專(zhuān)利名稱(chēng)：：活塞用新型無(wú)鎳高鈦鋁硅合金及其活塞的熱處理工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及合金材料，具體來(lái)說(shuō)是用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的特種鋁硅合金，及其熔煉工藝和活塞處理工藝。
背景技術(shù)：
：現(xiàn)有含鎳鋁硅合金的熱膨脹系數(shù)小、耐磨性較高、是最常用的活塞材料。如，目前發(fā)動(dòng)機(jī)活塞廣泛采用的ZL109含鎳鋁硅合金，其成分規(guī)范如下Si:11—13%，Cu:0.5—1.5%，Mg:0.8—1.5%，Mn:《0.2%，Ni:0.8—1.5%,Fe:《0.7%;ZL109機(jī)械性能體積穩(wěn)定性《0.03%D，線脹系數(shù)(20—30(TC)《22.3X10"抗拉強(qiáng)度常溫》196Mpa，300°C》100Mpa，360°C60—70MPa(由于現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)要求提高，現(xiàn)要求控制36(TC高溫強(qiáng)度，原國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)不要求)。中國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)公開(kāi)了中國(guó)輕騎集團(tuán)曲阜活塞廠的"一種活塞用鋁基復(fù)合材料及其制備方法"(CN1257299C)，基體合金組成為(%)Si-916，Ni:0.52.0，Mg:0.21.5,Ti:0.22.0，其余為Al。中國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)還披露了東北輕合金有限責(zé)任公司的"鋁合金活塞的制造方法"(CN1693507A)，其合金成分為(%):Si:11.513.5，F(xiàn)e:《0.10，Cu:O.51.3，Mn:《0.20,Mg:O.81.3，Ni:0.51.3，Zn:《0.25,Cr:《O.lO，Ti:《0.15。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，金屬原材料價(jià)格上漲幅度很大。特別是金屬鎳，由于資源日益枯竭，市場(chǎng)需求突飛猛長(zhǎng)，其價(jià)格在短期內(nèi)以翻番的速度增長(zhǎng)。為了降低成本，同時(shí)在保證材料的物理和力學(xué)性能的前提條件下，開(kāi)發(fā)出活塞用無(wú)Ni鋁硅合金是我們所面臨的、急需解決的技術(shù)課題。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種不采用金屬鎳仍能滿(mǎn)足活塞材料的物理、力學(xué)性能要求的活i用新型無(wú)鎳高鈦鋁硅合金。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是一種活塞用新型無(wú)鎳高鈦鋁硅合金，其特征是所述合金中重量百分比計(jì)的各成分組成如下Si:12.5—13.5%，Cu:1.5—2%，Mg:0.9—1.5%，Mn:《0.45%，Ti:0.25—0.4%，V:0.1—0.2%,Fe《0.7%，其余為Al。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供上述合金的熔煉以及熱處理工藝。本發(fā)明的另一目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種鋁硅合金的熔煉工藝，熔煉工藝步驟如下: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(jìn)爐，將硅全部覆蓋，完后將銅板加在靠近噴火口的中上層，開(kāi)始點(diǎn)火熔化；b)、升溫至表面鋁液呈糊狀后，加入釩合金和A1-Ti中間合金，同時(shí)將剩余鋁錠加入，點(diǎn)火繼續(xù)升溫至850—88(TC進(jìn)行保溫?cái)U(kuò)散熔煉，保溫?cái)U(kuò)散時(shí)間為10—20分鐘；c)、經(jīng)保溫?cái)U(kuò)散熔煉的鋁液靜置15—20分鐘后，進(jìn)行精煉除氣處理，加入覆蓋劑0.3—0.5%，無(wú)毒精煉劑在760—78(TC溫度下進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，靜置5分鐘后取樣，待成份合格后，進(jìn)行出水操作；d)、出水時(shí)使用過(guò)濾網(wǎng)，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(jìn)行e)、對(duì)澆鑄活塞采用全部水淬，淬火溫度為60-90'C;再對(duì)活塞進(jìn)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(xiāo)孔中心，不超過(guò)銷(xiāo)孔頂端；f)、最后對(duì)活塞進(jìn)行兩級(jí)時(shí)效處理，第一級(jí)時(shí)效為170'CX3h，第二級(jí)時(shí)效為260。CX1.5h。