本發(fā)明涉及發(fā)動機技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種變質(zhì)鋁硅合金活塞。
背景技術(shù)：
零部件材料輕量化的一項重要措施就是以鋁代鋼。鋁合金具有比重輕、易成型、比強度高、耐腐蝕性好等特點，作為輕金屬廣泛應(yīng)用于汽車零部件上。而以Si為主加元素，輔助添加Cu、Mg等元素的Al-Si合金，不但比重比傳統(tǒng)鋁合金更輕，且具有良好的高溫強度、耐磨性、耐熱性和較低的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點，是代替鐵基材料制備發(fā)動機活塞的理想材料，應(yīng)用前景十分廣闊。
亞共晶和共晶Al-Si合金克服了AlCu系合金熱膨脹系數(shù)大、密度大的缺點，己經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車和摩托車活塞的生產(chǎn)上。然而，該兩類合金在實際應(yīng)用中存在的致命問題是活塞尺寸穩(wěn)定性差、抗咬合負載能力差，高溫時產(chǎn)生體積的不可逆膨脹從而導(dǎo)致“咬缸”現(xiàn)象的發(fā)生，使得發(fā)動機無法正常工作。由于上述在使用性能上不可避免的缺陷，亞共晶和共晶鋁硅合金作為活塞材料的應(yīng)用己經(jīng)越來越不能滿足現(xiàn)代發(fā)動機高速輕量化的要求。在共晶鋁硅合金的基礎(chǔ)上，提高Si含置得到高硅過共晶鋁硅合金，合金的高溫力學(xué)性能、耐磨性、尺寸穩(wěn)定性和抗咬合性能均有大幅度的提高。
因此，加強過共晶鋁硅合金從而提高活塞的使用性能、滿足不斷提高的發(fā)動機性能的要求，具有十分重要的現(xiàn)實意義。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提出一種變質(zhì)硅鋁合金活塞，能夠減小Al-Si合金中出晶硅的尺寸，實現(xiàn)初晶硅的細化。
為達此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
一種變質(zhì)硅鋁合金活塞，所述硅鋁合金活塞采用過共晶硅鋁合金，其中按質(zhì)量百分比計Si 22-26％，Cu 0.5-2.5％，Mg 0.3-1.2％，Mn 0.2-0.6％，Ti 0.2-0.4％，Zn 0.15-0.25％，RE 0.8-1.2％，Sr 0.02-0.06％，P 0.08-0.1％，Al余量。
本發(fā)明的在先發(fā)明“一種鋁硅合金活塞”公開了一種鋁硅合金活塞，其采用過共晶硅鋁合金，其中按質(zhì)量百分比計Si 22-26％，Cu 0.5-2.5％，Mg 0.3-1.2％，Mn 0.2-0.6％，Ti 0.2-0.4％，Zn 0.15-0.25％，Al余量。但經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，其未經(jīng)變質(zhì)，會存在一些缺陷，變質(zhì)后，其性能會有進一步提升。
本發(fā)明采用P-RE-Sr復(fù)合變質(zhì)劑對其進行變質(zhì)。在二元變質(zhì)中Sr對初晶硅細化沒有作用，但在P-RE-Sr三元復(fù)合變質(zhì)后，過共晶硅鋁合金卻得到了優(yōu)于P-RE二元復(fù)合變質(zhì)的結(jié)果，得到的初晶硅尺寸僅8-12μm，好于P-RE二元變質(zhì)的20-25μm。不僅如此，鋁硅合金的共晶硅不僅尺寸細小，而且已大部分呈蠕球桿狀，好于PM變質(zhì)的短桿狀共晶硅。
