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(10)授权公告号
(45)授权公告日
(65)同一申请的已公布的文献号
(73)专利权人中铝材料应用研究院有限公司
地址102209北京市昌平区北七家镇未来
科技城南区
(72)发明人路通李虎田钟鼓邱楚
张跃波
(74)专利代理机构中国有色金属工业专利中心
专利代理师范威
审查员霍亮琴
一种铝合金活塞材料及其制备方法
本发明公开了一种铝合金活塞材料及其制
备方法。本发明通过调控Cu元素和Ni元素的添加
素，精准控制高温耐热相和室温强化相的组成、
形貌和面积百分数，同时降低材料组织中脆性相
的数量，获得了综合性能优异的铝合金活塞材
料。与现有技术相比，本发明提供的铝合金活塞
优于现有铝合金活塞材料，且热膨胀系数与现有
材料相当，同时生产成本降低，特别适用于制备
高爆发压力的内燃机活塞。
权利要求书1页说明书6页附图1页
1.一种铝合金活塞材料，其特征在于，所述铝合金活塞材料的各组分的质量百分比为：
0.2％，余量为Al；所述铝合金活塞材料包括Al
合物；所述Al
Ni和AlSiZr(Ni)三种金属间化合物的面积百分数含量总和为
17.2～20.3％，铝合金活塞材料的组分中Cu/Ni的范围为2.25～2.75；所述铝合金活塞材料
的制备方法，包括以下步骤：
1)按上述铝合金活塞材料中各组分的质量百分比进行配料、熔炼；
2)在铝液温度为740～750℃时进行浇铸，浇铸后冷却到室温，得到铝合金铸件；
其中，熔炼和浇铸的总时间为3h～5h；
3)将步骤2)得到的铝合金铸件在465～485℃保温6小时后水淬，之后在165～185℃保
温6小时进行人工时效。
2.根据权利要求1所述的铝合金活塞材料，其特征在于，所述铝合金活塞材料的各组分
杂质元素总量不超过0.2％；余量为Al。
3.根据权利要求1所述的铝合金活塞材料，其特征在于，所述步骤1)中的熔炼工艺为：
将纯铝锭、铝镍、铝锆中间合金在800℃下熔化，在760℃时保温30min，加入工业硅块和纯Cu
保温30min；之后加入Mn剂，搅拌，扒渣，在800℃～850℃时，加铝磷中间合金，保温30min～
45min；在730℃时，加入纯Mg，加入精炼剂，通入惰性气体进行除气，除气后静置15min～
4.根据权利要求3所述的铝合金活塞材料，其特征在于，所述步骤1)的除气采用的是氩
5.根据权利要求3所述的铝合金活塞材料，其特征在于，所述步骤1)的精炼剂为无钠精
炼剂，所述无钠精炼剂的加入为总投料量的0.2％。
权利要求书
一种铝合金活塞材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料领域，特别涉及一种高爆发压力>
22MPa、高燃烧室温度>
300
℃的铝合金活塞材料及其制备方面。
背景技术
近年来，在汽车的“高速、轻量、安全”的发展潮流中，增压发动机、高速发动机等已
越来越多地应用到汽车设计中，对发动机活塞材料室温性能、高温性能、耐磨性能、体积稳
定性及疲劳性能均提出了越来越高的要求。近年来，活塞合金材料的重点研究方向为高温
性能，忽视了活塞材料的其它使用性能，限制了活塞材料的应用和推广。目前，提高铝合金
活塞材料的综合性能已经成为材料工作者一个新的研究方向。现有技术中，活塞合金的高
温延伸率及疲劳性能不能满足活塞复杂的服役环境，因此，市场急需一款综合性能优异满
足高爆发压力内燃机活塞服役性能要求且成本不高、利于推广的铝合金活塞材料。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种能够获得综合性能优异满足高爆发压
力内燃机活塞服役性能要求且成本低的铝合金活塞材料制备方法。
本发明采用以下技术方案：
一种铝合金活塞材料，各组分的质量百分比为：Si:11.5～12.5％；Cu:3.5～
0.4％；Ti：0.1‑0.3％；P：70～200ppm；其它杂质元素总量不超过0.2％，余量为Al；所述铝合
金活塞材料包括Al
优选地，所述铝合金活塞材料的各组分的质量百分比为:Si：11.8～12.0％；Cu：
0.2％；余量为Al。
优选的，所述铝合金活塞材料组分中Cu/Ni的范围为2.25～2.75；
优选的，所述Al
Ni和AlSiZr(Ni)三种金属间化合物的面积百分数含
