高性能铝硅活塞合金材料及其活塞的热处理工艺

摘要

本发明公开了一种活塞用铝硅合金材料，合金中各组分以重量百分比计的组成如下：Si 12－13％，Cu 2.5－ 4％，N 1.7－3％，Mg 0.5－1.2％，Mn 0.1－0.2％，V 0.15－ 0.5％，Zn≤0.05％，Ti 0.23－0.6％，∑Re 0.15－0.25％，Fe≤0.7％，其余为Al，同时公开了该采用该合金的活塞的在两级时效为170℃×6h+250℃×4～5h的热处理工艺。本发明成本低于现行的ZL109合金，性能超过ZL109合金，特别是其360℃高温强度能满足欧III、IV产品要求。

说明书

技术领域

本发明属金属材料领域，特别是涉及发动机活塞用铝合金材料技术领域。

背景技术

近年来，随着高功率发动机的发展，为了“减排降耗”，降低发动机尾气排放、降低空气污染，减少能耗，提高内燃机的效率，提高燃烧温度已成为内燃机的重要发展趋势，相应地，对内燃机部件，尤其是对活塞的高温强度、线膨胀系数及体积稳定性提出了更高的要求。现行广泛使用的ZL109Al-Si合金材料(各组分百分含量为：Si 11-13％，Cu 0.5-1.5％，Mg 0.8-1.5％，Mn≤0.2％，Ni 0.8-1.5％，Fe≤0.7％，其余为Al)，具有较好的高温强度、线膨胀系数及体积稳定性(如，体积稳定性：≤0.03％D；线胀系数：20-300℃≤22.3×10^-6；抗拉强度：常温：≥196Mpa  300℃≥100Mpa；360℃  60-70MPa(由于现发动机要求提高，现要求控制360℃高温强度，原国家标准不要求)，但是，其线胀系数尚有待降低，体积稳定性还有待提高，尤其是，在360℃(现有国家标准尚未要求)的高温性能还是较差，其总体的高温强度、线膨胀系数及体积稳定性还不令人满意。

发明内容

本发明的任务在于针对现有技术的问题和不足之处而提供一种高温强度、线膨胀系数及体积稳定性更好的活塞用铝硅合金材料。

本发明的任务是这样实现的：一种活塞用铝硅合金材料，其特征是：所述合金中各组分以重量百分比计的组成如下：

Si 12-13％，Cu 2.5-4％，N 1.7-3％，Mg 0.5-1.2％，Mn 0.1-0.2％，V 0.15-0.5％，Zn≤0.05％，Ti 0.23-0.6％，∑Re 0.15-0.25％，Fe≤0.7％，其余为Al。

本发明的另一任务是提供上述合金的熔炼工艺和采用上述合金材料的活塞的热处理工艺。

本发明的另一任务是这样实现的：一种采用上述合金材料的熔炼工艺，按以下步骤进行：

a)、先将所需的全部硅均匀分布于天然气反射炉的炉膛底部，然后用加料板将配备好的纯铝锭总量的60-80％进炉，将硅全部覆盖，完后将铜板、镍板加在靠近喷火口的中上层，开始点火熔化；

b)、升温至表面铝液呈糊状后，加入钒合金，同时将剩余铝锭加入，点火继续升温至850-880℃进行保温扩散熔炼，保温扩散时间为10-20分钟；

c)、经保温扩散熔炼的铝液静置15-20分钟后，进行精炼除气处理，加入覆盖剂0.3-0.5％，无毒精炼剂：在760-780℃温度下进行充分搅拌，静置5分钟后取样，待成份合格后，进行出水操作；

d)、出水时使用过滤网，中途搅拌一次；

上述铝硅合金活塞的热处理工艺按以下步骤进行：

a)对现场熔炼后的铸造活塞进行铸淬处理：首先采用活塞全部水淬，活塞温度不小于420℃，淬火温度60-90℃；然后进行裙部淬：取出活塞立即放入淬火箱中，淬火位置：止口向下，浸入深度不低于销孔中心，不超过销孔顶端；

b)两组时效处理：第一次时效为170℃×6h，入炉温度≤50℃，升温时间≥45分钟，随后出炉空冷至室温再进行第二次时效，第二次时效为250℃×4～5h，入炉温度≤50℃，升温时间≥60分钟。

上述合金材料中，上面提到的∑Re是富铈混合稀土金属，厂家为四川省良友稀土金属有限责任公司，其具体成分为：TReM＞99％，Ce/Re：52.24％，La/Re：27.10％.

