本發明涉及鋁合金領域，且特別涉及一種用于制備船用氣缸活塞的鋁合金及其制備方法。
背景技術：
：鋁合金是以鋁為基礎的合金總稱，主要合金元素有銅、硅、鎂、鋅或錳，次要合金元素有鎳、鐵、鈦、鉻或鋰等。鋁合金的加工性能好，尤其是亞共晶硅鋁合金，不僅加工性能好，而且比重輕，表面美觀且耐腐蝕，鑄造性能好，制品綜合力學性能好，可用于制作多種形態的部件，在許多領域中得到廣泛應用。鑒于上述優點，現有的船用活塞通常采用鋁合金為材料進行鑄造。隨著船舶行業的不斷發展，船舶的載重量和航速不斷的加快，其對動力的要求也越來越高，致使發動機的氣缸在工作過程中對活塞產生的壓力以及摩擦越來越強，用于制備船用氣缸活塞的鋁合金需要有更強的力學強度，現有技術主要通過增加鋁合金的剛性來增加鋁合金的耐摩擦性能，但是剛性的增強會使鋁合金的屈服強度和抗蠕變性能下降，船用氣缸活塞的壽命通常較短，需要經常進行更換。技術實現要素：本發明的目的在于提供一種用于制備船用氣缸活塞的鋁合金，其兼具較強的耐摩擦性能及屈服強度和抗蠕變性能，用其加工制得的船用氣缸活塞屈服強度高，抗磨和抗蠕變性能優良，使用壽命長。本發明的另一目的在于提供上述用于制備船用氣缸活塞的鋁合金的制備方法，該方法能夠顯著降低原料內的雜質含量及鋁合金液的表面張力，提高鋁合金液的鑄造流動性，增加鋁合金的綜合力學性能。本發明解決其技術問題是采用以下技術方案來實現的。本發明提出一種用于制備船用氣缸活塞的鋁合金，其按重量百分比計，包括：硅15-17％、銅1.25-2.45％、鐵0.5-1.5％、鎂0.2-0.4％、硼0.02-0.05％、鈦0.02-0.07％、鋯0.03-0.07％、釩0.03-0.08％、鐠0.01-0.02％、鈧0.01-0.02％、鈥0.01-0.02％、釔0.01-0.03％，余量為鋁。本發明提出一種用于制備船用氣缸活塞的鋁合金的制備方法，其包括：按比例稱取原料，將原料于容器中熔化，從容器底部向熔體內通入預熱2-3min后的惰性氣體靜置30-40min使浮渣充分漂浮于表面，撈除浮渣后保溫靜置10-20min，澆鑄成型得鋁合金鑄錠；將鋁合金鑄錠依次進行熱擠壓處理、淬火處理以及時效處理；熱擠壓處理的溫度為400-420℃，速度為0.2-0.5m/min；淬火處理的溫度為530-540℃；時效處理的溫度為180-200℃。本發明實施例的用于制備船用氣缸活塞的鋁合金及其制備方法的有益效果是：本發明提供的用于制備船用氣缸活塞的鋁合金加入硅元素及銅元素提高鋁合金的強度，硅與鋁可形成Al-Si共晶液相，其能夠有效地提高鋁合金液的鑄造流動性；將銅加到該Al-Si合金中會形成α固溶體、CuAl2和Si相，α相分別與CuAl2和Si構成兩相共晶體，同時這三個相又可共同構成三相共晶體，銅作為強化相固溶于鋁基體中或以顆粒狀化合物存在，用于顯著提高鋁合金的硬度和耐摩擦性能。但是，當鋁合金中硅和銅含量的增加會使晶粒較大且分布不均勻，致使鋁合金的屈服強度和抗蠕變性能顯著下降。本發明在鋁合金中加入微量的鐠、鈧、鈥、釔四種稀土金屬，并通過調節硅、銅與鐠和鈧共熔體的比例，能夠降低α相的表面張力，減小α相的晶粒大小，使α相分布更均勻，從而改善鋁合金的屈服強度和抗蠕變性能；鈧、鈥以及釔的共熔體能夠有效去除鋁合金中的金屬及非金屬雜質，其能夠進一步提高鋁合金的剛性。該制備方法采用上述鋁合金的配方進行鋁合金的制備，其制得的鋁合金兼具優良的耐摩擦性能、屈服強度及抗蠕變性能。制備過程中，將惰性氣體通入熔體內，便于原料內部的氣體及固體雜質上浮并去除，從而提高鋁合金的綜合性能。同時該制備方法工序簡單且耗時較少，能夠將制造周期縮短，符合短流程工藝的節能綠色要求。