CN108559875A

CN108559875A - 一种用于发动机活塞的高强耐热铝合金材料及其制备方法

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Publication number: CN108559875A
Application number: CN201711465442.3A
Authority: CN
Inventors: 高海燕; 王朦朦; 王俊; 尤伟任; 顾孙望; 李敏; 张驰
Original assignee: SHANGHAI ZHONGTIAN ALUMINIUM WIRE CO Ltd; Shanghai Jiaotong University
Current assignee: SHANGHAI ZHONGTIAN ALUMINIUM WIRE CO Ltd; Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2017-12-28
Filing date: 2017-12-28
Publication date: 2018-09-21
Anticipated expiration: 2037-12-28
Also published as: CN108559875B

Abstract

本发明提供一种用于发动机活塞的高强耐热铝合金材料，由下列重量百分含量的元素组成：锆Zr为0.2～2％，钇Y为6％～13％，铁Fe为0.5％～3％，硅Si0.8％～2％，镁Mg0.1％～0.3％，钛Ti为0.05％～0.08％，硼B为0.01％～0.15％，其余为Al。本发明还提供了一种用于发动机活塞的高强耐热铝合金材料的制备方法。本发明耐热铝合金具有良好的铸造性能与力学性能，抗拉强度达到330MPa。该材料还具有良好的耐热性能，耐热实验表明，在280℃下加热1小时后，强度不降反升；在400℃加热1小时后，强度保持不变。

Description

一种用于发动机活塞的高强耐热铝合金材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种汽车发动机活塞用耐热铝合金，具体涉及了一种高强度耐热铝合金活塞材料及其制备方法，属于汽车发动机制造领域。

背景技术

铝合金具有密度小，比强度高，弹性好，抗冲击性能好，耐腐蚀，高导热，易表面着色，可回收等优良特性，广泛应用在航空航天，交通运输，能源动力等行业。尤其是汽车行业，随着汽车轻量化技术的发展，以高性能铝合金替代汽车中传统的铸铁部件，是目前汽车轻量化的主要手段。汽车发动机活塞的工作温度一般要求230℃以上，而且必须具有良好的冲击韧性与疲劳性能。因此急需开发一种耐高温的铝合金材料，以满足汽车发动机活塞的性能要求。

经检索发现，申请号为201310348355.5，该专利公开一种发动机活塞用铝合金及其制备方法，该合金各元素按质量百分比组成为：Si8.5-12.5、Cu1.8-2.4、Mg0.6-1.2、Ni1.2-1.6、Zn0.15-0.25、Mn0.1-0.2、Zr0.4-0.8、Cr0.05-0.1、Fe0.03-0.05、Ti0.04-0.08、B0.01-0.02、Li0.025-0.035、In0.02-0.03、Bi0.015-0.025、La0.04-0.06、Tm0.02-0.04、余量为铝。该专利以Si、Cu、Ni、Mg等作为主合金化元素，B、Li、In、Bi、La、Tm等作为微合金化元素，发挥了各元素的作用，实现了合金化效果，提高了合金的机械强度、耐磨性、高温和尺寸稳定性等性能，能够满足大功率发动机活塞对更高机械负荷和热负荷活塞材料的需求。

但是上述专利成分复杂，大规模工业生产时，往往不能很好地控制其成分，增加了实际生产的操作难度。另外各元素之间往往会产生复杂的交互作用，成分波动对材料的性能会产生何种影响，其结果是不可预料的。另主要添加元素是Si，Cu，Mg，Ni，Zr，其原理是依靠热处理所产生的析出强化来进一步提高材料的强度。因Mg，Si所产生的析出强化效果在高温下是不稳定的，易发生分解，所以加入了Zr元素，来进一步提高合金的耐热性。但是Zr在Al中易产生严重地偏析，形成无偏析带，对力学性能造成了不利的影响。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于发动机活塞的高强耐热铝合金材料及其制备方法，该铝合金具有良好的铸造性能、力学性能以及耐热性能。

根据本发明的一个方面，提供一种用于发动机活塞的高强耐热铝合金材料，由下列重量百分含量的元素组成：锆Zr为0.2～2％，钇Y为6％～13％，铁Fe为0.5％～3％，硅Si0.8％～2％，镁Mg0.1％～0.3％，钛Ti为0.05％～0.08％，硼B为0.01％～0.015％，其余为Al。

