專利名稱：一種稀土鋁合金活塞材料及其制備方法
技術領域：
本發明是一種稀土鋁合金活塞材料及其制備方法，屬金屬材料領域。
背景技術：
目前，國內汽油發動機與柴油發動機使用的鋁合金活塞中，以共晶型ZL108、ZL109 最為廣泛應用。隨著發動機功率和排放標準的提高，這些材料承受高溫負荷的能力越來越不能滿足要求。由于活塞是用于高溫使用，而主要提高合金常溫強度的Mg2Si、CuAl2等時效析出相在高溫下粗化，難以再對晶界起有效的釘扎作用，同時熱處理對ZL108、ZL109的高溫性能影響也較小。雖然依靠增加很多貴金屬元素及復雜工藝可使活塞性能得到一定程度提高，但是生產成本和條件要求較高，使得這些材料在實際生產中難以得到大規模推廣。Al-Si系合金具備從室溫至300°C之間高的拉伸強度及抗蠕變性能，好的熱導率， 高的韌性及伸長率，低的孔隙率，良好的鑄造性能，低的熱裂傾向，因此是替代鑄鐵制造活塞更好的材料。稀土的化學活性介于堿金屬和堿土金屬之間，比其它金屬活潑。稀土在鋁合金鑄造過程中的有細化初晶硅和共晶硅、微合金化、凈化熔體等作用。稀土與鋁合金中的多種元素形成許多含有稀土的相，這些呈彌散分布的高熔點化合物具有很好的耐熱性與熱穩定性，這種作用強化了鋁合金。Ce是稀土中化學性質較活潑的元素，能與Mn、Fe、Cr等元素形成的相具有較好的高溫性能，含稀土 Ce、Fe、Mn、Cr的相在350°C下能在晶界處穩定存在，對錯位移動起到很好的釘扎作用。異相強化是活塞合金有效的高溫強化機制，異質相的熱穩定性越好(熔點越高、 高溫下顯微硬度越大、隨溫度變化其在α (Al)固溶體中的熔解度變化越小)，異相強化的熱強化作用越好。鐵相若以針狀形態出現會割裂材料基體，因此目前在鋁合金活塞鑄造中鐵是被當做雜質元素來處理。如果鐵相能被有效球化，鐵相可作為異相強化的異質相，具有優異的高溫性能，可大幅度提高鋁活塞的高溫性能。

發明內容
本發明的目的是提供一種高溫性能優良、工藝穩定性好且經濟成本低的共晶鋁硅稀土活塞合金材料及其制備方法。本發明的稀土鋁合金活塞材料，其合金中各化學成分的質量百分比為Si :11 13 ；Cu 0. 9 1. 5 ；Mg 0. 6 1. 1 ；Cr 0. 1 0. 4 ；Mn 0. 2 0. 6 ；Ce 0. 6 1. 2 ；Ni 0. 3 0. 5 ；Fe 0. 8 1. 5 ；Ti :0. 06 0. 1 ；余量為 Al。本發明提供的稀土鋁合金活塞材料的制備方法，包括下述步驟
(1)將鋁、硅、銅、鐵、鉻、錳、鎳劑加熱熔化；所述硅、銅、鐵、鉻、錳、鎳劑分別以鋁-硅、鋁-銅、鋁-鐵、鋁-鉻、鋁-錳、鋁-鎳的中間合金形式加入熔爐中；(2)降溫至700°C 760°C，加入鐵相球化劑，攪拌均勻；所述鐵相球化劑由60% 75% wt鎂粉和25 40%的氟鈦酸鉀構成；(3)把復合磷鹽變質劑加入合金熔液中，均勻攪拌；(4)升溫至800°C 850°C，加入鋁-鈰中間合金，攪拌均勻，靜置；(5)降溫至750°C 760°C，用六氯乙烷除氣，攪拌均勻，靜置；(6)繼續降溫至720V 730°C，澆注活塞毛坯；(7)澆注完畢后，對該材料的活塞毛坯進行熱處理。