具體實施方式為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。實施例中未注明具體條件者，按照常規條件或制造商建議的條件進行。所用試劑或儀器未注明生產廠商者，均為可以通過市售購買獲得的常規產品。下面對本發明實施例的用于制備船用氣缸活塞的鋁合金及其制備方法進行具體說明。本發明提出一種用于制備船用氣缸活塞的鋁合金，其按重量百分比計，包括：硅15-17％、銅1.25-2.45％、鐵0.5-1.5％、鎂0.2-0.4％、硼0.02-0.05％、鈦0.02-0.07％、鋯0.03-0.07％、釩0.03-0.08％、鐠0.01-0.02％、鈧0.01-0.02％、鈥0.01-0.02％、釔0.01-0.03％，余量為鋁。其中，硅元素和銅元素的主要作用是增加用于制備船用氣缸活塞的鋁合金的剛性和耐摩擦性能。硅與鋁可形成Al-Si共晶液相，能夠有效地提高鋁合金鑄造流動性。硅含量越高，鋁合金的鑄造流動性越好；同時，硅晶粒的化學穩定性好且具有較高的硬度(HV870-1050)，能夠提高合金的硬度。鋁合金中硅元素含量的增加使鋁合金具有比純鋁更高的耐磨性。將銅加到該Al-Si合金中會形成α固溶體、CuAl2和Si相，α相分別與CuAl2和Si構成兩相共晶體，同時這三個相又可共同構成三相共晶體，能夠對鋁合金進行固溶強化和彌散強化。當銅作為強化相固溶于鋁基體中或以顆粒狀化合物存在時，可顯著提高鋁合金的硬度及耐摩擦性能。但是，當鋁合金中硅和銅含量過高時，由于強化相的晶粒較大且分布不均勻，致使該用于制備船用氣缸活塞的鋁合金的屈服強度和抗蠕變性能顯著下降，使船用氣缸活塞在氣缸內高壓氣體的沖擊下易發生變形及斷裂，船用氣缸活塞的壽命較短。在此基礎上，本發明提供的用于制備船用氣缸活塞的鋁合金在原料中加入微量的鐠、鈧、鈥、釔四種稀土金屬。一方面，經發明人研究發現，通過調節硅、銅與鐠和鈧的共熔體的比例，將硅：銅：(鐠+鈧)的比例調整至15-16：1.25-2.45：0.02-0.04，優選為15.5-16.5：1.3-2.2：0.025-0.035的范圍時，能夠顯著降低α相的表面張力，減小α相的晶粒大小，同時使α相分布更均勻，使鋁合金在有較強的剛性的同時能夠具有優良的屈服強度及抗拉伸性能。另一方面，稀土元素的物理化學性質活潑，添加微量的混合稀土元素可與鋁合金液中的氧、氫、氮、碳、磷、硫、鐵、鉛等雜質元素反應生成高熔點的化合物并沉淀，對鋁合金液有凈化作用，可以降低鋁合金液的表面張力，消除金屬和非金屬雜質元素的危害，提高鋁合金液的鑄造流動性、鋁合金的力學性能。且經研究人發現，當鈧、鈥以及釔的共熔體，其除雜效果優良，鋁合金的綜合性能顯著提高。此外，在本發明中，鐵的主要作用是減少鋁合金的粘模，鐵與硅和鋁形成Al-Si-Fe系晶析物，有助于鋁合金的分散強化，能夠改善鋁合金的機械強度和拉伸性能，從而提高鋁基的抗張強度、屈服極限等。鎂的主要作用是細化晶粒，從而提高鋁合金的屈服強度和抗蠕變性能；鎂與硅可形成Mg2Si強化相，其能夠增加鋁合金的剛性。鎂的加入能夠減少鋁合金液的粘模的傾向，使壓鑄件表面光滑，避免鋁合金脫模時出現損傷。鈦和鋁反應形成TiAl3化合物，可細化α-Al晶粒。添加微量的鈦元素，可使α-Al晶粒從粗大的樹枝狀轉變為細小均勻的等軸晶，提高鋁合金液的鑄造流動性，改善鋁合金的組織均勻性，提高鋁合金的屈服強度和抗蠕變性能。在鋁合金中引入少量硼元素也可以起到細化晶粒的作用，能夠降低蠕變速率，并且改善鋁合金的抗疲勞性能。此外，在鋁合金中引入鋯元素和釩元素，鋯和釩在形成穩定的第二相的同時，還能夠細化鋁合金的晶粒，起到強化作用，增強鋁合金的屈服強度和抗蠕變性能。