专利名称：：单冒口共晶Al-Si合金活塞材料低温热处理方法
技术领域：
：本发明涉及合金铸造零部件的热处理工艺，特别是共晶Al-Si合金活塞材料的热处理方法。
背景技术：
：内燃机活塞的热处理一般采用铸造余热淬火+人工时效热处理工艺或常规T6热处理工艺。为了减轻中、大型普通活塞毛坯重量，可将活塞毛坯由原来的两侧冒口改为单侧冒口但是，单冒口设计使得活塞毛坯两侧的温度场差异较大，利用活塞铸造余热进行铸淬，不能保证活塞硬度的均匀性。如依然采用常规的T6热处理工艺时，能耗高，生产周期长，生产效率低，增加了生产成本；这样，为了保证减重单冒口活塞设计措施的实施，就急需寻求一种既保证活塞质量又降低生产成本、提高生产效率的新型热处理工艺。为此研究出低温热处理新技术。
发明内容本发明的目的是提供一种以保证活塞质量、又降低生产成本的单冒口共晶Al-Si合金活塞材料低温热处理方法。本发明的目的是这样实现的一种单冒口共晶Al-Si合金活塞材料低温热处理方法，按以下步骤进行a)、将铸造后的活塞在井式炉中加热至480°C±5°C，保温1.5h出炉；b)、采用50'C-8(TC水进行淬火冷却；c)、淬火后在井式时效炉中将活塞升温至16(TC士5'C，保温5h进行人工时效处理，随后，出炉进行空冷，完成活塞材料的热处理全过程；通过低温热处理后共晶Al-Si合金活塞材料各项性能指标如下HB110130，同一只活塞硬度差小于5个HBS，同一炉活塞硬度差不大于15个HBS;抗拉强度ob(肌)》247.49MPa，ob》114.45MPa;线膨胀系数a室温，《20.37X1(TV。C，a室温—匿《21.86X10-6,C;体积稳定性:S《0.011D。共晶Al-Si合金活塞材料热处理工艺，铸造后利用铸造余热直接淬火或铸造后在井式加热炉重新加热淬火，淬火后在井式时效炉进行人工时效处理，时效固定于某一温度(例如220°C)进行，并经过一定时间保温(例如8小时)后完成人工时效处理。时效后出炉进行自然冷却，完成活塞材料的热处理全过程。通过热处理淬火+人工时效改善活塞各项性能指标，使之达到工艺图纸对活塞性能的要求。图1示出共晶Al-Si合金材料活塞利用余热淬火+人工时效热处理工艺曲线。图2示出共晶Al-Si合金材料常规T6热处理工艺曲线。活塞内燃机活塞技术条件GB/T1148-93规定，共晶A卜Si合金材料性能要求为硬度HB95130，同一只活塞硬度差不大于10个HBS，同一炉活塞硬度差不大于30个HBS;抗拉强度ob》196MPa，o30(rc>69MPa;体积稳定性S《0.03%D。现有共晶Al-Si合金材料活塞利用余热淬火或常规T6热处理后性能指标如下硬度HB107129，同一只活塞硬度差不大于IO个HBS;抗拉强度ob》246.OlMPa，o300.c>112.605MPa;线膨胀系数a室温-200《20.74X10—6〃C，a室温—300《22.51X10—7。C;体积稳定性S《0.023%D。提高保证活塞某些性能采用延长活塞人工时效时间的办法达到要求。目前采用铸造余热直接淬火，淬火后在井式时效炉进行人工时效处理的工艺生产的活塞的硬度均匀性相差比较大，体积稳定性的差异性也比较大；釆用在井式加热炉重新加热淬火，淬火后在井式时效炉进行人工时效处理生产的活塞的生产成本高，热处理周期长，效率低，育g耗咼。本发明单冒口共晶Al-Si合金活塞材料低温热处理技术的有益效果是1、应用共晶Al-Si合金材料活塞低温热处理技术处理的活塞与利用铸造余热直接淬火后在井式时效炉进行人工时效处理相比较，低温热处理工艺处理的活塞硬度均匀性，获得高的硬度和高的常温抗拉强度的同时，体积稳定性有较大的提升；2、应用共晶Al-Si合金材料活塞低温热处理技术处理活塞与铸造后在井式加热炉重新加热淬火，淬火后在井式时效炉进行人工时效处理工艺相比，低温热处理工艺降低了活塞生产能耗成本，縮短了活塞热处理的生产周期，提高33%劳动生产效率。3、共晶Al-Si合金材料活塞低温热处理工艺，由于热处理温度比较低，对热处理炉的寿命影响也小得多，减少设备维修时间和维修费用，从而进一步降低热处理成本。