專利名稱：高性能鋁硅活塞合金材料及其活塞的熱處理工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬金屬材料領(lǐng)域，特別是涉及發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用鋁合金材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著高功率發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，為了 "減排降耗"，降低發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排 放、降低空氣污染，減少能耗，提高內(nèi)燃機(jī)的效率，提高燃燒溫度己成為內(nèi)燃機(jī) 的重要發(fā)展趨勢(shì)，相應(yīng)地，對(duì)內(nèi)燃機(jī)部件，尤其是對(duì)活塞的高溫強(qiáng)度、線膨脹系 數(shù)及體積穩(wěn)定性提出了更高的要求。現(xiàn)行廣泛使用的ZL109A1-Si合金材料(各 組分百分含量為Si 11-13%， Cu 0.5-1. 5%，Mg 0.8-1. 5%，Mn《0.2%,Ni 0.8-1.5%， Fe《0.7%，其余為A1)，具有較好的高溫強(qiáng)度、線膨脹系數(shù)及體積穩(wěn)定性(如， 體積穩(wěn)定性《0.03%0;線脹系數(shù)20—300°C《22. 3X 10、抗拉強(qiáng)度常溫 》196Mpa 30(TC》100Mpa; 360。C 60—70MPa (由于現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)要求提高，現(xiàn)要 求控制36(TC高溫強(qiáng)度，原國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)不要求)，但是，其線脹系數(shù)尚有待降低， 體積穩(wěn)定性還有待提高，尤其是，在36(TC (現(xiàn)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)尚未要求)的高溫性 能還是較差，其總體的高溫強(qiáng)度、線膨脹系數(shù)及體積穩(wěn)定性還不令人滿意。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的任務(wù)在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的問題和不足之處而提供一種高溫強(qiáng)度、線 膨脹系數(shù)及體積穩(wěn)定性更好的活塞用鋁硅合金材料。本發(fā)明的任務(wù)是這樣實(shí)現(xiàn)的 一種活塞用鋁硅合金材料，其特征是所述合 金中各組分以重量百分比計(jì)的組成如下Si 12-13%， Cu 2. 5-4%， N 1. 7_3%， Mg 0. 5-1. 2%， Mn 0. l-O. 2%， V 0. 15-0. 5%， Zn《0.05%， Ti 0.23-0.6%， 2Re 0.15-0.25%， Fe《0. 7%,其余為A1。本發(fā)明的另一任務(wù)是提供上述合金的熔煉工藝和采用上述合金材料的活塞 的熱處理工藝。本發(fā)明的另一任務(wù)是這樣實(shí)現(xiàn)的 一種采用上述合金材料的熔煉工藝，按以下步驟進(jìn)行a)、先將所需的全部硅均勻分布于天然氣反射爐的爐膛底部，然后用加料
板將配備好的純鋁錠總量的60_80%進(jìn)爐，將硅全部覆蓋，完后將銅板、鎳板 加在靠近噴火口的中上層，開始點(diǎn)火熔化；b) 、升溫至表面鋁液呈糊狀后，加入釩合金，同時(shí)將剩余鋁錠加入，點(diǎn)火繼 續(xù)升溫至850—88(TC進(jìn)行保溫?cái)U(kuò)散熔煉，保溫?cái)U(kuò)散時(shí)間為10—20分鐘；c) 、經(jīng)保溫?cái)U(kuò)散熔煉的鋁液靜置15 — 20分鐘后，進(jìn)行精煉除氣處理，加入 覆蓋劑0.3—0.5%，無(wú)毒精煉劑在760—78(TC溫度下進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁o置5 分鐘后取樣，待成份合格后，進(jìn)行出水操作；d) 、出水時(shí)使用過(guò)濾網(wǎng)，中途攪拌一次； 上述鋁硅合金活塞的熱處理工藝按以下步驟進(jìn)行-a) 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)熔煉后的鑄造活塞進(jìn)行鑄淬處理首先采用活塞全部水淬，活塞溫度不小于420'C，淬火溫度60-9(TC;然后進(jìn)行裙部淬取出活塞立即放入淬 火箱中，淬火位置止口向下，浸入深度不低于銷孔中心，不超過(guò)銷孔頂端；b) 兩組時(shí)效處理第一次時(shí)效為17(TCX6h，入爐溫度《5(TC，升溫時(shí)間 》45分鐘，隨后出爐空冷至室溫再進(jìn)行第二次時(shí)效，第二次時(shí)效為250°CX4 5h，入爐溫度《50。C，升溫時(shí)間》60分鐘。上述合金材料中，上面提到的i:Re是富鈰混合稀土金屬，廠家為四川省良友 稀土金屬有限責(zé)任公司，其具體成分為TReM〉99%， Ce/Re: 52. 