本發(fā)明對(duì)現(xiàn)有活塞用鋁硅合金材料的成分進(jìn)行了調(diào)整，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)、篩選，通過(guò)取消高成本的Ni，加入高溫強(qiáng)化元素Ti、V，同時(shí)對(duì)Si、Cu、Mn等含量進(jìn)行優(yōu)化，最后得到了上述合金。本發(fā)明的有益效果是1、合金材料的成本得到降低取消了高成本的金屬鎳，從而有效降低產(chǎn)品成本，從而提高了產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。2、合金材料的力學(xué)性能、高溫機(jī)械性能有所提高。經(jīng)測(cè)試，本發(fā)明無(wú)Ni鋁硅合金的機(jī)械性能如下體積穩(wěn)定性《0.025%0;線脹系數(shù)20—300°C《22X10-6/°C;抗拉強(qiáng)度常溫》196Mpa，300。C》100Mpa，360O65Mpa。與現(xiàn)有ZL109合金相比，體積穩(wěn)定性、線脹系數(shù)、36(TC高溫性能有明顯提高。3、針對(duì)本合金材料，相應(yīng)研發(fā)出一套熔煉后熱處理工藝，因此，本發(fā)明活塞在300-35(TC的高溫強(qiáng)度有所提高，耐磨性能更好。具體實(shí)施方式本發(fā)明合金材料的配比如下(各組分重量含量％)<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>經(jīng)測(cè)試，合金l的性能指標(biāo)如下體積穩(wěn)定性0.020%D;線脹系數(shù)20-300'C:20xio"V。c，抗拉強(qiáng)度常溫201Mpa,300。C:l躍pa，360。C:68Mpa;合金2的性能指標(biāo)如下體積穩(wěn)定性0.025%D;線脹系數(shù)20-300。C:22X10"V。C，抗拉強(qiáng)度常溫196Mpa，30CTC:100Mpa，360。C:65Mpa;合金3的性能指標(biāo)如下0.023%D;線脹系數(shù)20-300。C:21X1(T6/°C，抗拉強(qiáng)度常溫198Mpa，300。C:105Mpa，360。C:66Mpa;從總體上來(lái)看，本發(fā)明合金材料性能指標(biāo)為體積穩(wěn)定性《0.025%D;線脹系數(shù)20—300。C《22X10—7°C;抗拉強(qiáng)度常溫》196Mpa，300D100Mpa，360。C》65Mpa。本發(fā)明無(wú)鎳合金材料的材料性能多項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到和部分超過(guò)現(xiàn)有ZL109含Ni鋁硅合金的指標(biāo)。1、本發(fā)明合金熔煉工藝(1)熔煉設(shè)備.工具及爐前準(zhǔn)備熔煉設(shè)備:鼓風(fēng)機(jī),天燃?xì)夥瓷錉t2T，稱(chēng)，破碎機(jī)，熱電偶測(cè)溫儀；熔煉工具加料鏟.打渣耙.攪拌工具.堵塞.過(guò)濾網(wǎng).運(yùn)渣車(chē).備料車(chē).合金錠模；爐前準(zhǔn)備按化學(xué)成份要求技術(shù)員填寫(xiě)配料通知單，合金班根據(jù)配料通知單從庫(kù)房領(lǐng)用驗(yàn)收合格的原材料(由于硅是自己破碎，注意塊度20_50誦)，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，澆瓢必須涂石墨水溶液，烘干后才能使用；(2)加料熔煉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(jìn)爐，將硅全部覆蓋，完后將銅板加在靠近噴火口的中上層，開(kāi)始點(diǎn)火熔化；b)、升溫至表面鋁液呈糊狀后，加入釩合金和Al-Ti中間合金，同時(shí)將剩余鋁錠加入，點(diǎn)火繼續(xù)升溫至850—88(TC進(jìn)行保溫?cái)U(kuò)散熔煉，保溫?cái)U(kuò)散時(shí)間為10—20分鐘；c)、經(jīng)保溫?cái)U(kuò)散熔煉的鋁液靜置15—20分鐘后，進(jìn)行精煉除氣處理，加入覆蓋劑0.3—0.5%,無(wú)毒精煉劑在760—78(TC溫度下進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，靜置5分鐘后取樣，待成份合格后，進(jìn)行出水操作；d)、出水時(shí)使用過(guò)濾網(wǎng)，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(jìn)行e)、對(duì)澆鑄活塞采用全部水淬，淬火溫度為60-9(TC;再對(duì)活塞進(jìn)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(xiāo)孔中心，不超過(guò)銷(xiāo)孔頂端；f)、最后對(duì)活塞進(jìn)行兩級(jí)時(shí)效處理，第一級(jí)時(shí)效為17(TCX3h，第二級(jí)時(shí)效為260°CX1.5h。現(xiàn)場(chǎng)熔煉(1)熔煉使用工具鐘罩.除渣瓢.熱電偶在使用前必須涂料；(2)熔煉工首線應(yīng)清理干凈現(xiàn)場(chǎng)坩堝，加入同一牌號(hào)熔煉好的合金進(jìn)行保溫。(3)鋁液溫度至760—780'C時(shí)，加入P(磷)鹽變質(zhì)劑(外購(gòu))0.1—0.2%，進(jìn)行變質(zhì)處理，處理方法為用涂過(guò)料的鐘罩將變質(zhì)劑壓入接近堝底，平行地輕輕移動(dòng)直至反應(yīng)完畢，壓入深度可根據(jù)反應(yīng)劇烈程度適當(dāng)調(diào)整，用除氣機(jī)處理12分鐘，靜置15一20分鐘，加入打渣劑進(jìn)行扒渣。