步驟(1)中，所述鋁-硅中間合金中硅為20-25Wt%、鋁-銅中間合金中銅為 46-52wt %、鋁-鐵中間合金中鐵為16-22wt %、鋁-鉻中間合金中鉻為8_12wt %、鋁-錳中間合金中錳為8-12wt%、鋁-鎳中間合金中鎳為8-12wt%。將鋁以及鋁-硅、鋁-銅、鋁-鐵、鋁-鉻、鋁-錳、鋁-鎳的中間合金加入熔爐時， 上下部分別放置鋁，中間部放置鋁-硅、鋁-錳、鋁-鐵、鋁-鎳、鋁-銅及鋁-鉻的中間合
^^ ο步驟(3)中，所述復合磷鹽變質劑由65 75wt%磷酸二氫鈣、10 20wt%氯化鉀和5 15wt%氯化鈉和5 IOwt %氟化鈣構成。步驟⑷中，所述鋁-鈰中間合金中鈰為16-22wt%。步驟C3)中，可在均勻攪拌后扒渣撒一層覆蓋劑；同樣，在步驟(4)和/或步驟(5) 中，也可在靜置后扒渣撒一層覆蓋劑；所述覆蓋劑為KC1，粒度< 125 μ m,加入量為合金熔液質量的2 4% ；本發明中的鐵相球化劑采用壓塊形式加入，鐵相球化劑壓塊起到球化合金熔液中鐵相的作用，由于高溫下有反應K2TiF6+Al —A1F3+K+Ti，Ti+Al — TiAl3,生成的TiAl3成為鐵相形核的質點，游離的鉀吸附在鐵相表面，阻礙鐵相的自由生長，有效的改善鐵相形貌， 球化鐵相。加入鎂粉的作用是利用其反應劇烈放熱，提高了熔液的溫度，可促進反應進行。本發明材料主要利用稀土的合金化作用，由于Ce是稀土中化學性質較活潑的元素，其與錳、鐵、鉻、鎳形成形貌良好的 Al9FeCe、Al3CuCe, Al24Cu8CeMru AlSi (Fe，Cr，Mn) 3 等高溫耐熱相，在350°C時能穩定存在。形成的耐熱相在活塞合金的晶界處起到很好的釘扎作用，阻礙了變形時位錯的移動，增強了活塞合金高溫性能，使活塞能承受更高的熱負荷。本發明中所采用復合磷鹽變質劑可為壓塊形式，其中，復合磷鹽壓塊中的磷酸二氫鈣起到變質初生硅的作用，氯化鉀和氯化鈉對固態Al2O3有很好的潤濕能力，起到除渣的作用。氟化鈣不但能變質共晶硅還能吸附溶解Al2O3，能顯著提高氯化鉀和氯化鈉的精煉能力，同時也能提高熔劑與鋁液的表面張力，使清渣更徹底。復合磷鹽壓塊的使用顯著提高鋁活塞合金熔液的凈化和變質效果，均勻混合壓實成塊也方便了生產和保存。本發明與現有的活塞材料相比具有以下優點1)與鋁硅共晶活塞合金ZL109相比，減少了鎳的使用，降低了成本；2)使用稀土鈰處理，并優化了 Fe、Mn、Cr的成分，稀土與這些元素形成的稀土化合物，大大的提高了活塞合金的耐高溫能力、降低了活塞材料的熱膨脹系數，使用稀土處理， 細化了共晶硅，延伸率也得到提高；
3)稀土鈰又起到凈化溶液、除氣除渣作用，減少了缺陷，進一步提高鋁活塞的性能。4)工藝上不需要復雜的操作和設備，鑄件具有優良的鑄造性能，操作性強，便于推
廣生產。


