專利名稱：：單冒口共晶Al-Si合金活塞材料低溫?zé)崽幚矸椒?br>技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及合金鑄造零部件的熱處理工藝，特別是共晶Al-Si合金活塞材料的熱處理方法。
背景技術(shù)：
：內(nèi)燃機活塞的熱處理一般采用鑄造余熱淬火+人工時效熱處理工藝或常規(guī)T6熱處理工藝。為了減輕中、大型普通活塞毛坯重量，可將活塞毛坯由原來的兩側(cè)冒口改為單側(cè)冒口但是，單冒口設(shè)計使得活塞毛坯兩側(cè)的溫度場差異較大，利用活塞鑄造余熱進行鑄淬，不能保證活塞硬度的均勻性。如依然采用常規(guī)的T6熱處理工藝時，能耗高，生產(chǎn)周期長，生產(chǎn)效率低，增加了生產(chǎn)成本；這樣，為了保證減重單冒口活塞設(shè)計措施的實施，就急需尋求一種既保證活塞質(zhì)量又降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率的新型熱處理工藝。為此研究出低溫?zé)崽幚硇录夹g(shù)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種以保證活塞質(zhì)量、又降低生產(chǎn)成本的單冒口共晶Al-Si合金活塞材料低溫?zé)崽幚矸椒?。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種單冒口共晶Al-Si合金活塞材料低溫?zé)崽幚矸椒ǎ匆韵虏襟E進行a)、將鑄造后的活塞在井式爐中加熱至480°C±5°C，保溫1.5h出爐；b)、采用50'C-8(TC水進行淬火冷卻；c)、淬火后在井式時效爐中將活塞升溫至16(TC士5'C，保溫5h進行人工時效處理，隨后，出爐進行空冷，完成活塞材料的熱處理全過程；通過低溫?zé)崽幚砗蠊簿l-Si合金活塞材料各項性能指標(biāo)如下HB110130，同一只活塞硬度差小于5個HBS，同一爐活塞硬度差不大于15個HBS;抗拉強度ob(肌)》247.49MPa，ob》114.45MPa;線膨脹系數(shù)a室溫，《20.37X1(TV。C，a室溫—匿《21.86X10-6,C;體積穩(wěn)定性:S《0.011D。共晶Al-Si合金活塞材料熱處理工藝，鑄造后利用鑄造余熱直接淬火或鑄造后在井式加熱爐重新加熱淬火，淬火后在井式時效爐進行人工時效處理，時效固定于某一溫度(例如220°C)進行，并經(jīng)過一定時間保溫(例如8小時)后完成人工時效處理。時效后出爐進行自然冷卻，完成活塞材料的熱處理全過程。通過熱處理淬火+人工時效改善活塞各項性能指標(biāo)，使之達到工藝圖紙對活塞性能的要求。圖1示出共晶Al-Si合金材料活塞利用余熱淬火+人工時效熱處理工藝曲線。圖2示出共晶Al-Si合金材料常規(guī)T6熱處理工藝曲線?；钊麅?nèi)燃機活塞技術(shù)條件GB/T1148-93規(guī)定，共晶A卜Si合金材料性能要求為硬度HB95130，同一只活塞硬度差不大于10個HBS，同一爐活塞硬度差不大于30個HBS;抗拉強度ob》196MPa，o30(rc>69MPa;體積穩(wěn)定性S《0.03%D。現(xiàn)有共晶Al-Si合金材料活塞利用余熱淬火或常規(guī)T6熱處理后性能指標(biāo)如下硬度HB107129，同一只活塞硬度差不大于IO個HBS;抗拉強度ob》246.OlMPa，o300.c>112.605MPa;線膨脹系數(shù)a室溫-200《20.74X10—6〃C，a室溫—300《22.51X10—7。C;體積穩(wěn)定性S《0.023%D。