一种新型内燃机铝活塞材料及其制备方法与流程

1.本发明属于内燃机铝活塞材料技术领域，特别涉及一种新型内燃机铝活塞材料及其制备方法。


背景技术：

2.近年来，节能减排逐渐成为发动机行业的技术趋势，发动机正朝着大功率、低油耗、低排放、高转速、高增压的方向发展。发动机性能的提高使得活塞的负荷显著增加，因而对活塞性能尤其是高温性能提出了更高的要求，活塞材料则首当其冲。活塞材料研发的水平高低，可体现一个活塞企业是否真正具有核心竞争力。
3.目前，市场上常用的铝活塞材料有：zl109/ht122a(zl109g)、ht135(相当于m142)，可以满足一般大功率发动机活塞的需要。但是，对于最高燃爆压达到18mpa级别的高增压发动机目前尚无可合适的铝活塞材料应用。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术存在的不足，提供了一种新型内燃机铝活塞材料及其制备方法，具体技术方案如下：
5.一种新型内燃机铝活塞材料，包括以下质量百分比的化学成分：si：12～13.5％；cu：4.0～6.0％；mn：0.1～0.3％；mg：0.5～1.2％；ni：1.8～3.0％；ti：0.02～0.15％；余量为al。
6.优选地，其中：si：13％；cu：5.0％；mn：0.15％；mg：0.75％；ni：2.6％；ti：0.06％；al：78.44％。
7.一种新型内燃机铝活塞材料的制备方法，包括以下步骤：
8.步骤s1：将铝活塞材料的原料投入到电阻保温炉中，待熔化成铝水后，温度控制在不低于750℃；
9.步骤s2：向步骤s1的铝水中加入占原料总量为0.2％的清渣剂，用钟罩压入液面以下，反应2～3分钟后，提出钟罩，用捞篱充分搅拌铝液，再捞去浮渣；
10.步骤s3：向步骤s2的铝液中加入占原料总量为0.4％的变质剂，用钟罩压入液面以下，反应13～15分钟后，提出钟罩；
11.步骤s4：待步骤s3的变质作业完成后，再加入占原料总量为0.3％的精炼剂，用钟罩压入液面以下，反应8～10分钟，提出钟罩；
12.步骤s5：采用除气机对步骤s4的铝液做8～10分钟除气作业，用气量为：15l/min；待除气完成后，在液面上撒上占原料总量为0.04％的的清渣剂静置10分钟。
13.步骤s6：继续降温至750℃～780℃，浇注铝活塞毛坯；
14.步骤s7：浇注完毕后，对步骤s6的铝活塞毛坯进行热处理。
15.优选地，步骤s2至s4中钟罩距离坩埚底均为10厘米。
16.优选地，所述变质剂为复合磷盐。
17.本发明的有益效果是：
18.本发明通过增加铝合金中cu、ni元素含量占比来提高铝合金活塞材料的韧性和耐高温性能，增加活塞的负荷能力；
19.通过增加的cu元素含量可产生明显的强化效果，可降低线膨胀系数。cu元素在铝合金中形成al-si-cu合金，通过固溶强化和析出中间相(al2cu)化合物增强合金硬度，提高合金的耐热强度。这些化合物在固溶体的基体或晶粒边界上析出来，起沉淀强化作用，cu元素可提高铝硅合金的常温和高温性能，最大控制量在4％和6％中间，低于4％对线性膨胀系数没有影响，超过6％只有在低温下可降低膨胀系数。
20.通过增加的ni元素在铝合金中形成nial3等化合物，提高铝合金的高温强度金额体积、尺寸稳定性，同时使fe的化合物变成块状的倾向，即降低杂质fe的有害元素；增加的ni元素与cu元素相配合，热强化效果更佳，降低膨胀系数作用更佳。
附图说明
21.图1示出了本发明铝活塞材料的100倍金相图片；
22.图2示出了本发明铝活塞材料的500倍金相图片。
具体实施方式
23.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
24.一种新型内燃机铝活塞材料，包括以下质量百分比的化学成分：si：12～13.5％；cu：4.0～6.0％；mn：0.1～0.3％；mg：0.5～1.2％；ni：1.8～3.0％；ti：0.02～0.15％；余量为al。
25.实施例：