本发明共晶Al-Si合金材料低温热处理的原理分析共晶Al-Si合金材料成分(%):Si:U13;Cu:0.51.5;Mn:《0.2;Mg:0.8~1.3;Ni:0.8~1.5;Fe:《0.7;其余Al。在48(TC低温保温固溶处理时，Mg2Si、CuA12(e相)、A13Ni、A13(CuNi)等强化相溶入a固溶体中，同时含有未溶初生相颗粒的非枝晶组织，使得液/固相扩散没有达到平衡，从而成为欠固溶的非枝晶组织，这些欠固溶的非枝晶组织经过演变变得钝化，不会变得粗大，因而不会引起晶粒长大。在160。C时效处理，Mg2Si、CuA12(6相)、A13Ni、A13(CuNi)等固溶强化相析出，欠固溶钝化的非枝晶组织可能阻碍了固溶强化相的集聚偏析，使之呈弥散相分布，合金组织细小均匀，呈组织稳定态。从而使得活塞具有高的常温抗拉强度，均匀的高硬度，提升了体积稳定性。图1是现有共晶Al-Si合金活塞材料利用铸造余热淬火+人工时效热处理工艺曲图2是现有共晶Al-Si合金活塞材料常规T6热处理工艺曲线图；图3是本发明共晶Al-Si合金活塞材料低温热处理工艺曲线图。具体实施例方式图3示出，一种单冒口共晶A1-Si合金活塞材料低温热处理方法，按以下步骤进行a)、将铸造后的活塞在井式炉中加热至480°C±5°C，保温1.5h出炉；b)、采用50°C-80。C水进行淬火冷却；c)、淬火后在井式时效炉中将活塞随炉升温至160°C±5°C，保温5h进行人工时效处理，随后，出炉进行空冷，完成活塞材料的热处理全过程；通过低温热处理后共晶Al-Si合金活塞材料各项性能指标超过工艺图纸要求各项性能指标。具体要求如下硬度HBll(Tl30，同一只活塞硬度差小于5个HBS,同一炉活塞硬度差不大于15个HBS;抗拉强度。b(2。'c)^240MPa，ob(300'C)》100MPa;线膨胀系数a室温—赋《20.5X10—7-C，a体积稳定性S《0.015D。为了保证实验的准确性，需对生产的各个环节进行监控，过程如下1、合金熔炼工艺(1)熔炼设备、工具及炉前准备熔炼设备:鼓风机，天燃气反射炉2T，称，破碎机，热电偶测温仪；熔炼工具加料铲.打渣耙.搅拌工具.堵塞.过滤网.运渣车.备料车.合金锭模；炉前准备按化学成份要求技术员填写配料通知单，合金班根据配料通知单从库房领用验收合格的原材料(由于硅是自己破碎，注意块度20—50mm),填好配料原始记录打渣耙.搅拌工具合金锭模必须涂氧化锌，浇瓢必须涂石眉墨水溶液，烘干后才能使用(2)加料熔炼先将所需的全部硅均匀分布于炉膛底部，然后用加料板将配备好的纯铝锭总量的60—806%进炉，将硅全部覆盖，完后将Gu板，Ni板加在靠近喷火口的中上层，开始点火熔化；升温至表面铝液呈糊状后，加入铝-锰中间合金，同时加入回炉料，继续升温至850—88(TC进行保温扩散熔炼，保温扩散时间为10—20分钟；经保温扩散熔炼的铝液必须静置15—20分钟再进行精炼除气处理(加入覆盖剂0.3—0.5%，无毒精炼剂0.2—0.3%)用搅拌工具充分搅拌，然后打渣加镁(加镁温度760—780°C)再进行充分搅拌，静置5分钟后取样，待成份合格后方可出水浇锭；出水时必须使用过滤网，中途必须搅拌一次。(3)现场熔炼熔炼使用工具钟罩.除渣瓢.热电偶在使用前必须涂料；首先应清理干净现场坩埚，加入同一牌号己准备好的合金进行保温；待铝液温度至760—780'C时，加入P(磷)盐(外购)0.1—0.2%进行变质处理，处理方法为用涂过料的钟罩将变质剂压入接近埚底，平行地轻轻移动直至反应完毕，压入深度可根据反应剧烈程度适当调整，用除气机处理12分钟，静置15—20分钟，加入打渣剂进行扒渣。检査三角式样，确定气体合变质效果.铁相，合格后方可使用。正常良好式样表面应有龟斑状出现，断口为细密组织，有均匀初晶硅亮点，反之，必须再静置，重新变质精炼处理，直至合格。2、现场浇注将活塞铸型清除干净、预热并进行冒口涂料，活塞模具装配在工作台上再进行整体预热，整体预热后按铸造工艺要求进行涂料，正常通水洚注的第四只活塞作为正常生产的首件坯件。