專利名稱：一種車用發動機共晶鋁硅合金活塞材料的制作方法
技術領域：
本發明屬于有色金屬材料制備技術和變質處理工藝領域，具體涉及一種車用發動機共晶鋁硅合金活塞材料。
背景技術：
活塞是發動機的心臟，承受交變的機械負荷和熱負荷，是發動機中工作條件最惡劣的關鍵零部件之一。在高溫高壓高速的情形下工作，決定著發動機的工作效率，因此要求活塞合金具有較好的體積穩定性和較高的高溫強度。發動機性能的不斷提高則使得活塞的工作負荷顯著增加，因而對活塞性能尤其是高溫性 能提出了更高的要求，活塞材料則首當其沖。目前國內業界仍普遍采用的ZL109等傳統合金牌號已不能適應新開發的更高負荷和性能活塞尤其是高性能車用發動機活塞的要求，近年來更是常發生有的機型上出現斷頭或燃燒室口開裂的情況。本發明是在ZL109合金的基礎上，通過調整合金成分、加入微量元素、嚴格控制變質工藝，制備一種高強度，低熱膨脹系數的新型共晶合金材料，符合高性能車用發動機活塞的要求。
發明內容
本發明要解決的問題是提供一種共晶鋁硅合金活塞的材料及其制備方法，尤其適合用于車用發動機的活塞中。為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是一種共晶鋁硅合金活塞材料，以質量百分比計，含有Si 11 13%、Cu :3. 8 4. 5%、Ni :2. 5 4. 5%、Mg :0. 5 I. 0%、V :0. 05 0. 08%、Zr :0. 05 0. 08%、P :0. 006 0. 014%，余量為Al和不可避免的雜質。優選的，所述共晶鋁硅合金活塞材料，以質量百分比計，含有Si :12. 2 12. 6%、Cu :3. 8 4. 5%、Ni :2. 7 3. 0%、Mg :0. 6 0. 9%、V :0. 05 0. 07%、Zr :0. 05 0. 07%、P 0. 006 0. 014%，余量為Al和不可避免的雜質。進一步的，所述共晶鋁硅合金活塞材料，還可以含有以下按質量百分比計的合金元素，Zn ( 0. 5%、Mn ( 0. 15%、Ti ( 0. 05%、Sn ( 0. 02%、Fe ( 0. 5%。本發明還提供一種所述鋁合金的制備方法，包括如下步驟(I)按鋁硅合金中合金元素所占質量百分比計Si : 11 13%、Cu 3. 8 4. 5%、Ni
2.5 4. 5%、Mg 0. 5 I. 0%、V :0. 05 0. 08%,Zr :0. 05 0. 08%,P :0. 006 0. 014%,余量為Al和不可避免的雜質；分別稱取重熔用鋁錠、重熔用鎂錠、工業硅、電解銅、純鎳板、A1V5(鋁釩中間合金)、AlZrlO (鋁鋯中間合金)和A1P3 (鋁磷中間合金);其中工業硅為破碎好的I 5cm3的小塊；(2)按總投料質量的0. I 0. 2%稱取無鈉精煉劑；
(3)將步驟(I)、步驟(2)中的工業硅、電解銅、重熔用鎂錠、純鎳板、AlV5、AlZrlO、A1P3、重熔用鋁錠和無鈉精煉劑放入溫度200-300°C的恒溫預熱干燥爐中干燥2 3h ;(4)將步驟(3)中干燥后的工業硅、純鎳板、重熔用鋁錠放入工業電爐內，設定工業電爐爐體溫度為850°C ；(5)點火3h 4h，待爐內的重熔用鋁錠、工業硅和純鎳板全部熔化，攪拌爐內鋁液5 8min，然后在工業電爐中加入步驟(3)干燥后的電解銅、A1V5和AlZrlO，繼續點火升溫，并設定爐內熔體溫度800°C保溫30min。(6)待爐內所有物料全部熔化，調整溫度至740 780°C，用鐘罩將經步驟(3)干燥處理的重熔用鎂錠壓入鋁合金熔體內部3 5min至重熔用鎂錠全部熔化，迅速攪拌4 5min ；
