专利名称：一种活塞用高强度铸造铝硅合金及其制备方法
技术领域：
本发明属于金属材料领域，涉及一种发动机活塞用铸造铝硅合金及其制备方法， 特别是该合金在其成分范围内所对应的熔炼及热处理工艺。
背景技术：
铝硅系铸造合金具有良好的铸造性，耐磨性和导热性，在高温下能保持较高的强 度和耐蚀性能，这些性能特点使该系合金成为制备汽车发动机活塞的常用材料。目前，国内汽油/柴油机活塞生产用材主要是共晶型铝硅合金，常用牌号有ZL108 和ZL109。为了进一步提高此类材料的力学性能，满足不断提高的发动机功率及汽车排放要 求，人们从成分设计及制备工艺方面进行了很多探索研究。具体来说，改善共晶型铸造铝硅 合金力学性能的措施主要有以下几点1)通过优化添加Ni，V，Sc, Cr，Mo, Ta等稀有元素改善金属间化合物的种类及其 在基体中的分布来提高性能；2)采用新型复杂的制备工艺控制熔体凝固过程，改善合金组织结构以提高基体综 合性能。比如CN1635173A公开的合金在ZL109的成分基础上提高了 Ni，Cu含量(Ni 1.7-3. 0wt% ；Cu 2. 5-4. Owt ，用重力浇铸法制备出的合金室温强度达到264. 14MPa ； CN100439533C公开的合金在成分上降低了 Fe含量(< 0. 30wt% )，制备工艺采用半连续 铸造法，对铸锭进行锻造和热挤压变形处理使合金强度达到397MPa ；US5019178公开的合 金成分中Ni 1.0-1.4wt%,Si 14-16wt%，制备工艺采用GB2211207公布的压铸方法，通过 对凝固过程的控制，使G/R = 100-1000°C s/cm2 (其中G 熔体液/固界面处温度梯度；R 凝 固过程中固相生长速率)，同时对熔体进行Sr变质处理，并采用T6热处理工艺使合金最终 抗拉强度达到350-380MPa，硬度达到BHN130-160 ；US4434014公开的合金成分将Fe降低到 0. 25wt%, Ni提高到2. 5wt%，通过控制熔体凝固过程使G/R = 500-8000°C s/cm2，铸锭经 T7热处理后抗拉强度达到310MPa。此外，为了改善此类合金的热稳定性，一般做法是提高合金中M含量，并添加一 定量的V，Sc, Cr, Mo, Ta等稀有元素。代表性的专利有US5996471A公布的合金中添加 了 1. 04-2. 49wt% Ni，0. 05-0. 20wt% V ；US4681736 公布的合金添加了 4. 5-10. Owt % Ni ； US4975243 公布的合金添加了 3. 0-7. 0wt% Ni，0. 3wt% Sc，0. 3wt% V。可以看出，以上专利要么增加成分中贵重元素的含量，要么采用特殊的制备工艺 来换取合金性能的提升。虽然合金中稀有元素的增加以及制备工艺的复杂化使合金性能在 一定程度上得到提高，但是也导致了生产成本的大幅增加，这一状况阻碍了此类合金在普 通工业生产条件下的推广与应用。
发明内容
本发明的目的是解决铝硅系铸造合金存在的高性能导致高成本的矛盾，在不增加生产成本的前提下提高合金的机械性能。一种活塞用铸造铝硅合金及其制备方法。合金的成分范围为Si 12. 0-14. Owt % ;Ni < 0. 3wt % ；Cu 1. 8-3. Owt % ；Fe 0. 3-0. 8wt % ；Mn 0. 3-0. 6wt% ；Mg < 0. 4wt% ；Ti 0. 1-0. 2wt% ；Zr < 0. 3wt% .其余为 Al。其中Al元素的纯度> 99. Owt%，其他元素均以中间合金的形式加入，所用中间合 金如下Al-37. Owt % Si ；Al-10. Owt % Ni ；Al—45. Owt % Cu ；Al—6. Owt % Fe ；Al—10. Owt % Mn ；Al-10. Owt% Mg ；Al—5. Owt% Ti ；Al—4. Owt% Zr。上述成分铸造铝硅合金的制备过程如下1)熔炼用具及原料的准备与烘干(烘干温度控制在200°C )；2)分层次放入原料，低熔点低密度原料放在底层，高熔点高密度原料放在上 层，安放顺序如下A1-10. Owt % Mg, Al-37. Owt % Si, Al-10. Owt % Mn, Al-6. Owt % Fe, Al-10. Owt% Ni, Al-45. Owt% Cu ；3)熔炼温度800°C，待合金呈糊状时用钟罩将Al-5. Owt% Ti ；Al-4. Owt% &一起 压入坩埚底部，在熔体上铺撒熔剂；4)待合金完全熔化后，搅拌除渣压入A1P变质剂，在800°C保温30-40min ；5)降温到750-760°C，除渣精炼，用干燥Ar气(或六氯乙烷)精炼1_2分钟，通Ar 气的喷嘴压入坩埚底部约1/3处；6)静置10-15min，等炉温降到700-710 °C时把熔体快速平稳地浇入预热到 165-175°C的金属模具中。