一種用于制備船用氣缸活塞的鋁合金的制備方法，其包括：按比例稱取原料，將原料于容器中熔化，從容器底部向熔體內通入預熱2-3min后的惰性氣體靜置30-40min使浮渣充分漂浮于表面，撈除浮渣后保溫靜置10-20min，澆鑄成型得鋁合金鑄錠。將鋁合金鑄錠依次進行熱擠壓處理、淬火處理以及時效處理；熱擠壓處理的溫度為400-420℃，速度為0.2-0.5m/min；淬火處理的溫度為530-540℃；時效處理的溫度為180-200℃。更優的，在原料投放時，首先將純鋁錠加入熔煉爐，升溫至約600℃，其后逐漸升溫至約700℃，升溫速率為10-15℃/min，加入含有硅、銅、鐵、鎂、硼、鈦、鋯及釩與鋁的中間合金，待容器內合金全熔后加入混合稀土金屬合金。上述分段式的升溫方式能夠使合金內的各組分充分混勻，有利于提高合金的機械強度。由于稀有金屬的含量較低，為了制備性能更為均勻的合金，應盡量使稀有金屬分散均勻，因此將其余合金溶解完后再加入混合稀土合金，當稀有金屬瞬間接觸比自身熔點更高的熔體時，自身溫度急劇升高，其迅速熔融并迅速在熔體中分散，并且由于已熔化的元素的流動性，后添加的稀有金屬元素能快速地、均勻地彌散于混合的熔體當中，減少氣泡的生成，過程中，伴隨惰性氣體的鼓泡作用，浮渣和殘渣等雜質被帶離液面并除去，進一步減少后續加工過程中的材料缺陷，；同時，稀土金屬和合金內的各組分能充分結合，使其晶粒細化效果好進一步提高合金的綜合性能。將惰性氣體從底部通入熔體內，惰性氣體由于其自身密度小同時反應活性極低的特點，其在上浮過程中會將熔體中的部分雜質、渣等裹挾并帶往液面。采用預熱后的惰性氣體，一方面氣體流動性強，除氣效果好；另一方面，能夠防止氣體和鋁合金液之間的溫度差使晶體局部析出或聚集，從而影響晶粒的均勻性，降低鋁合金的屈服強度。熱擠壓處理、淬火處理及時效處理能夠有效降低鋁合金的表面張力，降低鋁合金內部的應力，使該鋁合金的屈服強度和抗蠕變性能增強。淬火處理的溫度為530-540℃，優選地，降溫前進行10-20min的保溫操作，其能夠使第二相充分進行固溶，增強第二相中晶體分布的均勻性，從而提高鋁合金的屈服強度和抗蠕變性能。進一步地，保溫操作后包括第一次降溫操作及第二次降溫操作，第一次降溫操作為將鋁合金鑄錠于2-5min降溫至300-350℃，快速降溫的操作能夠防止降溫過程中不同晶體先后析出造成晶粒分布不均勻甚至結塊的現象；第二次降溫操作的降溫速度為10-15℃/min，固溶相析出后采用慢速降溫，其作用是減少合金內部的應力。該分段降溫操作能夠增強鋁合金的屈服強度和抗蠕變性能。進一步地，本發明的制備方法中時效處理的時間為2-6小時，優選地為3-6小時，其能夠充分消除合金內的殘余應力且耗時較短，能縮短制造周期，符合短流程工藝的節能綠色要求。以下結合實施例對本發明的特征和性能作進一步的詳細描述。實施例1一種用于制備船用氣缸活塞的鋁合金的制備方法，包括：按照表1的組成配制鋁合金原料，將原料在容器中熔化后得熔體。從容器底部向熔體內通入預熱2min后的惰性氣體并靜置30min使浮渣充分漂浮于鋁合金液表面，撈除浮渣靜置10min后澆鑄成型的鋁合金鑄錠。將鋁合金鑄錠在400℃溫度下以0.2m/min的擠壓速度進行熱擠壓。將熱擠壓處理過后的鋁合金鑄錠加熱至530℃并保溫10min；將保溫后的鋁合金鑄錠于5min之內降溫至300℃，再以10℃/min的降溫速度降溫至室溫完成淬火處理。將淬火處理過后的鋁合金鑄錠加熱至180℃并保溫6小時。實施例2一種用于制備船用氣缸活塞的鋁合金的制備方法，包括：按照表1的組成配制鋁合金原料，將原料在容器中熔化后得熔體。