(7)將鋁合金熔體溫度調整到830°C，加入A1P3中間合金進行變質處理；(8)變質30 50min后,充分攪拌,取樣檢測合金成分。(9)測量鋁合金熔體溫度，在鋁合金熔體溫度800 815°C范圍內將步驟(3)干燥后的無鈉精煉劑的50%撒入鋁合金熔體內進行充分攪拌，將剩余的50%無鈉精煉劑放入自動噴粉機中，以惰性氣體為載體將無鈉精煉劑均勻的噴入鋁合金熔體內進行精煉，噴入的時間控制在10 15min，進行打渣，打渣后鋁液靜置5 IOmin ；(10)在鋁合金熔液溫度800 815°C時出爐，得所述的共晶鋁硅合金活塞材料。優選的，所述方法包括如下步驟(I)按鋁硅合金中合金元素的所占質量百分比計Si 12. 5%，Cu :4. 4%，Mg :0. 8%，Ni :3. 0%，Zr :0. 065%, V :0. 065%, P :0. 010%, Al為余量，分別稱取所述的工業硅、電解銅、重熔用鎂錠、純鎳板、AlV5、AlZrlO、重熔用鋁錠和A1P3中間合金；其中工業硅為破碎好的I 5cm3的小塊；(2)按步驟(I)總投料質量的0. 15%稱取無鈉精煉劑；(3)將步驟(I)、步驟⑵中的工業硅、電解銅、重熔用鎂錠、純鎳板、AlV5、AlZrlO、A1P3、重熔用鋁錠和無鈉精煉劑放入溫度250°C的恒溫預熱干燥爐中干燥3h ；(4)將步驟(3)中干燥后的工業硅、純鎳板、重熔用鋁錠放入工業電爐內，設定工業電爐爐體溫度為850°C ；(5)點火4h，待爐內的重熔用鋁錠、工業硅和純鎳板全部熔化，攪拌爐內鋁液8min，然后在工業電爐中加入步驟(3)干燥后的電解銅、A1V5和AlZrlO，繼續點火升溫，并設定爐內熔體溫度800°C保溫30min。(6)待爐內所有物料全部熔化，調整溫度至760 780°C，用鐘罩將經步驟(3)干燥處理的重熔用鎂錠壓入鋁合金熔體內部5min至重熔用鎂錠全部熔化，迅速攪拌5min ；(7)將鋁合金熔體溫度調整到830°C，加入A1P3中間合金進行變質處理；(8)變質40min后，充分攪拌，取樣檢測合金成分。(9)測量鋁合金熔體溫度，在鋁合金熔體溫度810°C時將步驟(3)干燥后的無鈉精煉劑的50%撒入鋁合金熔體內進行充分攪拌，將剩余的50%無鈉精煉劑放入自動噴粉機中，以惰性氣體為載體將無鈉精煉劑均勻的噴入鋁合金熔體內進行精煉，噴入的時間控制在lOmin，進行打渣，打渣后鋁液靜置5min ；(10)在鋁合金熔液溫度810°C時出爐，得所述的共晶鋁硅合金活塞材料。
本發明中的純鎳板可用AlNi20 (鋁鎳中間合金)替代實現，如果加入的是AlNi20，經過步驟(I)的稱取后，接著在步驟(3)中進行干燥，然后在步驟(5)中隨著電解銅一起加入。當用AlNi20替代純鎳板實現本發明時，優選的，所述方法包括如下步驟(I)按鋁硅合金中合金元素的所占質量百分比計Si 13%, Cu :4. 0%，Mg :1. 0%，Ni 4. 0%，Zr :0. 07%, V :0. 07%, P :0. 014%，Al為余量，分別稱取所述工業硅、電解銅、重熔用鎂錠、AlNi20、AlV5、AlZrl0、重熔用鋁錠、A1P3中間合金；其中工業硅為破碎好的I 5cm3的 小塊；(2)按步驟(I)總投料質量的0. 16%稱取無鈉精煉劑；(3)將步驟(I)、步驟(2)中的工業硅、電解銅、重熔用鎂錠、AlV5、AlZrl0、AlNi20、A1P3、重熔用鋁錠和無鈉精煉劑放入溫度250°C的恒溫預熱干燥爐中干燥2h ；(4)將步驟(3)中干燥后的工業硅、重熔用鋁錠放入工業電爐內，設定工業電爐爐體溫度為850°C ；(5)點火4h，待爐內的重熔用鋁錠和工業硅全部熔化，攪拌爐內鋁液8min，然后在工業電爐中加入步驟(3)干燥后的電解銅、AlNi20、AlV5和AlZrlO，繼續點火升溫，并設定爐內熔體溫度800°C保溫30min。