CN113957429A

CN113957429A - 一种活塞用铝合金制备及其强化方法

Info

Publication number: CN113957429A
Application number: CN202111057424.8A
Authority: CN
Inventors: 温志高; 彭明诚; 张国栋; 何光驰; 谢成明; 郑飞; 龚卓
Original assignee: CHENGDU GALAXY POWER CO LTD
Current assignee: CHENGDU GALAXY POWER CO LTD
Priority date: 2021-09-09
Filing date: 2021-09-09
Publication date: 2022-01-21

Abstract

本发明提供一种活塞用铝合金制备及其强化方法，涉及铝合金改性技术领域。该活塞用铝合金制备及其强化方法包括以下步骤，熔炼铸造铝合金；向铝合金熔体中加入中间合金变质剂并精炼；将铝合金熔体浇铸于事先预热的模具之中；从模具之中取出铸件并进行冷却；去除铸件表面的氧化皮和油污；称量纯Al粉和Nb‑Fe粉；将纯Al粉和Nb‑Fe粉配置成合金粉末并混合均匀使用烘干箱将合金粉末进行干燥；采用等离子焊机在铸件表面制备熔覆层；清理熔覆层表面并打磨平整。本发明既能使铝合金整体得到强化，又能使铝合金表面局部得到强化，解决了现有的活塞铝合金强度不满足严苛使用要求的技术问题。

Description

一种活塞用铝合金制备及其强化方法

技术领域

本发明涉及铝合金改性技术领域，具体涉及一种活塞用铝合金制备及其强化方法。

背景技术

铝及铝合金具有轻量性、耐蚀性、易成形性、高比强度、易回收性、高导电性和高导热性等诸多优良的特性，因此被广泛运用于建筑、汽车、飞机、船舶、国防工业等各个行业。含Cu、Ni、Mg等合金元素的多元Al-Si系合金由于拥有良好的铸造性能和较小的线膨胀系数，同时金属间强化相的存在使合金的硬度和强度提高，耐磨性和耐蚀性表现较好。这类合金满足材料对密度、高温疲劳强度、热膨胀系数、导热性、耐热性和耐磨性的要求，常用于内燃机活塞等轻质高强零部件的制造。

活塞是内燃发动机部件中工作环境最恶劣、结构复杂的运动部件，主要作用是承受汽缸中的燃烧压力，并将此力通过活塞销和连杆传给曲轴。由于活塞直接与高温高压燃气相接触，承受较大的热负荷和机械负荷。同时，发动机功率和扭矩不断增大，导致的燃烧室压力和温度大幅升高，活塞需要承受较高的热机械载荷，对活塞的强度提出了更高的要求。目前铝合金活塞一般采用铸造方式生产，由于凝固过程中冷却速度较慢，组织中存在较大的块状初晶硅组织和呈杆状分布的共晶硅组织。虽然现有的变质工艺能改善活塞合金组织，但是与锻压态相比铸造状态下组织仍然较粗大，仅仅依靠铸造过程中的组织调控获得的性能提升不能满足日趋严苛的使用要求。材料的表面往往是受负载最大的部位，失效也主要从表面开始，因此对表面进行强化处理有助于提高零部件的使用寿命。

在专利CN201511019701.0中，公开了一种铝合金表面等离子体扩渗强化的方法，该专利涉及表面等离子体扩渗强化的方法。该专利要解决现有铝合金表面硬度低，耐磨性差的问题。方法：一、铝合金表面预处理；二、铝合金表面预置扩渗合金元素；三、等离子体扩渗，即完成一种铝合金表面等离子体扩渗强化的方法。该专利用于铝合金表面等离子体扩渗强化的方法。

在专利CN201611063059.0中，公开了一种高强度耐腐蚀铝合金型材及其制备方法，该铝合金型材包括铝合金基体和陶瓷涂层，铝合金基体的原料包括：Cu、Si、Fe、Cr、Mg、Mn、Zn、Ti、Li、Ni、Zr、Y、W、V，其余为Al；陶瓷涂层的原料包括：SiC、Cr₂O₃、NiO、Cr₃C₂、Al₂O₃、Si₃N₄。该专利提出的高强度耐腐蚀铝合金型材，将陶瓷粉末等离子熔覆在铝合金基体表面，再经激光重熔，使得到的铝合金型材具有良好的强度、硬度、抗冲击韧性等力学性能，同时也具有耐腐蚀性与耐磨性好、使用寿命长等优点。

