本發(fā)明涉及鋁合金，具體涉及一種鍛造鋁合金產(chǎn)品及其制備方法和鋁合金鍛造活塞。

背景技術(shù)：

1、鋁合金鍛造活塞合金具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高耐磨、高耐熱性、優(yōu)良的體積穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，在汽車(chē)、船舶、航空等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。該類(lèi)合金具有優(yōu)良的鑄造性能，坯料再經(jīng)過(guò)鍛造或擠壓等工序，用以制造活塞及在高溫下工作的其他零件；不過(guò)該類(lèi)合金坯料中共晶組織和粗大凝固相如未細(xì)化，將嚴(yán)重割裂基體材料，引起材料強(qiáng)度和塑性變差。目前常規(guī)鍛造活塞工藝流程為：先制備普通合金鑄錠，均熱之后進(jìn)行擠壓，然后鋸切擠壓棒材成鍛造坯料，最后將坯料鍛造成活塞并進(jìn)行熱處理，但實(shí)踐中，這種工藝還存在如下的不足：1、鑄造過(guò)程中，通常通過(guò)添加變質(zhì)劑和細(xì)化劑來(lái)細(xì)化α-al和充分變質(zhì)共晶硅組織，但實(shí)踐中，共晶組織仍然常常出現(xiàn)大塊的初晶硅組織和針片狀的共晶硅能?chē)?yán)重割裂基體材料，引起材料強(qiáng)度和韌性變差，例如常規(guī)的4032鋁合金制備的活塞力學(xué)性能為屈服強(qiáng)度290mpa、抗拉強(qiáng)度330mpa和延伸率為3％，性能稍顯欠缺，難以滿足日漸升高的需求；

2、2、常規(guī)鑄造+擠壓+鍛造工藝流程長(zhǎng)，整個(gè)成形過(guò)程涉及到鑄錠鑄造、鑄錠均熱、均熱鑄錠冷卻、鑄錠擠壓前的加熱、鑄錠擠壓、擠壓棒材冷卻、擠壓棒材切割和加熱、棒材鍛造等過(guò)程，一方面，整個(gè)成形包含多道工序，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力；另一方面，如對(duì)這些工序全部進(jìn)行精確控制存在不小的挑戰(zhàn)，尤其是棒材在擠壓過(guò)程中產(chǎn)生較大儲(chǔ)層能，如果在擠壓和鍛造工序的成形工藝控制不當(dāng)，極易出現(xiàn)擠壓和鍛造粗晶。

3、因此，急需開(kāi)發(fā)一種鋁合金鍛造活塞相關(guān)方案以最大限度地避免上述缺陷的發(fā)生。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的一個(gè)或多個(gè)不足，提供一種改進(jìn)的制備鍛造鋁合金產(chǎn)品的方法，該方法使得本發(fā)明制備鍛造鋁合金產(chǎn)品時(shí)可以省略大量繁瑣的步驟例如“鑄錠擠壓前的加熱、鑄錠擠壓、擠壓棒材冷卻、擠壓棒材切割和加熱”，大大地簡(jiǎn)化了生產(chǎn)流程，降低了生產(chǎn)成本，同時(shí)還能夠兼具優(yōu)異的機(jī)械(力學(xué))性能等。

2、本發(fā)明同時(shí)還提供了一種上述方法制備的鍛造鋁合金產(chǎn)品，其可以為鋁合金鍛造活塞或在高溫下工作的其他零件。

3、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的一種技術(shù)方案是：一種制備鍛造鋁合金產(chǎn)品的方法，所述方法包括：

4、(1)形成鋁合金熔體，將所述鋁合金熔體在連鑄工藝中以大于等于200mm/min的鑄造速度、鑄錠整體冷卻速率大于等于15℃/s的方式進(jìn)行鑄造，得到徑向尺寸為50-150mm的鑄錠；