对上述操作做几点说明所用熔剂为50wt% NaCl+50wt% KC1粉末，粒度彡125 y m为宜，加入量控制在熔 体总量的3-5wt% ；Al-Ti，Al-Zr滞后加入是为了减少Ti，&元素烧损，提高元素在熔体中有效含量；变质温度和保温时间是由P变质在熔体中的孕育期决定的，A1P变质剂中P的加 入量控制在熔体总质量的0. 08-0. lwt% ；低温快浇可以提高该合金的铸造质量。浇注完毕后，将所得铸件进行热处理，工艺参数为固溶处理510士5°C X5-8h+室温水淬；时效处理160士5°CX6_10h+空冷。本发明开发研制一种新型高强度发动机活塞用铝硅系铸造合金以及该合金的制 备和热处理工艺。采用普通金属模浇铸，通过优化该合金的成分和工艺，使其室温抗拉强度 和屈服强度分别达到283-305MPa与173-190MPa，断后延伸率达到1. 8-3. 2%。与现有技术 相比较，其优点在于1)与同类型合金相比，降低了 Ni元素的含量，减少了合金中贵重元素的含量；2)本发明优化了合金中Cu，Fe元素含量，在普通金属模铸造工艺下，把Fe含量提 高到0. 8衬％仍能使合金强度保持在280MP以上；3)本发明在合金成分中添加了微量&元素，细化晶粒，强化基体，进一步提高组 织稳定性；
4)制备工艺上不需要进行其他特殊操作，铸锭质量良好，工艺简单，可操作性强。
图1是本发明应用实例合金3#的金相组织照片图2是本发明应用实例合金8#的金相组织照片图3是本发明应用实例合金3#的背散射照片图4是本发明应用实例合金8#的背散射照片图1和图2是合金热处理后组织形貌金相照片，可以看出P变质后消除了初晶硅 的尖锐棱角，颗粒得到细化，平均尺寸在15 pm以下；共晶硅经热处理后熔断为细小颗粒 状，弥散分布在基体中。合金中初/共晶硅在基体中细小弥散的分布是提高该合金力学性 能的主要因素之一。图3和图4是合金热处理后组织的背散射照片，可以看出金属间化合物在合金基 体中的析出形貌。能谱分析发现，析出相以富Cu相和富Fe相为主。一部分富Cu相是凝固 过程中在熔体中形成的，呈块状分布在富Fe相周围；另一部分是热处理后在基体中析出， 这类析出为细小白点状分布在基体里。富Fe相以鱼骨状团簇形式存在，并且随着Fe含量 的增加，富Fe金属间化合物团簇数量增加，可以提高基体在高温下的屈服强度。这两类金 属间化合物的析出产生弥散强化的效果，提高合金的力学性能。下表所列数据是本发明涉及合金与常用ZL108到ZL203几种常用牌号铸造铝合金 室温拉伸性能对比，ZL108-T到ZL203-T对应不同热处理工艺后合金拉伸性能。对比该表 罗列数据可以看到，实例合金与ZL108相比抗拉强度提高了 13. 2-60. 5% ；与ZL109相比抗 拉强度提高了 17. 9-60.5%。 合金热处理后强度性能较高，甚至超过了 ZL200系列常用铸造铝合金性能，并且 铸造性能良好。一般来说，Fe被认为是铸造铝合金生产中的杂质元素予以剔除，其含量过高，用一 般铸造方法很难达到相应牌号规定力学性能；M被认为是改善合金组织性能的有益元素， 生产中通常把该元素含量保持在0. 8wt%以上；而实例合金在低Ni高Fe的成分范围内采 用普通金属模铸造及热处理后即可获得理想的综合性能，是一种具有良好实用性的新型铸
具体实施例方式实施例1 冶炼合金按如下成分组成Si 12. 5wt% ；Ni 0. 25wt% ；Cu 2. 5wt% ；Fe 0. 3wt% ；Mn 0. 5wt% ；Mg 0. 3wt% ； Ti 0. 15wt% ；Zr :0. 3wt% 其余为 Al.实例合金编号3#。合金制备步骤如下在坩埚底部铺撒一层熔剂，然后将工业纯铝(纯度> 99. 0wt% )和中间合金分层次放入坩埚中，熔点低密度小的放置在下层，熔点高密度大的 放置在上层；将炉温升至780°C，保温待原料呈糊状时用钟罩将Al-Ti，Al-&中间合金压入 坩埚底部，随后在熔体表面铺撒熔剂；等原料完全熔化后，用洁净的Ti棒插入熔体轻轻搅 拌3-5圈，清除熔体表面熔渣；用钟罩分两次将A1P压入熔体进行变质处理，待其完全熔化 后取出钟罩，升温至800°C，保温30min ；然后把炉温降到750-760°C，除渣后将干燥Ar气通 入坩埚底部约1/3处精炼1-2分钟；静置15-20min，等炉温降到700-710°C时开炉除渣，将 熔体快速平稳地浇入预热到165-175°C的金属模具中。