圖1為本發明稀土鋁合金活塞材料的100倍金相圖片。圖2該發明稀土鋁合金活塞材料的400倍金相圖片。圖3該發明稀土鋁合金活塞材料的400倍金相圖片。圖4該發明稀土鋁合金活塞材料的掃描電鏡照片。圖1中合金晶粒細小、均勻，稀土鈰的細化晶粒效果明顯。圖2中合金初晶硅光滑無棱角，尺度小；共晶硅呈細小短棒狀，復合磷鹽壓塊和稀土鈰的變質效果顯著。圖3中A處為富鈰和富鐵相，鐵相球化劑的球化作用下鐵相形貌呈細桿狀和網狀， 形狀得到很好改善。圖4中B處為掃描電鏡下的鐵相，更清楚的看到，稀土鈰和鐵相球化劑已把針狀鐵相轉變成細桿狀，甚至球狀和顆粒狀。
具體實施例方式實施例1本實施例的稀土鋁合金活塞材料，其合金中各化學成分的質量百分比為Si 12. 6wt% ；Cu :lwt% ；Mg 0. 9wt% ；Cr 0. 3wt% ；Mn 0. 4wt% ；Ce 0. 8wt% ；Ni 0. 44wt% ；Fe 1. 1% ；Ti :0. 09wt% ；余量為 Al。上述質量配比的稀土鋁合金活塞材料的制備方法如下1)將配比量的工業純鋁、含硅的鋁硅中間合金、含50襯％銅的鋁銅中間合金、含20wt%鐵的鋁鐵中間合金、含IOwt%鉻的鋁鉻中間合金、含IOwt%錳的鋁錳中間合金以及含10wt%鎳的鋁鎳中間合金放入爐中，上下部分別放置純鋁，中間依次放入鋁硅、鋁錳、鋁鐵、鋁鎳、鋁銅、鋁鉻中間合金，加熱到850°C，保溫至爐料全部熔化。2)將溫度降至730°C 750°C，將壓實后的鐵相球化劑壓塊，用鐘罩壓入合金熔液中，鐵相球化劑壓塊由75% wt鎂粉、25%的氟鈦酸鉀構成，均勻混合后壓實成塊。3)然后用鐘罩把復合磷鹽變質劑壓塊加入合金熔液中，均勻攪拌，復合磷鹽壓塊由75襯％磷酸二氫鈣、13襯％氯化鉀、6襯％氯化鈉和6wt%氟化鈣構成。4)升溫至800°C，把含20wt%鈰的鋁鈰中間合金加入合金熔液，每隔5分鐘攪拌一次，待其全部熔化后，保溫靜置30分鐘，扒渣并撒一層覆蓋劑。5)降溫至750°C 760°C，然后用六氯乙烷除氣，攪拌靜置20分鐘。6)繼續降溫至720°C 730°C，快速平穩地把鋁合金熔液澆入已預熱170°C 230°C的金屬模具中；7)澆注完畢后，將活塞毛坯進行T6熱處理，工藝參數如下固溶處理500士5°CX4 6h+60°C水淬；
時效處理179°C-189°C X 1 12h+ 空冷。熱處理后的的力學性能為常溫抗拉強度為310MP，300°C高溫強度為165MP，延伸率為1.5%，數據如表1。表 權利要求
1.一種稀土鋁合金活塞材料，其特征在于優化了常用共晶鋁硅活塞合金的各元素成分，使用稀土鈰處理、鐵相球化劑球化處理、復合磷鹽變質處理后得到的一種材料，其中合金中各化學成分的質量百分比為=Si 11 13 ；Cu 0. 9 1. 5 ；Mg :0. 6 1. 1 ；Cr :0. 1 0. 4 ；Mn 0. 2 0. 6 ；Ce 0. 6 1. 2 ；Ni 0. 3 0. 5 ；Fe 0. 8 1. 5 ；Ti 0. 06 0. 1 ；余量為Al。
