專利名稱：：?jiǎn)蚊翱诠簿l-Si合金活塞材料低溫?zé)崽幚矸椒?br>技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及合金鑄造零部件的熱處理工藝，特別是共晶Al-Si合金活塞材料的熱處理方法。
背景技術(shù)：
：內(nèi)燃機(jī)活塞的熱處理一般采用鑄造余熱淬火+人工時(shí)效熱處理工藝或常規(guī)T6熱處理工藝。為了減輕中、大型普通活塞毛坯重量，可將活塞毛坯由原來(lái)的兩側(cè)冒口改為單側(cè)冒口但是，單冒口設(shè)計(jì)使得活塞毛坯兩側(cè)的溫度場(chǎng)差異較大，利用活塞鑄造余熱進(jìn)行鑄淬，不能保證活塞硬度的均勻性。如依然采用常規(guī)的T6熱處理工藝時(shí)，能耗高，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低，增加了生產(chǎn)成本；這樣，為了保證減重單冒口活塞設(shè)計(jì)措施的實(shí)施，就急需尋求一種既保證活塞質(zhì)量又降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率的新型熱處理工藝。為此研究出低溫?zé)崽幚硇录夹g(shù)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種以保證活塞質(zhì)量、又降低生產(chǎn)成本的單冒口共晶Al-Si合金活塞材料低溫?zé)崽幚矸椒?。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種單冒口共晶Al-Si合金活塞材料低溫?zé)崽幚矸椒?，按以下步驟進(jìn)行a)、將鑄造后的活塞在井式爐中加熱至480°C±5°C，保溫1.5h出爐；b)、采用50'C-8(TC水進(jìn)行淬火冷卻；c)、淬火后在井式時(shí)效爐中將活塞升溫至16(TC士5'C，保溫5h進(jìn)行人工時(shí)效處理，隨后，出爐進(jìn)行空冷，完成活塞材料的熱處理全過(guò)程；通過(guò)低溫?zé)崽幚砗蠊簿l-Si合金活塞材料各項(xiàng)性能指標(biāo)如下HB110130，同一只活塞硬度差小于5個(gè)HBS，同一爐活塞硬度差不大于15個(gè)HBS;抗拉強(qiáng)度ob(肌)》247.49MPa，ob》114.45MPa;線膨脹系數(shù)a室溫，《20.37X1(TV。C，a室溫—匿《21.86X10-6,C;體積穩(wěn)定性:S《0.011D。共晶Al-Si合金活塞材料熱處理工藝，鑄造后利用鑄造余熱直接淬火或鑄造后在井式加熱爐重新加熱淬火，淬火后在井式時(shí)效爐進(jìn)行人工時(shí)效處理，時(shí)效固定于某一溫度(例如220°C)進(jìn)行，并經(jīng)過(guò)一定時(shí)間保溫(例如8小時(shí))后完成人工時(shí)效處理。時(shí)效后出爐進(jìn)行自然冷卻，完成活塞材料的熱處理全過(guò)程。通過(guò)熱處理淬火+人工時(shí)效改善活塞各項(xiàng)性能指標(biāo)，使之達(dá)到工藝圖紙對(duì)活塞性能的要求。圖1示出共晶Al-Si合金材料活塞利用余熱淬火+人工時(shí)效熱處理工藝曲線。圖2示出共晶Al-Si合金材料常規(guī)T6熱處理工藝曲線。活塞內(nèi)燃機(jī)活塞技術(shù)條件GB/T1148-93規(guī)定，共晶A卜Si合金材料性能要求為硬度HB95130，同一只活塞硬度差不大于10個(gè)HBS，同一爐活塞硬度差不大于30個(gè)HBS;抗拉強(qiáng)度ob》196MPa，o30(rc>69MPa;體積穩(wěn)定性S《0.03%D?，F(xiàn)有共晶Al-Si合金材料活塞利用余熱淬火或常規(guī)T6熱處理后性能指標(biāo)如下硬度HB107129，同一只活塞硬度差不大于IO個(gè)HBS;抗拉強(qiáng)度ob》246.OlMPa，o300.c>112.605MPa;線膨脹系數(shù)a室溫-200《20.74X10—6〃C，a室溫—300《22.51X10—7。C;體積穩(wěn)定性S《0.023%D。提高保證活塞某些性能采用延長(zhǎng)活塞人工時(shí)效時(shí)間的辦法達(dá)到要求。