專(zhuān)利名稱(chēng)：共晶鋁硅合金活塞材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于有色金屬材料制備技術(shù)和變質(zhì)處理工藝領(lǐng)域，具體涉及一種共晶鋁硅合金活塞材料的制備方法。
背景技術(shù)：
活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟，承受交變的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷，是發(fā)動(dòng)機(jī)中工作條件最?lèi)毫拥年P(guān)鍵零部件之一。在高溫高壓高速的情形下工作，決定著發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率，因此要求活塞合金具有較好的體積穩(wěn)定性和較高的高溫強(qiáng)度。發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷提高則使得活塞的工作負(fù)荷顯著增加，因而對(duì)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(dāng)其沖。目前國(guó)內(nèi)業(yè)界仍普遍采用的ZL109等傳統(tǒng)合金牌號(hào)已不能適應(yīng)新開(kāi)發(fā)的更高負(fù)荷和性能活塞尤其是高性能車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的要求，近年來(lái)更是常發(fā)生有的機(jī)型上出現(xiàn)斷頭或燃燒室口開(kāi)裂的情況。本發(fā)明是在ZL109合金的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整合金成分、加入微量元素、嚴(yán)格控制變質(zhì)工藝，制備一種高強(qiáng)度，低熱膨脹系數(shù)的新型共晶合金材料，符合高性能車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問(wèn)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(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞中。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種共晶鋁硅合金活塞材料，以質(zhì)量百分比計(jì)，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(zhì)。優(yōu)選的，所述共晶鋁硅合金活塞材料，以質(zhì)量百分比計(jì)，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(zhì)。進(jìn)一步的，所述共晶鋁硅合金活塞材料，還可以含有以下按質(zhì)量百分比計(jì)的合金元素，Zn 彡 0. 5%、Mn 彡 0. 15%、Ti 彡 0. 05%、Sn 彡 0. 02%、Fe 彡 0. 5%。本發(fā)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(zhì)量百分比計(jì)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(zhì)；分別稱(chēng)取重熔用鋁錠、重熔用鎂錠、工業(yè)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(yè)硅為破碎好的I 5cm3的小塊；(2)按總投料質(zhì)量的0. I 0. 2%稱(chēng)取無(wú)鈉精煉劑；
(3)將步驟(I)、步驟(2)中的工業(yè)硅、電解銅、重熔用鎂錠、純鎳板、AlV5、AlZrlO、A1P3、重熔用鋁錠和無(wú)鈉精煉劑放入溫度200-300°C的恒溫預(yù)熱干燥爐中干燥2 3h ;(4)將步驟(3)中干燥后的工業(yè)硅、純鎳板、重熔用鋁錠放入工業(yè)電爐內(nèi)，設(shè)定工業(yè)電爐爐體溫度為850°C ；(5)點(diǎn)火3h 4h，待爐內(nèi)的重熔用鋁錠、工業(yè)硅和純鎳板全部熔化，攪拌爐內(nèi)鋁液5 8min，然后在工業(yè)電爐中加入步驟(3)干燥后的電解銅、A1V5和AlZrlO，繼續(xù)點(diǎn)火升溫，并設(shè)定爐內(nèi)熔體溫度800°C保溫30min。