[发明专利]一种活塞用高强度铸造铝硅合金及其制备方法

说明书

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：2.5-4.0wt％)，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℃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℃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Ni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4.5-10.0wt％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：12.0-14.0wt％；Ni：＜0.3wt％；Cu：1.8-3.0wt％；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＞99.0wt％，其他元素均以中间合金的形式加入，所用中间合金如下：

Al-37.0wt％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。

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℃)；

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：Al-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℃，待合金呈糊状时用钟罩将Al-5.0wt％Ti；Al-4.0wt％Zr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AlP变质剂，在800℃保温30-40min；