优选地，所述铝合金材料由下列重量百分含量的元素组成：锆Zr为1～2％，钇Y为10％～13％，铁Fe为2％～3％，硅Si 0.8％～2％，镁Mg0.1％～0.3％，钛Ti为0.05％～0.08％，硼B为0.01％～0.15％，其余为Al。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于发动机活塞的高强耐热铝合金材料的制备方法，该方法如下：按照化学计量比配制合金原材料、将原材料放入熔炼炉中、升温除气熔炼、造渣、除渣、最后经浇注形成Y型铸锭。

具体地，所述方法包括如下步骤：

将工业纯铝锭放入熔炼炉中熔化，并控制铝液温度在720℃～750℃之间；

在铝液中加入Al-Zr中间合金，Al-Y中间合金，Al-Fe中间合金，Al-Si中间合金，Al-Mg中间合金，Al-Ti-B中间合金细化剂，静置后，充分搅拌铝液，使得成分均匀；

然后将铝液温度控制在720℃～750℃，除渣除气精炼；

精炼处理后，用扒渣耙扒去铝表面的渣，倒入模具中得到合金铸锭，再对合金铸锭进行热处理，热处理温度为280℃～550℃之间，得到高强耐热铝合金材料。

优选地，上述加入的各个中间合金中，具有以下至少一个特征：

-所述Al-Zr中间合金，其中Zr的含量为6.54wt.％；

-所述Al-Y中间合金，其中Y的含量为20wt.％；

-所述Al-Fe中间合金，其中Fe的含量为20wt.％；

-所述Al-Si中间合金，其中Si的含量为10wt.％；

-所述Al-Mg中间合金，其中Mg的含量为5wt.％。

优选地，所述Al-Ti-B中间合金细化剂为Al-5Ti-1B中间合金细化剂，其中为质量百分比。

优选地，所述模具可以采用Y型石墨模具，该模具预先在300℃的烘干炉中烘干。

优选地，所述热处理，时间为6～15h。

优选地，所述热处理，是指：在热处理炉中进行热处理，其中：固溶热处理的温度范围为500℃～550℃，时间为3～6小时，时效热处理的温度范围为280℃～330℃之间，时间为4～6小时。

优选地，所述静置，时间为30分钟及以上。

优选地，所述铝锭，其纯度为99.7％及以上。

传统铝合金中一般会严格控制铁的含量，因为铁会与铝形成Al₃Fe等具有针状形貌的脆性铁相，引起基体中产生应力集中，降低加工性与力学性能。然而铁相往往具有优异的耐热性能。本发明的合金中添加了0.5wt～3wt.％的Fe，利用稀土Y对铁相的变质作用，使得铁相形貌从针状变成了汉字状。因此，使得本发明所述的合金具备高强度，良好的力学性能以及耐热性能。

本发明所述的铝合金材料中Zr元素主要起到细化Al-Y共晶的层片间距，提高Al₃Y共晶相的耐热性的作用。

本发明所添加的Mg与Si除了固溶在铝基体中形成固溶强化与热处理后的时效强化外，还与Al、Y、Si元素结合形成复杂的耐热相。

更具体的，本发明所述材料，利用稀土Y与Al的共晶反应，形成了α-Al-Al₃Y二元共晶组织。铸态合金中Al₁₁Ce₃相具有极高的热稳定性，另外由于其组织中存在大量的Al₃Y金属间化合物，极大地提高了材料的强度与耐磨性。本发明即使不经过后续热处理，材料依然具有较高的强度与耐热性。Zr在材料主要分布在金属间化合物中，且Zr的加入细化了共晶层片间距，不存在明显的偏析现象。

另外，本发明的一个突出特征是加入了0.5～3％的Fe。众所周知，Fe是铝合金中的有害杂质元素，Fe会与Al形成脆性的针状相，当铝合金中含有Si，Cu，Ni等其他元素时，铁相的成分与形貌会变得更加复杂。但是实际工业生产中，由于一次铝锭成本较高，一般会大量使用二次铝锭或者再生铝。而二次铝锭中含有较高的Fe含量。但是Fe在铝合金中可以提高耐热性，细化铝合金的晶粒，把有害的Fe元素变成合金元素，是本发明的另一个创新点。稀土是一种表面活性元素与优良的变质剂，因此，稀土Y可以使得铁相形态发生转变，从有害的针状相变成汉字状，从而提高其力学性能。

再者，本发明同时考虑了材料的铸造性能。由于Al-Y二元共晶反应发生在640℃左右，明显高于Al-Si系合金的共晶反应温度。且经过理论计算与实验验证，Al-Y二元共晶反应的发生释放了大量的凝固潜热，较高的共晶温度以及凝固潜热有利于金属液具有较好的流动性，从而保证了材料的铸造性能。