本发明还提供一种制备铝合金活塞材料的方法，包括以下步骤：
1)按铝合金活塞材料中元素的质量百分数比分别称取原料工业Si块、纯Cu、
2)设置炉温800℃，将纯Al锭、Al10Ni、Al10Zr放置于熔炼炉内熔化，铝液温度达到
760℃时，保温30min；将工业硅块和纯Cu加入熔体中保温30min待其完全熔化；
3)将铝液温度保持为760℃，向铝液中加入Mn剂和Ti剂，搅拌，扒渣；
4)成分合格后，将铝液温度升高至800℃～850℃，加Al4.5P中间合金，搅拌，保温
5)温度降至730℃，加入纯Mg，加入总投料量的0.2％的无钠精炼剂，通入Ar气，气
说明书
若成分不合格可以再调整；
6)当铝液温度740～750℃，模具温度150℃左右时浇铸；
7)步骤2～步骤6的熔炼和铸造的总时长之和为3h～5h；
8)当铸件凝固冷却到室温取出后，放置在电阻炉在465～485℃保温6小时后水淬，
之后在165～185℃保温6小时进行人工时效，获得所述得新型铝合金活塞材料。
与现有技术相比，本发明有益技术效果为：
活塞合金组织中耐热相形貌对高温性能的作用影响明显，贡献程度为棒状
Ni，但长杆状的Al
Ni相降低了合金材料
的高温延伸率和高温疲劳性能，本发明通过调控Cu/Ni比，使合金材料凝固生成的耐热相全
部为棒状的Al
CuNi相和骨骼状、棒状的Al
Ni相，最大程度保证合金的高温性能同时提
高合金的高温延伸率和高温疲劳性能。
其次，本发明向合金中加入适量的Zr元素，Zr元素与Al发生包晶反应的元素，并且
溶质分配系数接近1，降低凝固过程中微观偏析的倾向；同时Zr元素可以加速合金的时效析
出动力学，使合金材料短时间达到室温的峰值时效强度，并且Zr元素在基体中形成了
Zr的晶内弥散相，进一步提高了活塞材料的高温性能。
第三，本发明提供一种制备铝合金活塞材料的方法，获得合金中细小的初晶Si，从
而制备得到本发明所述的综合性能优异的铝合金活塞材料。
最后，本发明所述的新型铝合金活塞材料制备成本比市面上主流活塞材料的成本
降低了大约1000元/吨，具有很强的市场应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例1制得的铝合金活塞材料的扫描电镜组织照片。
图2为本发明比较例1制得的铝合金活塞材料的扫描电镜组织照片。
具体实施方式
以下结合附图、具体实施例及比较例，对本发明作进一步详述，以使本发明更易于
理解和掌握。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本
发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下获得的所有其它实施
例，都属于本发明的保护范围。
实施例1
2)设置炉温800℃，将纯Al、Al10Ni、Al10Zr放置于熔炼炉内熔化，铝液温度达到
760℃时，保温30min；将工业纯Si和纯Cu加入熔体中保温30min待其完全熔化；
3)将铝液温度保持为760℃，向铝液中加入Mn剂和Ti剂，搅拌，扒渣；
4)成分合格后，将铝液温度升高至800℃，加入质量分数为200ppm的Al4.5P中间合
金，搅拌，保温35min；
说明书
5)温度降至730℃，加入纯Mg，加入总投料质量0.2％的无钠精炼剂，通入Ar气，气
体流量为0.3L/min，除气20min。除气完成后静置15min，取成分样；
6)当铝液温度740℃，模具温度为150℃左右时浇铸；
7)步骤2到步骤6的熔炼和铸造总时长控制在3h；
8)当铸件凝固冷却到室温取出后，放置电阻炉485℃保温6小时后水淬火，接着将
铸件装入185℃箱式电阻炉保温6小时进行人工时效处理后，获得所述得新型铝合金活塞材
料。
实施例2
2)设置炉温800℃，将纯Al、Al10Ni、Al10Zr放置于熔炼炉内熔化，铝液温度达到
760℃时，保温30min；将纯Si和纯Cu加入熔体中保温30min待其完全熔化；
3)将铝液温度保持为760℃，向铝液中加入Ti剂和Mn剂，搅拌，扒渣
4)成分合格后，将铝液温度升高至830℃，加入质量分数为300ppm的Al4.5P中间合
金，搅拌，保温40min；
5)温度降至730℃，加入纯Mg，加入总投料质量0.2％的无钠精炼剂，通入Ar气，气