目前采用鑄造余熱直接淬火，淬火后在井式時(shí)效爐進(jìn)行人工時(shí)效處理的工藝生產(chǎn)的活塞的硬度均勻性相差比較大，體積穩(wěn)定性的差異性也比較大；釆用在井式加熱爐重新加熱淬火，淬火后在井式時(shí)效爐進(jìn)行人工時(shí)效處理生產(chǎn)的活塞的生產(chǎn)成本高，熱處理周期長(zhǎng)，效率低，育g耗咼。本發(fā)明單冒口共晶Al-Si合金活塞材料低溫?zé)崽幚砑夹g(shù)的有益效果是1、應(yīng)用共晶Al-Si合金材料活塞低溫?zé)崽幚砑夹g(shù)處理的活塞與利用鑄造余熱直接淬火后在井式時(shí)效爐進(jìn)行人工時(shí)效處理相比較，低溫?zé)崽幚砉に囂幚淼幕钊捕染鶆蛐?，獲得高的硬度和高的常溫抗拉強(qiáng)度的同時(shí)，體積穩(wěn)定性有較大的提升；2、應(yīng)用共晶Al-Si合金材料活塞低溫?zé)崽幚砑夹g(shù)處理活塞與鑄造后在井式加熱爐重新加熱淬火，淬火后在井式時(shí)效爐進(jìn)行人工時(shí)效處理工藝相比，低溫?zé)崽幚砉に嚱档土嘶钊a(chǎn)能耗成本，縮短了活塞熱處理的生產(chǎn)周期，提高33%勞動(dòng)生產(chǎn)效率。3、共晶Al-Si合金材料活塞低溫?zé)崽幚砉に?，由于熱處理溫度比較低，對(duì)熱處理爐的壽命影響也小得多，減少設(shè)備維修時(shí)間和維修費(fèi)用，從而進(jìn)一步降低熱處理成本。本發(fā)明共晶Al-Si合金材料低溫?zé)崽幚淼脑矸治龉簿l-Si合金材料成分(%):Si:U13;Cu:0.51.5;Mn:《0.2;Mg:0.8~1.3;Ni:0.8~1.5;Fe:《0.7;其余Al。在48(TC低溫保溫固溶處理時(shí)，Mg2Si、CuA12(e相)、A13Ni、A13(CuNi)等強(qiáng)化相溶入a固溶體中，同時(shí)含有未溶初生相顆粒的非枝晶組織，使得液/固相擴(kuò)散沒(méi)有達(dá)到平衡，從而成為欠固溶的非枝晶組織，這些欠固溶的非枝晶組織經(jīng)過(guò)演變變得鈍化，不會(huì)變得粗大，因而不會(huì)引起晶粒長(zhǎng)大。在160。C時(shí)效處理，Mg2Si、CuA12(6相)、A13Ni、A13(CuNi)等固溶強(qiáng)化相析出，欠固溶鈍化的非枝晶組織可能阻礙了固溶強(qiáng)化相的集聚偏析，使之呈彌散相分布，合金組織細(xì)小均勻，呈組織穩(wěn)定態(tài)。從而使得活塞具有高的常溫抗拉強(qiáng)度，均勻的高硬度，提升了體積穩(wěn)定性。圖1是現(xiàn)有共晶Al-Si合金活塞材料利用鑄造余熱淬火+人工時(shí)效熱處理工藝曲圖2是現(xiàn)有共晶Al-Si合金活塞材料常規(guī)T6熱處理工藝曲線圖；圖3是本發(fā)明共晶Al-Si合金活塞材料低溫?zé)崽幚砉に嚽€圖。具體實(shí)施例方式圖3示出，一種單冒口共晶A1-Si合金活塞材料低溫?zé)崽幚矸椒?，按以下步驟進(jìn)行a)、將鑄造后的活塞在井式爐中加熱至480°C±5°C，保溫1.5h出爐；b)、采用50°C-80。C水進(jìn)行淬火冷卻；c)、淬火后在井式時(shí)效爐中將活塞隨爐升溫至160°C±5°C，保溫5h進(jìn)行人工時(shí)效處理，隨后，出爐進(jìn)行空冷，完成活塞材料的熱處理全過(guò)程；通過(guò)低溫?zé)崽幚砗蠊簿l-Si合金活塞材料各項(xiàng)性能指標(biāo)超過(guò)工藝圖紙要求各項(xiàng)性能指標(biāo)。具體要求如下硬度HBll(Tl30，同一只活塞硬度差小于5個(gè)HBS,同一爐活塞硬度差不大于15個(gè)HBS;抗拉強(qiáng)度。b(2。'c)^240MPa，ob(300'C)》100MPa;線膨脹系數(shù)a室溫—賦《20.5X10—7-C，a體積穩(wěn)定性S《0.015D。為了保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，需對(duì)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)控，過(guò)程如下1、合金熔煉工藝(1)熔煉設(shè)備、工具及爐前準(zhǔn)備熔煉設(shè)備:鼓風(fēng)機(jī)，天燃?xì)夥瓷錉t2T，稱，破碎機(jī)，熱電偶測(cè)溫儀；熔煉工具加料鏟.