本发明通过大幅度提高Cu、Ni含量，加入微量元素∑Re、V等，对合金组分进行了优化调整(经四川省科技成果查新咨询服务中心科分院中心进行国内、外查新检索，未见有与本合金相同的材料)；并且开发出专门针对上述合金材料的活塞的两级时效热处理工艺。

相比现有技术本发明的特点和优点是：

1、高温性能和耐磨性能均超过现有ZL109合金

体积稳定性：≤0.01％D

线胀系数：20-200℃≤21×10^-6/℃

20-300℃≤21.8×10^-6/℃

抗拉强度：常温：≥230MPa

300℃≥100MPa

360℃≥80Mpa

与ZL109合金相比，体积稳定性明显提高，特别是360℃高温强度显著提高，在原合金基础上提高幅度达到14-33％，完全能满足欧III、IV产品的性能要求。

2、开发出了与本合金配套的活塞两次时效热处理的工艺技术。

具体实施方式

本发明活塞用铝硅合金材料中各组分以重量百分比计的组成如下：

Si 12-13％，Cu 2.5-4％，N 1.7-3％，Mg 0.5-1.2％，Mn 0.1-0.2％，V 0.15-0.5％，Zn≤0.05％，Ti 0.23-0.6％，∑Re 0.15-0.25％，Fe≤0.7％，其余为Al。

实施例1，所述合金中各组分的组成如下：

Si 12％，Cu 2.5％，Ni 1.7％，Mg 0.5％，Mn 0.1％，V 0.15％，Zn 0.05％，Ti 0.23％，∑Re 0.15％，Fe 0.7％，其余为Al。

实施例2，合金中各组分的组成如下：

Si 13％，Cu 4％，Ni 3％，Mg 1.2％，Mn 0.2％，V 0.5％，Zn 0.03％，Ti 0.6％，∑Re 0.25％，Fe 0.5％，其余为Al。

实施例3，合金中各组分的组成如下：

Si 12.5％，Cu 3.2％，Ni 2.4％，Mg 0.8％，Mn 0.15％，V 0.32％，Zn 0.04％，Ti 0.4％，∑Re 0.20％，Fe 0.6％，其余为Al。

1、合金熔炼工艺：

(1)熔炼设备、工具及炉前准备

熔炼设备：鼓风机，天燃气反射炉2T，称，破碎机，热电偶测温仪；

熔炼工具：加料铲.打渣耙.搅拌工具.堵塞.过滤网.运渣车.备料车.合金锭模；

炉前准备：

按化学成份要求技术员填写配料通知单，合金班根据配料通知单从库房领用验收合格的原材料(由于硅是自己破碎，注意块度：20-50mm)，填好配料原始记录

打渣耙.搅拌工具合金锭模必须涂氧化锌，浇瓢必须涂石眉墨水溶液，烘干后才能使用

(2)加料熔炼

先将所需的全部硅均匀分布于炉膛底部，然后用加料板将配备好的纯铝锭总量的60-80％进炉，将硅全部覆盖，完后将Cu板，Ni板加在靠近喷火口的中上层，开始点火熔化；

升温至表面铝液呈糊状后，加入钒(V)合金，同时将剩余铝锭加入，点火继续升温至850-880℃进行保温扩散熔炼，保温扩散时间为10-20分钟；

经保温扩散熔炼的铝液必须静置15-20分钟再进行精炼除气处理(加入覆盖剂0.3-0.5％，无毒精炼剂：0.2-0.3％)用搅拌工具充分搅拌，然后打渣加镁(加镁温度760-780℃)再进行充分搅拌，静置5分钟后取样，待成份合格后方可出水浇锭；

出水时必须使用过滤网，中途必须搅拌一次。

(3)现场熔炼

熔炼使用工具：钟罩.除渣瓢.热电偶在使用前必须涂料；

首先应清理干净现场坩埚，加入同一牌号已准备好的合金进行保温；

待铝液温度至760-780℃时，加入P(磷)盐(外购)0.1-0.2％进行变质处理，处理方法为：用涂过料的钟罩将变质剂压入接近埚底，平行地轻轻移动直至反应完毕，压入深度可根据反应剧烈程度适当调整，用除气机处理12分钟，静置15-20分钟，加入打渣剂进行扒渣。检查三角式样，确定气体合变质效果.铁相，合格后方可使用。正常良好式样表面应有龟斑状出现，断口为细密组织，有均匀初晶硅亮点，反之，必须再静置，重新变质精炼处理，直至合格。

(4)热处理工艺

铸淬要求：采用水淬，淬火温度60-90℃

全部淬火活塞：活塞温度≮420℃待活塞取出后，第二只浇完，立即放入水中(注意：φ120以上活塞淬裂，φ120以下活塞淬火温度偏低，入水时间可适当前后调整)；

裙部淬：：取出活塞立即放入淬火箱中.淬火位置：止口向下，浸入深度不低于销孔中心，不超过销孔顶端；

时效处理：采用两次时效，第一次时效为170℃×6h(入炉温度≤50℃升温时间≥45分钟)到时间出炉空冷至室温再进行第二次时效.第二次时效为250℃×4～5h(入炉温度≤50℃，升温时间≥60分钟，≥φ120产品时效时间为5h)。