对铸锭实施如下热处理工艺固溶处理510士5°C X5-8h+室温水淬；时效处理160士5°CX6_10h+空冷。热处理后合金的力学性能抗拉强度305MPa ；屈服强度178MPa ；延伸率3.2%。实施例2 冶炼合金按如下成分组成Si 13. 5wt% ；Ni 0. 3wt% ；Cu 3. 0wt% ；Fe 0. 8wt% ；Mn 0. 6wt% ；Mg 0. 4wt% ； Ti 0. 10wt% ；Zr 0. 3wt% 其余为 Al.实例合金编号:8#。合金制备步骤如下在坩埚底部铺撒一层熔剂，然后将工业纯铝(纯度> 99. 0wt% )和中间合金分层次放入坩埚中，熔点低密度小的放置在下层，熔点高密度大的 放置在上层；将炉温升至780°C，保温待原料呈糊状时用钟罩将Al-Ti，Al-&中间合金压入 坩埚底部，随后在熔体表面铺撒熔剂；等原料完全熔化后，用洁净的Ti棒插入熔体轻轻搅 拌3-5圈，清除熔体表面熔渣；用钟罩分两次将A1P压入熔体进行变质处理，待其完全熔化 后取出钟罩，升温至800°C，保温30min ；然后把炉温降到750-760°C，除渣后将干燥Ar气通 入坩埚底部约1/3处精炼1-2分钟；静置15-20min，等炉温降到700-710°C时开炉除渣，将 熔体快速平稳地浇入预热到165-175°C的金属模具中。对铸锭实施如下热处理工艺固溶处理510士5°C X5-8h+室温水淬；时效处理160士5°CX6_10h+空冷。热处理后合金的力学性能抗拉强度283MPa ；屈服强度190MPa ；延伸率1. 8%。
权利要求
一种活塞用铸造铝硅合金，其特征是基本组成为Si12.0-14.0wt％；Ni＜0.3wt％；Cu1.8-3.0wt％；Fe0.3-0.8wt％；Mn0.3-0.6wt％；Mg＜0.4wt％；Ti0.1-0.2wt％；Zr＜0.3wt％，其余为Al。
2.如权利要求1所述的活塞用铸造铝硅合金制备方法，其特征在于制备合金所用的金 属元素A1的纯度> 99. Owt %，其他元素均以中间合金的形式加入，所用中间合金成分配比 如下Al-37. 0wt% Si ；Al-10. 0wt% Ni ；Al-45. 0wt% Cu ；Al-6. 0wt% Fe ；Al-10. 0wt% Mn ； Al-10. 0wt% Mg ；Al-5. 0wt% Ti ；Al-4. 0wt% Zr，制备步骤如下1)熔炼用具及原料的准备与烘干，烘干温度控制在200°C；2)分层次放入原料，低熔点低密度原料放在底层，高熔点高密度原料放在上层，具体顺 序如下:A1-10. 0wt% Mg, Al-37. 0wt% Si, Al-10. 0wt% Mn, Al-6. 0wt% Fe, Al-10. 0wt% Ni, Al-45. 0wt% Cu ；3)熔炼温度800°C，待已加入的合金呈糊状时用钟罩将Al-5.0wt% Ti和Al-4. 0wt% Zr 一起压入坩埚底部，铺撒熔剂；4)待所有合金完全熔化后，搅拌除熔渣压入A1P变质剂，在800°C保温30-40min；5)降温到750-760°C，除渣精炼，用干燥Ar气或六氯乙烷精炼1_2分钟，通Ar气的喷 嘴压入坩埚底部1/3处；6)静置10-15min，等炉温降到700-710°C时把熔体快速平稳地浇入预热到165_175°C 的金属模具中；7)浇注完毕后，将所得铸件进行热处理，工艺参数为固溶处理510士5°C X5-8h+室温水淬；时效处理160士5°C X6-10h+空冷。
全文摘要
本发明属于金属材料领域，涉及一种发动机活塞用铸造铝硅合金及其制备方法。铝硅合金中Si12.0-14.0wt％；Ni＜0.3wt％；Cu1.8-3.0wt％；Fe0.3-0.8wt％；Mn0.3-0.6wt％；Mg＜0.4wt％；Ti0.1-0.2wt％；Zr＜0.3wt％，其余为Al。热处理参数为固溶处理510±5℃×5-8h+室温水淬；时效处理160±5℃×6-10h+空冷。热处理后的合金室温抗拉强度和屈服强度分别达到283-305MPa与178-190MPa，断后延伸率达到1.8-3.2％。与同类合金相比，力学性能较高；降低了Ni元素的含量，减少了合金中贵重元素的含量；Fe元素允许在较宽范围内波动；铸锭质量良好，工艺简单，可操作性强。
文档编号C22F1/043GK101876018SQ20091024382
公开日2010年11月3日 申请日期2009年12月23日 优先权日2009年12月23日
发明者刘胜男, 惠希东, 王云亮, 王恩睿, 王树申, 陈国良 申请人:北京科技大学