(6)待爐內所有物料全部熔化，調整溫度至750°C，用鐘罩將經步驟(3)干燥處理的重熔用鎂錠壓入鋁合金熔體內部5min至重熔用鎂錠全部熔化，迅速攪拌5min ；(7)將鋁合金熔體溫度調整到830°C，加入A1P3中間合金進行變質處理；(8)變質45min后,充分攪拌,取樣檢測合金成分。(9)測量鋁合金熔體溫度，在鋁合金熔體溫度810°C時將步驟(3)干燥后的無鈉精煉劑的50%撒入鋁合金熔體內進行充分攪拌，將剩余的50%無鈉精煉劑放入自動噴粉機中，以惰性氣體為載體將無鈉精煉劑均勻的噴入鋁合金熔體內進行精煉，噴入的時間控制在12min，進行打渣，打渣后鋁液靜置5min ；(10)在鋁合金熔液溫度805°C時出爐，得所述的共晶鋁硅合金活塞材料。優選的，上述惰性氣體均為氬氣。本發明是一種添加多種強化元素的共晶鋁硅合金材料，關鍵技術是變質工藝的控制及合金元素的添加。合金材料采用Al-P中間合金變質劑，變質溫度是800°C，變質時間是30 50min。發明人還經過大量實驗發現，鋁合金澆注溫度控制在800 815°C時材料性能最佳，從圖I、圖2的合金變質效果遠優于圖3、圖4可以看出，當鋁合金澆注溫度低于此溫度時，初晶硅易聚集且變質效果不佳。Al、Si、Cu、Mg、Ni、V、Zr生成了多種耐熱相，起強化作用和細化作用，大大提高材料在高溫下的抗拉強度。本發明的優點和有益效果為I、本方法制備的合金材料具有高溫性能優良，硬度高、熱膨脹系數小、耐磨性好等特點，符合高性能車用發動機活塞的要求，為鋁合金行業在新材料性能上的突破積累了經驗。適量的Ni可大幅度提高已有高性能活塞合金的高溫強度；Al、Si、Mg、Cu、Ni等在合金中形成化合物強化相和高溫穩定相，起到綜合強化活塞合金的作用；Zr和V可細化再結晶組織，加P變質處理后，形成Al-P黑色核心，促進了初晶硅的異質形核，起到細化初晶硅的作用，平均晶粒尺寸約為12 y m。從表2也可以看出本發明的新型共晶鋁合金活塞材料強度約為350Mpa，300°C高溫抗拉強度約為205Mpa。進一步的，本發明的合金中還可以添加Mn，它可作為合金化元素較小幅度提高活塞合金的高溫性能。2、在本發明所述的合金的最佳磷含量、變質溫度、變質處理與精煉處理的配合和澆注溫度的范圍內，能夠得到一種優良的磷變質工藝，從而制備得到本發明所述的性能優良的共晶招娃合金。
圖I澆注溫度為800°C合金的變質組織。圖2澆注溫度為815°C合金的變質組織。
圖3澆注溫度為780°C合金的變質組織。圖4澆注溫度為730°C合金的變質組織。圖5本發明合金與現有ZL109的摩擦磨損實驗結果對比。
具體實施例方式下面通過具體實施例對本發明作進一步詳述，以下實施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本發明的保護范圍。實施例I :(I)按質量百分比 Si 12. 3%, Cu :4. 2%, Mg :0. 8%, Ni :2. 8%, Zr :0. 060%, V 0. 060%, P =0.010%, Al為余量，稱取重熔用鋁錠、重熔用鎂錠、工業硅、電解銅、純鎳板及A1V5 (鋁釩中間合金)、AlZrlO ((鋁鋯中間合金)、A1P3 (鋁磷中間合金)；其中工業硅為破碎好的I 5cm3的小塊；(2)按總投料質量的0. 