(6)待爐內(nèi)所有物料全部熔化，調(diào)整溫度至740 780°C，用鐘罩將經(jīng)步驟(3)干燥處理的重熔用鎂錠壓入鋁合金熔體內(nèi)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(diào)整到830°C，加入A1P3中間合金進(jìn)行變質(zhì)處理；(8)變質(zhì)30 50min后,充分?jǐn)嚢?取樣檢測(cè)合金成分。(9)測(cè)量鋁合金熔體溫度，在鋁合金熔體溫度800 815°C范圍內(nèi)將步驟(3)干燥后的無(wú)鈉精煉劑的50%撒入鋁合金熔體內(nèi)進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁瑢⑹Ｓ嗟?0%無(wú)鈉精煉劑放入自動(dòng)噴粉機(jī)中，以惰性氣體為載體將無(wú)鈉精煉劑均勻的噴入鋁合金熔體內(nèi)進(jìn)行精煉，噴入的時(shí)間控制在10 15min，進(jìn)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(shí)出爐，得所述的共晶鋁硅合金活塞材料。優(yōu)選的，所述方法包括如下步驟(I)按招娃合金中合金元素的所占質(zhì)量百分比計(jì)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(chēng)取所述的工業(yè)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(yè)硅為破碎好的I 5cm3的小塊；(2)按步驟⑴總投料質(zhì)量的0. 15%稱(chēng)取無(wú)鈉精煉劑；(3)將步驟(I)、步驟⑵中的工業(yè)硅、電解銅、重熔用鎂錠、純鎳板、AlV5、AlZrlO、A1P3、重熔用鋁錠和無(wú)鈉精煉劑放入溫度250°C的恒溫預(yù)熱干燥爐中干燥3h ；(4)將步驟(3)中干燥后的工業(yè)硅、純鎳板、重熔用鋁錠放入工業(yè)電爐內(nèi)，設(shè)定工業(yè)電爐爐體溫度為850°C ；(5)點(diǎn)火4h，待爐內(nèi)的重熔用鋁錠、工業(yè)硅和純鎳板全部熔化，攪拌爐內(nèi)鋁液8min，然后在工業(yè)電爐中加入步驟(3)干燥后的電解銅、A1V5和AlZrlO，繼續(xù)點(diǎn)火升溫，并設(shè)定爐內(nèi)熔體溫度800°C保溫30min。(6)待爐內(nèi)所有物料全部熔化，調(diào)整溫度至760 780°C，用鐘罩將經(jīng)步驟(3)干燥處理的重熔用鎂錠壓入鋁合金熔體內(nèi)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(diào)整到830°C，加入A1P3中間合金進(jìn)行變質(zhì)處理；(8)變質(zhì)40min后，充分?jǐn)嚢?，取樣檢測(cè)合金成分。(9)測(cè)量鋁合金熔體溫度，在鋁合金熔體溫度810°C時(shí)將步驟(3)干燥后的無(wú)鈉精煉劑的50%撒入鋁合金熔體內(nèi)進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，將剩余?0%無(wú)鈉精煉劑放入自動(dòng)噴粉機(jī)中，以惰性氣體為載體將無(wú)鈉精煉劑均勻的噴入鋁合金熔體內(nèi)進(jìn)行精煉，噴入的時(shí)間控制在lOmin，進(jìn)行打渣，打渣后鋁液靜置5min ；(10)在鋁合金熔液溫度810°C時(shí)出爐，得所述的共晶鋁硅合金活塞材料。、
本發(fā)明中的純鎳板可用AlNi20(鋁鎳中間合金)替代實(shí)現(xiàn)，如果加入的是AlNi20，經(jīng)過(guò)步驟(I)的稱(chēng)取后，接著在步驟(3)中進(jìn)行干燥，然后在步驟(5)中隨著電解銅一起加入當(dāng)用AlNi20替代純鎳板實(shí)現(xiàn)本發(fā)明時(shí)，優(yōu)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(zhì)量百分比計(jì)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(chēng)取所述工業(yè)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(yè)硅為破碎好的I 5cm3的小塊；(2)按步驟⑴總投料質(zhì)量的0. 