CN114892047A - 一种新型内燃机铝活塞材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种新型内燃机铝活塞材料，包括以下质量百分比的化学成分：Si：12～13.5％；Cu：4.0～6.0％；Mn：0.1～0.3％；Mg：0.5～1.2％；Ni：1.8～3.0％；Ti：0.02～0.15％；余量为Al。本发明通过增加铝合金中Cu、Ni元素含量占比来提高铝合金活塞材料的韧性和耐高温性能，增加活塞的负荷能力。通过增加的Cu元素含量可产生明显的强化效果，可降低线膨胀系数。Cu元素在铝合金中形成Al‑Si‑Cu合金，通过固溶强化和析出中间相(Al2Cu)化合物增强合金硬度，提高合金的耐热强度。通过增加的Ni元素在铝合金中形成NiAl3等化合物，提高铝合金的高温强度金额体积、尺寸稳定性，同时使Fe的化合物变成块状的倾向，即降低杂质Fe的有害元素；增加的Ni元素与Cu元素相配合，热强化效果更佳，降低膨胀系数作用更佳。

Description

一种新型内燃机铝活塞材料及其制备方法
技术领域
本发明属于内燃机铝活塞材料技术领域，特别涉及一种新型内燃机铝活塞材料及其制备方法。
背景技术
近年来，节能减排逐渐成为发动机行业的技术趋势，发动机正朝着大功率、低油耗、低排放、高转速、高增压的方向发展。发动机性能的提高使得活塞的负荷显著增加，因而对活塞性能尤其是高温性能提出了更高的要求，活塞材料则首当其冲。活塞材料研发的水平高低，可体现一个活塞企业是否真正具有核心竞争力。
目前，市场上常用的铝活塞材料有：ZL109/HT122A(ZL109G)、HT135(相当于M142)，可以满足一般大功率发动机活塞的需要。但是，对于最高燃爆压达到18Mpa级别的高增压发动机目前尚无可合适的铝活塞材料应用。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提供了一种新型内燃机铝活塞材料及其制备方法，具体技术方案如下：
一种新型内燃机铝活塞材料，包括以下质量百分比的化学成分：Si：12～13.5％；Cu：4.0～6.0％；Mn：0.1～0.3％；Mg：0.5～1.2％；Ni：1.8～3.0％；Ti：0.02～0.15％；余量为Al。
优选地，其中：Si：13％；Cu：5.0％；Mn：0.15％；Mg：0.75％；Ni：2.6％；Ti：0.06％；Al：78.44％。
一种新型内燃机铝活塞材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：将铝活塞材料的原料投入到电阻保温炉中，待熔化成铝水后，温度控制在不低于750℃；
步骤S2：向步骤S1的铝水中加入占原料总量为0.2％的清渣剂，用钟罩压入液面以下，反应2～3分钟后，提出钟罩，用捞篱充分搅拌铝液，再捞去浮渣；
步骤S3：向步骤S2的铝液中加入占原料总量为0.4％的变质剂，用钟罩压入液面以下，反应13～15分钟后，提出钟罩；
步骤S4：待步骤S3的变质作业完成后，再加入占原料总量为0.3％的精炼剂，用钟罩压入液面以下，反应8～10分钟，提出钟罩；
步骤S5：采用除气机对步骤S4的铝液做8～10分钟除气作业，用气量为：15L/min；待除气完成后，在液面上撒上占原料总量为0.04％的的清渣剂静置10分钟。
步骤S6：继续降温至750℃～780℃，浇注铝活塞毛坯；
步骤S7：浇注完毕后，对步骤S6的铝活塞毛坯进行热处理。
优选地，步骤S2至S4中钟罩距离坩埚底均为10厘米。
优选地，所述变质剂为复合磷盐。
本发明的有益效果是：
本发明通过增加铝合金中Cu、Ni元素含量占比来提高铝合金活塞材料的韧性和耐高温性能，增加活塞的负荷能力；
通过增加的Cu元素含量可产生明显的强化效果，可降低线膨胀系数。Cu元素在铝合金中形成Al-Si-Cu合金，通过固溶强化和析出中间相(Al2Cu)化合物增强合金硬度，提高合金的耐热强度。这些化合物在固溶体的基体或晶粒边界上析出来，起沉淀强化作用，Cu元素可提高铝硅合金的常温和高温性能，最大控制量在4％和6％中间，低于4％对线性膨胀系数没有影响，超过6％只有在低温下可降低膨胀系数。
通过增加的Ni元素在铝合金中形成NiAl3等化合物，提高铝合金的高温强度金额体积、尺寸稳定性，同时使Fe的化合物变成块状的倾向，即降低杂质Fe的有害元素；增加的Ni元素与Cu元素相配合，热强化效果更佳，降低膨胀系数作用更佳。
附图说明
图1示出了本发明铝活塞材料的100倍金相图片；
图2示出了本发明铝活塞材料的500倍金相图片。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种新型内燃机铝活塞材料，包括以下质量百分比的化学成分：Si：12～13.5％；Cu：4.0～6.0％；Mn：0.1～0.3％；Mg：0.5～1.2％；Ni：1.8～3.0％；Ti：0.02～0.15％；余量为Al。
实施例：
一种新型内燃机铝活塞材料，其原料按照总量250Kg计，其中：Si占32.5Kg；Cu占12.5Kg；Mn占0.375Kg；Mg占1.875Kg；Ni占6.5Kg；Ti占0.15Kg；Al占196.1Kg。
一种新型内燃机铝活塞材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1：将铝活塞材料的原料(合计250Kg)投入到电阻保温炉中，待熔化成铝水后，温度控制在不低于750℃；
