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一种活塞用铝合金及其制备方法

阅读：1040发布：2020-08-11

IPRDB可以提供一种活塞用铝合金及其制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种活塞用铝合金及其制备方法，按质量百分比的组成为：Mg：0.8％‑1.4％；Cu：0.2％‑0.6％；Sc：0.04％‑0.06％；Ti：0.01％‑0.06％；Mn：0.03％‑0.09％；Cr：0.03％‑0.1％；Zn：0.02％‑0.26％；Ni：2.4％‑3.6％；La：0.01％‑0.04％；Ce：0.01％‑0.04％；Si：24％‑26％；余量为Al。利用该制备方法得到的铝合金热膨胀系数小，稳定性好，强度高，耐磨性好，综合使用性能佳。，下面是一种活塞用铝合金及其制备方法专利的具体信息内容。

1.一种活塞用铝合金，其特征在于，按质量百分比的组成为：Mg：0.8％-1.4％；Cu：

0.2％-0.6％；Sc：0.04％-0.06％；Ti：0.01％-0.06％；Mn：0.03％-0.09％；Cr：0.03％-

0.1％；Zn：0.02％-0.26％；Ni：2.4％-3.6％；La：0.01％-0.04％；Ce：0.01％-0.04％；Si：

24％-26％；余量为Al。

2.根据权利要求1所述的一种活塞用铝合金，其特征在于，所述铝合金按质量百分比的组成为：Mg：1.1％-1.2％；Cu：0.3％-0.5％；Sc：0.04％-0.05％；Ti：0.03％-0.05％；Mn：

0.05％-0.07％；Cr：0.05％-0.08％；Zn：0.12％-0.19％；Ni：2.9％-3.5％；La：0.02％-

0.03％；Ce：0.01％-0.04％；Si：24％-26％；余量为Al。

3.根据权利要求1或2所述的一种活塞用铝合金，其特征在于，所述铝合金还包括Zr：

0.04％-0.05％。

4.制备权利要求1所述的活塞用铝合金的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将Al加入熔炼炉，加热温度为720-750℃，完全熔化后，加入铝箔包裹的Si颗粒，并保温3-5小时；

(2)将温度控制在740-790℃，加入Ti、Mn、Cr、Si、Ni、Sc，待完全溶解后，静置10-30min，降温到680-700℃，加入Mg、Zn，搅拌待完全溶解；

(3)向熔液表面撒上熔液总重量的0.08％-0.16％覆盖剂，向熔液中压入用铝箔包好的精炼剂，进行精炼除渣去气反应，反应完毕后扒净浮渣；

(4)将熔液升温到800-860℃，加入赤磷变质剂和La、Ce，混合搅拌反应完毕后，向熔液表面再撒0.02％-0.06％覆盖剂，静置10-20min即可进行浇筑。

5.根据权利要求4所述的一种活塞用铝合金的制备方法，其特征在于，若浇筑前需要保温，则需要每隔40-80min加一次覆盖剂，覆盖剂的量为熔液总重量的0.08％-0.16％。

6.根据权利要求4或5任一所述的一种活塞用铝合金的制备方法，其特征在于，所述覆盖剂为冰晶石、Na3AlF6、Na2SiF6、NaCl、KCl、CaF2、NaF2中的一种。

7.根据权利要求4所述的一种活塞用铝合金的制备方法，其特征在于，所述精炼剂为氯化锌、六氯乙烷、膨胀石墨、硝酸钠中的一种。

8.根据权利要求4所述的一种活塞用铝合金的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，加入铝箔包裹的Si颗粒后，每隔20-30min，用石墨棒搅拌一次，以保证Si完全溶解。

9.根据权利要求4所述的一种活塞用铝合金的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，还加入质量百分比为0.04％-0.05％的Zr。

10.根据权利要求4所述的一种活塞用铝合金的制备方法，其特征在于，在加入熔炼炉之前，先将Zn、Mg及稀土金属在200-250℃下预热2-4h，其余组成在350-450℃预热2-4h。

说明书全文

一种活塞用铝合金及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种铝合金及其制备方法，特别是涉及一种活塞用铝合金及其制备方法，属于铝合金材料领域。