24%, La/Re:27.10%.本發(fā)明通過(guò)大幅度提高Cu、 Ni含量，加入微量元素SRe、 V等，對(duì)合金組 分進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整(經(jīng)四川省科技成果查新咨詢服務(wù)中心科分院中心進(jìn)行國(guó)內(nèi)、 外查新檢索，未見有與本合金相同的材料)；并且開發(fā)出專門針對(duì)上述合金材料 的活塞的兩級(jí)時(shí)效熱處理工藝。相比現(xiàn)有技術(shù)本發(fā)明的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)是1、高溫性能和耐磨性能均超過(guò)現(xiàn)有ZL109合金體積穩(wěn)定性《0.0P/6D線脹系數(shù)20—20(TC《21X 10"V。C20—300°C《21.8Xl(T/°C 抗拉強(qiáng)度常溫》230MPa 300 °C 》100MPa 360 。C 》80Mpa
與ZL109合金相比，體積穩(wěn)定性明顯提高，特別是36(TC高溫強(qiáng)度顯著提高， 在原合金基礎(chǔ)上提高幅度達(dá)到14-33%,完全能滿足歐III、 IV產(chǎn)品的性能要求。 2、開發(fā)出了與本合金配套的活塞兩次時(shí)效熱處理的工藝技術(shù)。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明活塞用鋁硅合金材料中各組分以重量百分比計(jì)的組成如下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%, 2Re 0.15-0.25%， Fe《0. 7M，其余為A1。 實(shí)施例1，所述合金中各組分的組成如下Si 12%， Cu 2. 5%， Ni 1. 7%， Mg 0. 5%， Mn 0. 1%， V 0.15%， Zn 0. 05%， Ti 0. 23%， 2Re 0.15%, Fe 0.7%,其余為Al。實(shí)施例2，合金中各組分的組成如下Si 13%， Cu 4%， Ni 3%， Mg 1.2%， Mn 0.2%， V 0.5%， Zn 0.03%， Ti 0.6%， 2Re 0.25%， Fe 0.5%,其余為A1。實(shí)施例3，合金中各組分的組成如下Si 12. 5%， Cu 3. 2%， Ni 2. 4%， Mg 0.8%， Mn 0. 15%， V 0. 32%， Zn 0. 04%, Ti 0.4%，SRe 0.20%， Fe 0.6%,其余為A1。 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(jī)，天燃?xì)夥瓷錉t2T，稱，破碎機(jī)，熱電偶測(cè)溫儀； 熔煉工具加料鏟.打渣耙.攪拌工具.堵塞.過(guò)濾網(wǎng).運(yùn)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(kù)房領(lǐng)用驗(yàn)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，澆瓢必須涂石盾墨水溶液，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_80%進(jìn)爐，將硅全部覆蓋，完后將Cu板，Ni板加在靠近噴火口的中上 層，開始點(diǎn)火熔化；升溫至表面鋁液呈糊狀后，加入釩(V)合金，同時(shí)將剩余鋁錠加入，點(diǎn)火 繼續(xù)升溫至850—880'C進(jìn)行保溫?cái)U(kuò)散熔煉，保溫?cái)U(kuò)散時(shí)間為10—20分鐘；經(jīng)保溫?cái)U(kuò)散熔煉的鋁液必須靜置15—20分鐘再進(jìn)行精煉除氣處理(加入覆 蓋劑0.3—0.5%，無(wú)毒精煉劑0.2—0.3%)用攪拌工具充分?jǐn)嚢瑁缓蟠蛟?鎂(加鎂溫度760—78(TC)再進(jìn)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(shí)必須使用過(guò)濾網(wǎng)，中途必須攪拌一次。(3) 現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)坩堝，加入同一牌號(hào)己準(zhǔn)備好的合金進(jìn)行保溫； 待鋁液溫度至760 — 78(TC時(shí)，加入P (磷)鹽(外購(gòu))0. 1—0.2%進(jìn)行變質(zhì) 處理，處理方法為用涂過(guò)料的鐘罩將變質(zhì)劑壓入接近堝底，平行地輕輕移動(dòng)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(jī)處理12分鐘， 靜置15—20分鐘，加入打渣劑進(jìn)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(diǎn)，反之，必須再靜置，重新變質(zhì)精煉處理，直至合格。(4) 熱處理工藝鑄淬要求采用水淬，淬火溫度60—90'C全部淬火活塞活塞溫度《42(TC待活塞取出后，第二只澆完，立即放入 水中(注意4> 120以上活塞淬裂，* 120以下活塞淬火溫度偏低，入水時(shí)間可適 當(dāng)前后調(diào)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 低于銷孔中心，不超過(guò)銷孔頂端；時(shí)效處理采用兩次時(shí)效，第一次時(shí)效為170'CX6h(入爐溫度《5(TC升溫 時(shí)間》45分鐘)到時(shí)間出爐空冷至室溫再進(jìn)行第二次時(shí)效.第二次時(shí)效為250'C X4 5h (入爐溫度《50。C，升溫時(shí)間》60分鐘，》小120產(chǎn)品時(shí)效時(shí)間為5h)。