步骤S2：向步骤S1的铝水中加入0.5Kg的清渣剂，用钟罩压入液面以下，反应2～3分钟后，提出钟罩，用捞篱充分搅拌铝液，再捞去浮渣；
步骤S3：向步骤S2的铝液中加入1Kg的变质剂，用钟罩压入液面以下，反应13～15分钟后，提出钟罩；
步骤S4：待步骤S3的变质作业完成后，再加入0.75Kg的精炼剂，用钟罩压入液面以下，反应8～10分钟，提出钟罩；
步骤S5：采用除气机对步骤S4的铝液做8～10分钟除气作业，用气量为：15L/min；待除气完成后，在液面上撒上0.1Kg的的清渣剂静置10分钟。
步骤S6：继续降温至750℃～780℃，浇注铝活塞毛坯；
步骤S7：浇注完毕后，对步骤S6的铝活塞毛坯进行热处理。
优选地，步骤S2至S4中钟罩距离坩埚底均为10厘米。
优选地，所述变质剂为复合磷盐。
性能评价：
(1)铝水化验对比
将上述方法制备的取样块一侧面精车后，转送理化室化学元素检查(直通式光谱检测仪)，对比成分分析主要元素如下表1所示：
表1本发明实施例制备的铝水化验对比
Figure BDA0003634803030000041
(2)铝活塞材料金相图片
如图1和2可知，本发明实施例制备的铝活塞材料，其固溶体细小，共晶硅呈短条状，部分呈西小块状，初晶硅(边长≦0.03mm)呈小块状，分布均匀，金相等级1级。
(3)铝活塞材料金属冲击韧性试验
该材料金属冲击韧性试验具体参考GB/T 34556-2017铝基符合材料冲击试验方法，该试验结果如下表2所示：
(备注：在试验过程中，冲击时，由于试样缺口根部形成高度应力集中，为保证尺寸精准，缺口应采用铣削、磨削或专用的拉床加工，要求缺口底部光滑，无平行于缺口轴线的刻痕。试验的制备应避免由于加工硬化或过热而影响其冲击性能。用专用对中块，按下图使试样贴紧支座安放，缺口处于受拉面，并使缺口对称面位于两支座对称面上，其偏差不应大于0.5mm。)
表2本发明实施例制备的铝活塞材料HT136与现有技术的铝活塞材料ZL109两者冲击韧性结果对比
分类 第一组 第二组 第三组
现有的ZL109 65.2J/cm<sup>2</sup> 64.7J/cm<sup>2</sup> 68.1J/cm<sup>2</sup>
本发明HT136 78.3J/cm<sup>2</sup> 75.7J/cm<sup>2</sup> 77.6J/cm<sup>2</sup>
结果：由表2可知，与现有技术的铝活塞材料ZL109相比，本发明的实施例制备的铝活塞材料HT136具有更高的韧性。
(4)铝活塞材料耐高温性能试验
参照大连有色金属铸造厂《内燃机活塞的体积稳定性》的体稳试验，试验温度：250±5℃；时间：5H，测量活塞冷却后的外径，并结合活塞加热前的外径，得出活塞加热前后体积变化量，该试验结果如下表3所示：表3本发明实施例的HT136铝合金材料铸造的活塞与现有技术的ZL109铝合金材料铸造的活塞加热前后的体积变化对比
分类 第一组 第二组 第三组
ZL109活塞 0.028％ 0.028％ 0.029％
HT136活塞 0.022％ 0.023％ 0.020％
结果：由表3可知，与现有技术的ZL109铝合金材料铸造加工的活塞相比，可以看出使用本发明实施例HT136铝合金材料铸造加工的活塞具有更好的体积稳定性，具有更强的耐高温性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种新型内燃机铝活塞材料，其特征在于，包括以下质量百分比的化学成分：Si：12～13.5％；Cu：4.0～6.0％；Mn：0.1～0.3％；Mg：0.5～1.2％；Ni：1.8～3.0％；Ti：0.02～0.15％；余量为Al。
2.根据权利要求1所述的一种新型内燃机铝活塞材料，其特征在于，其中：Si：13％；Cu：5.0％；Mn：0.15％；Mg：0.75％；Ni：2.6％；Ti：0.06％；Al：78.44％。
3.根据权利要求1～2中任一项所述的一种新型内燃机铝活塞材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤S1：将铝活塞材料的原料投入到电阻保温炉中，待熔化成铝水后，温度控制在不低于750℃；
步骤S2：向步骤S1的铝水中加入占原料总量为0.2％的清渣剂，用钟罩压入液面以下，反应2～3分钟后，提出钟罩，用捞篱充分搅拌铝液，再捞去浮渣；
步骤S3：向步骤S2的铝液中加入占原料总量为0.4％的变质剂，用钟罩压入液面以下，反应13～15分钟后，提出钟罩；
步骤S4：待步骤S3的变质作业完成后，再加入占原料总量为0.3％的精炼剂，用钟罩压入液面以下，反应8～10分钟，提出钟罩；
步骤S5：采用除气机对步骤S4的铝液做8～10分钟除气作业，用气量为：15L/min；待除气完成后，在液面上撒上占原料总量为0.04％的的清渣剂静置10分钟。
步骤S6：继续降温至750℃～780℃，浇注铝活塞毛坯；
步骤S7：浇注完毕后，对步骤S6的铝活塞毛坯进行热处理。
4.根据权利要求3中所述的一种新型内燃机铝活塞材料的制备方法，其特征在于：步骤S2至S4中钟罩距离坩埚底均为10厘米。
5.根据权利要求3中所述的一种新型内燃机铝活塞材料的制备方法，其特征在于：所述变质剂为复合磷盐。
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