16%稱(chēng)取無(wú)鈉精煉劑；(3)將步驟(I)、步驟(2)中的工業(yè)硅、電解銅、重熔用鎂錠、AlV5、AlZrl0、AlNi20、A1P3、重熔用鋁錠和無(wú)鈉精煉劑放入溫度250°C的恒溫預(yù)熱干燥爐中干燥2h ；(4)將步驟(3)中干燥后的工業(yè)硅、重熔用鋁錠放入工業(yè)電爐內(nèi)，設(shè)定工業(yè)電爐爐體溫度為850°C ；(5)點(diǎn)火4h，待爐內(nèi)的重熔用鋁錠和工業(yè)硅全部熔化，攪拌爐內(nèi)鋁液8min，然后在工業(yè)電爐中加入步驟(3)干燥后的電解銅、AlNi20、AlV5和AlZrlO，繼續(xù)點(diǎn)火升溫，并設(shè)定爐內(nèi)熔體溫度800°C保溫30min。(6)待爐內(nèi)所有物料全部熔化，調(diào)整溫度至750°C，用鐘罩將經(jīng)步驟(3)干燥處理的重熔用鎂錠壓入鋁合金熔體內(nèi)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(diào)整到830°C，加入A1P3中間合金進(jìn)行變質(zhì)處理；(8)變質(zhì)45min后,充分?jǐn)嚢?取樣檢測(cè)合金成分。(9)測(cè)量鋁合金熔體溫度，在鋁合金熔體溫度810°C時(shí)將步驟(3)干燥后的無(wú)鈉精煉劑的50%撒入鋁合金熔體內(nèi)進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，將剩余?0%無(wú)鈉精煉劑放入自動(dòng)噴粉機(jī)中，以惰性氣體為載體將無(wú)鈉精煉劑均勻的噴入鋁合金熔體內(nèi)進(jìn)行精煉，噴入的時(shí)間控制在12min，進(jìn)行打渣，打渣后鋁液靜置5min ；(10)在鋁合金熔液溫度805°C時(shí)出爐，得所述的共晶鋁硅合金活塞材料。優(yōu)選的，上述惰性氣體均為氬氣。本發(fā)明是一種添加多種強(qiáng)化元素的共晶鋁硅合金材料，關(guān)鍵技術(shù)是變質(zhì)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(zhì)劑，變質(zhì)溫度是800°C，變質(zhì)時(shí)間是30 50min。發(fā)明人還經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鋁合金澆注溫度控制在800 815°C時(shí)材料性能最佳，從圖I、圖2的合金變質(zhì)效果遠(yuǎn)優(yōu)于圖3、圖4可以看出，當(dāng)鋁合金澆注溫度低于此溫度時(shí)，初晶硅易聚集且變質(zhì)效果不佳。Al、Si、Cu、Mg、Ni、V、Zr生成了多種耐熱相，起強(qiáng)化作用和細(xì)化作用，大大提高材料在高溫下的抗拉強(qiáng)度。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果為I、本方法制備的合金材料具有高溫性能優(yōu)良，硬度高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性好等特點(diǎn)，符合高性能車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的要求，為鋁合金行業(yè)在新材料性能上的突破積累了經(jīng)驗(yàn)。適量的Ni可大幅度提高已有高性能活塞合金的高溫強(qiáng)度；Al、Si、Mg、Cu、Ni等在合金中形成化合物強(qiáng)化相和高溫穩(wěn)定相，起到綜合強(qiáng)化活塞合金的作用；Zr和V可細(xì)化再結(jié)晶組織，加P變質(zhì)處理后，形成Al-P黑色核心，促進(jìn)了初晶硅的異質(zhì)形核，起到細(xì)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(fā)明的新型共晶鋁合金活塞材料強(qiáng)度約為350Mpa，300°C高溫抗拉強(qiáng)度約為205Mpa。進(jìn)一步的，本發(fā)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(fā)明所述的合金的最佳磷含量、變質(zhì)溫度、變質(zhì)處理與精煉處理的配合和澆注溫度的范圍內(nèi)，能夠得到一種優(yōu)良的磷變質(zhì)工藝，從而制備得到本發(fā)明所述的性能優(yōu)良的共晶招娃合金。


