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
技術領域：
本發明屬金屬材料領域，特別是涉及發動機活塞用鋁合金材料技術領域。
背景技術：
近年來，隨著高功率發動機的發展，為了 "減排降耗"，降低發動機尾氣排 放、降低空氣污染，減少能耗，提高內燃機的效率，提高燃燒溫度己成為內燃機 的重要發展趨勢，相應地，對內燃機部件，尤其是對活塞的高溫強度、線膨脹系 數及體積穩定性提出了更高的要求。現行廣泛使用的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)，具有較好的高溫強度、線膨脹系數及體積穩定性(如， 體積穩定性《0.03%0;線脹系數20—300°C《22. 3X 10、抗拉強度常溫 》196Mpa 30(TC》100Mpa; 360。C 60—70MPa (由于現發動機要求提高，現要 求控制36(TC高溫強度，原國家標準不要求)，但是，其線脹系數尚有待降低， 體積穩定性還有待提高，尤其是，在36(TC (現有國家標準尚未要求)的高溫性 能還是較差，其總體的高溫強度、線膨脹系數及體積穩定性還不令人滿意。發明內容本發明的任務在于針對現有技術的問題和不足之處而提供一種高溫強度、線 膨脹系數及體積穩定性更好的活塞用鋁硅合金材料。本發明的任務是這樣實現的 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。本發明的另一任務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。本發明的另一任務是這樣實現的 一種采用上述合金材料的熔煉工藝，按以下步驟進行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，開始點火熔化；b) 、升溫至表面鋁液呈糊狀后，加入釩合金，同時將剩余鋁錠加入，點火繼 續升溫至850—88(TC進行保溫擴散熔煉，保溫擴散時間為10—20分鐘；c) 、經保溫擴散熔煉的鋁液靜置15 — 20分鐘后，進行精煉除氣處理，加入 覆蓋劑0.3—0.5%，無毒精煉劑在760—78(TC溫度下進行充分攪拌，靜置5 分鐘后取樣，待成份合格后，進行出水操作；d) 、出水時使用過濾網，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行-a) 對現場熔煉后的鑄造活塞進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，不超過銷孔頂端；b) 兩組時效處理第一次時效為17(TCX6h，入爐溫度《5(TC，升溫時間 》45分鐘，隨后出爐空冷至室溫再進行第二次時效，第二次時效為250°CX4 5h，入爐溫度《50。C，升溫時間》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 稀土金屬有限責任公司，其具體成分為TReM〉99%， Ce/Re: 52. 24%, La/Re:27.10%.本發明通過大幅度提高Cu、 Ni含量，加入微量元素SRe、 V等，對合金組 分進行了優化調整(經四川省科技成果查新咨詢服務中心科分院中心進行國內、 外查新檢索，未見有與本合金相同的材料)；并且開發出專門針對上述合金材料 的活塞的兩級時效熱處理工藝。相比現有技術本發明的特點和優點是1、高溫性能和耐磨性能均超過現有ZL109合金體積穩定性《0.0P/6D線脹系數20—20(TC《21X 10"V。C20—300°C《21.8Xl(T/°C 抗拉強度常溫》230MPa 300 °C 》100MPa 360 。C 》80Mpa
與ZL109合金相比，體積穩定性明顯提高，特別是36(TC高溫強度顯著提高， 在原合金基礎上提高幅度達到14-33%,完全能滿足歐III、 IV產品的性能要求。 2、開發出了與本合金配套的活塞兩次時效熱處理的工藝技術。
具體實施方式
本發明活塞用鋁硅合金材料中各組分以重量百分比計的組成如下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) 熔煉設備、工具及爐前準備 熔煉設備:鼓風機，天燃氣反射爐2T，稱，破碎機，熱電偶測溫儀； 熔煉工具加料鏟.打渣耙.攪拌工具.堵塞.過濾網.運渣車.備料車.合金錠模；爐前準備按化學成份要求技術員填寫配料通知單，合金班根據配料通知單從庫房領用驗收合格的原材料(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，開始點火熔化；升溫至表面鋁液呈糊狀后，加入釩(V)合金，同時將剩余鋁錠加入，點火 繼續升溫至850—880'C進行保溫擴散熔煉，保溫擴散時間為10—20分鐘；經保溫擴散熔煉的鋁液必須靜置15—20分鐘再進行精煉除氣處理(加入覆 蓋劑0.3—0.5%，無毒精煉劑0.2—0.3%)用攪拌工具充分攪拌，然后打渣加 鎂(加鎂溫度760—78(TC)再進行充分攪拌，靜置5分鐘后取樣，待成份合格 后方可出水澆錠；出水時必須使用過濾網，中途必須攪拌一次。(3) 現場熔煉熔煉使用工具鐘罩.除渣瓢.熱電偶在使用前必須涂料； 首先應清理干凈現場坩堝，加入同一牌號己準備好的合金進行保溫； 待鋁液溫度至760 — 78(TC時，加入P (磷)鹽(外購)0. 1—0.2%進行變質 處理，處理方法為用涂過料的鐘罩將變質劑壓入接近堝底，平行地輕輕移動直 至反應完畢，壓入深度可根據反應劇烈程度適當調整，用除氣機處理12分鐘， 靜置15—20分鐘，加入打渣劑進行扒渣。檢査三角式樣，確定氣體合變質效果. 鐵相，合格后方可使用。正常良好式樣表面應有龜斑狀出現，斷口為細密組織， 有均勻初晶硅亮點，反之，必須再靜置，重新變質精煉處理，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，入水時間可適 當前后調整)；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，不超過銷孔頂端；時效處理采用兩次時效，第一次時效為170'CX6h(入爐溫度《5(TC升溫 時間》45分鐘)到時間出爐空冷至室溫再進行第二次時效.第二次時效為250'C X4 5h (入爐溫度《50。C，升溫時間》60分鐘，》小120產品時效時間為5h)。
權利要求
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％，Fe≤0.7％，其余為Al。
2、 根據權利要求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、 根據權利要求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、 根據權利要求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，開始點火熔化；b) 、升溫至表面鋁液呈糊狀后，加入釩合金，同時將剩余鋁錠加入，點火繼 續升溫至850—880。C進行保溫擴散熔煉，保溫擴散時間為10—20分鐘；c) 、經保溫擴散熔煉的鋁液靜置15 — 20分鐘后，進行精煉除氣處理，加入 覆蓋劑0.3—0.5%，無毒精煉劑在760 — 78(TC溫度下進行充分攪拌，靜置5 分鐘后取樣，待成份合格后，進行出水操作；d) 、出水時使用過濾網，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行e) 對現場熔煉后的鑄造活塞進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，不超過銷孔頂端；f)兩組時效處理第一次時效為17(TCX6h，入爐溫度《5(TC，升溫時間 》45分鐘，隨后出爐空冷至室溫再進行第二次時效，第二次時效為250°CX4 5h，入爐溫度《5(TC，升溫時間》60分鐘。
全文摘要
本發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％，Fe≤0.7％，其余為Al，同時公開了該采用該合金的活塞的在兩級時效為170℃×6h+250℃×4～5h的熱處理工藝。本發明成本低于現行的ZL109合金，性能超過ZL109合金，特別是其360℃高溫強度能滿足歐III、IV產品要求。
文檔編號C22C1/00GK101117679SQ20071004989
公開日2008年2月6日 申請日期2007年8月31日 優先權日2007年8月31日
發明者任德忠, 彭明誠, 徐昌友, 沈濱波, 賀躍輝, 麟 高 申請人:成都銀河動力股份有限公司