權(quán)利要求
1、一種活塞用鋁硅合金材料，其特征是所述合金中各組分以重量百分比計(jì)的組成如下Si12-13％，Cu2.5-4％，N1.7-3％，Mg0.5-1.2％，Mn0.1-0.2％，V0.15-0.5％，Zn≤0.05％，Ti0.23-0.6％，ΣRe0.15-0.25％，F(xiàn)e≤0.7％，其余為Al。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述活塞用鋁硅合金材料，其特征是所述合金中各組 分的組成如下Si 12%, Cu 2. 5%， Ni 1. 7%， Mg 0. 5%， Mn 0. 1%， V 0. 15%, Zn 0. 05%， Ti 0. 23%， SRe 0.15%， Fe 0.7%，其余為A1。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述活塞用鋁硅合金材料，其特征是所述合金中各組 分的組成如下Si 13%, Cu 4%， Ni 3%， Mg 1.2%， Mn 0.2%， V 0.5%, Zn 0.03%， Ti 0.6%， 2Re 0.25%, Fe 0.5%，其余為A1。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述活塞用鋁硅合金材料，其特征是所述合金中各組 分的組成如下Si 12. 5%， Cu 3. 2%， Ni 2.4%， Mg 0.8%， Mn 0. 15%， V 0. 32%, Zn 0. 04%， Ti 0.4%，2Re 0.20%， Fe 0.6%，其余為A1。
5、 一種釆用如權(quán)1所述合金材料的熔煉及其活塞的熱處理工藝，其特征是 熔煉工藝按以下步驟進(jìn)行a) 、先將所需的全部硅均勻分布于天然氣反射爐的爐膛底部，然后用加料 板將配備好的純鋁錠總量的60—80%進(jìn)爐，將硅全部覆蓋，完后將銅板、鎳板 加在靠近噴火口的中上層，開始點(diǎn)火熔化；b) 、升溫至表面鋁液呈糊狀后，加入釩合金，同時(shí)將剩余鋁錠加入，點(diǎn)火繼 續(xù)升溫至850—880。C進(jìn)行保溫?cái)U(kuò)散熔煉，保溫?cái)U(kuò)散時(shí)間為10—20分鐘；c) 、經(jīng)保溫?cái)U(kuò)散熔煉的鋁液靜置15 — 20分鐘后，進(jìn)行精煉除氣處理，加入 覆蓋劑0.3—0.5%，無(wú)毒精煉劑在760 — 78(TC溫度下進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁o置5 分鐘后取樣，待成份合格后，進(jìn)行出水操作；d) 、出水時(shí)使用過(guò)濾網(wǎng)，中途攪拌一次； 上述鋁硅合金活塞的熱處理工藝按以下步驟進(jìn)行e) 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)熔煉后的鑄造活塞進(jìn)行鑄淬處理首先采用活塞全部水淬，活塞 溫度不小于420'C，淬火溫度60-90'C;然后進(jìn)行裙部淬取出活塞立即放入淬火箱中，淬火位置止口向下，浸入深度不低于銷孔中心，不超過(guò)銷孔頂端；f)兩組時(shí)效處理第一次時(shí)效為17(TCX6h，入爐溫度《5(TC，升溫時(shí)間 》45分鐘，隨后出爐空冷至室溫再進(jìn)行第二次時(shí)效，第二次時(shí)效為250°CX4 5h，入爐溫度《5(TC，升溫時(shí)間》60分鐘。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種活塞用鋁硅合金材料，合金中各組分以重量百分比計(jì)的組成如下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％，F(xiàn)e≤0.7％，其余為Al，同時(shí)公開了該采用該合金的活塞的在兩級(jí)時(shí)效為170℃×6h+250℃×4～5h的熱處理工藝。本發(fā)明成本低于現(xiàn)行的ZL109合金，性能超過(guò)ZL109合金，特別是其360℃高溫強(qiáng)度能滿足歐III、IV產(chǎn)品要求。
文檔編號(hào)C22C1/00GK101117679SQ20071004989
公開日2008年2月6日 申請(qǐng)日期2007年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月31日
發(fā)明者任德忠, 彭明誠(chéng), 徐昌友, 沈?yàn)I波, 賀躍輝, 麟 高 申請(qǐng)人:成都銀河動(dòng)力股份有限公司