圖I澆注溫度為800°C合金的變質(zhì)組織。圖2澆注溫度為815°C合金的變質(zhì)組織。圖3澆注溫度為780°C合金的變質(zhì)組織。圖4澆注溫度為730°C合金的變質(zhì)組織。圖5本發(fā)明合金與現(xiàn)有ZL109的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述，以下實(shí)施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。實(shí)施例I :(I)按質(zhì)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(chēng)取重熔用鋁錠、重熔用鎂錠、工業(yè)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(yè)硅為破碎好的I 5cm3的小塊；(2)按總投料質(zhì)量的0. 15%稱(chēng)取無(wú)鈉精煉劑；(3)將步驟(I)、步驟⑵中的工業(yè)硅、電解銅、重熔用鎂錠、純鎳板、AlV5、AlZrlO、ALP3、重熔用鋁錠和無(wú)鈉精煉劑放入溫度250°C的恒溫預(yù)熱干燥爐中干燥3h ；(4)將步驟(3)中干燥后的工業(yè)硅、純鎳板、重熔用鋁錠放入CX-GR-150型工業(yè)電爐內(nèi)，設(shè)定工業(yè)電爐爐體溫度為850°C。(5)點(diǎn)火4h，待爐內(nèi)的重熔用鋁錠、工業(yè)硅和純鎳板全部熔化，大力攪拌爐內(nèi)鋁合金熔體8min，然后在工業(yè)電爐中小心加入步驟(3)中的電解銅、A1V5和AlZrlO，繼續(xù)點(diǎn)火升溫至850°C。(6)待爐內(nèi)所有物料全部熔化，調(diào)整溫度至765°C，用鐘罩將經(jīng)步驟(3)干燥處理的重熔用鎂錠壓入鋁合金熔體內(nèi)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(diào)整到830°C，加入A1P3中間合金進(jìn)行變質(zhì)處理；(8)變質(zhì)45min后,充分?jǐn)嚢?取樣檢測(cè)合金成分；(9)測(cè)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(wú)鈉精煉劑的50%撒入鋁合金熔體內(nèi)進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，將剩余?0%無(wú)鈉精煉劑放入自動(dòng)噴粉機(jī)中，以惰性氣體氬氣為載體將無(wú)鈉精煉劑均勻的噴入鋁合金熔體內(nèi)進(jìn)行精煉，氬氣噴入的時(shí)間為IOmin,進(jìn)行打洛,打洛后靜置5min ； (10)在鋁合金熔液溫度815°C時(shí)出爐。
(11)對(duì)合金材料進(jìn)行T6熱處理。通過(guò)檢驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)方法制備的鋁合金熱處理狀態(tài)抗拉強(qiáng)度為333Mpa，300°C高溫抗拉強(qiáng)度1 98Mpa，350°C高溫抗拉強(qiáng)度157Mpa，熱膨脹系數(shù)15. 8X10_6/°C。所述無(wú)鈉精煉劑為本行業(yè)內(nèi)常規(guī)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(chǎn)的HGJB-2精煉劑。實(shí)施例2(I)按招娃合金中合金元素的所占質(zhì)量百分比計(jì)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(chēng)取所述的工業(yè)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(yè)硅為破碎好的I 5cm3的小塊；(2)按步驟⑴總投料質(zhì)量的0. 15%稱(chēng)取無(wú)鈉精煉劑；(3)將步驟(I)、步驟(2)中的工業(yè)硅、電解銅、重熔用鎂錠、純鎳板、AlV5、AlZrlO、A1P3、重熔用鋁錠和無(wú)鈉精煉劑放入溫度250°C的恒溫預(yù)熱干燥爐中干燥3h ；(4)將步驟(3)中干燥后的工業(yè)硅、純鎳板、重熔用鋁錠放入工業(yè)電爐內(nèi)，設(shè)定工業(yè)電爐爐體溫度為850°C ；(5)點(diǎn)火4h，待爐內(nèi)的重熔用鋁錠、工業(yè)硅和純鎳板全部熔化，攪拌爐內(nèi)鋁液8min，然后在工業(yè)電爐中加入步驟(3)干燥后的電解銅、A1V5和AlZrlO，繼續(xù)點(diǎn)火升溫，并設(shè)定爐內(nèi)熔體溫度800°C保溫30min。