内固定安装有驱动电机（10），所述驱动电机（10）的输出轴与第二齿轮（9）传动连接。
6.根据权利要求5所述的一种发动机活塞上铝合金材料的制备工艺，其特征在于，所述熔炼炉（1）的底部固定安装有底座（13），所述底座（13）上固定安装有多个喷气嘴（14）。
7.根据权利要求6所述的一种发动机活塞上铝合金材料的制备工艺，其特征在于，多个所述喷气嘴（14）在底座（13）上等间距设置。
8.根据权利要求7所述的一种发动机活塞上铝合金材料的制备工艺，其特征在于，在步骤S3中，所述搅拌装置的工作步骤如下：
S11、在喷气嘴（14）内通入氮气；
S12、启动驱动电机（10）转动，带动第二齿轮（9）转动，根据卡齿的啮合传动原理，驱动第一齿轮（8）绕着第二齿轮（9）的轴线转动，通过钢丝绳（6）带动斜块（4）转动，进而驱动搅拌块（5）对熔炼炉（1）内的熔融溶液进行搅拌。
9. 根据权利要求8所述的一种发动机活塞上铝合金材料的制备工艺，其特征在于，在步骤S5中，所述覆盖剂的重量占整个熔融溶液重量的0 .09％-0 .15％；在步骤S6中，所述覆盖剂的重量占整个熔融溶液重量的0 .02％-0 .06％。
10. 根据权利要求9所述的一种发动机活塞上铝合金材料的制备工艺，其特征在于，在步骤S3中，所述高温除渣剂的重量占整个熔融溶液重量的0 .01％-0 .02％。
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