在专利CN200710056687.0中，公开了一种激光熔覆铝合金表面强化方法，它包括：1.铝合金基材表面前处理：2.激光熔覆材料配制；配方是体积比为1∶(4～2)的Al-Si合金粉末和SiC陶瓷粉末；Al-Si合金的Si含量为10～15(wt％)，粒度为-140～+325；SiC粒度为-200；3.熔覆准备：将混均的熔覆材料用水玻璃调成糊状，涂覆在铝合金基材表面，厚度为0.8～1.2mm，并烘干，温度为100～150℃，时间为0.5～2h；4.激光熔覆工艺：采用激光波长为10.6μm的横流CO2激光器照射铝合金基材表面上的涂层，激光输出功率P＝3～4kW，光束扫描速度V＝2～5mm/s，光斑尺寸D＝1～4mm；在激光熔覆过程中采用高纯氩气对熔池进行保护，氩气的流量为20～30L/min。该专利公开的方法加工后可在铝合金基材上获得表面质量良好、内部无气孔、无裂纹、高硬度和高耐磨性能的强化涂层。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种活塞用铝合金制备及其强化方法。本发明在强化铝合金的同时不改变活塞铝合金的基本化学成分和铸造成形工艺，不影响材料原有的物理性能，既能使铝合金整体得到强化，又能使铝合金表面局部得到强化；熔覆合金粉末以Al作为主要元素保证与基体的结合，Nb作为硬质强化相来源，Fe作为强化相来源的同时降低熔点促进合金粉末熔化；制备熔覆层操作简单，材料利用率高且易于实现，保证熔覆层成形良好；通过形成高熔点、低密度的铝化物提高合金的耐高温性能，解决了现有的活塞铝合金强度不满足严苛使用要求的技术问题。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

本发明提供了一种活塞用铝合金制备及其强化方法，包括以下步骤：

S1、熔炼铸造铝合金；

S2、向铝合金熔体中加入中间合金变质剂并进行精炼；

S3、将铝合金熔体浇铸于事先预热的模具之中；

S4、从模具之中取出铸件并进行冷却；

S5、去除铸件表面的氧化皮和油污；

S6、称量纯Al粉和Nb-Fe粉；

S7、将纯Al粉和Nb-Fe粉配置成合金粉末并混合均匀，使用烘干箱将合金粉末进行干燥；

S8、采用等离子焊机在铸件表面制备熔覆层；

S9、清理熔覆层表面并打磨平整。

可选或优选地，所述铸造铝合金的成分为：Si：10.0～15.0wt.％，Cu：1.0～5.0wt.％，Ni：1.0～4.0wt.％，Mg：0.5～3wt.％，Fe：0～1.0wt.％，Mn：0～0.8wt.％，Al：余量。

可选或优选地，所述铸造铝合金称量后置于中频炉中升温至800℃熔化，得到800g铝合金熔体，转入保温炉中后，向铝合金熔体底部通入5min氩气精炼除气，搅拌并扒渣。

可选或优选地，所述中间合金变质剂为Al-Sr中间合金变质剂，Sr所占成分为0.02～0.10wt.％中间合金变质剂。

可选或优选地，将Al-Sr中间合金变质剂加入铝合金熔体后，充分搅拌，并再次通入氩气精炼除气，调节炉温降温到750℃并保温15min。

可选或优选地，所述铝合金铸造模具的预热温度为250-300℃。

可选或优选地，所述氧化皮采用打磨去除，所述油污使用丙酮清洗去除。

可选或优选地，所述合金粉末成分为Al粉：60～90wt.％，Nb-Fe粉：10～40wt.％。

可选或优选地，所述Nb-Fe粉成分为Nb：50～70wt.％，Fe：30～50wt.％。

可选或优选地，所述烘干箱为真空干燥箱，干燥温度为50～80℃。

可选或优选地，所述制备熔覆层时的合金粉末的送粉方式为同步送粉。

可选或优选地，所述制备熔覆层时的工艺参数为离子气流量2～6L/min，保护气流量10～12L/min，送粉气流量8～12L/min，送粉速率30～60g/min，电流150～180A。