(6)待爐內(nèi)所有物料全部熔化，調(diào)整溫度至760 780°C，用鐘罩將經(jīng)步驟(3)干燥處理的重熔用鎂錠壓入鋁合金熔體內(nèi)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(diào)整到830°C，加入A1P3中間合金進(jìn)行變質(zhì)處理；(8)變質(zhì)40min后,充分?jǐn)嚢?取樣檢測(cè)合金成分。(9)測(cè)量鋁合金熔體溫度，在鋁合金熔體溫度810°C時(shí)將步驟(3)干燥后的無(wú)鈉精煉劑的50%撒入鋁合金熔體內(nèi)進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，將剩余?0%無(wú)鈉精煉劑放入自動(dòng)噴粉機(jī)中，以惰性氣體為載體將無(wú)鈉精煉劑均勻的噴入鋁合金熔體內(nèi)進(jìn)行精煉，噴入的時(shí)間控制在lOmin，進(jìn)行打渣，打渣后鋁液靜置5min ；(10)在鋁合金熔液溫度810°C時(shí)出爐。(11)對(duì)合金材料進(jìn)行T6熱處理。通過(guò)檢驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)方法制備的鋁合金熱處理狀態(tài)抗拉強(qiáng)度越為330Mpa，300°C高溫抗拉強(qiáng)度約為200Mpa，350°C高溫抗拉強(qiáng)度約為161Mpa，熱膨脹系數(shù)約為16.0X10_6/°C。實(shí)施例3(I)按質(zhì)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(chēng)取重熔用鋁錠、重熔用鎂錠、工業(yè)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(yè)硅為破碎好的I 5cm3的小塊；(2)按總投料質(zhì)量的0. 16%稱(chēng)取無(wú)鈉精煉劑；(3)將步驟(I)、步驟(2)中的工業(yè)硅、電解銅、重熔用鎂錠、AlNi20、AlV5、AlZrl0、A1P3、重熔用鋁錠和無(wú)鈉精煉劑放入溫度250°C的恒溫預(yù)熱干燥爐中干燥2h ；(4)將步驟(3)中干燥后的工業(yè)硅、重熔用鋁錠放入CX-GR-150型工業(yè)電爐內(nèi)，設(shè)定工業(yè)電爐爐體溫度為850°C。(5)點(diǎn)火4h，待爐內(nèi)的重熔用鋁錠和工業(yè)硅全部熔化，大力攪拌爐內(nèi)鋁合金熔體5min，然后在工業(yè)電爐中小心加入步驟(3)中的電解銅、AlNi20、A1V5和AlZrlO，繼續(xù)點(diǎn)火升溫，并設(shè)定爐內(nèi)熔體溫度800°C保溫30min。(6)待爐內(nèi)所有物料全部熔化，調(diào)整溫度至760°C，用鐘罩將經(jīng)步驟(3)干燥處理的重熔用鎂錠壓入鋁合金熔體內(nèi)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(diào)整到830°C，加入A1P3中間合金進(jìn)行變質(zhì)處理； (8)變質(zhì)50min后,充分?jǐn)嚢?取樣檢測(cè)合金成分；(9)測(cè)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(wú)鈉精煉劑的50%撒入鋁合金熔體內(nèi)進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，將剩余?0%無(wú)鈉精煉劑放入自動(dòng)噴粉機(jī)中，以惰性氣體氬氣為載體將無(wú)鈉精煉劑均勻的噴入鋁合金熔體內(nèi)進(jìn)行精煉，氬氣噴入的時(shí)間為IImin,然后進(jìn)行打洛,打洛后招液靜置8min ；(10)在鋁合金熔液溫度810°C時(shí)出爐。(11)對(duì)合金材料進(jìn)行T6熱處理。通過(guò)檢驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)方法制備的鋁合金熱處理狀態(tài)抗拉強(qiáng)度為342Mpa，300°C高溫抗拉強(qiáng)度201Mpa，350°C高溫抗拉強(qiáng)度159Mpa，熱膨脹系數(shù)16. 3X 10_6/°C。實(shí)施例4(I)按鋁硅合金中合金元素的所占質(zhì)量百分比計(jì)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(chēng)取所述工業(yè)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(yè)硅為破碎好的I 5cm3的小塊；(2)按步驟⑴總投料質(zhì)量的0. 