一种汽油机活塞材料及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种汽油机活塞材料及其制备方法，其合成材料的化学成分为：Si，Fe，Cu，Mn，Mg，Ni，Zn，Ti，Pb和Al。本发明的制备方法包括以下步骤：1）在熔炼炉中加入铝锭加热熔解，加入低温除渣剂搅拌吸附杂质，继续加入其余的化学组份，加热至所有组份完全融化；2）加入磷复合变质剂进行细化变质处理；3）投放高温除渣剂，液面搅拌后进行除气、静置；4）采用金属型浇注；5）对符合的活塞毛坯进行T6热处理。本发明不仅从配方上改进铝合金活塞的组份，提高铝合金活塞的高温强度、热稳定性和强度，同时对制备方法进行改进，提高合金活塞的机械性能使其满足汽油机中的重铸增压直喷活塞的要求，而且降低了生产成本。
【专利说明】一种汽油机活塞材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及金属合金及其制备【技术领域】，具体涉及一种汽油机活塞材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]活塞被称为发动机的心脏，它是发动机中最重要的零件之一，其功用是承受气体压力，并通过活塞销传给连杆驱使曲轴旋转。在发动机工作时，活塞直接与瞬时温度2200°C的高温气体接触，其顶部温度达300°C以上，且还承受着很大的气体压力，一般汽油机达5-7Mpa，增压直喷汽油机高达8?10 Mpa,柴油机高达15_22MPa，甚至更高，因此活塞结构及所用材料应满足下列要求:①热强度高；②导热性好，吸热性差热膨胀系数小；④比重小；⑤有良好的减摩性，耐磨、耐蚀；⑥工艺性好；⑦成本低。目前，国内汽油发动机与柴油发动机使用的铝合金活塞中，以共晶型ZL108、ZL109最为广泛应用。随着发动机功率和排放标准的提高，这些材料承受高温负荷的能力越来越不能满足要求。
[0003]中国专利CN103060625A公开的一种高铜高镍液态模锻铝合金活塞材料中Cu: 3.5-4.5%, S1: 13.5-14.5%, Mg: 0.05-0.25%, Fe: 0.4-1.05%, N1: 1.5-2.5%, T1:
0.05-0.15%, Mn: 0.1-0.35%, Cr: 0.01-0.15%, Zn: 0.05-1%, Sn: 0.01-0.1%, Pb:
0.01-0.2%, B1: 0.01-0.08%,其应用于扫雪车发动机中，虽然其性能既能做的薄又能满足高强度的要求，但是由于采用液态模锻工艺，要求活塞结构简单，活塞内腔不能有限制脱模的结构，活塞内腔对应的模具内模只能做一整个内芯直脱的，否则无法脱模生产，销孔座壁要薄，因为销孔座太厚的话，销孔座会形成热节点，易产生铸造缺陷，而且所制得的活塞高温抗强度能力差且含有小气孔。为了提高Al/Si合金的力学性能，通常可加入T1、B、Zr等元素细化晶粒，同时加入强化元素如:Cu、Mn、Mg、Ni等组成多元合金活塞材料,在合金中形成具有很强的抗高温性能的强化相。中国专利CN103374674A公开的一种柴油机高强度铝合金活塞，其高温性能虽然有所提升，耐磨性好，但仅应用于柴油发动机中，性能不能满足汽油发动机增压直喷活塞的薄壁高强度要求，因为柴油机活塞壁厚，转速低，更追求耐磨性，而且其中Ni含量较高，国内镍的来源缺乏，增加了活塞的制造成本。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于针对目前技术存在的问题，提供一种具有很好的高温抗拉强度、硬度高、制造成本低的汽油机活塞材料及其制备方法。
