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活塞用复合铝合金及其生产工艺

阅读：1045发布：2020-10-03

IPRDB可以提供活塞用复合铝合金及其生产工艺专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且活塞用复合铝合金及其生产工艺，其特征在于，所述的活塞用复合铝合金各组份的配比(占总重量的百分比)为：硅(Si)11％－13％；镁(Mg)0.5％－0.9％；镍(Ni)0.4％－0.7％；锰(Mn)0.4％－0.7％；铜(Cu)1.1％－1.7％；铁(Fe)0.3％－0.7％；钛(Ti)0.01％－0.15％；锌(Zn)0.15％－0.2％；余量为铝(Al)。具有良好的物理特性，能够替代现有材料，以节约成本。所述的活塞用复合铝合金的生产工艺包括原材料准备、熔炼、变质处理、精练等步骤，充分利用了回收活塞铝和回炉料，使资源得以回收利用。总之，本发明具有降低制造成本，提高活塞机械性能的积极效果。，下面是活塞用复合铝合金及其生产工艺专利的具体信息内容。

1、一种活塞用复合铝合金，其特征在于，各组份的配比(占总重量的百 分比)为：硅(Si)11％-13％；镁(Mg)0.5％-0.9％；镍(Ni)0.4％-0.7％；锰 (Mn)0.4％-0.7％；铜(Cu)1.1％-1.7％；铁(Fe)0.3％-0.7％；钛(Ti)0.01％-0.15％； 锌(Zn)0.15％-0.2％；余量为铝(Al)。

2、根据权利要求1所述的活塞用复合铝合金的生产工艺，其特征在于包 括以下步骤：

1)原材料准备：收集回收活塞铝，即使用后更换下的旧活塞重新回收利 用；收集回炉料，即活塞毛坯加工过程中切除的浇冒口料和活塞机械加工过 程中产生的铝屑重熔成铝锭；外购铝锭；外购中间合金：Al-12Si合金、Al-10Mg 合金、Al-10Mn合金、Al-10Ni合金，作为添加硅、镁、锰、镍的来源；

取上述回收活塞铝、回炉料、外购铝锭作为炉料；其中，各种炉料占总 重量的百分比为：回收活塞铝20％-40％、回炉料30％-50％、外购铝锭20％-40％；

2)熔炼：将各种炉料去除灰尘、杂物，置于炉面预热，保证加入的炉料 无水份；按回炉料、外购铝锭、回收活塞铝的顺序将各种炉料加入熔化炉中； 使炉料快速熔化，控制铝液温度为600℃-850℃；待各种炉料熔化后，捞取 炉渣及铁，然后放至紧邻的保温炉中，并升温至800±5℃；

炉前进行光谱分析，添加中间合金以调整其化学成分；所述的中间合金 中，Al-12Si合金、Al-10Mg合金、Al-10Mn合金、Al-10Ni合金分别的添加 量，根据硅、镁、锰、镍的含量计算；

将温度升至820±5℃，用转运包转移到电阻炉保温坩埚中，以待变质精 炼；

3)变质处理：将预先配制好的变质剂用钟形罩对熔液进行变质处理；变 质温度765±5℃；每150千克熔液加入变质剂480±20克；变质时间控制在 5～10分钟，至变质剂与铝液无剧烈反应时为止；

4)精炼：变质完毕后将预先配制好的精炼剂用钟形罩对熔液进行精炼处 理；每150千克加入精炼剂500±20克；精炼时间控制在6～12分钟，直至 反应完毕，没有气泡产生为止；加入清渣剂500±20克，清除合金的熔渣， 然后反复搓揉，去除渣灰，然后静置10～15分钟。

