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

本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。

High strength heat resistant aluminum alloy material for engine piston and preparation method thereof

The invention provides a high strength and heat-resistant aluminum alloy material for engine piston, which is composed of the following elements: Zr 0.2-2%, Y 6-13%, Fe 0.5-3%, Si 0.8-2%, Mg 0.1-0.3%, Ti 0.05-0.08%, B 0.01-0.15%, and the rest Al. . The invention also provides a method for preparing high-strength and heat-resistant aluminum alloy materials for engine pistons. The inventive heat resistant aluminum alloy has good casting and mechanical properties, and its tensile strength reaches 330MPa. The material also has good heat resistance, heat resistance experiments show that after heating at 280 C for 1 hour, the strength does not drop but rises; after heating at 400 C for 1 hour, the strength remains unchanged.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术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。根据本专利技术的一个方面，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。根据本专利技术的另一个方面，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。本专利技术的合金中添加了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，使得本专利技术所述的合金具备高强度，良好的力学性能以及耐热性能。本专利技术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。本专利技术所添加的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，本专利技术所述材料，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。本专利技术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，本专利技术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，是本专利技术的另一个创新点。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，本专利技术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。本专利技术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，本专利技术具有如下的有益效果：1.本专利技术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，证实该系列材本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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。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。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：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℃...

【专利技术属性】
技术研发人员：高海燕，王朦朦，王俊，尤伟任，顾孙望，李敏，张驰，
申请(专利权)人：上海交通大学，上海中天铝线有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31