提高保證活塞某些性能采用延長活塞人工時效時間的辦法達到要求。目前采用鑄造余熱直接淬火，淬火后在井式時效爐進行人工時效處理的工藝生產(chǎn)的活塞的硬度均勻性相差比較大，體積穩(wěn)定性的差異性也比較大；釆用在井式加熱爐重新加熱淬火，淬火后在井式時效爐進行人工時效處理生產(chǎn)的活塞的生產(chǎn)成本高，熱處理周期長，效率低，育g耗咼。本發(fā)明單冒口共晶Al-Si合金活塞材料低溫?zé)崽幚砑夹g(shù)的有益效果是1、應(yīng)用共晶Al-Si合金材料活塞低溫?zé)崽幚砑夹g(shù)處理的活塞與利用鑄造余熱直接淬火后在井式時效爐進行人工時效處理相比較，低溫?zé)崽幚砉に囂幚淼幕钊捕染鶆蛐?，獲得高的硬度和高的常溫抗拉強度的同時，體積穩(wěn)定性有較大的提升；2、應(yīng)用共晶Al-Si合金材料活塞低溫?zé)崽幚砑夹g(shù)處理活塞與鑄造后在井式加熱爐重新加熱淬火，淬火后在井式時效爐進行人工時效處理工藝相比，低溫?zé)崽幚砉に嚱档土嘶钊a(chǎn)能耗成本，縮短了活塞熱處理的生產(chǎn)周期，提高33%勞動生產(chǎn)效率。3、共晶Al-Si合金材料活塞低溫?zé)崽幚砉に?，由于熱處理溫度比較低，對熱處理爐的壽命影響也小得多，減少設(shè)備維修時間和維修費用，從而進一步降低熱處理成本。本發(fā)明共晶Al-Si合金材料低溫?zé)崽幚淼脑矸治龉簿l-Si合金材料成分(%):Si:U13;Cu:0.51.5;Mn:《0.2;Mg:0.8~1.3;Ni:0.8~1.5;Fe:《0.7;其余Al。在48(TC低溫保溫固溶處理時，Mg2Si、CuA12(e相)、A13Ni、A13(CuNi)等強化相溶入a固溶體中，同時含有未溶初生相顆粒的非枝晶組織，使得液/固相擴散沒有達到平衡，從而成為欠固溶的非枝晶組織，這些欠固溶的非枝晶組織經(jīng)過演變變得鈍化，不會變得粗大，因而不會引起晶粒長大。在160。C時效處理，Mg2Si、CuA12(6相)、A13Ni、A13(CuNi)等固溶強化相析出，欠固溶鈍化的非枝晶組織可能阻礙了固溶強化相的集聚偏析，使之呈彌散相分布，合金組織細(xì)小均勻，呈組織穩(wěn)定態(tài)。從而使得活塞具有高的常溫抗拉強度，均勻的高硬度，提升了體積穩(wěn)定性。圖1是現(xiàn)有共晶Al-Si合金活塞材料利用鑄造余熱淬火+人工時效熱處理工藝曲圖2是現(xiàn)有共晶Al-Si合金活塞材料常規(guī)T6熱處理工藝曲線圖；圖3是本發(fā)明共晶Al-Si合金活塞材料低溫?zé)崽幚砉に嚽€圖。具體實施例方式圖3示出，一種單冒口共晶A1-Si合金活塞材料低溫?zé)崽幚矸椒?，按以下步驟進行a)、將鑄造后的活塞在井式爐中加熱至480°C±5°C，保溫1.5h出爐；b)、采用50°C-80。C水進行淬火冷卻；c)、淬火后在井式時效爐中將活塞隨爐升溫至160°C±5°C，保溫5h進行人工時效處理，隨后，出爐進行空冷，完成活塞材料的熱處理全過程；通過低溫?zé)崽幚砗蠊簿l-Si合金活塞材料各項性能指標(biāo)超過工藝圖紙要求各項性能指標(biāo)。具體要求如下硬度HBll(Tl30，同一只活塞硬度差小于5個HBS,同一爐活塞硬度差不大于15個HBS;抗拉強度。b(2。'c)^240MPa，ob(300'C)》100MPa;線膨脹系數(shù)a室溫—賦《20.5X10—7-C，a體積穩(wěn)定性S《0.015D。為了保證實驗的準(zhǔn)確性，需對生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)進行監(jiān)控，過程如下1、合金熔煉工藝(1)熔煉設(shè)備、工具及爐前準(zhǔn)備熔煉設(shè)備:鼓風(fēng)機，天燃?xì)夥瓷錉t2T，稱，破碎機，熱電偶測溫儀；熔煉工具加料鏟.