CN113802034B - 一种活塞用耐热铝合金、制备方法及性能 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种活塞用耐热铝合金、制备方法及性能。包括：配置原材料、制成薄片、制成合金粉末、烧结坯锭、制成半成品和制成活塞成品6个步骤。采用该工艺，可以显著提高铝基体中Si，Fe，Ni的掺杂量，同时使硅相在基体中以枝晶状均匀分布，且极大地提高了新型铝基活塞高温下的硬度和抗拉强度。
Description
技术领域
本发明属于金属材料领域，特别是发动机活塞用铝合金材料技术领域，具体为一种活塞用耐热铝合金、制备方法及性能。
背景技术
活塞是发动机的核心部件，需承受发动机高温、高压的工作环境，其性能对发动机的整体质量、寿命及安全运行起着决定性的作用。目前传统铸造铝合金的高温性能已经临近极限状态，不能满足长时间在高温环境中的使用需求，强度和性能会随着服役时间的延长而大幅度下降，从而限制了其应用范围。
金属模铸造是汽油发动机用铝硅合金活塞最主要的生产工艺，由于制造工艺的限制，硅含量及耐热性合金铁、镍等元素的添加量有限，因而其膨胀系数较高，耐热性能较差，严重制约了活塞性能的进一步提高。同时，由于铸造缺陷的存在，产品的品质管控难度相对较大，无法满足发展需求。
随着发动机性能的不断提高，共晶铝合金已难以满足现有的新能要求，过共晶铝合金的使用变得极为广泛。对于现有的活塞用过共晶过铝硅，其缺点是：合金比重较大，线膨胀系数较大，抗磨性及体积稳定性较低，不能作为较理想的活塞材料。其主要原因是未经变质处理的过共晶铝合金中存在粗大块状粗晶硅和粗大长针状共晶硅组织，使其基体割裂。
发明内容
鉴于目前的研究现状，经过长时间的研究和实践，通过改变铝硅合金的成分及含量，达到了降低其热膨胀系数，提高其耐热性能的目的。
为了解决上述问题，本发明采用的技术方案，在于提高活塞用铝合金中下列成分Si，Ni，Fe的含量。制备出机械性能、耐热性能好，膨胀系数低的活塞用铝硅合金材料。
本发明的特征：第一步确定活塞用铝硅合金原材料中各组分的含量，以重量百分比计设计的组成如下：
Si 19-20%，Ni4-5%，Fe3-4%，Cu 4-5%，Mg 4-5%，其余为Al。
本发明的特征：第二步确定活塞用铝硅合金的熔炼工艺，按以下步骤进行：
1）、将纯铝加热到660℃-680℃保温，待铝液半熔融状态时，将干燥好的其它组分加入铝液中，升温至700℃-720℃保温1h。
2）、将保温炉中的溶体通过导流管流入快速旋转的铜辊上，快速凝固成厚度为20-100μm的薄片。
3）、将10-15件薄片装入高能球磨机，转速280-320r，球磨6-8h，将快速凝固的薄片球磨成粉状，粒径为200目。
4）、利用放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering，SPS)，压强20-30MPa，温度520-550℃，保温5分钟，烧结成块。
5）在烧结好的块体中切取10mm*10mm*2mm块体用于成分测试，使用的仪器是电感耦合等离子光谱发生仪（ICP）。
6）将烧结好的块体放入马弗炉内，升温速度10℃/min，升温至430-480℃，保温1-2小时。
7）加热后的合金在锻机下进行锻造，变形量为12-15%。
8）初次锻造后的合金再次进行加热，升温速度10℃/min，升温至400-450℃，保温1-2小时。
9）对二次加热的合金进行锻造，变形量为10-12%，锻造完成。
10）热处理
a）、将锻坯放入马弗炉中在520-550℃固溶处理2-3h，进行水淬。
b）、固溶处理后的样品，在160-180℃时效处理3-4h，进行水淬。
本发明与现有技术相比，具有以下特点和优点：
1) 、相比于传统的铸造工艺，本发明总使用的快速凝固-甩带法可以显著提高铝基体中Si，Fe，Ni的掺杂量，同时使硅相在基体中以枝晶状均匀分布。
2）、本实验中使用的SPS烧结和设计的锻造、热处理工艺极大地提高了新型铝基活塞高温下的硬度和抗拉强度，其中在600℃条件下，硬度仍能保持在100HV左右，抗拉强度在室温条件下能保持在470-485Mpa范围内。