[0005]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:一种汽油机活塞材料，其包含合成材料的化学成分及各化学成分的重量百分比如下:
S1: 12-13% ；
Fe: O-0.4% ；
Cu: 4.8-5.8%;
Mn: 0-0.2%;
Mg: 0.8-1.3%;
N1: 0.8-1.5% ；
Zn: 0-0.1% ；
T1: 0.05-0.15% ；
Pb: 0-0.1%;
余量为AL，各成分的总量之和为100%。
[0006]优选的，本发明所述的一种汽油机活塞材料，其包含合成材料的化学成分及各化学成分的重量百分比如下:
S1: 12.5% ；
Fe: 0.2% ；
Cu: 5.3% ；
Mn: 0.1% ；
Mg: 1.0% ；
N1: 1.0% ；
Zn: 0.1% ；
T1: 0.1% ；
Pb: 0.05% ；
AL:79.65%。
[0007]所述的活塞材料中杂质Cr6+含量小于0.l%，Hg含量小于0.1%, Cd含量小于0.01%,
多溴二苯醚含量小于0.1%，多溴联苯含量小于0.1%。
[0008]本发明的另一目的是提供一种汽油机活塞材料的制备方法，其制备步骤如下:
1)在熔炼炉中按重量百分比加入铝锭，加热至580-600°C，铝锭熔解，加入铝锭重量
0.2-0.3%的L型低温除渣剂，搅拌除去表层杂质，把除AL外的Si，Fe，Cu，Mn，Mg，Ni，Zn，Ti，Pb按各自的重量百分比加入熔炼炉中，继续加热到上述金属完全融化状态，再加入铝锭重量0.2-0.3%的H型除渣剂；
2)将熔融的铝液传送入保温炉并在740-7701:下保温，加入铝锭重量0.2-0.3%的磷复合变质剂进行细化变质处理；
3)向上述细化变质处理后的熔融的铝液中再加入铝锭重量0.1-0.2%的高温除渣剂进行除渣处理，液面搅拌后进行除气13-16分钟，再经静置6-10分钟；
4)将上述静置的铝液采用金属型重力浇注活塞毛坯，浇注温度为760-800°C；
5)对上述的活塞毛坯进行T6处理，将活塞毛坯在505±5°C下保温3-3.5小时，取出活塞毛坯后淬火，再将活塞毛坯在205±10°C下保温6小时。
[0009]所述步骤3)中的除气操作为:向保温炉的铝液底部通入氮气，通过伸入保温炉底部的石墨转子叶片的高速旋转，将氮气打成小气泡，氮气气泡从保温炉中的铝液底部上浮过程中，将氢气带出铝液。
[0010]所述步骤5)中T6处理的淬火水温为60_100°C。
[0011]本发明采用以上技术方案，从配方上改进铝合金活塞材料的组份，通过按一定比例添加铜、硅、镁、镍等对高温性能影响较大的合金元素，从而提高铝合金活塞的高温强度和高温热稳定性，而且铜含量较高，可以大大提高活塞抗高温强度，同时提高材料稳定性，不易变形；通过按一定的比例添加锌、铅、钛等改善活塞材料铸造性能和机械性能的元素，使活塞材料具备较好的切削加工性及机械性能，适用于汽油发动机中的重铸增压直喷活塞材料；该材料常温抗拉强度达到275MPa以上，高温抗拉强度达到120MPa以上，硬度为65-80HRB，满足汽油发动机增压直喷活塞的要求。并改进了活塞的制备工艺，对活塞毛坯进行T6热处理，提高了铝合金活塞的机械性能，本发明的铝合金活塞材料的制造工艺简单、成本低。
【具体实施方式】
[0012]为了加深对本发明的理解，下面结合具体实施例对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
[0013]一种汽油机活塞材料，其包含合成材料的化学成分及各化学成分重量百分比如下:
S1: 12-13% ；
Fe: O-0.4% ；
Cu: 4.8-5.8%;
Mn: 0-0.2%;