基于上述技术方案，可产生如下技术效果：

(1)本发明在强化铝合金的同时不会改变活塞铝合金的基本化学成分和铸造成形工艺，不会影响材料原有的物理性能，如：体积稳定性；

(2)本发明首先通过变质处理对铸造组织进行调控，随后再通过在表面制备熔覆对表面进行强化，从整体和局部两方面对活塞铝合金进行了全面的强化；

(3)本发明的熔覆合金粉末以Al为主合金元素，以保证熔覆层与基体形成良好的冶金结合，合金粉末中加入一定的Fe元素以降低合金粉末的熔点，促使高熔点元素Nb能充分熔化；

(4)本发明在制备表面熔覆层时采用等离子堆焊方式，该方式设备与工艺成熟，操作简单，采用同步送粉方式，材料利用率高、可控性好，易于自动化加工；

(5)本发明在等离子熔覆时采用较小的离子气流量与合适的电流，以减小等离子气对铝基体的扰动，保证熔覆层成形良好；

(6)本发明提供的方法使Nb与Al形成的铝化物具有优良的高温强度、高熔点和低密度等优点，有利于提高活塞铝合金的耐高温性能，延长服役寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例3中熔覆层的X射线衍射图谱；

图2为本发明实施例3中熔覆层在扫描电镜下的显微组织；

图3为本发明实施例3中熔覆层显微硬度分布图；

图4为本发明实施例4中熔覆层的X射线衍射图谱；

图5为本发明实施例4中熔覆层在扫描电镜下的显微组织；

图6为本发明实施例4中熔覆层显微硬度分布图。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

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，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

本实施例提供的一种活塞用铝合金制备及其强化方法，包括以下步骤：

S1、熔炼铸造铝合金；

所述铸造铝合金称量后置于中频炉中升温至800℃熔化，得到800g铝合金熔体，转入保温炉中后，向铝合金熔体底部通入5min氩气精炼除气，搅拌并扒渣。

所选铸造铝合金的成分如表1。

表1铸造铝合金的成分

元素

Si(wt.％)

Cu(wt.％)

Ni(wt.％)

Mg(wt.％)

Fe(wt.％)

Mn(wt.％)

Al

成分

10

1.0

1.1

0.5

0.1

0.2

余量

S2、向铝合金熔体中加入中间合金变质剂并进行精炼；

所述中间合金变质剂为3.2g的Al-Sr，Sr所占成分为0.02wt.％中间合金变质剂；

将Al-Sr中间合金变质剂加入铝合金熔体后，充分搅拌，并再次通入氩气精炼除气，调节炉温降温到750℃并保温15min。

S3、将铝合金熔体浇铸于预热温度为250℃的模具之中。

S4、从模具之中取出铸件并进行冷却。

S5、采取打磨方式去除铸件表面的氧化皮，使用丙酮清洗去除铸件表面油污。

S6、称量纯Al粉40g和Nb-Fe粉10g；

所述Nb-Fe粉成分为Nb：50wt.％，Fe：50wt.％。

S7、将纯Al粉40g和Nb-Fe粉10g配置成合金粉末并混合均匀，使用真空干燥箱中在50℃下将合金粉末干燥2h。

S8、采用等离子焊机在铸件表面制备熔覆层；

熔覆层单道长约60mm，由纯Al粉40g和Nb-Fe粉10g配置成的合金粉末采用送粉装置通过气路系统实现同步送粉，工艺参数为：离子气流量2L/min，保护气流量12L/min，送粉气流量8L/min，送粉速率30g/min，电流150A。

S9、清理熔覆层表面并打磨平整。

采用光学显微镜观察变质前后的铸造组织，用截距法测量平均二次枝晶间距，发现经过Al-Sr变质后的组织明显细化，平均二次枝晶间距从20.7μm下降到18.6μm。

采用万能试验机测量铸件的力学性能，发现抗拉强度从183.1MPa提高到230.4MPa，铝合金整体得到强化。

实施例2：

S1、熔炼铸造铝合金；

所选铸造铝合金的成分如表2。

表2铸造铝合金的成分

元素

Si(wt.％)

Cu(wt.％)

Ni(wt.％)

Mg(wt.％)

Fe(wt.％)