由本发明方法制造出来的活塞，其性能为：
在30-600℃条件下，硬度110~120HB。
在室温条件下，拉伸强度470~485Mpa。
-50-300℃条件下，热膨胀系数18~19×10-6/K。
该合金中硅的平均尺寸为20μm，为细晶硅和枝晶硅。
附图说明
图1是本发明的新型铝基活塞工艺图，样品主要有六种状态：原材料，薄片状，合金粉末，烧结坯锭，半成品，活塞成品。
图2表示快速凝固甩带法的工作原理，其中1表示熔炼坩埚，2表示金属液，3表示中间包，4表示铜辊，5表示样品回收容器。
图3表示快速凝固甩带法中间包的结构图，其中，图3的（a）是中间包的整体结构图，（b）是中间包导流管的细节图。
图4为锻造前合金坯锭的金相组织图。其中，图4的（a）水平连铸后的显微组织图，（b）热压烧结后的显微组织图，(c)SPS烧结后的显微组织图。
图5为不同活塞在不同温度下的硬度与拉伸强度对比图。其中，图5的（a）为硬度变化图，（b）为拉伸强度变化图。
具体实施方法
现结合附图详细说明本发明的技术细节。
一种活塞用耐热铝合金，由Si、Ni 、Fe、Cu、Mg、Al组成。其中，Ni含量不低于4.0%，Fe 含量不低于3.0%。
进一步说，本发明所述的一种活塞用耐热铝合金，具体成分为：Si 19-20.0%，Ni4-5.0%，Fe 3-4.0%，Cu 4-5.0%，Mg 4-5.0%，其余为Al。
参见图1，本发明所述的一种活塞用耐热铝合金的合成方法，按如下步骤进行：
步骤1：配置原材料。
步骤2：通过快速凝固-甩带法将原材料制成薄片。
步骤3：通过机械粉碎再球磨，将薄片制成合金粉末。
步骤4：采用SPS将合金粉末烧结坯锭。
步骤5：通过热锻法将烧结坯锭制成半成品。
步骤6：通过机械加工将半成品制成活塞成品。
进一步说，步骤1的具体步骤为：将纯铝加热到660℃-680℃保温，待铝液半熔融状态时，按照权2中成分比例要求，将干燥好的Si、Ni 、Fe、Cu、Mg加入铝液中，升温至700℃-720℃保温1h。前述混合物的质量百分比为：Si 19.0-20.0%，Ni 4.0-5.0%，Fe 3.0-4.0%，Cu4.0-5.0%，Mg 4.0-5.0%，其余为Al。其中Si元素用于与Al形成过共晶组织，降低热膨胀系数，微量元素Ni，Fe固溶到铝集体中用于提高缸套合金的耐热性。
进一步说，步骤2的具体步骤为：将保温炉中添加有Si、Ni 、Fe、Cu、Mg的铝液溶体通过导流管流入快速旋转的铜辊上，快速凝固成厚度为20-100μm的薄片。该薄片的成分为：Si 19-20.0%，Ni 4-5.0%，Fe 3-4.0%，Cu 4-5.0%，Mg 4-5.0%，其余为Al。此通过该工艺的方法能大限度的提高过共晶组织。图2为快速凝固甩带法的工作原理，其中1表示熔炼坩埚，2表示金属液，3表示中间包，4表示铜辊，5表示样品回收容器。图3为图2所示的快速凝固甩带法的“中间包”的结构图，其中，图3的（a）是中间包的整体结构图，（b）是中间包导流管的细节图。
进一步说，步骤3的具体步骤为：将步骤2获得薄片先进行机械粉碎，再装入高能球磨机，设定转速280-320r，球磨6-8h，将快速凝固的薄片球磨成粉状，粒径为200目。
进一步说，步骤4的具体步骤为：
步骤4.1：将由步骤3获得的合金粉末，利用放电等离子烧结成块。放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering，SPS)的设置为：压强20-30MPa，温度520-550℃。
步骤4.2：在烧结好的块体中切取10mm*10mm*2mm块体用于成分测试，使用的仪器是电感耦合等离子光谱发生仪（ICP）。
如果块体中的成分符合：Si 19.0-20.0%，Ni 4.0-5.0%，Fe 3.0-4.0%，Cu 4.0-5.0%，Mg 4.0-5.0%，其余为Al，则进入步骤4.3。