5、(2)對(duì)鑄造所得鑄錠依次進(jìn)行均熱化處理、冷卻和鍛造；

6、其中，控制所述鍛造鋁合金產(chǎn)品中，t6熱處理后，殘留鑄態(tài)組織在10％以下，亞晶尺寸小于30μm，亞晶組織的面積百分比大于60％，共晶硅的平均尺寸在5μm以下，圓整度在0.6以上，彌散顆粒的平均尺寸為0.1-2μm、數(shù)量密度在105-1011個(gè)/cm2。

7、根據(jù)本發(fā)明，本發(fā)明的方法可以省略掉現(xiàn)有常規(guī)制備鋁合金鍛造活塞時(shí)的擠壓工序及相關(guān)的前后工序，大大地精簡(jiǎn)了流程，可縮短生產(chǎn)周期，因此，本發(fā)明所述制備鍛造鋁合金產(chǎn)品的方法不包括鑄錠的擠壓工序，以及擠壓前的加熱工序、擠壓后的冷卻工序、擠壓棒材的切割和加熱工序。

8、根據(jù)本發(fā)明的一些優(yōu)選方面，所述方法包括：在經(jīng)過(guò)所述鑄造后，得到鑄錠，將其切割成鍛造坯料，然后依次進(jìn)行所述均熱化處理、所述冷卻和所述鍛造；

9、其中，控制將所述均熱化處理后的所述鍛造坯料轉(zhuǎn)移至所述冷卻處進(jìn)行水淬冷卻的時(shí)間在10s以?xún)?nèi)。

10、根據(jù)本發(fā)明的一些優(yōu)選方面，所述鍛造的過(guò)程中，控制所述冷卻后的待鍛造材料轉(zhuǎn)移至鍛造設(shè)備的過(guò)程時(shí)間在10s以?xún)?nèi)，采用大于等于5℃/s的升溫速度升溫至450-480℃，控制待鍛造材料的芯部與邊部的溫差小于5℃，采用液壓模鍛進(jìn)行鍛造，鍛造速度為1-10mm/s，且整體成形應(yīng)變速率控制1s-1以?xún)?nèi)。

11、根據(jù)本發(fā)明的一些優(yōu)選方面，所述鍛造的過(guò)程中，依據(jù)式(1)控制鍛造過(guò)程并實(shí)現(xiàn)對(duì)鍛造組織進(jìn)行控制；

12、p＝α1×(σ2/g)(1)，其中，p為儲(chǔ)層能，α1為材料系數(shù)，σ為材料流變應(yīng)力，g為合金剪切模量；

13、通過(guò)該式(1)對(duì)鍛造的樣品進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)p符合預(yù)期值時(shí)，確定對(duì)應(yīng)的鍛造速度和應(yīng)變速率；當(dāng)p超出預(yù)期值時(shí)，調(diào)整鍛造速度和應(yīng)變速率。

14、根據(jù)本發(fā)明的一些優(yōu)選方面，所述鑄造速度大于等于250mm/min。進(jìn)一步地，所述鑄造速度包括但不限于可以為250-350mm/min。

15、根據(jù)本發(fā)明的一些優(yōu)選方面，所述鑄錠整體冷卻速率大于等于20℃/s。進(jìn)一步地，所述鑄錠整體冷卻速率包括但不限于可以為20-40℃/s。

16、根據(jù)本發(fā)明的一些優(yōu)選方面，在所述鑄造的過(guò)程中，控制所述鑄錠的r/2處與芯部的冷卻速率之間的差值不超過(guò)2℃/s，r為所述鑄錠的徑向截面的中心到其表面的距離。

17、根據(jù)本發(fā)明，在經(jīng)過(guò)所述鑄造后，得到的鑄錠的鑄態(tài)組織中，初生α-al為細(xì)小等軸晶，尺寸小于100μm，共晶硅變形等級(jí)大于4級(jí)(美國(guó)鑄造協(xié)會(huì)鋁硅合金變質(zhì)等級(jí)-1984)，凝固第二相尺寸小于20μm。