15%稱取無鈉精煉劑；(3)將步驟(I)、步驟⑵中的工業硅、電解銅、重熔用鎂錠、純鎳板、AlV5、AlZrlO、ALP3、重熔用鋁錠和無鈉精煉劑放入溫度250°C的恒溫預熱干燥爐中干燥3h ；(4)將步驟(3)中干燥后的工業硅、純鎳板、重熔用鋁錠放入CX-GR-150型工業電爐內，設定工業電爐爐體溫度為850°C。(5)點火4h，待爐內的重熔用鋁錠、工業硅和純鎳板全部熔化，大力攪拌爐內鋁合金熔體8min，然后在工業電爐中小心加入步驟(3)中的電解銅、A1V5和AlZrlO，繼續點火升溫至850°C。(6)待爐內所有物料全部熔化，調整溫度至765°C，用鐘罩將經步驟(3)干燥處理的重熔用鎂錠壓入鋁合金熔體內部5min至重熔用鎂錠全部熔化，迅速攪拌5min ；(7)將鋁合金熔體溫度調整到830°C，加入A1P3中間合金進行變質處理；(8)變質45min后,充分攪拌,取樣檢測合金成分；(9)測量鋁合金熔體溫度，在鋁合金熔體溫度815°C將步驟(3)中完全干燥的無鈉精煉劑的50%撒入鋁合金熔體內進行充分攪拌，將剩余的50%無鈉精煉劑放入自動噴粉機中，以惰性氣體氬氣為載體將無鈉精煉劑均勻的噴入鋁合金熔體內進行精煉，氬氣噴入的時間為IOmin,進行打洛,打洛后靜置5min ；(10)在鋁合金熔液溫度815°C時出爐。
(11)對合金材料進行T6熱處理。通過檢驗，本實驗方法制備的鋁合金熱處理狀態抗拉強度為333Mpa，300°C高溫抗拉強度198Mpa，350°C高溫抗拉強度157Mpa，熱膨脹系數15. 8X10_6/°C。所述無鈉精煉劑為本行業內常規用于鋁合金制備的精煉劑，舉例如上海虹光金屬熔劑廠生產的HGJB-2精煉劑。實施例2(I)按招娃合金中合金元素的所占質量百分比計Si :12. 5 Cu 4. 4 %, Mg 0. 8%,Ni 3. 0%,Zr :0. 065%,V :0. 065%,P :0. 010%,Al 為余量，分別稱取所述的工業硅、電解銅、重熔用鎂錠、純鎳板、A1V5、AlZrlO、重熔用鋁錠和A1P3中間合金；其中工業硅為破碎好的I 5cm3的小塊； (2)按步驟(I)總投料質量的0. 15%稱取無鈉精煉劑；(3)將步驟(I)、步驟(2)中的工業硅、電解銅、重熔用鎂錠、純鎳板、AlV5、AlZrlO、A1P3、重熔用鋁錠和無鈉精煉劑放入溫度250°C的恒溫預熱干燥爐中干燥3h ；(4)將步驟(3)中干燥后的工業硅、純鎳板、重熔用鋁錠放入工業電爐內，設定工業電爐爐體溫度為850°C ；(5)點火4h，待爐內的重熔用鋁錠、工業硅和純鎳板全部熔化，攪拌爐內鋁液8min，然后在工業電爐中加入步驟(3)干燥后的電解銅、A1V5和AlZrlO，繼續點火升溫，并設定爐內熔體溫度800°C保溫30min。(6)待爐內所有物料全部熔化，調整溫度至760 780°C，用鐘罩將經步驟(3)干燥處理的重熔用鎂錠壓入鋁合金熔體內部5min至重熔用鎂錠全部熔化，迅速攪拌5min ；(7)將鋁合金熔體溫度調整到830°C，加入A1P3中間合金進行變質處理；(8)變質40min后,充分攪拌,取樣檢測合金成分。(9)測量鋁合金熔體溫度，在鋁合金熔體溫度810°C時將步驟(3)干燥后的無鈉精煉劑的50%撒入鋁合金熔體內進行充分攪拌，將剩余的50%無鈉精煉劑放入自動噴粉機中，以惰性氣體為載體將無鈉精煉劑均勻的噴入鋁合金熔體內進行精煉，噴入的時間控制在lOmin，進行打渣，打渣后鋁液靜置5min ；(10)在鋁合金熔液溫度810°C時出爐。(11)對合金材料進行T6熱處理。