打渣耙.攪拌工具.堵塞.過濾網(wǎng).運渣車.備料車.合金錠模；爐前準(zhǔn)備按化學(xué)成份要求技術(shù)員填寫配料通知單，合金班根據(jù)配料通知單從庫房領(lǐng)用驗收合格的原材料(由于硅是自己破碎，注意塊度20—50mm),填好配料原始記錄打渣耙.攪拌工具合金錠模必須涂氧化鋅，澆瓢必須涂石眉墨水溶液，烘干后才能使用(2)加料熔煉先將所需的全部硅均勻分布于爐膛底部，然后用加料板將配備好的純鋁錠總量的60—806%進爐，將硅全部覆蓋，完后將Gu板，Ni板加在靠近噴火口的中上層，開始點火熔化；升溫至表面鋁液呈糊狀后，加入鋁-錳中間合金，同時加入回爐料，繼續(xù)升溫至850—88(TC進行保溫擴散熔煉，保溫擴散時間為10—20分鐘；經(jīng)保溫擴散熔煉的鋁液必須靜置15—20分鐘再進行精煉除氣處理(加入覆蓋劑0.3—0.5%，無毒精煉劑0.2—0.3%)用攪拌工具充分?jǐn)嚢?，然后打渣加鎂(加鎂溫度760—780°C)再進行充分?jǐn)嚢瑁o置5分鐘后取樣，待成份合格后方可出水澆錠；出水時必須使用過濾網(wǎng)，中途必須攪拌一次。(3)現(xiàn)場熔煉熔煉使用工具鐘罩.除渣瓢.熱電偶在使用前必須涂料；首先應(yīng)清理干凈現(xiàn)場坩堝，加入同一牌號己準(zhǔn)備好的合金進行保溫；待鋁液溫度至760—780'C時，加入P(磷)鹽(外購)0.1—0.2%進行變質(zhì)處理，處理方法為用涂過料的鐘罩將變質(zhì)劑壓入接近堝底，平行地輕輕移動直至反應(yīng)完畢，壓入深度可根據(jù)反應(yīng)劇烈程度適當(dāng)調(diào)整，用除氣機處理12分鐘，靜置15—20分鐘，加入打渣劑進行扒渣。檢査三角式樣，確定氣體合變質(zhì)效果.鐵相，合格后方可使用。正常良好式樣表面應(yīng)有龜斑狀出現(xiàn)，斷口為細(xì)密組織，有均勻初晶硅亮點，反之，必須再靜置，重新變質(zhì)精煉處理，直至合格。2、現(xiàn)場澆注將活塞鑄型清除干凈、預(yù)熱并進行冒口涂料，活塞模具裝配在工作臺上再進行整體預(yù)熱，整體預(yù)熱后按鑄造工藝要求進行涂料，正常通水洚注的第四只活塞作為正常生產(chǎn)的首件坯件。3、試樣抽取本實驗用活塞是通過生產(chǎn)現(xiàn)場正常生產(chǎn)的活塞進行現(xiàn)場抽取，進行低溫?zé)崽幚韺嶒灒钊X硅合金材料中各組分以重量百分比計的組成(％)要求如下Si:1廣13;Cu:0.51.5;Mn:《0.2;Mg:0.81.3;Ni:0.8~1.5;Fe:《0.7;其余Al。實施例l，所述合金中各組分(％)的組成如下Si:12.18;Cu:1.15;Mn:0.16;Mg:1.10;Ni:0.86;Fe:0.49;其余A1。實施例2，合金中各組分(％)的組成如下Si:12.62;Cu:1.12;Mn:0.15;Mg:1.09;Ni:0.88;Fe:0.39;其余A1。實施例3，合金中各組分(％)的組成如下Si:12.60;Cu:1.14;Mn:0.15;Mg:1.10;Ni:0.85;Fe:0.43;其余A1。實施例4，合金中各組分(％)的組成如下Si:12.53;Cu:1.16;Mm0.16;Mg:1.09;Ni:0.90;Fe:0.41;其余Al。實施例5，合金中各組分(％)的組成如下Si:12.32;Cu:1.17;Mn:0.17;Mg:1.10;Ni:0.84;Fe:0.45;其余Al。實施例6，合金中各組分(％)的組成如下Si:12.48;Cu:1.15;Mn:0.15;Mg:1.08;Ni:0.86;Fe:0.42;其余Al。