CN104651679B - 一种活塞用难熔解金属增强铝合金材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种活塞用难溶解金属增强铝合金材料，添加的难熔金属有：钛、锆、钒、钨、钼、铌、钽的其中几种组合添加，本专利保护的内容是添加钨、钼、铌、钽在铝合金中难以溶解的难熔金属元素的其中一种或几种的组合到活塞合金中。它解决了目前活塞合金材料不能满足活塞在发动机更高温度、爆发压力环境下工作的问题，高温强度提高明显，满足发动机升级换代对活塞材料的要求。
Description
技术领域
本发明属于金属材料领域，提供了一种活塞用难熔解金属增强铝合金材料。
背景技术
目前，载重汽车、工程机械、铁路机车以及船用的发动机都在向大功率、高负荷方向发展，强化程度不断提高，排放要求越来越严格。目前各家活塞公司都在独立研发新型活塞材料，主要工作实在铝硅合金基础上，将镍铜含量提高，以期望在活塞组织中出现更多的合金相，通过合金相提高活塞材料的耐高温性能，而钛、锆、钒主要是细化活塞组织，同时也有增强作用。但是目前所做的合金化，决定了材料的高温强度，如300℃、350℃提高幅度有限，仅能在原有的基础上提高10%左右，且材料在350℃以上高温强度提高幅度更小约在5%左右。不能满足发动机升级换代对活塞材料的要求，迫使部分厂家，采用锻钢材料活塞，既增加成本又增加活塞重量，使发动机能耗增加，不符合绿色节能的发展趋势。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有合金材料不能满足部件在高温环境下工作的问题，提供一种通过在铝合金中添加难熔解金属的配方，提高材料的高温强度；并对难熔解金属在铝合金中的添加，提出了解决方案。解决了目前活塞合金材料不能满足活塞在发动机更高温度、爆发压力环境下工作的问题，高温强度提高明显，满足发动机升级换代对活塞材料的要求。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种活塞用难熔解金属增强铝合金材料，包括如下组份：硅Si: 10.0-25.0%，铜Cu:1.5-6.0%，镍Ni:1.0-3.5%，镁Mg:0.2-1.6%，铁Fe: 0.2-1.0%，钛Ti: 0.05-0.3%，磷P:0-0.05%，锰Mn: 0.05-0.6%，锆Zr:0.05-0.3%，钒V:0.05-0.3%，钼Mo: 0-0.6%，钨W: 0-0.6%，铌Nb：0.005-0.6%，钽Ta：0-0.6%，锶Sr:0-0.05%，余量为铝Al。
本发明还提供了一种活塞用难熔解金属增强铝合金材料的制备方法，包括如下步骤：
1）制备镍、镍铜、镍铁或镍铜铁基合金，在上述合金中加入难熔解金属铌和钼、钨或钽中一种或多种，配成中间合金；
2） 将中间合金加入铝合金，铝合金温度580-630℃，采用机械或电磁搅拌直至中间合金完全熔解，即得。
优选的是，步骤1）中，所述配制生产镍、镍铜、或镍铁基合金的方法为：可在工频炉、变频炉或中频炉中一次性加入各种金属；或先进行易熔解如镍、铜、铁的熔化，待镍等熔化完毕后再加入难熔金属进行熔化，升温至1580℃～1680℃，保温0.5～6小时，待难熔金属充分熔解后，再浇注成锭。
优选的是，步骤1）中，镍、镍铜、或镍铁基合金为镍钨合金、镍钼合金、镍铌合金、镍钽合金，镍铜钨、镍铜铁铌或镍铁钽中的一种或多种的组合。
优选的是，步骤2）中，所述镍、镍铜、或镍铁基合金与铝合金的质量比为0.01～1:1。
任一上述的方法制备的活塞用难熔解金属增强铝合金材料在制备活塞毛坯中的应用。
本发明的有益效果是：