本发明的另一个显著特征是，Y是目前性价比高，质量最轻的稀土元素。符合目前汽车轻量化的发展趋势。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1.本发明所提供的高强耐热铝合金材料具有良好的铸造性能，并通过热裂性试验评估了该材料的铸造性能，工业X射线表明，铸造组织中不含明显缺陷，证实该系列材料具有良好的铸造性能。本发明良好的铸造性能来自于Al-Y形成共晶时释放的大量凝固潜热，加之稀土元素可以降低液面的表面张力，从而改善了铝液的流动性与充型能力，。

2.使用本发明的高强耐热铝合金材料作为汽车发动机活塞，可以极大地提高汽车发动机的寿命。该材料通过一次铸造成型技术制备的发动机活塞，可以极大地缩短热处理的时间，提高生产效率。

3.用本发明所述材料铸造发动机活塞可以使用工业二次铝(通常含有一定量的Fe，Si杂质)，提高了资源的利用率。

综上，本发明提供的是一种稀土钇合金化的高强度耐热铝合金活塞材料，该耐热铝合金具有良好的铸造性能与力学性能，抗拉强度达到330MPa。该材料还具有良好的耐热性能，耐热实验表明，在280℃下加热1小时后，强度不降反升；在400℃加热1小时后，强度保持不变。说明该种材料至少可以在210℃稳定运行30年，其耐热性明显优于现行铝合金活塞所采用Al-Si过共晶合金。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例中的用于发动机活塞的高强耐热铝合金材料，由下列重量百分含量的元素组成：Zr 0.2％，Y8％，Fe0.5％，Mg0.1％，Si0.8％，Ti0.05％，B0.01％，其余为Al。

上述成分的用于发动机活塞的高强耐热铝合金材料，包括如下步骤：

选择Al99.7％工业纯铝置于熔炼炉中熔化成铝液，将铝液升温至720℃～750℃；

按配方Zr 0.2％，Y8％，Fe0.5％，Mg0.1％，Si0.8％，Ti0.05％，B0.01％分别称取中间合金放入铝液中；静置30分钟后，用石墨棒充分搅拌铝液，使得成分均匀；

将铝液温度控制在730℃左右，用高纯氩气对熔体进行除渣除气精炼，得到铝合金液体，并浇注到Y型石墨模具中以及热裂试验模具中，其中所述Y型石墨模具预先在300℃的烘干炉中烘干。

用工业X射线检查铸件缺陷，随后在热处理炉中进行热处理，固溶热处理温度为500℃，时间为3h，时效热处理温度为280℃，时间为4h。

本实施例制备得到的用于发动机活塞的高强耐热铝合金材料，一方面Al₃Y二元金属间化合物具有较好的耐热性与强化铝合金的作用，提高了材料的强度与耐热性。另一方面，Mg，Si起到了固溶与时效强化作用，进一步提高了材料的强度。X射线结果表明铸件无明显缺陷。经检测抗拉强度为250MPa，在280℃下加热1小时后，强度不降反升；在400℃加热1小时后，强度残存率达到95％。

实施例2

本实施例中的用于发动机活塞的高强耐热铝合金材料，由下列重量百分含量的元素组成：Zr 0.4％，Y10％，Fe1％，Mg0.2％，Si1％，Ti0.06％，B0.012％，其余为Al。

按配方Zr 0.4％，Y10％，Fe1％，Mg0.2％，Si1％，Ti0.06％，B0.012％分别称取中间合金放入铝液中；静置30分钟后，用石墨棒充分搅拌铝液，使得成分均匀；

将铝液温度控制在730℃左右，用高纯氩气对熔体进行除渣除气精炼，得到铝合金液体，并浇注到Y型石墨模具中以及热裂试验模具中。

用工业X射线检查铸件缺陷，随后在热处理炉中进行热处理，固溶热处理温度为500℃，时间为4h，时效热处理温度为280℃时间为6h。

本实施例制备得到的用于发动机活塞的高强耐热铝合金材料，X射线结果表明铸件无明显缺陷。经力学性能检测抗拉强度为280MPa，在280℃下加热1小时后，强度不降反升；在400℃加热1小时后，强度残存率高于97％。

实施例3

本实施例中的用于发动机活塞的高强耐热铝合金材料，由下列重量百分含量的元素组成：Zr0.6％，Y13％，Fe 3％，Mg0.3％，Si2％，Ti0.08％，B0.016％，其余为Al。

选择Al99.7％工业纯铝置于熔炼炉中熔化成铝液，将铝液升温至720～750℃；

按配方Zr0.6％，Y13％，Fe 3％，Mg0.3％，Si2％，Ti0.08％，B0.016％分别称取中间合金放入铝液中；静置30分钟后，用石墨棒充分搅拌铝液，使得成分均匀；