3、试样抽取本实验用活塞是通过生产现场正常生产的活塞进行现场抽取，进行低温热处理实验，活塞铝硅合金材料中各组分以重量百分比计的组成(％)要求如下Si:1广13;Cu:0.51.5;Mn:《0.2;Mg:0.81.3;Ni:0.8~1.5;Fe:《0.7;其余Al。实施例l，所述合金中各组分(％)的组成如下Si:12.18;Cu:1.15;Mn:0.16;Mg:1.10;Ni:0.86;Fe:0.49;其余A1。实施例2，合金中各组分(％)的组成如下Si:12.62;Cu:1.12;Mn:0.15;Mg:1.09;Ni:0.88;Fe:0.39;其余A1。实施例3，合金中各组分(％)的组成如下Si:12.60;Cu:1.14;Mn:0.15;Mg:1.10;Ni:0.85;Fe:0.43;其余A1。实施例4，合金中各组分(％)的组成如下Si:12.53;Cu:1.16;Mm0.16;Mg:1.09;Ni:0.90;Fe:0.41;其余Al。实施例5，合金中各组分(％)的组成如下Si:12.32;Cu:1.17;Mn:0.17;Mg:1.10;Ni:0.84;Fe:0.45;其余Al。实施例6，合金中各组分(％)的组成如下Si:12.48;Cu:1.15;Mn:0.15;Mg:1.08;Ni:0.86;Fe:0.42;其余Al。实施例7，合金中各组分(％)的组成如下Si:12.57;Cu:1.16;Mn:0.16;Mg:1.11;Ni:0.88;Fe:0.43;其余Al。4、热处理工艺淬火处理将铸造后的活塞在井式炉中加热至480°C±5°C，保温1.5h出炉(入炉温度《42(TC升温时间^40分钟)；随后在50。C-8(TC水进行淬火冷却；时效处理淬火后在井式时效炉中将活塞随炉升温至16(TC士5'C，保温5h进行人工时效处理(入炉温度《12(TC,升温时间》20分钟)，随后出炉进行空冷。5、性能检测具体实例及不同温度热处理下相应的材料力学性能<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>通过多次实验及对实验数据进行分析为了降低活塞的热处理工艺成本，保证活塞外观质量情况下，使用480。C土5。C保温1.5h，508(TC水中淬火，16CTC土5。C保温时效5h，自然时效24h的工艺处理的活塞的各项实验数据性能如下硬度HBll(Tl30，同一只活塞硬度差小于5个HBS，同一炉活塞硬度差不大于15个HBS;抗拉强度ob(,》247.49MPa，ob(3。。。c)^114眉Pa;线膨胀系数a室温督c《20.37X10—7。C，a室温—3。。'c《21.86X10—7'C;体积稳定性S《0.011D。活塞的各项性能数据均符合活塞产品要求的性能指标要求。权利要求1、一种单冒口共晶Al-Si合金活塞材料低温热处理方法，其特征是按以下步骤进行a)、将铸造后的活塞在井式炉中加热至480℃±5℃，保温1.5h出炉；b)、采用50℃-80℃水进行淬火冷却；c)、淬火后在井式时效炉中将活塞随炉升温至160℃±5℃，保温5h进行人工时效处理，随后，出炉进行空冷，完成活塞材料的热处理全过程；通过低温热处理后共晶Al-Si合金活塞材料各项性能指标如下HB110～130，同一只活塞硬度差小于5个HBS，同一炉活塞硬度差不大于15个HBS；抗拉强度σb(20℃)≥247.49MPa，σb(300℃)≥114.45MPa；线膨胀系数α室温-200℃≤20.37×10-6/℃，α室温-300℃≤21.86×10-6/℃；体积稳定性δ≤0.011D。2、根据权利要求1所述单冒口共晶Al-Si合金活塞材料低温热处理方法，其特征是铝硅合金活塞材料中各组分以重量百分比计的组成(％)要求如下Si:11~13%;Cu:0.5~1.5%;Mn:《0.2%;Mg:0.8-1.3%;Ni:0.8~1.5%;Fe:《0.7%;其余A1。