1. 采用两步法加入，首先将难熔金属制成镍、镍铜、或镍铁基合金，如镍钨合金、镍钼合金、镍铌合金、镍钽合金，镍铜钨、镍铜铁铌或镍铁钽等等多种合金，但合金中含铁量要控制在30%以下，原因是活塞合金中的铁含量过高，会形成针状铁，材料抗拉强度大幅度下降。第二步是将镍基合金加入到铝合金中，采用强力机械搅拌或电磁搅拌方式，加速以上合金在铝合金的熔解。铝合金添加钨、铌、钽难熔金属，直接加入铝合金中熔化是极其困难的，同样作为难熔金属钛、锆在铝合金中较易熔化，难熔金属钒通过变成钒铝合金，也较易熔入铝合金，添加钛、锆、钒元素目前较为普遍，非本专利保护的内容；而钨、钼需要通过长时间在高温铝合金中熔解，才可以熔入到铝合金中，但造成大量的氧化烧损；而熔炼用铌、钽金属，在铝合金中长时间也无法熔解，以上难熔解金属。
2.合金热稳定性好，强度高，适合在高温下运行。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
1、该铝合材料含有按重量份计如下的各组分，
硅Si: 10.5% 铜Cu:1.8% 镍Ni:2.6% 镁Mg: 1.2%
铁Fe: 0.8% 钛Ti: 0.06% 磷P: 0.005% 锰Mn: 0.1%
锆Zr:0.1% 钒V:0.07% 钼Mo: 0.2% 钽Ta： 0.1
铝Al:余量。
本发明材料与原活塞铝合金材料技术参数的对比：
2、两步法生产过程：
第一步 配制生产镍铜钼钽合金
镍Ni：60% 铜Cu：19% 钼Mo：14% 钽Ta：7%
可在工频炉、变频炉或中频炉中一次性加入各种金属；或首先进行镍、铜的熔化，待镍铜熔化完毕后再加入钼、钽进行的熔化。升温至1580℃～1680℃，保温0.5～6小时，待钼、钽充分熔解后，再浇注成锭。
第二步 将镍铜钼钽合金加入到铝合金，铝合金可放于坩埚炉或感应炉中，温度580-630℃，搅拌方法采用机械搅拌的方法，用石墨叶片在铝合金中连续搅拌，叶片旋转速度100～600转/分,直至镍铜钼钽合金完全熔解，再升温至720～830℃，经精炼处理后，活塞合金即可浇注活塞毛坯。
实施例2：
1、该铝合材料含有按重量份计如下的各组分：
硅Si: 12.5% 铜Cu:5.8% 镍Ni:1.6% 镁Mg: 0.4%
铁Fe: 0.3% 钛Ti: 0.15% 磷P: 0.01% 锰Mn: 0.3%
锆Zr:0.15% 钒V:0.17% 钨W: 0.2% 铌Nb：0.2%
铝Al:余量。
本发明材料与原活塞铝合金材料技术参数的对比：
2、两步法生产过程：
第一步 配制生产镍铁钨铌合金
镍Ni：70% 铁Fe：10% 钨W：10% 铌Nb：10%
可在工频炉、变频炉或中频炉中一次性加入各种金属；或首先进行镍、铁的熔化，待镍铁熔化完毕后再加入钨、铌进行的熔化。升温至1580℃～1680℃，保温0.5～6小时，待钨、铌充分熔解后，再浇注成锭。
第二部 将镍铁钨铌合金加入到铝合金，铝合金可放于坩埚炉或感应炉中，温度580-630℃，搅拌方法采用机械搅拌的方法，用纯钽叶片在铝合金中连续搅拌，叶片旋转速度100～600转/分，直至镍铁钨铌合金完全熔解，再升温至720～830℃，经精炼处理后，活塞用难熔解金属增强铝合金材料即可浇注活塞毛坯。
实施例3：
1、该铝合材料含有按重量份计如下的各组分：
硅Si: 18% 铜Cu:2. 6% 镍Ni: 3.0% 镁Mg:0.2-1.6%
铁Fe: 0.55% 钛Ti: 0.16% 磷P: 0.008% 锰Mn: 0.2%
锆Zr:0.06% 钒V:0.06% 钽Ta：0.3%
铝Al:余量。
本发明材料与原活塞铝合金材料技术参数的对比：
2、两步法生产过程：
第一步 配制生产镍铁钽合金
镍Ni：75% 铁Fe：15% 钽Ta：10%
可在工频炉、变频炉或中频炉中一次性加入各种金属；或首先进行镍、铁的熔化，待镍铁熔化完毕后再加入钽进行的熔化。升温至1580℃～1680℃，保温0.5～6小时，待钽充分熔解后，再浇注成锭。