實施例7，合金中各組分(％)的組成如下Si:12.57;Cu:1.16;Mn:0.16;Mg:1.11;Ni:0.88;Fe:0.43;其余Al。4、熱處理工藝淬火處理將鑄造后的活塞在井式爐中加熱至480°C±5°C，保溫1.5h出爐(入爐溫度《42(TC升溫時間^40分鐘)；隨后在50。C-8(TC水進行淬火冷卻；時效處理淬火后在井式時效爐中將活塞隨爐升溫至16(TC士5'C，保溫5h進行人工時效處理(入爐溫度《12(TC,升溫時間》20分鐘)，隨后出爐進行空冷。5、性能檢測具體實例及不同溫度熱處理下相應(yīng)的材料力學(xué)性能<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>通過多次實驗及對實驗數(shù)據(jù)進行分析為了降低活塞的熱處理工藝成本，保證活塞外觀質(zhì)量情況下，使用480。C土5。C保溫1.5h，508(TC水中淬火，16CTC土5。C保溫時效5h，自然時效24h的工藝處理的活塞的各項實驗數(shù)據(jù)性能如下硬度HBll(Tl30，同一只活塞硬度差小于5個HBS，同一爐活塞硬度差不大于15個HBS;抗拉強度ob(,》247.49MPa，ob(3。。。c)^114眉Pa;線膨脹系數(shù)a室溫督c《20.37X10—7。C，a室溫—3。。'c《21.86X10—7'C;體積穩(wěn)定性S《0.011D?；钊母黜椥阅軘?shù)據(jù)均符合活塞產(chǎn)品要求的性能指標(biāo)要求。權(quán)利要求1、一種單冒口共晶Al-Si合金活塞材料低溫?zé)崽幚矸椒?，其特征是按以下步驟進行a)、將鑄造后的活塞在井式爐中加熱至480℃±5℃，保溫1.5h出爐；b)、采用50℃-80℃水進行淬火冷卻；c)、淬火后在井式時效爐中將活塞隨爐升溫至160℃±5℃，保溫5h進行人工時效處理，隨后，出爐進行空冷，完成活塞材料的熱處理全過程；通過低溫?zé)崽幚砗蠊簿l-Si合金活塞材料各項性能指標(biāo)如下HB110～130，同一只活塞硬度差小于5個HBS，同一爐活塞硬度差不大于15個HBS；抗拉強度σb(20℃)≥247.49MPa，σb(300℃)≥114.45MPa；線膨脹系數(shù)α室溫-200℃≤20.37×10-6/℃，α室溫-300℃≤21.86×10-6/℃；體積穩(wěn)定性δ≤0.011D。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述單冒口共晶Al-Si合金活塞材料低溫?zé)崽幚矸椒ǎ涮卣魇卿X硅合金活塞材料中各組分以重量百分比計的組成(％)要求如下Si:11~13%;Cu:0.5~1.5%;Mn:《0.2%;Mg:0.8-1.3%;Ni:0.8~1.5%;Fe:《0.7%;其余A1。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述單冒口共晶A1-Si合金活塞材料低溫?zé)崽幚矸椒?，其特征是所述合金中各組分組成如下Si:12.18%;Cu:1.15%;Mn:0.16%;Mg:1.10%;Ni:0.86%;Fe:0.49%;其余Al;鑄造后的活塞在井式爐中加熱480。C保溫1.5小時，65'C水中淬火，160。C保溫時效5h，出爐后空冷；處理后活塞材料各項性能指標(biāo)為硬度HB125;抗拉強度ob(肌)=286.22MPa，ob(3加Cl17.15MPa;線膨脹系數(shù)a室溫—2賦=19.99X10—6〃C，a室溫—300.c=21.44X10_7°C;體積穩(wěn)定性0.010%D。