发动机活塞用高强耐热铸造铝硅合金
阅读说明：本技术 发动机活塞用高强耐热铸造铝硅合金 (High-strength heat-resistant cast aluminum-silicon alloy for engine piston ) 是由 张海涛 魏伟 郑强 于 2020-07-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种发动机活塞用铝硅合金材料,合金的组成元素的质量百分数含量为：Si 12.0～15.0％、Cu 2.0～4.5％、Mg 0.5～1.5％、Mn 0.2～0.5％、Ni 2.2～4.5％、Zr 0.1～0.6％,以及Al、附带的元素和杂质。微合金化附带元素为Er、Hf、Nb、Nd、Sc和Ti中的一种或多种,微合金化附带元素的添加总量满足0.1％≤(Er+Hf+Nb+Nd+Sc+Ti)wt％≤0.9％。铝硅合金中不可避免的杂质元素每种≤0.05wt％,总和≤0.15wt％。本发明合金的高温性能超过现用的ZL109合金,特别是350℃时的高温强度高达98MPa。(The invention discloses an aluminum-silicon alloy material for an engine piston, which comprises the following components in percentage by mass: 12.0 to 15.0% of Si, 2.0 to 4.5% of Cu, 0.5 to 1.5% of Mg, 0.2 to 0.5% of Mn, 2.2 to 4.5% of Ni, 0.1 to 0.6% of Zr, and Al, incidental elements and impurities. The microalloying incidental elements are one or more of Er, Hf, Nb, Nd, Sc and Ti, and the total addition amount of the microalloying incidental elements is more than or equal to 0.1 percent and less than or equal to 0.9 percent (Er + Hf + Nb + Nd + Sc + Ti) in percentage by weight. The inevitable impurity elements in the aluminum-silicon alloy are less than or equal to 0.05 wt% of each kind and less than or equal to 0.15 wt% of the total. The high-temperature performance of the alloy of the invention exceeds that of the prior ZL109 alloy, and particularly the high-temperature strength at 350 ℃ reaches 98 MPa.)
技术领域
本发明属于金属材料领域，特别涉及发动机活塞用铝硅合金材料技术领域。
背景技术
目前，高强化柴油机都在向大功率、高负荷发展，而铝活塞作为内燃机的重要往复运动部件，其性能直接影响高强化柴油机的性能和可靠性。
随着发动机向高功率密度发展，活塞承受的燃烧压力和工作温度越来越高，对铝硅合金诸如高温强度、线膨胀系数及体积稳定性等耐热性能提出了更高的要求。现广泛使用的ZL109Al-Si合金材料在350℃(现有国家标准尚未要求)及以上的高温性能还是较差，其总体的高温强度、线膨胀系数及体积稳定性还不令人满意。