打渣耙.攪拌工具.堵塞.過(guò)濾網(wǎng).運(yùn)渣車.備料車.合金錠模；爐前準(zhǔn)備按化學(xué)成份要求技術(shù)員填寫配料通知單，合金班根據(jù)配料通知單從庫(kù)房領(lǐng)用驗(yàn)收合格的原材料(由于硅是自己破碎，注意塊度20—50mm),填好配料原始記錄打渣耙.攪拌工具合金錠模必須涂氧化鋅，澆瓢必須涂石眉墨水溶液，烘干后才能使用(2)加料熔煉先將所需的全部硅均勻分布于爐膛底部，然后用加料板將配備好的純鋁錠總量的60—806%進(jìn)爐，將硅全部覆蓋，完后將Gu板，Ni板加在靠近噴火口的中上層，開始點(diǎn)火熔化；升溫至表面鋁液呈糊狀后，加入鋁-錳中間合金，同時(shí)加入回爐料，繼續(xù)升溫至850—88(TC進(jìn)行保溫?cái)U(kuò)散熔煉，保溫?cái)U(kuò)散時(shí)間為10—20分鐘；經(jīng)保溫?cái)U(kuò)散熔煉的鋁液必須靜置15—20分鐘再進(jìn)行精煉除氣處理(加入覆蓋劑0.3—0.5%，無(wú)毒精煉劑0.2—0.3%)用攪拌工具充分?jǐn)嚢?，然后打渣加鎂(加鎂溫度760—780°C)再進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁o置5分鐘后取樣，待成份合格后方可出水澆錠；出水時(shí)必須使用過(guò)濾網(wǎng)，中途必須攪拌一次。(3)現(xiàn)場(chǎng)熔煉熔煉使用工具鐘罩.除渣瓢.熱電偶在使用前必須涂料；首先應(yīng)清理干凈現(xiàn)場(chǎng)坩堝，加入同一牌號(hào)己準(zhǔn)備好的合金進(jìn)行保溫；待鋁液溫度至760—780'C時(shí)，加入P(磷)鹽(外購(gòu))0.1—0.2%進(jìn)行變質(zhì)處理，處理方法為用涂過(guò)料的鐘罩將變質(zhì)劑壓入接近堝底，平行地輕輕移動(dòng)直至反應(yīng)完畢，壓入深度可根據(jù)反應(yīng)劇烈程度適當(dāng)調(diào)整，用除氣機(jī)處理12分鐘，靜置15—20分鐘，加入打渣劑進(jìn)行扒渣。檢査三角式樣，確定氣體合變質(zhì)效果.鐵相，合格后方可使用。正常良好式樣表面應(yīng)有龜斑狀出現(xiàn)，斷口為細(xì)密組織，有均勻初晶硅亮點(diǎn)，反之，必須再靜置，重新變質(zhì)精煉處理，直至合格。2、現(xiàn)場(chǎng)澆注將活塞鑄型清除干凈、預(yù)熱并進(jìn)行冒口涂料，活塞模具裝配在工作臺(tái)上再進(jìn)行整體預(yù)熱，整體預(yù)熱后按鑄造工藝要求進(jìn)行涂料，正常通水洚注的第四只活塞作為正常生產(chǎn)的首件坯件。3、試樣抽取本實(shí)驗(yàn)用活塞是通過(guò)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)正常生產(chǎn)的活塞進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)抽取，進(jìn)行低溫?zé)崽幚韺?shí)驗(yàn)，活塞鋁硅合金材料中各組分以重量百分比計(jì)的組成(％)要求如下Si:1廣13;Cu:0.51.5;Mn:《0.2;Mg:0.81.3;Ni:0.8~1.5;Fe:《0.7;其余Al。實(shí)施例l，所述合金中各組分(％)的組成如下Si:12.18;Cu:1.15;Mn:0.16;Mg:1.10;Ni:0.86;Fe:0.49;其余A1。實(shí)施例2，合金中各組分(％)的組成如下Si:12.62;Cu:1.12;Mn:0.15;Mg:1.09;Ni:0.88;Fe:0.39;其余A1。實(shí)施例3，合金中各組分(％)的組成如下Si:12.60;Cu:1.14;Mn:0.15;Mg:1.10;Ni:0.85;Fe:0.43;其余A1。實(shí)施例4，合金中各組分(％)的組成如下Si:12.53;Cu:1.16;Mm0.16;Mg:1.09;Ni:0.90;Fe:0.41;其余Al。