16%稱(chēng)取無(wú)鈉精煉劑；(3)將步驟(I)、步驟(2)中的工業(yè)硅、電解銅、重熔用鎂錠、AlV5、AlZrl0、AlNi20、A1P3、重熔用鋁錠和無(wú)鈉精煉劑放入溫度250°C的恒溫預(yù)熱干燥爐中干燥2h ；(4)將步驟(3)中干燥后的工業(yè)硅和重熔用鋁錠放入工業(yè)電爐內(nèi)，設(shè)定工業(yè)電爐爐體溫度為850°C ；(5)點(diǎn)火4h，待爐內(nèi)的重熔用鋁錠和工業(yè)硅全部熔化，攪拌爐內(nèi)鋁液8min，然后在工業(yè)電爐中加入步驟(3)干燥后的電解銅、AlV5、AlNi20和AlZrlO，繼續(xù)點(diǎn)火升溫，并設(shè)定爐內(nèi)熔體溫度800°C保溫30min。(6)待爐內(nèi)所有物料全部熔化，調(diào)整溫度至750°C，用鐘罩將經(jīng)步驟(3)干燥處理的重熔用鎂錠壓入鋁合金熔體內(nèi)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(diào)整到830°C，加入A1P3中間合金進(jìn)行變質(zhì)處理；(8)變質(zhì)45min后,充分?jǐn)嚢?取樣檢測(cè)合金成分。(9)測(cè)量鋁合金熔體溫度，在鋁合金熔體溫度810°C時(shí)將步驟(3)干燥后的無(wú)鈉精煉劑的50%撒入鋁合金熔體內(nèi)進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁瑢⑹Ｓ嗟?0%無(wú)鈉精煉劑放入自動(dòng)噴粉機(jī)中，以惰性氣體為載體將無(wú)鈉精煉劑均勻的噴入鋁合金熔體內(nèi)進(jìn)行精煉，噴入的時(shí)間控制在12min，進(jìn)行打渣，打渣后鋁液靜置5min ；(10)在鋁合金熔液溫度805°C時(shí)出爐。。(11)對(duì)合金材料進(jìn)行T6熱處理。
通過(guò)檢驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)方法制備的鋁合金熱處理狀態(tài)抗拉強(qiáng)度為345Mpa，300°C高溫抗拉強(qiáng)度203Mpa，350°C高溫抗拉強(qiáng)度160Mpa，熱膨脹系數(shù)17X10_6/°C。下面以本發(fā)明合金材料與現(xiàn)有ZL109合金進(jìn)行對(duì)比，摩擦磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖5所示。從圖5可以看出，本發(fā)明合金的摩擦系數(shù)遠(yuǎn)低于ZL109合金，耐磨性能更好，更符合高性能車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的要求。此外，本發(fā)明還提供了本發(fā)明合金材料與現(xiàn)有ZL109合金元素成分對(duì)比、兩種鋁合金常溫和高溫下力學(xué)性能對(duì)比(參見(jiàn)表I及表2)。從表2可以看出，本發(fā)明的合金其鑄態(tài)抗拉強(qiáng)度、熱處理后常溫抗拉強(qiáng)度、30(TC高溫抗拉強(qiáng)度、350°C高溫抗拉強(qiáng)度明顯優(yōu)于ZL109合金，而熱膨脹系數(shù)則明顯低于ZL109合金，說(shuō)明本發(fā)明的合金是一種高強(qiáng)度，低熱膨脹系數(shù)的新型共晶合金材料，相比ZL109合金，更符合高性能車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的要求。 表I
rh'.hM'j Si ('n M Mg V Zr l Zn Mn Ti Sn (-V Z1V 成總和
11.2 Ii1K 2, 7 (!,ft 0.05 0.05 0, OOli 本發(fā)明&( $ 《 《 $
ft HB 0. 10 (I fU)2 (I. a 1.0
__12- Ii -I 5 -I. 0 fUj 0. 07 0. 07 f). Ul-I_______
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IU.0 I, 5 I, il 1.3表2
介金鑄態(tài)抗拉強(qiáng)熱處觀后常溫 300°C+高溫抗拉35(TC高溫抗 代'4 度(Mpa)抗| M度(Mpa) *度(Mpa) 拉Ill度(Mpa)'
ZL1092002851328522.3
本發(fā)明
八八27035020516115.6