为提高铝硅合金的高温性能，国内外已进行了大量研究，以期调整优化铝硅合金中的Cu、Ni含量及添加Zr、Ti、V、Co和稀土元素等提高合金的高温性能。美国专利文献US5996471公开了一种含V的Al-Si-Cu-Mg的活塞铝合金(Cu2～5，Si13～16，Mn0.2～1.3，Ni1.0～2.5，V0.05～0.2，P0.004～0.02)，具有良好的高温强度和耐磨性，其300℃的拉伸强度不低于90MPa、屈服强度不低于70MPa。专利文献CN101117679A公开了一种高性能铝硅活塞合金材料，其成分为：Si12-13％，Cu2.5-4％，Ni1.7-3％，Mg0.5-1.2％，Mn0.1-0.2％，V0.15-0.5％，Ti0.23-0.6％，∑Re0.15-0.25％，Zn≤0.05％，Fe≤0.7％，其余为Al。铝硅合金的室温拉伸强度不低于230MPa、300℃的拉伸强度不低于100MPa、360℃的拉伸强度不低于80MPa。
这些合金的高温强度虽然比普通Al-Si合金高，但其在250～300℃的高温性能还是较低，尤其是350℃的强度。为了进一步提高活塞材料的高温性能及耐磨性，近年来开发了陶瓷颗粒或陶瓷纤维增强铝硅合金的铝基复合材料活。专利文献CN1257299C公开了一种用于活塞制造的铝基复合材料，该铝基复合材料由基体合金和增强相组成，基体合金包括硅、铜、镍、镁、钛、铝元素，其特征是基体合金各组分的质量百分比为：Si9～16％、Cu0.5～2.5％、Ni0.5～2.0％、Mg0.2～1.5％、Ti0.2～2.0％，其余为铝；增强相为原位反应生成Al2O3和TiC粒子。该复合材料的性能良好，其室温强度为240～300Mpa，300℃时高温强度为120～140Mpa，远大于常规活塞铝合金的高温强度(70～80MPa)，同时该复合材料活塞具有良好的体积稳定性。
专利文献CN108796316A公开了一种原位TiB2增强铝硅合金活塞材料及其制备方法。该材料具有良好的高温强度和较低的线膨胀系数。但TiB2增强相4.52g/cm3的密度远大于铝熔液的密度，铝合金熔体中大于0.2-0.5微米TiB2增强颗粒短时间内就会发生快速沉降聚集，导致该类材料难以在生产现场实现量产。
目前缺乏一种适合于现有设备、能规模化生产的且350℃以上温度的抗拉强度不低于90MPa或更高强度的铸造铝硅合金。
发明内容
本发明首先提供了一种高强耐热铸造铝硅合金材料，对于所发明铝硅合金，可使用金属型重力铸造技术制备带有铁合金镶环和盐芯内冷油道设计的活塞。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：本发明提供一种适合于发动机活塞制造的高强耐热铝硅合金材料，该铝硅合金主要包含(质量百分数，以下同)：Si 12.0～15.0％、Cu 2.0～4.5％、Mg 0.5～1.5％、Mn 0.2～0.5％、Ni 2.2～4.5％、Zr 0.1～0.6％，以及Al、附带的元素和杂质。
本发明的第一优选方案为：所述的铝硅合金主要包含：Si 12.2～14.6％、Cu 2.0～4.2％、Mg 0.5～1.3％、Mn 0.2～0.4％、Ni 2.2～4.5％、Zr 0.15～0.6％以及Al、附带的元素和杂质。
本发明的第二优选方案为：所述铝硅合金中还含有选自微合金化附带元素Er、Hf、Nb、Nd、Sc和Ti中的至少一种，所述的微合金化附带元素的单个添加量介于0.1～0.3％，微合金化元素的添加总量满足0.1％≤(Er+Hf+Nb+Nd+Sc+Ti)wt％≤0.9％。
本发明的第三优选方案，所述铝硅合金中不可避免的杂质元素每种≤0.05wt％，总和≤0.15wt％。
现对本发明铝合金的成分设计原理详细说明如下：
12.0～15.0％的硅(Si)不仅保证了铝硅合金的耐磨性能和低的线膨胀系数及高温尺寸稳定性，又能避免常规金属型重力铸造技术中初晶硅的团聚。Cu(2.0-4.5％)元素的主要作用是：室温时，发明铝硅合金经过时效处理后，Cu与Mg、Si和Al一起形成复杂热稳定性高的Al5Cu2Mg8Si6多元纳米相颗粒沉淀析出，产生沉淀强化效应，显著提高铝硅合金的室温强度；在高温工作条件下，少量的Cu固溶于Al基体中产生固溶强化效应，提高铝硅合金的高温强度，部分Cu仍以Al5Cu2Mg8Si6多元相颗粒的形式存在，对铝硅合金的高温强度产生贡献。Mg的作用主要一是与Cu、Si等一起形成强化相Al5Cu2Mg8Si6(还有可能形成S-Al2CuMg相)，提高合金的室温强度和疲劳性能，二则是调节铝硅合金的密度，故Mg含量为0.50～1.50％，镁含量小于0.5％，形成含镁强化相的数量有限，不足以对铝合金室温性能产生明显的影响，含量大于1.5％，则会在铝合金中形成较多的稳定性较低的骨骼状Mg2Si相，不利于铝合金高温强度的提高，同时降低铝合金的疲劳性能。