實(shí)施例5，合金中各組分(％)的組成如下Si:12.32;Cu:1.17;Mn:0.17;Mg:1.10;Ni:0.84;Fe:0.45;其余Al。實(shí)施例6，合金中各組分(％)的組成如下Si:12.48;Cu:1.15;Mn:0.15;Mg:1.08;Ni:0.86;Fe:0.42;其余Al。實(shí)施例7，合金中各組分(％)的組成如下Si:12.57;Cu:1.16;Mn:0.16;Mg:1.11;Ni:0.88;Fe:0.43;其余Al。4、熱處理工藝淬火處理將鑄造后的活塞在井式爐中加熱至480°C±5°C，保溫1.5h出爐(入爐溫度《42(TC升溫時(shí)間^40分鐘)；隨后在50。C-8(TC水進(jìn)行淬火冷卻；時(shí)效處理淬火后在井式時(shí)效爐中將活塞隨爐升溫至16(TC士5'C，保溫5h進(jìn)行人工時(shí)效處理(入爐溫度《12(TC,升溫時(shí)間》20分鐘)，隨后出爐進(jìn)行空冷。5、性能檢測(cè)具體實(shí)例及不同溫度熱處理下相應(yīng)的材料力學(xué)性能<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)及對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析為了降低活塞的熱處理工藝成本，保證活塞外觀質(zhì)量情況下，使用480。C土5。C保溫1.5h，508(TC水中淬火，16CTC土5。C保溫時(shí)效5h，自然時(shí)效24h的工藝處理的活塞的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)性能如下硬度HBll(Tl30，同一只活塞硬度差小于5個(gè)HBS，同一爐活塞硬度差不大于15個(gè)HBS;抗拉強(qiáng)度ob(,》247.49MPa，ob(3。。。c)^114眉Pa;線膨脹系數(shù)a室溫督c《20.37X10—7。C，a室溫—3。。'c《21.86X10—7'C;體積穩(wěn)定性S《0.011D?；钊母黜?xiàng)性能數(shù)據(jù)均符合活塞產(chǎn)品要求的性能指標(biāo)要求。權(quán)利要求1、一種單冒口共晶Al-Si合金活塞材料低溫?zé)崽幚矸椒ǎ涮卣魇前匆韵虏襟E進(jìn)行a)、將鑄造后的活塞在井式爐中加熱至480℃±5℃，保溫1.5h出爐；b)、采用50℃-80℃水進(jìn)行淬火冷卻；c)、淬火后在井式時(shí)效爐中將活塞隨爐升溫至160℃±5℃，保溫5h進(jìn)行人工時(shí)效處理，隨后，出爐進(jìn)行空冷，完成活塞材料的熱處理全過(guò)程；通過(guò)低溫?zé)崽幚砗蠊簿l-Si合金活塞材料各項(xiàng)性能指標(biāo)如下HB110～130，同一只活塞硬度差小于5個(gè)HBS，同一爐活塞硬度差不大于15個(gè)HBS；抗拉強(qiáng)度σb(20℃)≥247.49MPa，σb(300℃)≥114.45MPa；線膨脹系數(shù)α室溫-200℃≤20.37×10-6/℃，α室溫-300℃≤21.86×10-6/℃；體積穩(wěn)定性δ≤0.011D。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述單冒口共晶Al-Si合金活塞材料低溫?zé)崽幚矸椒?，其特征是鋁硅合金活塞材料中各組分以重量百分比計(jì)的組成(％)要求如下Si:11~13%;Cu:0.5~1.5%;Mn:《0.2%;Mg:0.8-1.3%;Ni:0.8~1.5%;Fe:《0.7%;其余A1。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述單冒口共晶A1-Si合金活塞材料低溫?zé)崽幚矸椒ǎ涮卣魇撬龊辖鹬懈鹘M分組成如下Si:12.18%;Cu:1.15%;Mn:0.16%;Mg:1.10%;Ni:0.86%;Fe:0.49%;其余Al;鑄造后的活塞在井式爐中加熱480。C保溫1.5小時(shí)，65'C水中淬火，160。C保溫時(shí)效5h，出爐后空冷；處理后活塞材料各項(xiàng)性能指標(biāo)為硬度HB125;抗拉強(qiáng)度ob(肌)=286.22MPa，ob(3加Cl17.15MPa;線膨脹系數(shù)a室溫—2賦=19.99X10—6〃C，a室溫—300.c=21.44X10_7°C;體積穩(wěn)定性0.010%D。