背景技术

[0002] 作为发动机中最重要的零件之一，活塞，被称为发动机的心脏。其功用是承受气体压力，并通过活塞销传给连杆驱动使曲轴旋转、在发动机工作时，活塞直接与瞬时温度2200摄氏度的高温气体接触，其顶部温度达 300℃-400℃，且温度分布不均匀；在做功行程时活塞顶部承受着很大的压力，汽油机达4MPa-5MPa，柴油机高达8MPa-9MPa，甚至更高；此外，活塞在气缸内往复运动线速度可达11m/s-16m/s；在这种恶劣的条件下工作。活塞承受着高温、高压的热负荷和机械负荷。因此活塞作为汽车发动机中传递能量的一个非常重要的构件，对其材料具有特殊的要求：密度小、质量轻、热传导性好、热膨胀系数小；并具有足够的高温强度、耐磨和耐蚀性能、尺寸稳定性好。
[0003] 现有活塞Si含量最高达到23％，体积稳定性≦0.02％D，配缸间隙一般在0.025mm-0.035mm。由于实际膨胀大小不可控，会出现发动机在运行中，缸塞与缸体的实际间隙不稳定，容易造成窜油、漏气和相同尺寸的活塞配合相同尺寸的缸体而功率不同的现象。而盲目增加Si含量会造成活塞过脆，抗冲击能力下降，上述问题之前没有较好的解决办法。