從容器底部向熔體內通入預熱2min后的惰性氣體并靜置30min使浮渣充分漂浮于鋁合金液表面，撈除浮渣靜置10min后澆鑄成型的鋁合金鑄錠。將鋁合金鑄錠在400℃溫度下以0.3m/min的擠壓速度進行熱擠壓。將熱擠壓處理過后的鋁合金鑄錠加熱至530℃并保溫10min；將保溫后的鋁合金鑄錠于4min之內降溫至315℃，再以10℃/min的降溫速度降溫至室溫完成淬火處理。將淬火處理過后的鋁合金鑄錠加熱至180℃并保溫5小時。實施例3一種用于制備船用氣缸活塞的鋁合金的制備方法，包括：按照表1的組成配制鋁合金原料，將原料在容器中熔化后得熔體。從容器底部向熔體內通入預熱3min后的惰性氣體并靜置35min使浮渣充分漂浮于鋁合金液表面，撈除浮渣靜置15min后澆鑄成型的鋁合金鑄錠。將鋁合金鑄錠在410℃溫度下以0.3m/min的擠壓速度進行熱擠壓。將熱擠壓處理過后的鋁合金鑄錠加熱至535℃并保溫15min；將保溫后的鋁合金鑄錠于4min之內降溫至330℃，再以12℃/min的降溫速度降溫至室溫完成淬火處理。將淬火處理過后的鋁合金鑄錠加熱至190℃并保溫4小時。實施例4一種用于制備船用氣缸活塞的鋁合金的制備方法，包括：按照表1的組成配制鋁合金原料，將原料在容器中熔化后得熔體。從容器底部向熔體內通入預熱3min后的惰性氣體并靜置40min使浮渣充分漂浮于鋁合金液表面，撈除浮渣靜置15min后澆鑄成型的鋁合金鑄錠。將鋁合金鑄錠在420℃溫度下以0.5m/min的擠壓速度進行熱擠壓。將熱擠壓處理過后的鋁合金鑄錠加熱至540℃并保溫20min；將保溫后的鋁合金鑄錠于3min之內降溫至340℃，再以15℃/min的降溫速度降溫至室溫完成淬火處理。將淬火處理過后的鋁合金鑄錠加熱至200℃并保溫3小時。實施例5一種用于制備船用氣缸活塞的鋁合金的制備方法，包括：按照表1的組成配制鋁合金原料，將原料在容器中熔化后得熔體。從容器底部向熔體內通入預熱3min后的惰性氣體并靜置40min使浮渣充分漂浮于鋁合金液表面，撈除浮渣靜置20min后澆鑄成型的鋁合金鑄錠。將鋁合金鑄錠在420℃溫度下以0.5m/min的擠壓速度進行熱擠壓。將熱擠壓處理過后的鋁合金鑄錠加熱至540℃并保溫20min；將保溫后的鋁合金鑄錠于2min之內降溫至350℃，再以15℃/min的降溫速度降溫至室溫完成淬火處理。將淬火處理過后的鋁合金鑄錠加熱至200℃并保溫2小時。對比例1一種用于制備船用氣缸活塞的鋁合金的制備方法，包括：按照表1的組成配制鋁合金原料，將原料在容器中熔化后得熔體。從容器底部向熔體內通入預熱3min后的惰性氣體并靜置35min使浮渣充分漂浮于鋁合金液表面，撈除浮渣靜置15min后澆鑄成型的鋁合金鑄錠。將鋁合金鑄錠在410℃溫度下以0.3m/min的擠壓速度進行熱擠壓。將熱擠壓處理過后的鋁合金鑄錠加熱至535℃并保溫15min；將保溫后的鋁合金鑄錠于4min之內降溫至330℃，再以12℃/min的降溫速度降溫至室溫完成淬火處理。將淬火處理過后的鋁合金鑄錠加熱至190℃并保溫4小時。對比例2一種用于制備船用氣缸活塞的鋁合金的制備方法，包括：按照表1的組成配制鋁合金原料，將原料在容器中熔化后得熔體。從容器底部向熔體內通入預熱3min后的惰性氣體并靜置35min使浮渣充分漂浮于鋁合金液表面，撈除浮渣靜置15min后澆鑄成型的鋁合金鑄錠。將鋁合金鑄錠在410℃溫度下以0.3m/min的擠壓速度進行熱擠壓。將熱擠壓處理過后的鋁合金鑄錠加熱至535℃并保溫15min；將保溫后的鋁合金鑄錠于4min之內降溫至330℃，再以12℃/min的降溫速度降溫至室溫完成淬火處理。將淬火處理過后的鋁合金鑄錠加熱至190℃并保溫4小時。對比例3一種用于制備船用氣缸活塞的鋁合金的制備方法，包括：按照表1的組成配制鋁合金原料，將原料在容器中熔化后得熔體。