第二步 将镍铁钽合金加入到铝合金，铝合金可放于坩埚炉或感应炉中，温度580-630℃，搅拌方法采用电磁搅拌的方法，使铝合金中连续搅拌，直至镍铁钽合金完全熔解，再升温至720～830℃，经精炼处理后，活塞用难熔解金属增强铝合金材料即可浇注活塞毛坯。
实施例4
本发明材料与原活塞铝合金材料技术参数的对比：
1、该铝合材料含有按重量份计如下的各组分：
硅Si: 13% 铜Cu:3. 6% 镍Ni: 2.6% 镁Mg:0. 6%
铁Fe: 0.35% 钛Ti: 0.12% 锰Mn: 0.2% 锆Zr:0.12%
钒V:0.09% 铌Nb：0.1% 锶Sr: 0.01%
铝Al:余量。
2、两步法生产过程：
第一步 配制生产镍铜铁铌合金
镍Ni：60% 铜Cu:20% 铁Fe：10% 铌Nb：10%
可在工频炉、变频炉或中频炉中一次性加入各种金属；或首先进行镍、铜、铁的熔化，待镍铜铁熔化完毕后再加入铌进行的熔化。升温至1580℃～1680℃，保温0.5～6小时，待铌充分熔解后，再浇注成锭。
第二步 将镍铜铁铌合金加入到铝合金，铝合金可放于坩埚炉或感应炉中，温度580-630℃，搅拌方法采用电磁搅拌的方法，使铝合金中连续搅拌，直至镍铜铁铌合金完全熔解，再升温至720～830℃，经精炼处理后，活塞用难熔解金属增强铝合金材料即可浇注活塞毛坯。
上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (4)
1.一种活塞用难熔解金属增强铝合金材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）制备镍、镍铜、镍铁或镍铜铁基合金，在上述合金中加入难熔解金属钼和钨、铌或钽中一种或多种，配成中间合金；
2）将中间合金加入铝合金，铝合金放于坩埚炉或感应炉中，温度580-630℃，搅拌方法采用机械搅拌的方法，用石墨叶片在铝合金中连续搅拌，叶片旋转速度100～600转/分，直至中间合金完全熔解，再升温至720～830℃，经精炼处理后，即得；
其中，所述活塞用难熔解金属增强铝合金材料包括如下组份：硅Si: 10.0-25.0%，铜Cu:1.5-6.0%，镍Ni:1.0-3.5%，镁Mg:0.2-1.6%，铁Fe: 0.2-1.0%，钛Ti: 0.05-0.3%，磷P:0-0.05%，锰Mn: 0.05-0.6%，锆Zr:0.05-0.3%，钒V:0.05-0.3%，钼Mo: 0-0.6%，钨W: 0-0.6%，铌Nb：0.005-0.6%，钽Ta：0-0.6%，锶Sr:0-0.05%，余量为铝Al。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1）的具体步骤为：先熔解易熔合金，待熔化完毕后，再加入难熔金属进行熔化，升温至1580℃～1680℃，保温0.5～6小时，待难熔金属充分熔解后，再浇注成锭。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2）中，所述中间合金与铝合金的质量比为0.01～1:1。
4.权利要求1-3任一所述的方法制备的活塞用难熔解金属增强铝合金材料在制备活塞毛坯中的应用。
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Denomination of invention: A refractory metal reinforced aluminum alloy material for pistons Granted publication date: 20170405 Pledgee: Binzhou Branch of Agricultural Bank of China Ltd. Pledgor: SHANDONG BINZHOU HUACHUANG METAL CO.,LTD. Registration number: Y2024980010646 |