18、根據(jù)本發(fā)明，所述均熱化處理后，組織結(jié)構(gòu)中，共晶硅的平均尺寸在5μm以下，圓整度在0.6以上。

19、根據(jù)本發(fā)明的一些優(yōu)選方面，所述均熱化處理包括：在400-480℃下處理5-12h。

20、根據(jù)本發(fā)明的一些優(yōu)選方面，控制所述冷卻的冷卻速度大于等于10℃/s。

21、根據(jù)本發(fā)明的一些優(yōu)選方面，所述t6熱處理包括依次進(jìn)行的如下工序：

22、在500-530℃下處理5-12h；

23、在150-170℃下處理2-18h。

24、在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，所述方法還包括：在t6熱處理后，轉(zhuǎn)移至淬火水槽，轉(zhuǎn)移時(shí)間控制15s以?xún)?nèi)，淬火冷卻速率大于20℃/s

25、在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，t6熱處理后，所述鍛造鋁合金產(chǎn)品在室溫下的屈服強(qiáng)度大于等于330mpa、抗拉強(qiáng)度大于等于390mpa和延伸率大于等于6％。

26、在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，t6熱處理后，所述鍛造鋁合金產(chǎn)品的在室溫下的線性膨脹系數(shù)為19×10-6-24×10-6/℃。

27、根據(jù)本發(fā)明的一些優(yōu)選方面，所述鋁合金熔體包含：

28、8.0wt.％至13.0wt.％的si；

29、0.1wt.％至1.0wt.％的mg；

30、0.5wt.％至4.0wt.％的cu；

31、0.1wt.％至3.0wt.％的ni；

32、0.01wt.％至1.0wt.％的m1和0.02wt.％至1.0wt.％的m2，所述的m1包含nb和sr，所述的m2包含zr、er和mo；

33、以及不可避免的雜質(zhì)，調(diào)整al的含量使所述鋁合金熔體的總量為100wt.％。

34、在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，所述的m1還包含ti和/或b。

35、根據(jù)本發(fā)明的一些優(yōu)選方面，所述的m1中，nb的含量與sr的含量之比為1-10∶1。

36、在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，所述的m2還包含選自v、mn和cr中的一種或多種的組合。

37、根據(jù)本發(fā)明的一些優(yōu)選方面，所述的m2中，zr的含量、er的含量和mo的含量之比為1-2∶1-4∶1。

38、在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，所述鋁合金熔體包含：

39、8.0wt.％至13.0wt.％的si；

40、0.1wt.％至1.0wt.％的mg；

41、0.5wt.％至4.0wt.％的cu；

42、0.1wt.％至3.0wt.％的ni；

43、0.01wt.％至1.0wt.％的m1和0.02wt.％至1.0wt.％的m2；

44、m1包含0.01wt.％至0.6wt.％的nb、0.01wt.％至0.05wt.％的sr、0.05wt.％至0.3wt.％的ti、0.05wt.％至0.3wt.％的b；

45、m2包含0.1wt.％至0.2wt.％的zr、0.1wt.％至0.4wt.％的er、0.1wt.％至0.2wt.％的mo、0.1wt.％至0.6wt.％的v、0.1wt.％至0.2wt.％的mn、0.1wt.％至0.6wt.％的cr；

46、以及不可避免的雜質(zhì)，調(diào)整al的含量使所述鋁合金熔體的總量為100wt.％。

47、在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，所述彌散顆粒包括al3x彌散顆粒以及選擇性的al6x彌散顆粒，x選自m2中的一種、兩種、三種或更多種，例如所述彌散顆粒包括al3zr彌散顆粒、al3er彌散顆粒、al3mo彌散顆粒、al6mn彌散顆粒等等。

48、本發(fā)明提供的又一技術(shù)方案：一種鍛造鋁合金產(chǎn)品，所述鍛造鋁合金產(chǎn)品采用上述所述的制備鍛造鋁合金產(chǎn)品的方法制成。