Mn(wt.％)

Al

成分

15

5.0

4.0

2.9

1.0

0.8

余量

S2、向铝合金熔体中加入中间合金变质剂并进行精炼；

所述中间合金变质剂为4.8g的Al-Sr，Sr所占成分为0.10wt.％中间合金变质剂；

S3、将铝合金熔体浇铸于预热温度为300℃的模具之中；

S4、从模具之中取出铸件并进行冷却；

S5、采取打磨方式去除铸件表面的氧化皮，使用丙酮清洗去除铸件表面油污；

S6、称量纯Al粉35g和Nb-Fe粉15g；

所述Nb-Fe粉成分为Nb：70wt.％，Fe：30wt.％。

S7、将纯Al粉35g和Nb-Fe粉15g配置成合金粉末并混合均匀，使用真空干燥箱中在80℃下将合金粉末干燥2h。

S8、采用等离子焊机在铸件表面制备熔覆层；

熔覆层单道长约60mm，由纯Al粉35g和Nb-Fe粉15g配置成的合金粉末采用送粉装置通过气路系统实现同步送粉，工艺参数为：离子气流量6L/min，保护气流量10L/min，送粉气流量8L/min，送粉速率30g/min，电流180A。

S9、清理熔覆层表面并打磨平整。

采用光学显微镜观察变质前后的铸造组织，用截距法测量平均二次枝晶间距，发现经过Al-Sr变质后组织明显细化，平均二次枝晶间距从20.7μm下降到17.9μm。

采用万能试验机测量铸件的力学性能，发现抗拉强度从183.1MPa提高到236.8MPa，铝合金整体得到强化。

实施例3：

S1、熔炼铸造铝合金；

所选铸造铝合金的成分如表1。

表1铸造铝合金的成分

元素

Si(wt.％)

Cu(wt.％)

Ni(wt.％)

Mg(wt.％)

Fe(wt.％)

Mn(wt.％)

Al

成分

12.9

3.4

2.1

1.1

0.5

0.2

余量

S2、向铝合金熔体中加入中间合金变质剂并进行精炼；

所述中间合金变质剂为3.2g的Al-Sr，Sr所占成分为0.04wt.％中间合金变质剂；

S3、将铝合金熔体浇铸于预热温度为250℃的模具之中。

S4、从模具之中取出铸件并进行冷却。

S6、称量纯Al粉40g和Nb-Fe粉10g；

所述Nb-Fe粉成分为Nb：60wt.％，Fe：40wt.％。

S8、采用等离子焊机在铸件表面制备熔覆层；

熔覆层单道长约60mm，由纯Al粉40g和Nb-Fe粉10g配置成的合金粉末采用送粉装置通过气路系统实现同步送粉，工艺参数为：离子气流量3L/min，保护气流量12L/min，送粉气流量9L/min，送粉速率40g/min，电流160A。

S9、清理熔覆层表面并打磨平整。

采用光学显微镜观察变质前后的铸造组织，用截距法测量平均二次枝晶间距，发现经过Al-Sr变质后的组织明显细化，平均二次枝晶间距从20.7μm下降到15.9μm。

采用万能试验机测量铸件的力学性能，发现抗拉强度从183.1MPa提高到244.4MPa，铝合金整体得到强化。

采用X射线衍射表征熔覆层的物相组成，如图1所示，其物相主要由α-Al、Al₃Nb和Al₁₃Fe₄组成，未检测到单质Nb，说明合金粉末充分熔化。

采用扫描电子显微镜分析制备的熔覆层显微组织，如图2所示，可观察到亮白色条状、颗粒状相的Al₃Nb和灰色板条状相的Al₁₃Fe₄，均匀分散于熔覆层中。

采用维氏显微硬度计沿垂直于熔合线方向测量显微硬度，如图3所示，测得基体的平均硬度为97.2HV，熔覆层的平均硬度为157.6HV，硬度明显提高，铝合金局部得到了强化。

实施例4：

S1、熔炼铸造铝合金；

所选铸造铝合金的成分如表2。

表2铸造铝合金的成分

元素

Si(wt.％)

Cu(wt.％)

Ni(wt.％)

Mg(wt.％)

Fe(wt.％)

Mn(wt.％)