用工业X射线检查铸件缺陷，随后在热处理炉中进行热处理，固溶热处理温度为500℃，时间为6h，时效热处理温度为280℃时间为6h。

本实施例制备得到的用于发动机活塞的高强耐热铝合金材料，X射线结果表明铸件无明显缺陷。经力学性能检测抗拉强度为330MPa，在280℃下加热1小时后，强度不降反升；在400℃加热1小时后，强度残存率达到98％。

实施例4

本实施例中的用于发动机活塞的高强耐热铝合金材料，由下列重量百分含量的元素组成：Zr2％，Y6％，Fe 2.5％，Mg0.3％，Si2％，Ti0.08％，B0.016％，其余为Al。该材料的制备方法与上述实施例1相同。

本实施例得到的材料，耐热实验表明，在280℃下加热1小时后，强度不降反升；在410℃加热1小时后，强度保持不变。

实施例5

本实施例中的用于发动机活塞的高强耐热铝合金材料，由下列重量百分含量的元素组成：Zr1％，Y11％，Fe 2％，Mg0.3％，Si2％，Ti0.08％，B0.016％，其余为Al。该材料的制备方法与上述实施例1相同。

本实施例得到的材料，耐热实验表明，在280℃下加热1小时后，强度不降反升；在400℃加热1小时后，强度保持不变。

综上，本发明耐热铝合金具有良好的铸造性能与力学性能，抗拉强度达到330MPa。该材料还具有良好的耐热性能，耐热实验表明，在280℃下加热1小时后，强度不降反升；在400℃加热1小时后，强度保持不变。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，变化本发明中的元素含量以及制备参数条件可以得到不同的实施例，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims

1.一种用于发动机活塞的高强耐热铝合金材料，其特征在于，由下列重量百分含量的元素组成：锆Zr为0.2～2％，钇Y为6％～13％，铁Fe为0.5％～3％，硅Si 0.8％～2％，镁Mg0.1％～0.3％，钛Ti为0.05％～0.08％，硼B为0.01％～0.15％，其余为Al。

2.根据权利要求1所述的用于发动机活塞的高强耐热铝合金材料，其特征在于，由下列重量百分比的元素组成：锆Zr为1～2％，钇Y为10％～13％，铁Fe为2％～3％，硅Si 0.8％～2％，镁Mg0.1％～0.3％，钛Ti为0.05％～0.08％，硼B为0.01％～0.15％，其余为Al。

3.根据权利要求1或2所述的用于发动机活塞的高强耐热铝合金材料，其特征在于，所述材料利用稀土Y与Al的共晶反应，形成α-Al-Al₃Y二元共晶组织。

4.一种权利要求1-3任一项所述的用于发动机活塞的高强耐热铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

在铝液中加入Al-Zr中间合金、Al-Y中间合金、Al-Fe中间合金、Al-Si中间合金、Al-Mg中间合金、Al-Ti-B中间合金细化剂，静置后，充分搅拌铝液，使得成分均匀；

然后将铝液温度控制在720℃～750℃，除渣除气精炼；

5.根据权利要求4所述的用于发动机活塞的高强耐热铝合金材料的制备方法，其特征在于，上述加入的各个中间合金中，具有以下至少一个特征：

-所述Al-Zr中间合金，其中Zr的含量为6.54wt.％；

-所述Al-Y中间合金，其中Y的含量为20wt.％；

-所述Al-Fe中间合金，其中Fe的含量为20wt.％；

-所述Al-Si中间合金，其中Si的含量为10wt.％；

-所述Al-Mg中间合金，其中Mg的含量为5wt.％。

6.根据权利要求4所述的用于发动机活塞的高强耐热铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述Al-Ti-B中间合金细化剂为Al-5Ti-1B中间合金细化剂，其中为质量百分比。

7.根据权利要求4所述的用于发动机活塞的高强耐热铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述静置，时间为30分钟及以上。

8.根据权利要求4所述的用于发动机活塞的高强耐热铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述热处理，时间为6～15h。

9.根据权利要求4所述的用于发动机活塞的高强耐热铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述热处理，是指：在热处理炉中进行固溶热处理、时效热处理，其中：固溶热处理的温度范围为500℃～550℃，时间为3～6小时，时效热处理的温度范围为280℃～330℃之间，时间为4～6小时。

10.根据权利要求4-9任一项所述的用于发动机活塞的高强耐热铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述铝锭，其纯度为99.7％及以上。