49、本發(fā)明提供的又一技術(shù)方案：一種鋁合金鍛造活塞，所述鋁合金鍛造活塞的制備工藝包括上述所述的制備鍛造鋁合金產(chǎn)品的方法。

50、本發(fā)明提供的又一技術(shù)方案：一種鋁合金，所述鋁合金包含：

51、8.0wt.％至13.0wt.％的si；

52、0.1wt.％至1.0wt.％的mg；

53、0.5wt.％至4.0wt.％的cu；

54、0.1wt.％至3.0wt.％的ni；

55、0.01wt.％至1.0wt.％的m1和0.02wt.％至1.0wt.％的m2，所述的m1包含nb和sr，所述的m2包含zr、er和mo；

56、以及不可避免的雜質(zhì)，調(diào)整al的含量使所述鋁合金熔體的總量為100wt.％。

57、在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，不可避免的雜質(zhì)的總含量小于等于0.25wt.％，優(yōu)選小于0.15wt.％。

58、本發(fā)明提供的又一技術(shù)方案：一種上述所述的鋁合金的制備方法，所述制備方法包括：

59、將鋁合金中除m1和m2以外的其他成分混合熔融，進(jìn)行第一次精煉，扒渣，然后加入m1和m2，混合熔融，進(jìn)行第二次精煉，扒渣，靜置。

60、在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，將鋁合金中除m1和m2以外的其他成分在770-800℃下混合熔融，待加入爐料完全熔化，成分均勻后取爐前樣，取樣溫度745-755℃；爐前分析合格后，當(dāng)熔體溫度為740-750℃時(shí)用ar氣進(jìn)行第一次精煉，精煉時(shí)間為15-20min，精煉后再次扒渣，扒渣后加入m1和m2元素，溫度為735-745℃，完全熔化后把熔體攪拌均勻，當(dāng)熔體溫度為740-750℃時(shí)對(duì)熔體進(jìn)行第二次ar氣精煉，精煉時(shí)間為15-20min，精煉后扒凈熔體表面浮渣，扒渣后靜置，進(jìn)行二次成分取樣，待成分達(dá)到要求開(kāi)始準(zhǔn)備鑄造。

61、本發(fā)明中，表示數(shù)值范圍的“以上”、“以下”均包括本數(shù)，例如，在0.5以上，則表示大于等于0.5；在0.4以下，則表示小于等于0.4。

62、由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)：

63、本發(fā)明基于現(xiàn)有制造活塞及在高溫下工作的其他零件時(shí)存在的容易出現(xiàn)機(jī)械(力學(xué))性能不足以及成形工藝復(fù)雜等缺陷，創(chuàng)新地提供了一種改進(jìn)的制備鍛造鋁合金產(chǎn)品的方法，該方法通過(guò)至少控制連鑄鑄造速度在200mm/min以上且鑄錠整體冷卻速率大于等于15℃/s，得到徑向尺寸為50-150mm的鑄錠，結(jié)合添加的包含nb和sr的m1元素，實(shí)現(xiàn)了既可以細(xì)化α-al，也能充分變質(zhì)共晶組織；并進(jìn)一步添加包含zr、er和mo的m2元素，實(shí)現(xiàn)了既可以形成m2過(guò)飽和固溶體(后續(xù)可形成高密度彌散相)，也可以杜絕或消除粗大含m2粗大片狀第二相產(chǎn)生；尤其是，前述工藝以及成分的調(diào)整控制，使得本發(fā)明鍛造鋁合金產(chǎn)品的制備過(guò)程可以直接跳過(guò)常規(guī)制備過(guò)程必須進(jìn)行的“鑄錠擠壓前的加熱、鑄錠擠壓、擠壓棒材冷卻、擠壓棒材切割和加熱”等工序，大大地縮短了制備流程，而且本發(fā)明鍛造鋁合金產(chǎn)品中鍛造組織亞晶體積占比以及彌散強(qiáng)化相分布密度也得以大大提高，在強(qiáng)度、塑性等機(jī)械(力學(xué))性能方面也有顯著地提升，并且通過(guò)了在各種工況高達(dá)10000小時(shí)以上的活塞野外裝機(jī)運(yùn)行測(cè)試。