如成分不符合“Si 19.0-20.0%，Ni 4.0-5.0%，Fe 3.0-4.0%，Cu 4.0-5.0%，Mg4.0-5.0%，其余为Al”，则返回步骤1，向合金粉末中添加Si 、Ni 、Fe 、Cu、Mg或/和Al，确保成分符合“Si 19.0-20.0%，Ni 4.0-5.0%，Fe 3.0-4.0%，Cu 4.0-5.0%，Mg 4.0-5.0%，其余为Al”后再重新烧结。
步骤4.3：将由步骤4.1烧结好的块体放入马弗炉内热处理称为坯锭。参数设置为：升温速度10℃/min，升温至430-480℃，保温1-2小时。
进一步说，步骤5的具体步骤为：
步骤5.1：将由步骤4获得的坯锭在锻机下进行初次锻造，变形量为12-15%。
步骤5.2：将初次锻造后的合金再次进行加热，获得半成品。本阶段的参数设置为：升温速度10℃/min，升温至400-450℃，保温1-2小时。本阶段的加热称之为二次加热。
进一步说，步骤6的具体步骤为：
步骤6.1：对二次加热的合金/半成品进行锻造，变形量为10-12%，锻造完成。
步骤6.2：热处理：
a）、将锻坯放入马弗炉中在520-550℃固溶处理2-3h，进行水淬。
b）、固溶处理后的样品，在160-180℃时效处理3-4h，进行水淬，制成活塞成品。
采用本发明所述的一种活塞用耐热铝合金的合成方法的产品，其在30-600℃条件下，硬度110~120HB。室温条件下，拉伸强度在470~485Mpa范围内。在-50-300℃温度条件下，热膨胀系数为18~19×10-6/K。
本合金硅的平均尺寸为20μm，由细晶硅和细长的枝晶硅构成。枝晶硅呈细长形。
实施案例
新型Al基活塞的制备：
本实验所需要用到的是仪器有:快速凝固甩带机，高能球磨机，放电等离子烧结炉，感耦合等离子光谱发生仪，热模锻压力机，精加工车床。
使用的工艺按照图1所示进行：
首先将纯铝加热到660℃-680℃保温，待铝液半熔融状态时，将干燥好的其它组分加入铝液中，升温至700℃-720℃保温1h。然后将保温炉中的溶体通过导流管流入到快速旋转的铜辊上，快速凝固成厚度为20-100μm的薄片。接着将10-15件薄片装入高能球磨机，转速280-320r，球磨6-8h，将快速凝固的薄片球磨成粉状，粒径为200目，再利用放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering，SPS)，压强20-30MPa，温度520-550℃，保温5分钟，烧结成块，在烧结好的块体中切取10mm*10mm*2mm块体用于成分测试，使用的仪器是电感耦合等离子光谱发生仪（ICP），紧接着将烧结好的块体放入马弗炉内，升温速度10℃/min，升温至430-480℃，保温1-2小时。加热后的合金在锻机下进行锻造，变形量为12-15%。初次锻造后的合金再次进行加热，升温速度10℃/min，升温至400-450℃，保温1-2小时。对二次加热的合金进行锻造，变形量为10-12%，锻造完成。最后将锻坯放入马弗炉中在520-550℃固溶处理2-3h，进行水淬，固溶处理后的样品，在160-180℃时效处理3-4h，进行水淬。
其中中间包的结构和导流管细节如图3所示，SPS烧结后的显微组织如图4所示，图4的（a）水平连铸后的显微组织图，（b）热压烧结后的显微组织图，(c)SPS烧结后的显微组织图。由图4可知基体中的硅相呈枝晶状分布，与Al基体有更大的相容性。ICP测试获得的成分数据在设定的范围内。对如处理后的半成品活塞进行显微硬度的测试，并按照国标的要求测试其拉伸性能，获得不同温度下的的硬度与拉伸强度的数值如图5所示（图5的（a）为硬度变化图，（b）为拉伸强度变化图）。
表1为本发明与传统锻造2618活塞和传统锻造Al-Si活塞的性能对比。
表1
由上表可见：本发明的新型锻造活塞材质的硬度随温度的增加没有明显的变化，抗拉强度随温度的变化降幅下。
Claims (8)
1.一种活塞用耐热铝合金，其特征在于：Si 19-20.0%，Ni 4-5.0%，Fe 3-4.0%，Cu 4-5.0%，Mg 4-5.0%，其余为Al；