3、根据权利要求1所述单冒口共晶A1-Si合金活塞材料低温热处理方法，其特征是所述合金中各组分组成如下Si:12.18%;Cu:1.15%;Mn:0.16%;Mg:1.10%;Ni:0.86%;Fe:0.49%;其余Al;铸造后的活塞在井式炉中加热480。C保温1.5小时，65'C水中淬火，160。C保温时效5h，出炉后空冷；处理后活塞材料各项性能指标为硬度HB125;抗拉强度ob(肌)=286.22MPa，ob(3加Cl17.15MPa;线膨胀系数a室温—2赋=19.99X10—6〃C，a室温—300.c=21.44X10_7°C;体积稳定性0.010%D。4、根据权利要求1所述单冒口共晶Al-Si合金活塞材料低温热处理方法，其特征是Si:12.62%;Cu:1.12%;Mn:0.15%;Mg:1.09%;Ni:0.88%;Fe:0.39%;其余A1;铸造后的活塞在井式炉中加热485。C保温1.5h，55。C水中淬火，160'C士5。C保温时效5h，出炉后空冷；处理后活塞材料各项性能指标为硬度HB128;抗拉强度ob(肌)=291.89MPa，ob(3。。。=118.47MPa;线膨胀系数a室温督^20.04X10—V。C，a室温—3肌二21.62X10—V。C;体积稳定性0.0翻。5、根据权利要求1所述单冒口共晶A1-Si合金活塞材料低温热处理方法，其特征是Si:12.60%;Cu:1.14%;Mn:0.15%;Mg:1.10%;Ni:0.85%;Fe:0.43%;其余A1;铸造后的活塞在井式炉中加热48(TC保温1.5h，60'C水中淬火，16(TC保温时效5h，出炉后空冷；处理后活塞材料各项性能指标为硬度:HB120;抗拉强度。b图267.腿Pa，ob匿)=123.25MPa;线膨胀系数a室温—2wrc=19.96X10_7°C，a室温—300.c=21.28X10—6/°C;体积稳定性0.011%D。6、根据权利要求1所述单冒口共晶Al-Si合金活塞材料低温热处理方法，其特征是Si:12.53%;Cu:1.16%;Mn:0.16%;Mg:1.09%;Ni:0.90%;Fe:0.41%;其余A1;铸造后的活塞在井式炉中加热485。C保温1.5h，65。C水中淬火，16(TC保温时效5h，出炉后空冷；处理后活塞材料各项性能指标为硬度:HB121;抗拉强度ob(2。'c)=287.50MPa，ob(就)=124.71MPa;线膨胀系数a室温—,。=20.21X1(T/°C，a室温—咖.。=21.57X10—V°C;体积稳定性0.008%D。7、根据权利要求1所述单冒口共晶Al-Si合金活塞材料低温热处理方法，其特征是Si:12.48%;Cu:1.15%;Mn:0.15%;Mg:1.08%;Ni:0.86%;Fe:0.42%;其余A1;铸造后的活塞在井式炉中加热475。C保温1.5h，75。C水中淬火，165'C保温时效5h，出炉后空冷；处理后活塞材料各项性能指标为硬度HB115;抗拉强度ob(薦)=275.證a，ob(雄)=117.llMPa;线膨胀系数a室温-2。。1=20.37X10_7°C，a室温—3肌=21.86X10"V。C;体积稳定性0.009%D。全文摘要一种单冒口共晶Al-Si合金活塞材料低温热处理方法，按以下步骤进行将铸造后的活塞在井式炉中加热至480℃±5℃，保温1.5h出炉；采用50℃-80℃水进行淬火冷却；淬火后在井式时效炉中将活塞随炉升温至160℃±5℃，保温5h进行人工时效处理，随后，出炉进行空冷，完成活塞材料的热处理全过程；通过低温热处理后共晶Al-Si合金活塞材料各项性能指标超过内燃机活塞技术条件GB/T1148-93要求各项性能指标。本工艺方法既能保证活塞质量、又可降低生产成本。文档编号C22F1/043GK101445898SQ20081014805公开日2009年6月3日申请日期2008年12月26日优先权日2008年12月26日发明者任德忠,何光驰,夏小兵,彭明诚,徐昌友,杨庆年申请人:成都银河动力股份有限公司