通過對過共晶Al-Si合金的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Si含量為22-26％時，合金凝固時具有最小的凝固收縮率。Al-Si合金的磨損率隨著Si含量的增加先下降后升高，未變質(zhì)的鋁硅合金磨損率最低點在Si含量21％左右，而變質(zhì)過的鋁硅合金最低點在26％左右。因此本發(fā)明將Si含量確定在22-26％，優(yōu)選23-24％。
Al-Si合金中單獨加入少量的Mg形成Mg2Si強化相。淬火時，Mg2Si融入α固溶體中，時效處理后又形成彌散相析出，使得α固溶體的結(jié)晶點陣發(fā)生畸變，從而強化合金，顯著提高強度，但合金延伸率會下降。
Cu可以提高鋁合金的硬度和高溫力學(xué)性能，其固溶作用還可以提高鋁合金的抗疲勞強度。但由于Cu的化學(xué)電位比Al高，易產(chǎn)生晶間腐蝕與應(yīng)力腐蝕，降低鋁合金的耐蝕性。
在本發(fā)明中，同時加入Cu和Mg，在鋁合金中形成W強化相(AlxMg5Si4Cu4)，相比Mg2Si和CuAl2相，W相的強化效果最好，能大幅促進合金力學(xué)性能的提高。但Cu和Mg在Al-Si合金中的總量過少，強化效果就小，但總量過高，又使得合金的塑性變差。因此本發(fā)明選擇Cu 0.5-2.5％，Mg 0.3-1.2％。
在本發(fā)明中，Mn用來消除Fe的有害作用。同時，Mn含量在本發(fā)明的0.2-0.6％范圍內(nèi)，還能增加合金塑性。由于Fe在合金中容易與Si、Al形成針狀β-FeSiAl5相，嚴重割裂合金基體，降低合金強韌性。Mn能使合金中Fe從針片狀β-Fe相變成為細密的骨骼狀α-Fe相，減少危害。
在本發(fā)明中，Ti用來細化晶粒，改善合金的力學(xué)性能和塑性，并發(fā)生包晶反應(yīng)形成α(Al)相。但Ti含量不能太大，否則多余的Ti會生成游離態(tài)的TiAl3，聚集后使得材料的力學(xué)性能下降。
本發(fā)明的所述活塞的結(jié)構(gòu)及鑄造方法，是本領(lǐng)域的已知技術(shù)，本發(fā)明不再對其贅述。
本發(fā)明通過選取特定成分的合金來制造鋁硅合金活塞，使得其室溫強度達到240MPa以上，300℃高溫強度達到160MPa以上，硬度達到140-150HBS，能夠符合活塞的要求。同時采用三元復(fù)合變質(zhì)劑，使得過共晶鋁硅合金中得到的初晶硅尺寸僅8-12μm。
具體實施方式
下面通過具體實施方式來進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
實施例1
一種硅鋁合金活塞，所述硅鋁合金活塞采用過共晶硅鋁合金，其中按質(zhì)量百分比計Si 22％，Cu 0.5％，Mg 1.2％，Mn 0.2％，Ti 0.2％，Zn 0.15％，RE 0.8％，Sr 0.02％，P 0.08％，Al余量。
經(jīng)檢測，使得其室溫強度達到240MPa以上，300℃高溫強度達到160MPa以上，硬度達到140-150HBS，初晶硅尺寸為10μm，能夠符合活塞的要求。
實施例2
一種硅鋁合金活塞，所述硅鋁合金活塞采用過共晶硅鋁合金，其中按質(zhì)量百分比計Si 23.5％，Cu 2.5％，Mg 0.5％，Mn 0.4％，Ti 0.4％，Zn 0.25％，RE 1.0％，Sr 0.04％，P 0.09％，Al余量。
經(jīng)檢測，使得其室溫強度達到240MPa以上，300℃高溫強度達到160MPa以上，硬度達到140-150HBS，初晶硅尺寸為9μm，能夠符合活塞的要求。
實施例3
一種硅鋁合金活塞，所述硅鋁合金活塞采用過共晶硅鋁合金，其中按質(zhì)量百分比計Si 26％，Cu 2.5％，Mg 1.2％，Mn 0.6％，Ti 0.4％，Zn 0.25％，RE 1.2％，Sr 0.06％，P 0.1％，Al余量。
經(jīng)檢測，使得其室溫強度達到240MPa以上，300℃高溫強度達到160MPa以上，硬度達到140-150HBS，初晶硅尺寸為8μm，能夠符合活塞的要求。