通過檢驗，本實驗方法制備的鋁合金熱處理狀態抗拉強度越為330Mpa，300°C高溫抗拉強度約為200Mpa，350°C高溫抗拉強度約為161Mpa，熱膨脹系數約為16.0X10_6/°C。實施例3(I)按質量百分比 Si :12. 5%，Cu 4.0%, Mg 0.9%, Ni 3. 0%, Zr 0. 07%, V 0. 07%, P =0.014%, Al為余量，稱取重熔用鋁錠、重熔用鎂錠、工業硅、電解銅、AlNi20 (鋁鎳中間合金)、A1V5 (鋁釩中間合金)、AlZrlO ((鋁鋯中間合金)、A1P3 (鋁磷中間合金)；其中工業硅為破碎好的I 5cm3的小塊；(2)按總投料質量的0. 16%稱取無鈉精煉劑； (3)將步驟(I)、步驟(2)中的工業硅、電解銅、重熔用鎂錠、AlNi20、AlV5、AlZrl0、A1P3、重熔用鋁錠和無鈉精煉劑放入溫度250°C的恒溫預熱干燥爐中干燥2h ；(4)將步驟(3)中干燥后的工業硅、重熔用鋁錠放入CX-GR-150型工業電爐內，設定工業電爐爐體溫度為850°C。(5)點火4h，待爐內的重熔用鋁錠和工業硅全部熔化，大力攪拌爐內鋁合金熔體5min，然后在工業電爐中小心加入步驟(3)中的電解銅、AlNi20、A1V5和AlZrlO，繼續點火升溫，并設定爐內熔體溫度800°C保溫30min。(6)待爐內所有物料全部熔化，調整溫度至760°C，用鐘罩將經步驟(3)干燥處理的重熔用鎂錠壓入鋁合金熔體內部5min至重熔用鎂錠全部熔化，迅速攪拌5min ；(7)將鋁合金熔體溫度調整到830°C，加入A1P3中間合金進行變質處理；(8)變質50min后,充分攪拌,取樣檢測合金成分；(9)測量鋁合金熔體溫度，在鋁合金熔體溫度813°C將步驟(3)中完全干燥的無鈉 精煉劑的50%撒入鋁合金熔體內進行充分攪拌，將剩余的50%無鈉精煉劑放入自動噴粉機中，以惰性氣體氬氣為載體將無鈉精煉劑均勻的噴入鋁合金熔體內進行精煉，氬氣噴入的時間為IImin,然后進行打洛,打洛后招液靜置8min ；(10)在鋁合金熔液溫度810°C時出爐。(11)對合金材料進行T6熱處理。通過檢驗，本實驗方法制備的鋁合金熱處理狀態抗拉強度為342Mpa，300°C高溫抗拉強度201Mpa，350°C高溫抗拉強度159Mpa，熱膨脹系數16. 3X 10_6/°C。實施例4(I)按鋁硅合金中合金元素的所占質量百分比計Si :13%，Cu :4. 0%，Mg :1. 0%，Ni 4.0%, Zr :0. 07%，V :0. 07%, P 0. 014%, Al為余量，分別稱取所述工業硅、電解銅、重熔用鎂錠、AlNi20、AlV5、AlZrl0、重熔用鋁錠、A1P3中間合金；其中工業硅為破碎好的I 5cm3的小塊；(2)按步驟(I)總投料質量的0. 16%稱取無鈉精煉劑；(3)將步驟(I)、步驟(2)中的工業硅、電解銅、重熔用鎂錠、AlV5、AlZrl0、AlNi20、A1P3、重熔用鋁錠和無鈉精煉劑放入溫度250°C的恒溫預熱干燥爐中干燥2h ；(4)將步驟(3)中干燥后的工業硅和重熔用鋁錠放入工業電爐內，設定工業電爐爐體溫度為850°C ；(5)點火4h，待爐內的重熔用鋁錠和工業硅全部熔化，攪拌爐內鋁液8min，然后在工業電爐中加入步驟(3)干燥后的電解銅、AlV5、AlNi20和AlZrlO，繼續點火升溫，并設定爐內熔體溫度800°C保溫30min。(6)待爐內所有物料全部熔化，調整溫度至750°C，用鐘罩將經步驟(3)干燥處理的重熔用鎂錠壓入鋁合金熔體內部5min至重熔用鎂錠全部熔化，迅速攪拌5min ；(7)將鋁合金熔體溫度調整到830°C，加入A1P3中間合金進行變質處理；(8)變質45min后,充分攪拌,取樣檢測合金成分。(9)測量鋁合金熔體溫度，在鋁合金熔體溫度810°C時將步驟(3)干燥后的無鈉精煉劑的50%撒入鋁合金熔體內進行充分攪拌，將剩余的50%無鈉精煉劑放入自動噴粉機中，以惰性氣體為載體將無鈉精煉劑均勻的噴入鋁合金熔體內進行精煉，噴入的時間控制在12min，進行打渣，打渣后鋁液靜置5min ；(10)在鋁合金熔液溫度805°C時出爐。。(11)對合金材料進行T6熱處理。