I i 4/.______以上對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，但所述內(nèi)容僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，不能被認(rèn)為用于限定本發(fā)明的實(shí)施范圍。凡依本發(fā)明申請(qǐng)范圍所作的均等變化與改進(jìn)等，均應(yīng)仍歸屬于本發(fā)明的專(zhuān)利涵蓋范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種共晶鋁硅合金活塞材料的制備方法，其特征在于包括如下步驟 (1)按鋁硅合金中合金元素所占質(zhì)量百分比計(jì)Si11 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(zhì)；分別稱(chēng)取重熔用鋁錠、重熔用鎂錠、工業(yè)硅、電解銅、純鎳板、A1V5、AlZrlO和A1P3 ;其中工業(yè)硅為破碎好的I 5cm3的小塊； (2)按總投料質(zhì)量的0.I 0. 2%稱(chēng)取無(wú)鈉精煉劑； (3)將步驟(I)、步驟(2)中的工業(yè)硅、電解銅、重熔用鎂錠、純鎳板、A1V5、AlZrlO、A1P3、重熔用鋁錠和無(wú)鈉精煉劑放入溫度200-300°C的恒溫預(yù)熱干燥爐中干燥2 3h ; (4)將步驟(3)中干燥后的工業(yè)硅、純鎳板、重熔用鋁錠放入工業(yè)電爐內(nèi)，設(shè)定工業(yè)電爐爐體溫度為850°C ； (5)點(diǎn)火3h 4h，待爐內(nèi)的重熔用鋁錠、工業(yè)硅和純鎳板全部熔化，攪拌爐內(nèi)鋁液5 8min，然后在工業(yè)電爐中加入步驟(3)干燥后的電解銅、A1V5和AlZrlO，繼續(xù)點(diǎn)火升溫，并設(shè)定爐內(nèi)熔體溫度800°C保溫30min。
(6)待爐內(nèi)所有物料全部熔化，調(diào)整溫度至740 780°C，用鐘罩將經(jīng)步驟(3)干燥處理的重熔用鎂錠壓入鋁合金熔體內(nèi)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(diào)整到830°C，加入A1P3中間合金進(jìn)行變質(zhì)處理； (8)變質(zhì)30 50min后,充分?jǐn)嚢?取樣檢測(cè)合金成分。
(9)測(cè)量鋁合金熔體溫度，在鋁合金熔體溫度800 815°C范圍內(nèi)將步驟(3)干燥后的無(wú)鈉精煉劑的50%撒入鋁合金熔體內(nèi)進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，將剩余?0%無(wú)鈉精煉劑放入自動(dòng)噴粉機(jī)中，以惰性氣體為載體將無(wú)鈉精煉劑均勻的噴入鋁合金熔體內(nèi)進(jìn)行精煉，噴入的時(shí)間控制在10 15min，進(jìn)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(shí)出爐，得所述的共晶鋁硅合金活塞材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述惰性氣體為氬氣。
全文摘要
本發(fā)明提供一種共晶鋁硅合金活塞材料的制備方法。本發(fā)明是在ZL109合金的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整合金成分及合金微量成分V、Zr、P等并嚴(yán)格控制變質(zhì)工藝，制備得到一種高強(qiáng)度，低熱膨脹系數(shù)的新型共晶鋁合金材料，Zr和V可細(xì)化再結(jié)晶組織，加P變質(zhì)處理后，形成Al-P黑色核心，促進(jìn)了初晶硅的異質(zhì)形核，起到細(xì)化初晶硅的作用，平均晶粒尺寸約為12μm。本發(fā)明的合金具有高溫性能優(yōu)良，硬度高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性好等特點(diǎn)，更符合高性能車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的要求。
文檔編號(hào)C22C21/04GK102644012SQ201210156049
公開(kāi)日2012年8月22日 申請(qǐng)日期2012年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月17日
發(fā)明者李志琴, 潘佳昆, 王如芬, 田紅杰, 翟盼盼 申請(qǐng)人:天津立中合金集團(tuán)有限公司