说明书全文

〖技术领域〗本发明涉及金属冶炼领域，特别是属于一种用于制作 活塞的复合铝合金及其生产工艺。

〖背景技术〗活塞是发动机的核心部件，它的工作环境极为恶劣， 随着发动机向低油耗、低噪音、低排放目标的发展，对活塞的可靠性要求也 越来越高。在实际生产中，活塞原材料主要是以铸造铝合金ZL108、ZL109为 主，其中ZL109材料主要用于高性能发动机活塞。由于汽车行业的迅速发展， 高性能发动机活塞需求量大大提高，对ZL109材料的需求也水涨船高，但镍 的短缺，成了广泛应用ZL109材料的一个制约条件。目前，有关生产厂家开 始针对此问题进行相关的试验和研究，但也仅限于降低成本的研究，并不能 全面解决上述问题，机械性能降低、工艺可靠性差，尚不能有效有效替代ZL109 材料。

绝大多数内燃机活塞都采用具有低膨胀系数的共晶铝硅合金铸造，添加 硅能降低铝的热膨胀系数，还使合金具有好的铸造性能、好的机加工性能、 好的耐磨耐蚀性能。添加少量的铜、锰、镍能提高合金机械性能，镍还有降 低热膨胀系数的作用。镁有弥散强化作用。钛可使晶粒细化。但是，随着国 际能源紧张，原材料价格的上涨，特别是镍价格猛涨，已大大增加了活塞生 产制造的成本。并且随着科学技术的飞速发展，人们对发动机的设计越来越 先进，对活塞的质量要求越来越高，目前现有铝合金材料已不能满足制造需 求。

〖发明内容〗本发明的目的即在于提供一种活塞用复合铝合金及其 生产工艺，替代现有材料，以达到降低制造成本，提高活塞机械性能的目的。

本发明所公开的活塞用复合铝合金，其特征在于，各组份的配比(占总 重量的百分比)为：硅(Si)11％-13％；镁(Mg)0.5％-0.9％；镍(Ni)0.4％-0.7％； 锰(Mn)0.4％-0.7％；铜(Cu)1.1％-1.7％；铁(Fe)0.3％-0.7％；钛(Ti)0.01％-0.15％； 锌(Zn)0.15％-0.2％；余量为铝(Al)。

本发明所公开的活塞用复合铝合金的生产工艺，其特征在于包括以下步 骤：

1)原材料准备：收集回收活塞铝，即使用后更换下的旧活塞重新回收利 用；收集回炉料，即活塞毛坯加工过程中切除的浇冒口料和活塞机械加工过 程中产生的铝屑重熔成铝锭；外购铝锭；外购中间合金：Al-12Si合金、Al-10Mg 合金、Al-10Mn合金、Al-10Ni合金，作为添加硅、镁、锰、镍的来源；

取上述回收活塞铝、回炉料、外购铝锭作为炉料；其中，各种炉料占总 重量的百分比为：回收活塞铝20％-40％、回炉料30％-50％、外购铝锭20％-40％；

2)熔炼：将各种炉料去除灰尘、杂物，置于炉面预热，保证加入的炉料 无水份；按回炉料、外购铝锭、回收活塞铝的顺序将各种炉料加入熔化炉中； 使炉料快速熔化，控制铝液温度为600℃-850℃；待各种炉料熔化后，捞取 炉渣及铁，然后放至紧邻的保温炉中，并升温至800±5℃；

炉前进行光谱分析，添加中间合金以调整其化学成分；所述的中间合金 中，Al-12Si合金、Al-10Mg合金、Al-10Mn合金、Al-10Ni合金分别的添加 量，根据本发明所公开的活塞用复合铝合金中硅、镁、锰、镍的含量计算；

将温度升至820±5℃，用转运包转移到电阻炉保温坩埚中，以待变质精 炼；

3)变质处理：将预先配制好的变质剂用钟形罩对熔液进行变质处理；变 质温度765±5℃；每坩埚(150Kg)加入变质剂480±20克；变质时间控制 在5～10分钟，至变质剂与铝液无剧烈反应时为止；

4)精炼：变质完毕后将预先配制好的精炼剂(每包500±20克)用钟形罩 对熔液进行精炼处理；每坩埚(150Kg)加入精炼剂500±20克；用钟形罩将 精炼剂压入坩埚的中下部进行除气精炼，精炼时间控制在6～12分钟，直至 反应完毕，没有气泡产生为止；加入清渣剂500±20克，清除合金的熔渣， 然后反复搓揉，去除渣灰，然后静置10～15分钟。

