[发明专利]一种稀土铝合金活塞材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明是一种稀土铝合金活塞材料及其制备方法，属金属材料领域。

背景技术

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。

由于活塞是用于高温使用，而主要提高合金常温强度的Mg₂Si、CuAl₂等时效析出相在高温下粗化，难以再对晶界起有效的钉扎作用，同时热处理对ZL108、ZL109的高温性能影响也较小。

虽然依靠增加很多贵金属元素及复杂工艺可使活塞性能得到一定程度提高，但是生产成本和条件要求较高，使得这些材料在实际生产中难以得到大规模推广。

Al-Si系合金具备从室温至300℃之间高的拉伸强度及抗蠕变性能，好的热导率，高的韧性及伸长率，低的孔隙率，良好的铸造性能，低的热裂倾向，因此是替代铸铁制造活塞更好的材料。

稀土的化学活性介于碱金属和碱土金属之间，比其它金属活泼。稀土在铝合金铸造过程中的有细化初晶硅和共晶硅、微合金化、净化熔体等作用。稀土与铝合金中的多种元素形成许多含有稀土的相，这些呈弥散分布的高熔点化合物具有很好的耐热性与热稳定性，这种作用强化了铝合金。

Ce是稀土中化学性质较活泼的元素，能与Mn、Fe、Cr等元素形成的相具有较好的高温性能，含稀土Ce、Fe、Mn、Cr的相在350℃下能在晶界处稳定存在，对错位移动起到很好的钉扎作用。

异相强化是活塞合金有效的高温强化机制，异质相的热稳定性越好(熔点越高、高温下显微硬度越大、随温度变化其在α(Al)固溶体中的熔解度变化越小)，异相强化的热强化作用越好。

铁相若以针状形态出现会割裂材料基体，因此目前在铝合金活塞铸造中铁是被当做杂质元素来处理。如果铁相能被有效球化，铁相可作为异相强化的异质相，具有优异的高温性能，可大幅度提高铝活塞的高温性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种高温性能优良、工艺稳定性好且经济成本低的共晶铝硅稀土活塞合金材料及其制备方法。

本发明的稀土铝合金活塞材料，其合金中各化学成分的质量百分比为：Si：11～13；Cu：0.9～1.5；Mg：0.6～1.1；Cr：0.1～0.4；Mn：0.2～0.6；Ce：0.6～1.2；Ni：0.3～0.5；Fe：0.8～1.5；Ti：0.06～0.1；余量为Al。

本发明提供的稀土铝合金活塞材料的制备方法，包括下述步骤：

(1)将铝、硅、铜、铁、铬、锰、镍剂加热熔化；所述硅、铜、铁、铬、锰、镍剂分别以铝-硅、铝-铜、铝-铁、铝-铬、铝-锰、铝-镍的中间合金形式加入熔炉中；

(2)降温至700℃～760℃，加入铁相球化剂，搅拌均匀；所述铁相球化剂由60％～75％wt镁粉和25～40％的氟钛酸钾构成；

(3)把复合磷盐变质剂加入合金熔液中，均匀搅拌；

(4)升温至800℃～850℃，加入铝-铈中间合金，搅拌均匀，静置；

(5)降温至750℃～760℃，用六氯乙烷除气，搅拌均匀，静置；

(6)继续降温至720℃～730℃，浇注活塞毛坯；

(7)浇注完毕后，对该材料的活塞毛坯进行热处理。

步骤(1)中，所述铝-硅中间合金中硅为20-25wt％、铝-铜中间合金中铜为46-52wt％、铝-铁中间合金中铁为16-22wt％、铝-铬中间合金中铬为8-12wt％、铝-锰中间合金中锰为8-12wt％、铝-镍中间合金中镍为8-12wt％。

将铝以及铝-硅、铝-铜、铝-铁、铝-铬、铝-锰、铝-镍的中间合金加入熔炉时，上下部分别放置铝，中间部放置铝-硅、铝-锰、铝-铁、铝-镍、铝-铜及铝-铬的中间合金。

步骤(3)中，所述复合磷盐变质剂由65～75wt％磷酸二氢钙、10～20wt％氯化钾和5～15wt％氯化钠和5～10wt％氟化钙构成。

步骤(4)中，所述铝-铈中间合金中铈为16-22wt％。

步骤(3)中，可在均匀搅拌后扒渣撒一层覆盖剂；同样，在步骤(4)和/或步骤(5)中，也可在静置后扒渣撒一层覆盖剂；所述覆盖剂为KCl，粒度＜125μm，加入量为合金熔液质量的2～4％；