发明内容

[0004] 本发明针对现有技术存在的不足，提供一种铝合金配方及其制备方法，目的在于在保证活塞强渡的基础上，缩小体积膨胀系数，减小配缸间隙，有效的解决因配缸间隙导致的窜油、漏气和功率问题，使整体使用效果更加。
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种技术方案：一种活塞用铝合金，按质量百分比的组成为：Mg：0.8％-1.4％；Cu：0.2％-0.6％；Sc： 0.04％-0.06％；Ti：0.01％-0.06％；Mn：0.03％-0.09％；Cr：0.03％-0.1％；Zn： 0.02％-0.26％；Ni：2.4％-3.6％；La：
0.01％-0.04％；Ce：0.01％-0.04％；Si： 24％-26％；余量为Al。
[0006] 采用上述技术方案的有益效果是，这种材料的耐磨性好，热膨胀系数小，活塞强度高。
[0007] 首先，硅能改善铝合金的流动性和热裂倾向、提高材料的耐磨性并降低热膨胀系数。在高硅铝合金材料中，脆性相Si相的体积分数在很大程度上决定了材料的热膨胀系数，随着温度升高，延性相的热膨胀系数大于脆性相。由于本技术方案中的脆性相Si含量足够大，使得铝合金中延性相Al相减少，且被富集的Si相阻断，从而使得材料的热膨胀系数大大降低。
[0008] 另外，适量的Mg，能提高铝的抗拉强度。Cu、Ni的加入能形成AlCuNi 耐热相。适量的Ti起到细化晶粒，提高合金强度和塑性的作用。添加一定量的Mn元素，可以细化晶粒，减小断口韧窝尺寸降低断口沿晶断裂所占比例，改善断口的组织形貌，提高合金韧性。添加的Sc与Al结合，起到细化晶粒、弥散强化和抑制再结晶的作用。稀土元素具有很高的化学活性，极易与气体(如氢)、非金属(如硫)及金属(如Fe)作用，生成相应的稳定化合物。稀土元素的原子半径大于常见的金属，稀土金属加入到铝合金中能起到微合金化的作用；此外，稀土金属与氢等气体和许多非金属有较强的亲和力，能生成熔点高的化合物，起到除氢、精炼、净化作用；同时，稀土元素化学活性极强，可以在长大的晶粒界面上选择性地吸附，阻碍晶粒生长，导致晶粒细化，有变质作用。
[0009] 优选的，所述铝合金按质量百分比的组成为：Mg：1.1％-1.2％；Cu： 0.3％-0.5％；Sc：0.04％-0.05％；Ti：0.03％-0.05％；Mn：0.05％-0.07％；Cr： 0.05％-0.08％；Zn：
0.12％-0.19％；Ni：2.9％-3.5％；La：0.02％-0.03％；Ce： 0.01％-0.04％；Si：24％-26％；
余量为Al。
[0010] 进一步，所述铝合金还包括Zr：0.04％-0.05％，Zr可结合Sc和Al原子，形成的粒子的热稳定性比Sc和Al形成的粒子的热稳定性更高，进一步改善铝合金的性能。
[0011] 为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种活塞用铝合金的制备方法，包括如下步骤：
[0012] (1)将Al加入熔炼炉，加热温度为720-750℃，完全熔化后，加入铝箔包裹的Si颗粒，并保温3-5小时；加入Si颗粒，形成足够的脆性相，并将延性相分隔开；
[0013] (2)将温度控制在740-790℃，加入Ti、Mn、Cr、Si、Ni、Sc，待完全溶解后，静置10-30min，降温到680-700℃，加入Mg、Zn，搅拌待完全溶解；
[0014] (3)向熔液表面撒上熔液总重量的0.08％-0.16％覆盖剂，向熔液中压入用铝箔包好的精炼剂，进行精炼除渣去气反应，反应完毕后扒净浮渣；
[0015] (4)将熔液升温到800-860℃，加入赤磷变质剂和La、Ce，混合搅拌反应完毕后，向熔液表面再撒0.02％-0.06％覆盖剂，静置10-20min即可进行浇筑。铝合金熔液中加入赤磷变质剂和La、Ce的混合稀土，能够使硅粒细化，分布均匀。在浇筑过程中还可以起到防止硅粒增大的作用，防止硅粒增大带来的问题。
[0016] 进一步，若浇筑前需要保温，则需要每隔40-80min加一次覆盖剂，加强除气效果，防止熔液迅速吸气。
[0017] 进一步，所述覆盖剂的量为熔液总重量的0.08％-0.16％。
[0018] 进一步，所述覆盖剂为冰晶石、Na3AlF6、Na2SiF6、NaCl、KCl、CaF2、 NaF2中的一种。
[0019] 进一步，所述精炼剂为氯化锌、六氯乙烷、膨胀石墨、硝酸钠中的一种。
[0020] 进一步，在步骤(2)中，加入铝箔包裹的Si颗粒后，每隔20-30min，用石墨棒搅拌一次，以保证Si完全溶解。
[0021] 进一步，在步骤(2)中，还加入质量百分比为0.04％-0.05％的Zr。
[0022] 进一步，在加入熔炼炉之前，先将Zn、Mg及稀土金属在200-250℃下预热2-4h，其余组成在350-450℃预热2-4h。
[0023] 通过本发明的改进后，得到的铝合金热膨胀系数小，稳定性好，强度高，耐磨性好，综合使用性能佳。将该铝合金做成活塞后，体积稳定性可减小到≦0.013％D，配缸间隙可减少至0.018-0.028mm，减小了活塞与缸体的实际间隙，有效的改善窜油、漏气和功率不稳定的问题，同时避免了提高硅含量可能导致的活塞强度下降的现象，保证其强度。