Mg: 0.8-1.3%;
N1: 0.8-1.5% ；
Zn: 0-0.1%;
T1: 0.05-0.15% ；
Pb: 0-0.1%;
余量为AL，各成分的总量之和为100%。
[0014]其还包括材料中杂质Cr6+含量小于0.1%，Hg含量小于0.1%，Cd含量小于0.01%,多溴二苯醚含量小于0.1%，多溴联苯含量小于0.1%。
[0015]一种汽油机活塞材料的制备方法，其包括以下步骤:
1)在熔炼炉中按重量百分比加入铝锭，加热至580-600°C，铝锭熔解，加入铝锭重量
0.2-0.3%的L型低温除渣剂，搅拌除去表层杂质，把除AL外的Si，Fe，Cu，Mn，Mg，Ni，Zn，Ti，Pb按各自的重量百分比加入熔炼炉中，继续加热到上述金属完全融化状态，再加入铝锭重量0.2-0.3%的H型除渣剂；
2)将熔融的铝液传送入保温炉并在740-7701:下保温，加入铝锭重量0.2-0.3%的磷复合变质剂进行细化变质处理；
3)向上述细化变质处理后的熔融的铝液中再加入铝锭重量0.1-0.2%的高温除渣剂进行除渣处理，液面搅拌后进行除气13-16分钟，再经静置6-10分钟；
4)将上述静置的铝液采用金属型重力浇注活塞毛坯，浇注温度为760-800°C；
5)对上述的活塞毛坯进行T6处理，将活塞毛坯在505±5°C下保温3-3.5小时，取出活塞毛坯后淬火，再将活塞毛坯在205±10°C下保温6小时。
[0016]所述步骤3)中的除气操作为:向保温炉的铝液底部通入氮气，通过伸入保温炉底部的石墨转子叶片的高速旋转，将氮气打成小气泡，氮气气泡从保温炉中的铝液底部上浮过程中，将氢气带出铝液。
[0017]所述步骤5)中T6处理的淬火水温为60_100°C。
[0018]实施例1
O在熔炼炉中加入79.65kg铝锭，加热至580-60(TC，铝锭熔解，加入铝锭重量0.2%的L型低温除渣剂，搅拌除去表层杂质，把除AL外的Si 12.5kg，Fe 0.2kg，Cu 5.3kg，Mn
0.1kg,Mg 1.0kg,Ni 1.0kg, Zn 0.1kg, Ti 0.1kg，Pb 0.05kg 加入熔炼炉中，继续加热到上述金属完全融化状态，再加入铝锭重量0.2%的H型除渣剂；
2)将上述熔融的铝液传送入保温炉并在740-770°C下保温，加入铝锭重量0.2%的磷复合变质剂进行细化变质处理；
3)向上述细化变质处理后的熔融的铝液中再加入铝锭重量0.2%的高温除渣剂进行除渣处理，液面搅拌后进行除气13-16分钟，再经静置6-10分钟；
4)将上述静置的铝液采用金属型重力浇注活塞毛坯，浇注温度为760-800°C；
5)对上述的活塞毛坯进行T6处理，将活塞毛坯在505±5°C下保温3-3.5小时，取出活塞毛坯后淬火，再将活塞毛坯在205±10°C下保温6小时。
[0019]所述步骤3)中的除气操作为:向保温炉的铝液底部通入氮气，通过伸入保温炉底部的石墨转子叶片的高速旋转，将氮气打成小气泡，氮气气泡从保温炉中的铝液底部上浮过程中，将氢气带出铝液。
[0020]所述步骤5)中T6处理的淬火水温为60_100°C。
[0021]所述的活塞材料中杂质Cr6+含量小于0.l%，Hg含量小于0.1%, Cd含量小于0.01%,多溴二苯醚含量小于0.1%，多溴联苯含量小于0.1%。
[0022]实施例2
1)在熔炼炉中加入79.45kg铝锭，加热至580-600°C，铝锭熔解，加入铝锭重量0.3%的L型低温除渣剂，搅拌除去表层杂质，把除AL外的Si 12kg,Fe 0.3kg,Cu 5.8kg,Mn 0.2kg,Mg 1.3kg,Ni 0.8kg, Zn 0.05kg, Ti 0.05kg，Pb 0.05kg 加入熔炼炉中，继续加热到上述金属完全融化状态，再加入铝锭重量0.3%的H型除渣剂；