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述單冒口共晶Al-Si合金活塞材料低溫?zé)崽幚矸椒?，其特征是Si:12.62%;Cu:1.12%;Mn:0.15%;Mg:1.09%;Ni:0.88%;Fe:0.39%;其余A1;鑄造后的活塞在井式爐中加熱485。C保溫1.5h，55。C水中淬火，160'C士5。C保溫時(shí)效5h，出爐后空冷；處理后活塞材料各項(xiàng)性能指標(biāo)為硬度HB128;抗拉強(qiáng)度ob(肌)=291.89MPa，ob(3。。。=118.47MPa;線膨脹系數(shù)a室溫督^20.04X10—V。C，a室溫—3肌二21.62X10—V。C;體積穩(wěn)定性0.0翻。5、根據(jù)權(quán)利要求1所述單冒口共晶A1-Si合金活塞材料低溫?zé)崽幚矸椒?，其特征是Si:12.60%;Cu:1.14%;Mn:0.15%;Mg:1.10%;Ni:0.85%;Fe:0.43%;其余A1;鑄造后的活塞在井式爐中加熱48(TC保溫1.5h，60'C水中淬火，16(TC保溫時(shí)效5h，出爐后空冷；處理后活塞材料各項(xiàng)性能指標(biāo)為硬度:HB120;抗拉強(qiáng)度。b圖267.腿Pa，ob匿)=123.25MPa;線膨脹系數(shù)a室溫—2wrc=19.96X10_7°C，a室溫—300.c=21.28X10—6/°C;體積穩(wěn)定性0.011%D。6、根據(jù)權(quán)利要求1所述單冒口共晶Al-Si合金活塞材料低溫?zé)崽幚矸椒?，其特征是Si:12.53%;Cu:1.16%;Mn:0.16%;Mg:1.09%;Ni:0.90%;Fe:0.41%;其余A1;鑄造后的活塞在井式爐中加熱485。C保溫1.5h，65。C水中淬火，16(TC保溫時(shí)效5h，出爐后空冷；處理后活塞材料各項(xiàng)性能指標(biāo)為硬度:HB121;抗拉強(qiáng)度ob(2。'c)=287.50MPa，ob(就)=124.71MPa;線膨脹系數(shù)a室溫—,。=20.21X1(T/°C，a室溫—咖.。=21.57X10—V°C;體積穩(wěn)定性0.008%D。7、根據(jù)權(quán)利要求1所述單冒口共晶Al-Si合金活塞材料低溫?zé)崽幚矸椒?，其特征是Si:12.48%;Cu:1.15%;Mn:0.15%;Mg:1.08%;Ni:0.86%;Fe:0.42%;其余A1;鑄造后的活塞在井式爐中加熱475。C保溫1.5h，75。C水中淬火，165'C保溫時(shí)效5h，出爐后空冷；處理后活塞材料各項(xiàng)性能指標(biāo)為硬度HB115;抗拉強(qiáng)度ob(薦)=275.證a，ob(雄)=117.llMPa;線膨脹系數(shù)a室溫-2。。1=20.37X10_7°C，a室溫—3肌=21.86X10"V。C;體積穩(wěn)定性0.009%D。全文摘要一種單冒口共晶Al-Si合金活塞材料低溫?zé)崽幚矸椒?，按以下步驟進(jìn)行將鑄造后的活塞在井式爐中加熱至480℃±5℃，保溫1.5h出爐；采用50℃-80℃水進(jìn)行淬火冷卻；淬火后在井式時(shí)效爐中將活塞隨爐升溫至160℃±5℃，保溫5h進(jìn)行人工時(shí)效處理，隨后，出爐進(jìn)行空冷，完成活塞材料的熱處理全過(guò)程；通過(guò)低溫?zé)崽幚砗蠊簿l-Si合金活塞材料各項(xiàng)性能指標(biāo)超過(guò)內(nèi)燃機(jī)活塞技術(shù)條件GB/T1148-93要求各項(xiàng)性能指標(biāo)。本工藝方法既能保證活塞質(zhì)量、又可降低生產(chǎn)成本。文檔編號(hào)C22F1/043GK101445898SQ20081014805公開日2009年6月3日申請(qǐng)日期2008年12月26日優(yōu)先權(quán)日2008年12月26日發(fā)明者任德忠,何光馳,夏小兵,彭明誠(chéng),徐昌友,楊慶年申請(qǐng)人:成都銀河動(dòng)力股份有限公司