26.一种新型内燃机铝活塞材料，其原料按照总量250kg计，其中：si占32.5kg；cu占12.5kg；mn占0.375kg；mg占1.875kg；ni占6.5kg；ti占0.15kg；al占196.1kg。
27.一种新型内燃机铝活塞材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
28.步骤s1：将铝活塞材料的原料(合计250kg)投入到电阻保温炉中，待熔化成铝水后，温度控制在不低于750℃；
29.步骤s2：向步骤s1的铝水中加入0.5kg的清渣剂，用钟罩压入液面以下，反应2～3分钟后，提出钟罩，用捞篱充分搅拌铝液，再捞去浮渣；
30.步骤s3：向步骤s2的铝液中加入1kg的变质剂，用钟罩压入液面以下，反应13～15分钟后，提出钟罩；
31.步骤s4：待步骤s3的变质作业完成后，再加入0.75kg的精炼剂，用钟罩压入液面以下，反应8～10分钟，提出钟罩；
32.步骤s5：采用除气机对步骤s4的铝液做8～10分钟除气作业，用气量为：15l/min；待除气完成后，在液面上撒上0.1kg的的清渣剂静置10分钟。
33.步骤s6：继续降温至750℃～780℃，浇注铝活塞毛坯；
34.步骤s7：浇注完毕后，对步骤s6的铝活塞毛坯进行热处理。
35.优选地，步骤s2至s4中钟罩距离坩埚底均为10厘米。
36.优选地，所述变质剂为复合磷盐。
37.性能评价：
38.(1)铝水化验对比
39.将上述方法制备的取样块一侧面精车后，转送理化室化学元素检查(直通式光谱检测仪)，对比成分分析主要元素如下表1所示：
40.表1本发明实施例制备的铝水化验对比
[0041][0042]
(2)铝活塞材料金相图片
[0043]
如图1和2可知，本发明实施例制备的铝活塞材料，其固溶体细小，共晶硅呈短条状，部分呈西小块状，初晶硅(边长≦0.03mm)呈小块状，分布均匀，金相等级1级。
[0044]
(3)铝活塞材料金属冲击韧性试验
[0045]
该材料金属冲击韧性试验具体参考gb/t 34556-2017铝基符合材料冲击试验方法，该试验结果如下表2所示：
[0046]
(备注：在试验过程中，冲击时，由于试样缺口根部形成高度应力集中，为保证尺寸精准，缺口应采用铣削、磨削或专用的拉床加工，要求缺口底部光滑，无平行于缺口轴线的刻痕。试验的制备应避免由于加工硬化或过热而影响其冲击性能。用专用对中块，按下图使试样贴紧支座安放，缺口处于受拉面，并使缺口对称面位于两支座对称面上，其偏差不应大于0.5mm。)
[0047]
表2本发明实施例制备的铝活塞材料ht136与现有技术的铝活塞材料zl109两者冲击韧性结果对比
[0048]
分类第一组第二组第三组现有的zl10965.2j/cm264.7j/cm268.1j/cm2本发明ht13678.3j/cm275.7j/cm277.6j/cm2[0049]
结果：由表2可知，与现有技术的铝活塞材料zl109相比，本发明的实施例制备的铝活塞材料ht136具有更高的韧性。
[0050]
(4)铝活塞材料耐高温性能试验
[0051]
参照大连有色金属铸造厂《内燃机活塞的体积稳定性》的体稳试验，试验温度：250
±
5℃；时间：5h，测量活塞冷却后的外径，并结合活塞加热前的外径，得出活塞加热前后体积变化量，该试验结果如下表3所示：表3本发明实施例的ht136铝合金材料铸造的活塞与现有技术的zl109铝合金材料铸造的活塞加热前后的体积变化对比
[0052]
分类第一组第二组第三组zl109活塞0.028％0.028％0.029％ht136活塞0.022％0.023％0.020％
[0053]
结果：由表3可知，与现有技术的zl109铝合金材料铸造加工的活塞相比，可以看出使用本发明实施例ht136铝合金材料铸造加工的活塞具有更好的体积稳定性，具有更强的
耐高温性能。
[0054]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。