本合金在30-600℃条件下，硬度为100~110HB；室温下的拉伸强度为470~485Mpa；-50-300℃条件下的热膨胀系数为18~19×10-6/K；
本合金硅的平均尺寸为20μm，由细晶硅和细长的枝晶硅构成；枝晶硅呈细长形。
2.根据权利要求1所述的一种活塞用耐热铝合金的制备方法，其特征在于：按如下步骤进行：
步骤1：配置原材料；
步骤2：通过快速凝固-甩带法将原材料制成薄片；
步骤3：通过机械粉碎再球磨，将薄片制成合金粉末；
步骤4：采用SPS将合金粉末烧结坯锭；
步骤5：通过热锻法将烧结坯锭制成半成品；
步骤6：通过机械加工将半成品制成活塞成品。
3.根据权利要求2所述的一种活塞用耐热铝合金的制备方法，其特征在于：步骤1的具体步骤为：将纯铝加热到660℃-680℃保温，待铝液半熔融状态时，将干燥的Si、Ni 、Fe、Cu、Mg加入铝液中，升温至700℃-720℃保温1h；获得混合物的质量百分比为：Si 19.0-20.0%，Ni 4.0-5.0%，Fe 3.0-4.0%，Cu 4.0-5.0%，Mg 4.0-5.0%，其余为Al。
4.根据权利要求2所述的一种活塞用耐热铝合金的合成方法，其特征在于：步骤2的具体步骤为：将保温炉中添加有Si、Ni 、Fe、Cu、Mg的铝液溶体通过导流管流入快速旋转的铜辊上，快速凝固成厚度为20-100μm的薄片；该薄片的成分为：Si 19-20.0%，Ni 4-5.0%，Fe3-4.0%，Cu 4-5.0%，Mg 4-5.0%，其余为Al。
5.根据权利要求2所述的一种活塞用耐热铝合金的制备方法，其特征在于：步骤3的具体步骤为：将步骤2获得薄片先进行机械粉碎，再装入高能球磨机，设定转速280-320r，球磨6-8h，将快速凝固的薄片球磨成粉状，粒径为200目。
6.根据权利要求2所述的一种活塞用耐热铝合金的制备方法，其特征在于：步骤4的具体步骤为：
步骤4.1：将由步骤3获得的合金粉末，利用放电等离子烧结成块；放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering，SPS)的设置为：压强20-30MPa，温度520-550℃；
步骤4.2：在烧结好的块体中切取10mm*10mm*2mm块体用于成分测试，使用的仪器是电感耦合等离子光谱发生仪（ICP）；
如果块体中的成分符合：Si 19.0-20.0%，Ni 4.0-5.0%，Fe 3.0-4.0%，Cu 4.0-5.0%，Mg4.0-5.0%，其余为Al，则进入步骤4.3；
如成分不符合“Si 19.0-20.0%，Ni 4.0-5.0%，Fe 3.0-4.0%，Cu 4.0-5.0%，Mg 4.0-5.0%，其余为Al”，则返回步骤1，向合金粉末中添加Si 、Ni 、Fe 、Cu、Mg或/和Al，确保成分符合“Si 19.0-20.0%，Ni 4.0-5.0%，Fe 3.0-4.0%，Cu 4.0-5.0%，Mg 4.0-5.0%，其余为Al”后再重新烧结；
步骤4.3：将由步骤4.1烧结好的块体放入马弗炉内热处理称为坯锭；参数设置为：升温速度10℃/min，升温至430-480℃，保温1-2小时。
7.根据权利要求2所述的一种活塞用耐热铝合金的制备方法，其特征在于：步骤5的具体步骤为：
步骤5.1：将由步骤4获得的坯锭在锻机下进行初次锻造，变形量为12-15%；
步骤5.2：将初次锻造后的合金再次进行加热，获得半成品；本阶段的参数设置为：升温速度10℃/min，升温至400-450℃，保温1-2小时；本阶段的加热称之为二次加热。
8.根据权利要求2所述的一种活塞用耐热铝合金的制备方法，其特征在于：步骤6的具体步骤为：
步骤6.1：对二次加热的合金/半成品进行锻造，变形量为10-12%，锻造完成；
步骤6.2：热处理：
a）、将锻坯放入马弗炉中在520-550℃固溶处理2-3h，进行水淬；
b）、固溶处理后的样品，在160-180℃时效处理3-4h，进行水淬，制成活塞成品。
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