2.權利要求1所述的稀土鋁合金活塞材料的制備方法，包括下述步驟(1)將鋁、硅、銅、鐵、鉻、錳、鎳劑加熱熔化；所述硅、銅、鐵、鉻、錳、鎳劑分別以鋁-硅、 鋁-銅、鋁-鐵、鋁-鉻、鋁-錳、鋁-鎳的中間合金形式加入熔爐中；(2)降溫至700°C 760°C，加入鐵相球化劑，攪拌均勻；所述鐵相球化劑由60% 75% wt鎂粉、25 40%的氟鈦酸鉀構成；(3)把復合磷鹽變質劑加入合金熔液中，攪拌均勻；(4)升溫至800°C 850°C，加入鋁-鈰中間合金，攪拌均勻，靜置；(5)降溫至750V 760°C，用六氯乙烷除氣，攪拌均勻，靜置；(6)繼續降溫至720°C 730°C，澆注活塞毛坯；(7)澆注完畢后，對該材料的活塞毛坯進行熱處理。
3.如權利要求2所述的稀土鋁合金活塞材料的制備方法，其特征在于步驟(1)中， 所述鋁-硅中間合金中硅為20-25wt%、鋁-銅中間合金中銅為46-52wt%、鋁-鐵中間合金中鐵為16-22wt%、鋁-鉻中間合金中鉻為8-12wt%、鋁-錳中間合金中錳為8_12wt%、 鋁-鎳中間合金中鎳為8-12wt%。
4.如權利要求3所述的稀土鋁合金活塞材料的制備方法，其特征在于步驟(1)中，將鋁以及鋁-硅、鋁-銅、鋁-鐵、鋁-鉻、鋁-錳、鋁-鎳的中間合金加入熔爐時，上下部分別放置鋁，中間部放置鋁-硅、鋁-錳、鋁-鐵、鋁-鎳、鋁-銅及鋁-鉻的中間合金。
5.如權利要求3或4所述的稀土鋁合金活塞材料的制備方法，其特征在于步驟(3) 中，所述復合磷鹽變質劑由65 75wt%磷酸二氫鈣、10 20襯％氯化鉀和5 15襯％氯化鈉和5 IOwt %氟化鈣構成。
6.如權利要求5所述的稀土鋁合金活塞材料的制備方法，其特征在于步驟(4)中，所述鋁-鈰中間合金中鈰為16-22wt%。
7.如權利要求6所述的稀土鋁合金活塞材料的制備方法，其特征在于步驟(3)中，攪拌均勻后扒渣撒一層覆蓋劑。
8.如權利要求6所述的稀土鋁合金活塞材料的制備方法，其特征在于步驟(4)和/或步驟(5)中，靜置后扒渣撒一層覆蓋劑。
全文摘要
本發明為一種稀土鋁合金活塞材料及其制備方法，合金化學成分(wt％)Si11～13；Cu0.9～1.5；Mg0.6～1.1；Cr0.1～0.4；Mn0.2～0.6；Ce0.6～1.2；Ni0.3～0.5；Fe0.8～1.5；Ti0.06～0.1；余量為A1。制備方法按質量百分比稱取原料；熔煉純鋁和各種元素的中間合金；然后鐵相球化處理、復合磷鹽變質、細化處理、精煉處理、采用金屬型重力鑄造澆注活塞毛坯；最后對鑄件進行T6熱處理。通過采用稀土鈰處理、鐵相球化處理、復合磷鹽變質處理，提高了的活塞高溫性能。該發明生產簡便，減少了鎳的含量，降低了成本。
文檔編號C22C21/04GK102560206SQ201210051950
公開日2012年7月11日 申請日期2012年2月27日 優先權日2012年2月27日
發明者周革, 王愛珍, 章高偉, 胡平, 蘇勇, 鄭先華, 金梅, 陳翌慶 申請人:安徽省恒泰動力科技有限公司