普通AlSi12CuMgNi型合金中存在一系列杂质元素。铁的存在导致针状 Al-Si-Fe化合物的形成，使合金脆性增加。加Mn能使该针状化合物转变成 鱼骨状Al-Fe-Mn-Si相，降低脆性倾向，并且该相还能显著提高高温强度。 但如果完全以Mn代替Ni，则会出现活塞体积稳定性变差、不耐磨、易拉缸， 活塞寿命缩短等现象，Ni的存在能明显的降低热膨胀系数，并增强耐磨性， 再通过合理的熔炼工艺，使活塞的抗拉强度、金相组织、体积稳定性等各项 性能指标均有所提高，并且能提高合金的流动性、成型率、铸造出品率、机 械加工工艺性能等。综上所述，本发明所公开的活塞用复合铝合金，具有良 好的物理特性，能够替代现有材料，本发明所公开的活塞用复合铝合金的生 产工艺，充分利用了回收活塞铝和回炉料，使资源得以回收利用。总之，本 发明具有降低制造成本，提高活塞机械性能的积极效果。

〖具体实施方式〗根据本发明所公开的活塞用复合铝合金的生产工 艺，取回收活塞铝1204Kg；回炉料A，即活塞毛坯加工过程中切除的浇冒口 料796Kg；回炉料B，即活塞机械加工过程中产生的铝屑重熔成铝锭802Kg； 外购铝锭1198Kg。去除灰尘、杂物后，置于炉面预热，保证加入的炉料无水 份。

按回炉料A、回炉料B、外购铝锭、回收活塞铝的顺序将各种炉料加入熔 化炉中，加入炉料时防止被溅起的金属液烫伤。使炉料快速熔化，控制铝液 温度为600℃-850℃。在熔炼过程中，尽量少搅动，以减少气体的溶解量。 待各种炉料熔化后，将炉渣及铁捞净，然后放至紧邻的保温炉中，并升温至 800℃。

炉前进行光谱分析，此合金主要化学成分如下：硅(Si)12.58％；镁(Mg) 0.75％；镍(Ni)0.45％；锰(Mn)0.58％；铜(Cu)1.41％；铁(Fe)0.48％； 钛(Ti)0.02％；锌(Zn)0.16％。各元素含量在要求范围之内，无需添加中 间合金调整化学成分。

将温度升至820℃，用转运包转移到电阻炉保温坩埚中，将预先配制好 的变质剂用钟形罩对熔液进行变质处理；变质温度765℃；每坩埚(150Kg) 加入变质剂480克；变质时间约8分钟，变质剂与铝液无剧烈反应时为止。

变质完毕后将预先配制好的精炼剂用钟形罩对熔液进行精炼处理；每坩 埚(150Kg)加入精炼剂500克；用钟形罩将精炼剂压入坩埚的中下部进行除 气精炼，精炼时间约10分钟，直至没有气泡产生为止。再加入清渣剂500克， 清除合金的熔渣，然后反复搓揉，去除渣灰，然后静置12分钟，即得到本发 明所公开的活塞用复合铝合金。

对上述活塞用复合铝合金进行四组测试，得到的结果如下：

测试项目        测试结果

                Si Mg Mn Cu Ni Ti Zn Fe

化学成分

                12.58 0.75 0.58 1.41 0.45 0.02 0.16 0.48

高温抗拉强度    115MPa、118Mpa、120MPa、126MPa

常温抗拉强度    235MPa、245MPa、240MPa、240MPa

                α-固溶体细小，共晶硅呈短条状，部分呈小块状，

显微组织        初晶硅(边长≤0.04mm)呈小块状，分布均匀，

                Al-Fe-Mn-Si相呈鱼骨状

宏观组织        孔洞集中较轻微，最大孔洞直径≤0.20mm

硬度            118HBS、120HBS、122HBS、122HBS

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