Al

成分

12.9

3.4

2.1

1.1

0.5

0.2

余量

S2、向铝合金熔体中加入中间合金变质剂并进行精炼；

所述中间合金变质剂为4.8g的Al-Sr，Sr所占成分为0.06wt.％中间合金变质剂；

S3、将铝合金熔体浇铸于预热温度为300℃的模具之中；

S4、从模具之中取出铸件并进行冷却；

S6、称量纯Al粉35g和Nb-Fe粉15g；

所述Nb-Fe粉成分为Nb：60wt.％，Fe：40wt.％。

S8、采用等离子焊机在铸件表面制备熔覆层；

熔覆层单道长约60mm，由纯Al粉35g和Nb-Fe粉15g配置成的合金粉末采用送粉装置通过气路系统实现同步送粉，工艺参数为：离子气流量3L/min，保护气流量12L/min，送粉气流量9L/min，送粉速率40g/min，电流160A。

S9、清理熔覆层表面并打磨平整。

采用光学显微镜观察变质前后的铸造组织，用截距法测量平均二次枝晶间距，发现经过Al-Sr变质后组织明显细化，平均二次枝晶间距从20.7μm下降到17.1μm。

采用万能试验机测量铸件的力学性能，发现抗拉强度从183.1MPa提高到238.8MPa，铝合金整体得到强化。

采用X射线衍射表征熔覆层的物相组成，如图4所示，其物相主要由α-Al、Al₃Nb和Al₁₃Fe₄组成，未检测到单质Nb，说明合金粉末充分熔化。

采用扫描电子显微镜分析制备的等离子熔覆层显微组织，如图5所示，可观察到亮白色条状、颗粒状相的Al₃Nb和灰色板条状相的Al₁₃Fe₄，且可以观察到颗粒状的Al₃Nb在板条状的Al₁₃Fe₄上形成，产生了一定的分割和钉扎作用。

采用维氏显微硬度计沿垂直于熔合线方向测量显微硬度，如图6所示，测得基体的平均硬度为102.0HV，熔覆层的平均硬度为179.6HV，硬度明显提高，铝合金局部得到了强化。

以上所述仅是本发明的优选实施例，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，本发明所述实施例不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种活塞用铝合金制备及其强化方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、熔炼铸造铝合金；

S2、向铝合金熔体中加入中间合金变质剂并进行精炼；

S3、将铝合金熔体浇铸于事先预热的模具之中；

S4、从模具之中取出铸件并进行冷却；

S5、去除铸件表面的氧化皮和油污；

S6、称量纯Al粉和Nb-Fe粉；

S8、采用等离子焊机在铸件表面制备熔覆层；

S9、清理熔覆层表面并打磨平整。

2.根据权利要求1所述的一种活塞用铝合金制备及其强化方法，其特征在于：所述铸造铝合金的成分为：Si：10.0~15.0 wt.%，Cu：1.0~5.0 wt.%，Ni：1.0~4.0 wt.%，Mg：0.5~3wt.%，Fe：0~1.0 wt.%，Mn：0~0.8 wt.%，Al：余量。

3.根据权利要求1所述的一种活塞用铝合金制备及其强化方法，其特征在于：所述中间合金变质剂为Al-Sr中间合金变质剂，Sr所占成分为0.02~0.10 wt.% 中间合金变质剂。

4.根据权利要求1所述的一种活塞用铝合金制备及其强化方法，其特征在于：所述合金粉末成分为Al粉：60~90 wt.%，Nb-Fe粉：10~40 wt.%。

5.根据权利要求1所述的一种活塞用铝合金制备及其强化方法，其特征在于：所述Nb-Fe粉成分为Nb：50~70 wt.%，Fe：30~50 wt.%。

6.根据权利要求1所述的一种活塞用铝合金制备及其强化方法，其特征在于：所述烘干箱为真空干燥箱，干燥温度为50~80℃。

7.根据权利要求1所述的一种活塞用铝合金制备及其强化方法，其特征在于：所述制备熔覆层时的送粉方式为同步送粉。

8.根据权利要求1所述的一种活塞用铝合金制备及其强化方法，其特征在于：所述制备熔覆层时的工艺参数为离子气流量2~6 L/min，保护气流量10~12 L/min，送粉气流量8~12L/min，送粉速率30~60g/min，电流150~180A。