從容器底部向熔體內通入預熱3min后的惰性氣體并靜置35min使浮渣充分漂浮于鋁合金液表面，撈除浮渣靜置15min后澆鑄成型的鋁合金鑄錠。將鋁合金鑄錠在410℃溫度下以0.3m/min的擠壓速度進行熱擠壓。將熱擠壓處理過后的鋁合金鑄錠加熱至535℃并保溫15min；將保溫后的鋁合金鑄錠于4min之內降溫至330℃，再以12℃/min的降溫速度降溫至室溫完成淬火處理。將淬火處理過后的鋁合金鑄錠加熱至190℃并保溫4小時。對比例4一種用于制備船用氣缸活塞的鋁合金的制備方法，包括：按照表1的組成配制鋁合金原料，將原料在容器中熔化后得熔體。將熔體靜置35min使浮渣充分漂浮于鋁合金液表面，撈除浮渣靜置15min后澆鑄成型的鋁合金鑄錠。將鋁合金鑄錠在410℃溫度下以0.3m/min的擠壓速度進行熱擠壓。將熱擠壓處理過后的鋁合金鑄錠加熱至535℃后于5-10min之內降溫至室溫完成淬火處理。將淬火處理過后的鋁合金鑄錠加熱至190℃并保溫4小時。表1**：以鋁合金的總量為基準，按重量百分比計，余量為鋁。采用維式硬度計對實施例1-5以及對比例1-4的鋁合金進行耐摩擦性能測試。將直徑為12.7mm且厚度為3mm的鋁合金圓片在壓入力為3kg且保壓時間為15s的條件下進行至少3次測試，取得到的數據的平均值為作為該鋁合金的硬度，其結果如表2所示。根據ISO6892-1中規定的測試方法，采用萬能力學試驗機對實施例1-5以及對比例1-4制得的鋁合金進行拉伸試驗，得到屈服強度，其中，屈服強度為產生0.2％殘余變形的屈服極限，其結果如表2所示。同時采用高溫蠕變機對實施例1-5以及對比例1-4制得的鋁合金進行抗蠕變性能測試，其結果如表2所示。表2性能測試表編號硬度(HV)屈服強度(MPa)平均蠕變速率(％/h)實施例11502100.05實施例21522150.45實施例31552120.47實施例41592200.43實施例51632180.46對比例11531800.65對比例21561850.7對比例31551820.68對比例41321780.62請參閱表2，將實施例1-5進行對比可知，在一定程度上，隨著硅和銅含量的增加，鋁合金的硬度增大，耐摩擦性能增強。將實施例3與對比例1-3進行對比可以看出，當鋁合金中不含鐠、鈧、鈥以及釔四種稀土金屬或只含其中一部分時，鋁合金的屈服強度和抗蠕變性能顯著下降。此外，將實施3與對比例3進行對比還可以看出，惰性氣體的通入以及采用的兩次降溫操作使制得的鋁合金的耐摩擦性能、屈服強度及抗蠕變性能都能得到顯著的提高。綜上所述，本發明實施例的用于制備船用氣缸活塞的鋁合金，通過增大硅和銅的含量提高鋁合金的硬度，增加鋁合金的耐摩擦性能。通過加入鐠、鈧、鈥以及釔四種特定的稀土金屬對晶粒進行細化，同時利用稀土金屬除去合金原料中的雜質，減小鋁合金的表面張力，增強了鋁合金的屈服強度及抗蠕變性能。該鋁合金的制備方法采用上述鋁合金的配方進行鋁合金的制備，其制得的鋁合金兼具優良的耐摩擦性能、屈服強度及抗蠕變性能。制備過程中，將惰性氣體通入熔體內，便于原料內部的氣體及固體雜質上浮并去除，從而提高鋁合金的綜合性能。同時該制備方法工序簡單且耗時較少，能夠將制造周期縮短，符合短流程工藝的節能綠色要求。以上所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。本發明的實施例的詳細描述并非旨在限制要求保護的本發明的范圍，而是僅僅表示本發明的選定實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。當前第1頁1 2 3