檢查三角式樣，確定氣體合變質(zhì)效果.鐵相，合格后方可使用。正常良好式樣表面應(yīng)有龜斑狀出現(xiàn)，斷口為細(xì)密組織，有均勻初晶硅亮點(diǎn)，反之，必須再靜置，重新變質(zhì)精煉處理，直至合格。(如兩次以上處理達(dá)不到要求，可將不合格鋁液分成2—3堝，重新加料進(jìn)行熔化處理)。3.熱處理工藝鑄淬要求對(duì)澆鑄活塞采用全部水淬，淬火溫度60—9(TC全部淬火活塞活塞溫度《420'C待活塞取出后，第二只澆完，立即放入水中(注意小120以上活塞淬裂，4>120以下活塞淬火溫度偏低，入水時(shí)間可適當(dāng)前后調(diào)整)；再對(duì)活塞進(jìn)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(xiāo)孔中心，不超過(guò)銷(xiāo)孔頂端。發(fā)明的A1-Si系合金的特點(diǎn)是，將傳統(tǒng)的A1-Si系合金的Ni完全去掉，添加Ti、V合金元素，通過(guò)Ti、V復(fù)合合金化，得到新型A1-Si合金；針對(duì)本發(fā)明合金，開(kāi)發(fā)出一套新型熱處理技術(shù)。權(quán)利要求1、一種活塞用新型無(wú)鎳高鈦鋁硅合金，其特征是所述合金中按重量百分比計(jì)的各成分組成如下Si12.5-13.5％，Cu1.5-2％，Mg0.9-1.5％，Mn≤0.45％，Ti0.25-0.4％，V0.1-0.2％，F(xiàn)e≤0.7％，其余為Al。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述活塞用新型無(wú)鎳高鈦鋁硅合金，其特征是所述合金成分組成如下Si:12.5%,Cu:1.5%，Mg:0.9%,Mn:0.45%，Ti:0.25%,V:0.1%，F(xiàn)e:0.7%,加鋁至100。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述活塞用新型無(wú)鎳高鈦鋁硅合金，其特征是所述合金成分組成如下-Si:13.5%'Cu:2%，Mg:1.5%，Mn:0.40%,Ti:0.4%,V:0.2%,Fe:0.5%，加鋁至100。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述活塞用新型無(wú)鎳高鈦鋁硅合金，其特征是所述合金成分組成如下Si:12%,Cu:1.8%,Mg:1.2%，Mn:0.42%,Ti:0.3%,V:0.15%，F(xiàn)e:0.6%,加鋁至100。5、一種如權(quán)1所說(shuō)的鋁硅合金的熔煉以及熱處理工藝，其特征是所述熔煉工藝步驟如下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(jìn)爐，將硅全部覆蓋，完后將銅板加在靠近噴火口的中上層，開(kāi)始點(diǎn)火熔化；b)、升溫至表面鋁液呈糊狀后，加入釩合金和Al-Ti中間合金，同時(shí)將剩余鋁錠加入，點(diǎn)火繼續(xù)升溫至850—88(TC進(jìn)行保溫?cái)U(kuò)散熔煉，保溫?cái)U(kuò)散時(shí)間為10—20分鐘；c)、經(jīng)保溫?cái)U(kuò)散熔煉的鋁液靜置15-20分鐘后，進(jìn)行精煉除氣處理，加入覆蓋劑0.3—0.5%,無(wú)毒精煉劑在760—780。C溫度下進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，靜置5分鐘后取樣，待成份合格后，進(jìn)行出水操作；d)、出水時(shí)使用過(guò)濾網(wǎng)，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(jìn)行e)、對(duì)澆鑄活塞采用全部水淬，活塞溫度不小于420'C，淬火溫度為60-90'C;再對(duì)活塞進(jìn)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(xiāo)孔中心，不超過(guò)銷(xiāo)孔頂端；O、最后對(duì)活塞進(jìn)行兩級(jí)時(shí)效處理，第一級(jí)時(shí)效為170。CX3h，第二級(jí)時(shí)效為260'CX1.5h。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種活塞用新型無(wú)鎳高鈦鋁硅合金，其組成為(重量％)Si12.5～13.5，Cu1.5～2，Mg0.9～1.5，Mn≤0.45，Ti0.25～0.4，V0.1～0.2，F(xiàn)e≤0.7，其余為Al；以及公開(kāi)了該合金的熔煉以及該合金活塞的兩級(jí)時(shí)效的熱處理工藝。它取消了高成本的鎳，加入高溫強(qiáng)化元素Ti、V，同時(shí)對(duì)Si、Cu、Mn等含量進(jìn)行優(yōu)化，使合金材料成本降低、體積穩(wěn)定性，線脹系數(shù)，360℃高溫性能均有明顯提高。文檔編號(hào)C22C1/06GK101117678SQ20071004989公開(kāi)日2008年2月6日申請(qǐng)日期2007年8月31日優(yōu)先權(quán)日2007年8月31日發(fā)明者任德忠,彭明誠(chéng),徐昌友,賀躍輝,鐘國(guó)正,麟高申請(qǐng)人:成都銀河動(dòng)力股份有限公司