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述單冒口共晶Al-Si合金活塞材料低溫?zé)崽幚矸椒?，其特征是Si:12.62%;Cu:1.12%;Mn:0.15%;Mg:1.09%;Ni:0.88%;Fe:0.39%;其余A1;鑄造后的活塞在井式爐中加熱485。C保溫1.5h，55。C水中淬火，160'C士5。C保溫時效5h，出爐后空冷；處理后活塞材料各項性能指標(biāo)為硬度HB128;抗拉強度ob(肌)=291.89MPa，ob(3。。。=118.47MPa;線膨脹系數(shù)a室溫督^20.04X10—V。C，a室溫—3肌二21.62X10—V。C;體積穩(wěn)定性0.0翻。5、根據(jù)權(quán)利要求1所述單冒口共晶A1-Si合金活塞材料低溫?zé)崽幚矸椒?，其特征是Si:12.60%;Cu:1.14%;Mn:0.15%;Mg:1.10%;Ni:0.85%;Fe:0.43%;其余A1;鑄造后的活塞在井式爐中加熱48(TC保溫1.5h，60'C水中淬火，16(TC保溫時效5h，出爐后空冷；處理后活塞材料各項性能指標(biāo)為硬度:HB120;抗拉強度。b圖267.腿Pa，ob匿)=123.25MPa;線膨脹系數(shù)a室溫—2wrc=19.96X10_7°C，a室溫—300.c=21.28X10—6/°C;體積穩(wěn)定性0.011%D。6、根據(jù)權(quán)利要求1所述單冒口共晶Al-Si合金活塞材料低溫?zé)崽幚矸椒?，其特征是Si:12.53%;Cu:1.16%;Mn:0.16%;Mg:1.09%;Ni:0.90%;Fe:0.41%;其余A1;鑄造后的活塞在井式爐中加熱485。C保溫1.5h，65。C水中淬火，16(TC保溫時效5h，出爐后空冷；處理后活塞材料各項性能指標(biāo)為硬度:HB121;抗拉強度ob(2。'c)=287.50MPa，ob(就)=124.71MPa;線膨脹系數(shù)a室溫—,。=20.21X1(T/°C，a室溫—咖.。=21.57X10—V°C;體積穩(wěn)定性0.008%D。7、根據(jù)權(quán)利要求1所述單冒口共晶Al-Si合金活塞材料低溫?zé)崽幚矸椒ǎ涮卣魇荢i:12.48%;Cu:1.15%;Mn:0.15%;Mg:1.08%;Ni:0.86%;Fe:0.42%;其余A1;鑄造后的活塞在井式爐中加熱475。C保溫1.5h，75。C水中淬火，165'C保溫時效5h，出爐后空冷；處理后活塞材料各項性能指標(biāo)為硬度HB115;抗拉強度ob(薦)=275.證a，ob(雄)=117.llMPa;線膨脹系數(shù)a室溫-2。。1=20.37X10_7°C，a室溫—3肌=21.86X10"V。C;體積穩(wěn)定性0.009%D。全文摘要一種單冒口共晶Al-Si合金活塞材料低溫?zé)崽幚矸椒?，按以下步驟進行將鑄造后的活塞在井式爐中加熱至480℃±5℃，保溫1.5h出爐；采用50℃-80℃水進行淬火冷卻；淬火后在井式時效爐中將活塞隨爐升溫至160℃±5℃，保溫5h進行人工時效處理，隨后，出爐進行空冷，完成活塞材料的熱處理全過程；通過低溫?zé)崽幚砗蠊簿l-Si合金活塞材料各項性能指標(biāo)超過內(nèi)燃機活塞技術(shù)條件GB/T1148-93要求各項性能指標(biāo)。本工藝方法既能保證活塞質(zhì)量、又可降低生產(chǎn)成本。文檔編號C22F1/043GK101445898SQ20081014805公開日2009年6月3日申請日期2008年12月26日優(yōu)先權(quán)日2008年12月26日發(fā)明者任德忠,何光馳,夏小兵,彭明誠,徐昌友,楊慶年申請人:成都銀河動力股份有限公司