2)将上述熔融的铝液传送入保温炉并在740-770°C下保温，加入铝锭重量0.3%的磷复合变质剂进行细化变质处理；
3)向上述细化变质处理后的熔融的铝液中再加入铝锭重量0.1%的高温除渣剂进行除渣处理，液面搅拌后进行除气13-16分钟，再经静置6-10分钟；
4)将上述静置的铝液采用金属型重力浇注活塞毛坯，浇注温度为760-800°C；
5)对上述的活塞毛坯进行T6处理，将活塞毛坯在505±5°C下保温3-3.5小时，取出活塞毛坯后淬火，再将活塞毛坯在205±10°C下保温6小时。
[0023]所述步骤3)中的除气操作为:向保温炉的铝液底部通入氮气，通过伸入保温炉底部的石墨转子叶片的高速旋转，将氮气打成小气泡，氮气气泡从保温炉中的铝液底部上浮过程中，将氢气带出铝液。
[0024]所述步骤5)中T6处理的淬火水温为60_100°C。
[0025]所述的活塞材料中杂质Cr6+含量小于0.l%，Hg含量小于0.1%, Cd含量小于0.01%,多溴二苯醚含量小于0.1%，多溴联苯含量小于0.1%。
[0026]实施例3
I)在熔炼炉中加入79.8kg铝锭，加热至580-600°C，铝锭熔解，加入铝锭重量0.3%的L型低温除渣剂，搅拌除去表层杂质，把除AL外的Si 13kg, Cu 4.8kg,Mn 0.15kg,Mg 0.8kg，Ni 1.2kg, Ti 0.15kg, Pb 0.1kg加入熔炼炉中，继续加热到上述金属完全融化状态，再加入铝锭重量0.2%的H型除渣剂；
2)将上述熔融的铝液传送入保温炉并在740-770°C下保温，加入铝锭重量0.2%的磷复合变质剂进行细化变质处理；
3)向上述细化变质处理后的熔融的铝液中再加入铝锭重量0.1%的高温除渣剂进行除渣处理，液面搅拌后进行除气13-16分钟，再经静置6-10分钟；
4)将上述静置的铝液采用金属型重力浇注活塞毛坯，浇注温度为760-800°C；
5)对上述的活塞毛坯进行T6处理，将活塞毛坯在505±5°C下保温3-3.5小时，取出活塞毛坯后淬火，再将活塞毛坯在205±10°C下保温6小时。
[0027]所述步骤3)中的除气操作为:向保温炉的铝液底部通入氮气，通过伸入保温炉底部的石墨转子叶片的高速旋转，将氮气打成小气泡，氮气气泡从保温炉中的铝液底部上浮过程中，将氢气带出铝液。
[0028]所述步骤5)中T6处理的淬火水温为60_100°C。
[0029]所述的活塞材料中杂质Cr6+含量小于0.l%，Hg含量小于0.1%, Cd含量小于0.01%,多溴二苯醚含量小于0.1%，多溴联苯含量小于0.1%。
[0030]实施例4
1)在熔炼炉中加入79.9kg铝锭，加热至580-600°C，铝锭熔解，加入铝锭重量0.2%的L型低温除渣剂，搅拌除去表层杂质，把除AL外的Si 12kg，Fe 0.4kg，Cu 5.0kg, Mg 1.0kg,Ni 1.5kg，Zn 0.1kg，Ti 0.1kg，加入熔炼炉中，继续加热到上述金属完全融化状态，再加入铝锭重量0.3%的H型除渣剂；
2)将上述熔融的铝液传送入保温炉并在740-770°C下保温，加入铝锭重量0.3%的磷复合变质剂进行细化变质处理；
3)向上述细化变质处理后的熔融的铝液中再加入铝锭重量0.2%的高温除渣剂进行除渣处理，液面搅拌后进行除气13-16分钟，再经静置6-10分钟；
4)将上述静置的铝液采用金属型重力浇注活塞毛坯，浇注温度为760-800°C；
5)对上述的活塞毛坯进行T6处理，将活塞毛坯在505±5°C下保温3-3.5小时，取出活塞毛坯后淬火，再将活塞毛坯在205±10°C下保温6小时。