镍主要在铝合金中形成Al3Ni等耐热相，提高铝合金的高温强度，镍含量小于2.2％，铝合金基体内形成的含镍耐热相数量较少，难以支撑铝合金350℃以上的高温性能，镍含量一旦超过4.5％，则铝合金中易于形成粗大的含镍耐热相颗粒，恶化铝合金的高温强化和疲劳性能，故优选的镍含量为2.2～4.20％。
少量的Mn则是中和改性作用，使铝硅合金中薄片状的β-Al5FeSi相转变为骨骼状的α-Al15(FeMn)3Si2相，提高铝合金的韧性，改善疲劳性能。
铝硅合金中的Zr则是在铝合金中形成亚微米或纳米级Al3Zr沉淀析出相，一方面细化铝合金铸态晶粒组织，同时促进初晶硅和共晶硅的细化，另一方面，固溶处理过程中析出共格的Al3Zr纳米颗粒，可以提高铝合金的室温和高温强度，提高铝合金的蠕变抗力，阻碍活塞高温工作状态下铝合金晶粒的长大粗化，保持高温工作条件下的高温性能。
微合金化附带元素Er、Hf、Nb、Nd、Sc和Ti等元素在固溶时效过程中，置换纳米颗粒Al3Zr相的Zr原子，形成更为复杂和稳定的多元Al3(Zr、M)(M代表Er、Hf、Nb、Nd、Sc和Ti)型纳米析出相，进一步提高铝合金的高温强度和组织稳定性，提高铝合金的蠕变抗力。
与现有铝硅系铸造合金相比，本发明铝硅合金的优点在于：通过实施本发明铝硅合金，可以使得铸造铝硅合金获得良好的室温力学性能及更好的耐高温性能，即：通过合金化元素Si、Cu、Ni、Mg、Zr、Mn、Er、Hf、Nb、Nd、Sc、和Ti的合理配比，使本发明合金在350℃时获得不低于92MPa的抗拉强度，在425℃时的抗拉强度不低于55MPa，可以满足高强化柴油发动机对铸造铝硅合金活塞高温性能的要求。
附图说明
图1为本发明的实施例1铝硅合金的铸态金相组织。
图2为本发明的实施例1铝硅合金350℃时的工程应力应变曲线。
图3为本发明的实施例2铝硅合金的固溶时效态金相组织。
图4为本发明的实施例3铝硅合金的固溶时效态电镜组织。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
制备方法：所有成分的铝硅铸造合金经过熔炼、铸造、固溶处理和时效处理等流程。
实施例1
铝硅合金成分：Si 15.0％、Cu 4.5％、Mg 1.2％、Mn 0.2％、Ni 3％、Zr 0.3％、Ti0.2％，Hf 0.5％，Sc 0.2％，余量为Al及不可避免的杂质。
微观组织：图1为本实施例的铝合金活塞材料的微观组织，初晶硅颗粒大小和分布均匀，颗粒尺寸一般介于30-60μm；针状耐热相长度介于60～150μm。
力学性能：室温抗拉强度为320MPa、断后延伸率为约2.0％，350℃高温抗拉强度和断后延伸率分别为98MPa和2.9％(见图2)
实施例2
铝硅合金成分：Si 13.5％、Cu 4.0％、Mg 1.2％、Mn 0.2％、Ni 4％、Zr 0.40％、Ti0.30％、Er 0.2％、Nd 0.3％，余量为Al及不可避免的杂质。
微观组织：图3为本实施例的铝合金活塞材料的固溶时效后的微观组织。与铸态铝硅合金相比，初晶硅略微细化且边角发生球化，针状耐热相未发生明显的变化，共晶硅发生因回溶析出呈现微小颗粒状。
力学性能：室温抗拉强度为295MPa、断后延伸率为约1.5％，350℃高温抗拉强度和断后延伸率分别为93MPa和2.1％
实施例3
铝硅合金成分：Si 13.5％、Cu 3.5％、Mg 1.0％、Mn 0.2％、Ni 3.8％、Zr 0.33％、Ti 0.2％、Hf0.4％、Nb 0.3％，余量为Al及不可避免的杂质。
微观组织：图4为本实施例的铝合金活塞材料的扫描电镜组织。经过高温固溶处理后，均匀分布的球型纳米级的Al3Zr型沉淀析出颗粒，其尺寸一般为50nm。
力学性能：425℃高温抗拉强度和断后延伸率分别为59MPa和27％。
显然，本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，在不脱离本发明原理的前提下，而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
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