通過檢驗，本實驗方法制備的鋁合金熱處理狀態抗拉強度為345Mpa，300°C高溫抗拉強度203Mpa，350°C高溫抗拉強度160Mpa，熱膨脹系數17X10_6/°C。下面以本發明合金材料與現有ZL109合金進行對比，摩擦磨損實驗結果對比如圖5所示。從圖5可以看出，本發明合金的摩擦系數遠低于ZL109合金，耐磨性能更好，更符合高性能車用發動機活塞的要求。此外，本發明還提供了本發明合金材料與現有ZL109合金元素成分對比、兩種鋁合金常溫和高溫下力學性能對比(參見表I及表2 )。從表2可以看出，本發明的合金其鑄態抗拉強度、熱處理后常溫抗拉強度、30(TC高溫抗拉強度、350°C高溫抗拉強度明顯優于ZL109合金，而熱膨脹系數則明顯低于ZL109合金，說明本發明的合金是一種高強度，低熱膨脹系數的新型共晶合金材料，相比ZL109合金，更符合高性能車用發動機活塞的要求。表I 產品型號 Si Cu Ni Mg V Zr P Zn Ui Ti Sn Fe 雜質總和
11.2 3.8 2.7 0.6 0.05 0.05 0.006
本犮明合在 < 客客 <^
金 0.5 0. 15 0.05 0.02 0.5 1,0
__12.6 4.5 4.0 0.9 0.07 0.07 0.014_______
11.00,5 0,8 0.8
, : ^ ^ ^ ^
/ ^ , j I廣
0.7 I) / 0.2 0.01 0.7 1.2
13.01.5 1.5 1.3表2
I膨脹系數
合金鑄態抗拉強熱處理后常溫 30(TC高溫抗拉35(TC高溫抗 代號度(Mpa) 抗拉強度(Mpa) 強度(Mpa) 拉強度(Mpa) _ ^
ZL1092002851328522.3
本發明
^ 入77U35020516115,6
FJ A______以上對本發明的實施例進行了詳細說明，但所述內容僅為本發明的較佳實施例，不能被認為用于限定本發明的實施范圍。凡依本發明申請范圍所作的均等變化與改進等，均應仍歸屬于本發明的專利涵蓋范圍之內。
權利要求
1.一種車用發動機共晶鋁硅合金活塞材料，其特征在干。以質量百分比計，含有Si:.12. 2 12. 6%、Cu 3. 8 4. 5%、Ni 2. 7 3. 0%、Mg 0. 6 O. 9%、V 0. 05 O. 07%、Zr O. 05 O. 07%、P :0. 006 O. 014%，余量為Al和不可避免的雜質。
全文摘要
本發明提供一種車用發動機共晶鋁硅合金活塞材料。本發明是在ZL109合金的基礎上，通過調整合金成分、加入V、Zr、P微量元素，制備得到一種高強度，低熱膨脹系數的新型共晶合金材料。本發明的合金具有高溫性能優良，硬度高、熱膨脹系數小、耐磨性好等特點，更符合高性能車用發動機活塞的要求。
文檔編號F16J1/01GK102676888SQ201210153800
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月17日 優先權日2012年5月17日
發明者李志琴, 田紅杰, 霍會娟, 黃海軍 申請人:天津立中合金集團有限公司