[0031]所述步骤3)中的除气操作为:向保温炉的铝液底部通入氮气，通过伸入保温炉底部的石墨转子叶片的高速旋转，将氮气打成小气泡，氮气气泡从保温炉中的铝液底部上浮过程中，将氢气带出铝液。
[0032]所述步骤5)中T6处理的淬火水温为60_100°C。
[0033]所述的活塞材料中杂质Cr6+含量小于0.l%，Hg含量小于0.1%, Cd含量小于0.01%,
多溴二苯醚含量小于0.1%，多溴联苯含量小于0.1%。
[0034]本发明的低温除渣剂为市售产品，购买于张家港市溶剂二厂，牌号为L型低温除渣剂。
[0035]本发明的高温除渣剂为市售产品，购买于张家港市溶剂二厂，牌号为N406。
[0036]本发明的磷复合变质剂为市售产品，购买于张家港市溶剂二厂，牌号为T3-813。
【权利要求】
1.一种汽油机活塞材料，其特征在于:其包含合成材料的化学成分及各化学成分的重量百分比为:
S1: 12-13% ；
Fe: O-0.4% ；
Cu: 4.8-5.8%;
Mn: 0-0.2%;
Mg: 0.8-1.3%;
N1: 0.8-1.5% ；
Zn: 0-0.1%;
T1: 0.05-0.15% ；
Pb: 0-0.1%; 余量为AL，各成分的总量之和为100%。
2.根据权利要求1所述的一种汽油机活塞材料，其特征在于:其包含合成材料的化学成分及各化学成分的重量百分比为:
S1: 12.5% ；
Fe: 0.2% ；
Cu: 5.3% ；
Mn: 0.1% ；
Mg: 1.0% ；
N1: 1.0% ；
Zn: 0.1% ；
T1: 0.1% ；
Pb: 0.05% ；
AL:79.65%。
3.根据权利要求1或2所述的一种汽油机活塞材料，其特征在于:其还包括材料中杂质Cr6+含量小于0.1%，Hg含量小于0.1%，Cd含量小于0.01%,多溴二苯醚含量小于0.1%，多溴联苯含量小于0.1%。
4.根据权利要求1或2所述的一种汽油机活塞材料的制备方法，其特征在于:所述的制备方法包括以下步骤: 1)在熔炼炉中按重量百分比加入铝锭，加热至580-600°C，铝锭熔解，加入铝锭重量0.2-0.3%的L型低温除渣剂，搅拌除去表层杂质，把除AL外的Si，Fe，Cu，Mn，Mg，Ni，Zn，Ti，Pb按各自的重量百分比加入熔炼炉中，继续加热到上述金属完全融化状态，再加入铝锭重量0.2-0.3%的H型除渣剂； 2)将熔融的铝液传送入保温炉并在740-7701:下保温，加入铝锭重量0.2-0.3%的磷复合变质剂进行细化变质处理； 3)向上述细化变质处理后的熔融的铝液中再加入铝锭重量0.1-0.2%的高温除渣剂进行除渣处理，液面搅拌后进行除气13-16分钟，再经静置6-10分钟； 4)将上述静置的铝液采用金属型重力浇注活塞毛坯，浇注温度为760-800°C； 5)对上述的活塞毛坯进行T6处理，将活塞毛坯在505±5°C下保温3-3.5小时，取出活塞毛坯后淬火，再将活塞毛坯在205±10°C下保温6小时。
5.根据权利要求4所述的一种汽油机活塞的制备方法，其特征在于:所述步骤3)中的除气操作为:向保温炉的铝液底部通入氮气，通过伸入保温炉底部的石墨转子叶片的高速旋转，将氮气打成小气泡，氮气气泡从保温炉中的铝液底部上浮过程中，将氢气带出铝液。
6.根据权利要求4所述的一种汽油机活塞材料的制备方法，其特征在于:所述步骤5)中T6处理的淬火水温为60-100°C。
【文档编号】C22F1/043GK104233016SQ201410496711
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月25日 优先权日:2014年9月25日
【发明者】陈秀玉 申请人:福州钜全汽车配件有限公司