一种高强度活塞铝合金及制备方法与流程

本发明涉及铝合金，具体涉及一种高强度活塞铝合金及制备方法。

背景技术：

1、铝及铝合金具有轻量性、耐蚀性、易成形性、高比强度、高导电性和导热性、易回收性等诸多优良的特性，因此被广泛运用于建筑、汽车、飞机、船舶、国防工业等各个行业。含cu、ni、mg、v、ti、zr等合金元素的多元al-si系合金由于拥有良好的铸造性能和较小的线膨胀系数，同时金属间强化相的存在使合金的硬度和强度提高，耐磨性和耐蚀性表现较好。这类合金满足材料对密度、高温疲劳强度、热膨胀系数、导热性、耐热性和耐磨性的要求，常用于内燃机活塞等轻质高强零部件的制造。

2、活塞是内燃发动机部件中工作环境最恶劣、结构复杂的运动部件，主要作用是承受汽缸中的燃烧压力，并将此力通过活塞销和连杆传给曲轴。由于活塞直接与高温高压燃气相接触，承受较大的热负荷和机械负荷。同时，发动机功率和扭矩不断增大，导致的燃烧室压力和温度大幅升高，活塞需要承受较高的热机械载荷，对铝合金活塞的强度提出了更高的要求，常温抗拉强度≥280mpa，常温延伸率≥1％，高温(350℃)抗拉强度≥90mpa，高温(350℃)延伸率≥7％，体积稳定性≤0.01％d，线胀系数(20-400℃)≤21.8x10-6/℃，活塞喉口部位金相组织≤4级；而原铝合金活塞的要求为常温抗拉强度≥225mpa，常温延伸率≥0.5％，高温(350℃)抗拉强度≥80mpa，高温(350℃)延伸率≥2％，体积稳定性≤0.01％d，线胀系数(20-300℃)≤21.5x10-6/℃，活塞喉口部位金相组织≤4级；与原活塞性能要求相比，铝合金活塞性能主要提升的是抗拉强度及其延伸率，常温抗拉强度最小值提高55mpa，常温延伸率最小值提升0.5％，高温(350℃)抗拉强度最小值提高10mpa，高温(350℃)延伸率最小值提升5％。

3、目前铝合金活塞一般采用金属型重力铸造方式生产，由于凝固过程中冷却速度较慢，组织中存在较大的块状初晶硅组织和呈杆状分布的共晶硅组织，同时活塞材料中的杂质元素fe，为了改善fe元素形态添加的mn，以上两种元素降低了活塞材料的疲劳强度和导热系数。虽然现有的材料成分及铸造工艺基本能够满足要求，已经不能满足日趋严苛的使用要求。需要从材料成分、合金细化、活塞热处理等方面采取措施，提升铝活塞的综合性能，以提高活塞的使用寿命。

技术实现思路

1、本发明目的是针对现有技术的问题和不足之处而提供了一种高强度、高延伸率、高抗疲劳强度活塞用铝硅合金材料。

2、为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

3、一种高强度活塞铝合金，以重量百分比计原料各组分组成如下：si：11.5-12.0％，cu：4.35-4.55％，ni：2.2-2.6％，mg：1.0-1.15％，v：0.08-0.11％，ti：0.08-0.11％，zr：0.06-0.09％，fe：0.3-0.4％，p：≥0.0060％，其余为al。

4、一种高强度活塞铝合金的制备方法，包括以下制备步骤：

5、s1、铝合金熔炼；

6、s2、铝液精炼；

7、s3、铝合金活塞热处理。

8、具体的，所述步骤s1包括以下子步骤：

9、s11、在工频炉炉底加入硅，然后倒入天然气连续熔化炉里熔化好的铝液，再加铜、镍，开启工频炉升温，待铝液温度达到780℃±20℃时加入镁合金、铝钒合金、铝钛合金、铝锆合金、铝磷合金；

10、s12、继续升温至900-930℃进行保温扩散熔炼，保温扩散时间为20-40分钟；

11、s13、成分取样，待成分合格后，进行出水操作。

12、具体的，所述步骤s2包括以下子步骤：

13、s21、铝液除ca预处理，预处理温度：770-790℃；除气机转速控制在480-520转/min，气体压力控制在0.5-0.6mpa，气流量控制在5-15l/min时，加入一定量的除ca熔剂，旋转除气5分钟；