具体实施方式

[0024] 以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0025] 实施例1
[0026] 一种活塞用铝合金，按质量百分比的组成为：Mg：0.9％；Cu：0.2％； Sc：0.06％；Ti：0.06％；Mn：0.09％；Cr：0.05％；Zn：0.02％；Ni：2.6％； La：0.02％；Ce：0.01％；Si：
24％；余量为Al。
[0027] 经过标准测试，抗拉强度为482MPa。
[0028] 实施例2
[0029] 一种活塞用铝合金，按质量百分比的组成为：Mg：1.2％；Cu：0.5％； Sc：0.06％；Ti：0.05％；Mn：0.09％；Cr：0.07％；Zn：0.19％；Ni：3.5％； La：0.04％；Ce：0.04％；Si：
26％；Zr：0.05％；余量为Al。
[0030] 经过标准测试，抗拉强度为520MPa。
[0031] 实施例3
[0032] Mg：1.1％；Cu：0.4％；Sc：0.04％；Ti：0.04％；Mn：0.07％；Cr：0.05％； Zn：0.17％；Ni：2.9％；La：0.03％；Ce：0.04％；Si：25％；Zr：0.04％；余量为Al。
[0033] 经过标准测试，抗拉强度为532MPa。
[0034] 实施例4
[0035] 一种活塞用铝合金的制备方法，包括如下步骤：
[0036] (1)将Al加入熔炼炉，加热温度为720℃，完全熔化后，加入铝箔包裹的Si颗粒，并保温5小时；每隔20-30min，用石墨棒搅拌一次；
[0037] (2)将温度控制在745℃，加入Ti、Zr、Mn、Cr、Si、Ni、Sc，待完全溶解后，静置10-30min，降温到690℃，加入Mg、Zn，搅拌待完全溶解；
[0038] (3)向熔液表面撒上熔液总重量的0.08％覆盖剂，向熔液中压入用铝箔包好的精炼剂，进行精炼除渣去气反应，反应完毕后扒净浮渣；
[0039] (4)将熔液升温到800℃，加入赤磷变质剂和La、Ce，混合搅拌反应完毕后，向熔液表面再撒0.02％覆盖剂，静置10-20min即可进行浇筑。
[0040] 实施例5
[0041] 一种活塞用铝合金的制备方法，包括如下步骤：
[0042] (1)在加入熔炼炉之前，先将Zn、Mg及稀土金属在210℃下预热2-4h，其余组成在360℃预热2-4h；
[0043] (2)将预热的Al加入熔炼炉，加热温度为750℃，完全熔化后，加入铝箔包裹的Si颗粒，并保温3小时；每隔20-30min，用石墨棒搅拌一次；
[0044] (3)将温度控制在790℃，加入Ti、Mn、Cr、Si、Ni、Sc，待完全溶解后，静置10-30min，降温到700℃，加入Mg、Zn，搅拌待完全溶解；
[0045] (4)向熔液表面撒上熔液总重量的0.16％覆盖剂，向熔液中压入用铝箔包好的精炼剂，进行精炼除渣去气反应，反应完毕后扒净浮渣；
[0046] (5)将熔液升温到860℃，加入赤磷变质剂和La、Ce，混合搅拌反应完毕后，向熔液表面再撒0.06％覆盖剂，静置10-20min即可进行浇筑。
[0047] 实施例6
[0048] 一种活塞用铝合金的制备方法，包括如下步骤：
[0049] (1)在加入熔炼炉之前，先将Zn、Mg及稀土金属在240℃下预热2-4h，其余组成在430℃预热2-4h；
[0050] (2)将Al加入熔炼炉，加热温度为740℃，完全熔化后，加入铝箔包裹的Si颗粒，并保温3-5小时；加入Si颗粒，形成足够的脆性相，并将延性相分隔开；
[0051] (3)将温度控制在760℃，加入Ti、Zr、Mn、Cr、Si、Ni、Sc，待完全溶解后，静置10-30min，降温到692℃，加入Mg、Zn，搅拌待完全溶解；
[0052] (4)向熔液表面撒上熔液总重量的0.11％覆盖剂，向熔液中压入用铝箔包好的精炼剂，进行精炼除渣去气反应，反应完毕后扒净浮渣；
[0053] (5)将熔液升温到820℃，加入赤磷变质剂和La、Ce，混合搅拌反应完毕后，向熔液表面再撒0.04％覆盖剂，静置10-20min即可进行浇筑。
[0054] 将实施例3的铝合金和Si含量为23％的铝合金分别铸造成活塞进行检测，保持其他组份不变，将两种材质的活塞置于250℃±5℃的环境，测试5h 后两种活塞的体积膨胀率，实验数据如下所示：
[0055]
[0056]
[0057] 以Si含量为23％的铝合金制成的活塞作对比实验，实验结果显示24％Si 的活塞和26％Si的活塞在加热时直径变化更小，即膨胀系数小，热稳定性好。
[0058] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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活塞环-专利编号CN103403409A 2020-05-11 371
活塞-专利编号CN1727660A 2020-05-11 1031
活塞环-专利编号CN1448627A 2020-05-13 472
活塞环-专利编号CN107532717B 2020-05-13 1029
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