14、s22、铝液精炼处理，精炼温度：770-790℃；将60g-90g精炼剂沿漩涡边缘倒入铝液漩涡内进行精炼处理，精炼除气时间10分钟；

15、s23、铝液静置：铝液精炼完毕后静置10分钟，用密度当量仪检测铝液质量，密度当量di值≤0.6，方可清渣开包浇注。

16、具体的，所述步骤s21中，加入除ca熔剂的方法为：将除气机转子置于坩埚(铝液)的正中央旋转，待铝液起比较大的漩涡后，取定量的除ca熔剂沿漩涡边缘倒入铝液漩涡内，继续旋转除气。

17、具体的，所述除ca熔剂为fusal 1956。

18、具体的，所述精炼剂为pyroflux gr dr212。

19、具体的，所述步骤s3包括以下子步骤：

20、s31、铝活塞裙部铸淬处理：活塞毛坯温度不小于420℃，取出活塞毛坯立即放入淬火箱中，淬火位置为止口向下，浸入深度不低于销孔中心，不超过销孔顶端；

21、s32、两组时效处理：第一次时效为180℃×5h，入炉温度≤50℃，升温时间≥45分钟，随后出炉空冷至室温再进行第二次时效，第二次时效为245℃×2h，入炉温度≤50℃，升温时间≥60分钟。

22、具体的，所述步骤s31中，淬火温度为60-90℃。

23、基于上述技术方案，本发明实施例至少可以产生如下技术效果：

24、(1)本发明提供的一种高强度活塞铝合金，选择cu含量在4.35-4.55％范围、mg含量在mg1.0-1.15％范围、ni含量在ni2.2-2.6％范围，主要是利用cu、mg、ni在该范围内强化及硬化效果好的特性，提升活塞机械强度性能。

25、(2)本发明提供的一种高强度活塞铝合金，一般铸造活塞用al-si合金中含有mn元素，主要是改善fe元素形成的针铁及鱼骨状铁形态，但本发明在合金中降低杂质fe元素时不加入mn元素，主要是提升al-si合金活塞的热导率，使活塞头部燃烧室内产生的热量能尽快传递，增强活塞抗疲劳性能。si选取在al-si系合金偏下限，本发明选取在si11.5-12.0％范围，主要是降低初晶硅析出几率及减少al-si合金的热裂倾向。al-si合金中添加v、ti、zr等微量元素，v、ti、zr等微量元素具有细化铸态组织，抑制合金再结晶过程晶粒的长大，细化初晶硅，可提高合金的抗拉强度和塑性等性能。

26、(3)本发明提供的一种高强度活塞铝合金得制备方法，在铝合金熔炼工序加入铝磷合金变质剂，高温900-930℃，时长20-40分钟保温扩散熔炼，合金均匀化效果好的同时主要是提高游离态p元素的含量，游离态p起到抑制硅相生长的作用，促进初晶硅细化。

27、(4)本发明提供的一种高强度活塞铝合金得制备方法，现场铝液除ca预处理及除ca熔剂加入量的控制，当熔体中ca含量增高时，易形成高熔点的alca化合物，降低铝合金的流动性及补缩性能，同时还可能形成不溶于铝基体的化合相(如al4ca)，从而影响铝合金热处理后的性能；多余的ca还可与al、si反应生成粗大板片状al2si2ca相；而且ca的存在还会导致al2o3氧化膜的破裂，增加铝液含氢量和铸件出现气孔、疏松的几率，影响产品的表面和内部质量。据研究表明，合金中ca含量越低，p的变质效果越显著，初晶硅平均尺寸越细小。根据铝液中的ca含量，加入相应的除ca熔剂，当ca≤0.001％、≥0.006％时，铝液变质效果最佳。

28、(5)本发明提供的一种高强度活塞铝合金得制备方法，通过两组时效处理，第一次时效为180℃×5h，提升al-si合金活塞的时效强化效果及硬度，提高活塞抗拉强度；第二次时效为245℃×2h，提升活塞体积稳定性。