体流量为0.2L/min，除气15min。除气完成后静置20min，取成分样；
6)当铝液温度为745℃，模具温度150℃左右时浇铸；
7)步骤2到步骤6的熔炼和铸造总时长4h；
8)当铸件凝固冷却到室温取出后，放置电阻炉485℃保温6小时后水淬火，接着将
铸件装入185℃箱式电阻炉保温6小时进行人工时效处理后，获得所述得新型铝合金活塞材
料。
实施例3
2)设置炉温800℃，将纯Al、Al10Ni、Al10Zr放置于熔炼炉内熔化，铝液温度达到
760℃时，保温30min；将纯Si和纯Cu加入熔体中保温30min待其完全熔化；
3)将铝液温度保持为760℃，向铝液中加入Mn剂和Ti剂，搅拌，扒渣；
4)成分合格后，将铝液温度升高至840℃，加入质量分数为500ppm的Al4.5P中间合
金，搅拌，保温45min；
5)温度降至730℃，加入纯Mg，加入总投料量0.2％的无钠精炼剂，通入Ar气，气体
流量为0.28L/min，除气18min。除气完成后静置40min，取成分样；
6)当铝液温度为750℃，模具温度150℃左右时浇铸；
7)步骤2到步骤6的熔炼和浇铸总时长5h；
8)当铸件凝固冷却到室温取出后，放置电阻炉485℃保温6小时后水淬火，接着将
铸件装入185℃箱式电阻炉保温6小时进行人工时效处理后，获得所述得新型铝合金活塞材
料。
说明书
实施例4
2)设置炉温800℃，将纯Al、Al10Ni、Al10Zr放置于熔炼炉内熔化，铝液温度达到
760℃时，保温30min；将纯Si和纯Cu加入熔体中保温30min待其完全熔化；
3)将铝液温度保持为760℃，向铝液中加入Mn剂和Ti剂，搅拌，扒渣；
4)成分合格后，将铝液温度升高至840℃，加入质量分数为500ppm的Al4.5P中间合
金，搅拌，保温45min；
5)温度降至730℃，加入纯Mg，加入总投料质量0.2％的无钠精炼剂，通入Ar气，气
体流量为0.28L/min，除气18min。除气完成后静置40min，取成分样；
6)当铝液温度为750℃，模具温度150℃左右时浇铸；
7)步骤2到步骤6的熔炼和浇铸总时长4.5h；
8)当铸件凝固冷却到室温取出后，放置电阻炉465℃保温6小时后水淬火，接着将
铸件装入165℃箱式电阻炉保温6小时进行人工时效处理后，获得所述得新型铝合金活塞材
料。
实施例5
2)设置炉温800℃，将纯Al、Al10Ni、Al10Zr放置于熔炼炉内熔化，铝液温度达到
760℃时，保温30min；将纯Si和纯Cu加入熔体中保温30min待其完全熔化；
3)将铝液温度保持为760℃，向铝液中加入Mn剂和Ti剂，搅拌，扒渣；
4)成分合格后，将铝液温度升高至840℃，加入质量分数为500ppm的Al4.5P中间合
金，搅拌，保温45min；
5)温度降至730℃，加入纯Mg，加入总投料质量0.2％的无钠精炼剂，通入Ar气，气
体流量为0.28L/min，除气18min。除气完成后静置40min，取成分样；
6)当铝液温度为740℃，模具温度150℃左右时浇铸；
7)步骤2到步骤6的熔炼和浇铸总时长4.5h；
8)当铸件凝固冷却到室温取出后，放置电阻炉485℃保温6小时后水淬火，接着将
铸件装入185℃箱式电阻炉保温6小时进行人工时效处理后，获得所述得新型铝合金活塞材
料。
实施例6
2)设置炉温800℃，将纯Al、Al10Ni、Al10Zr放置于熔炼炉内熔化，铝液温度达到
760℃时，保温30min；将纯Si和纯Cu加入熔体中保温30min待其完全熔化；
3)将铝液温度保持为760℃，向铝液中加入Mn剂和Ti剂，搅拌，扒渣；
说明书
4)成分合格后，将铝液温度升高至840℃，加入质量分数为500ppm的Al4.5P中间合
金，搅拌，保温45min；
5)温度降至730℃，加入纯Mg，加入总投料质量0.2％的无钠精炼剂，通入Ar气，气
体流量为0.28L/min，除气18min。除气完成后静置40min，取成分样；
6)当铝液温度为740℃，模具温度150℃左右时浇铸；
7)步骤2到步骤6的熔炼和浇铸总时长3.5h；
8)当铸件凝固冷却到室温取出后，放置电阻炉465℃保温6小时后水淬火，接着将
铸件装入165℃箱式电阻炉保温6小时进行人工时效处理后，获得所述得新型铝合金活塞材
料。
实施例7
2)设置炉温800℃，将纯Al、Al10Ni、Al10Zr放置于熔炼炉内熔化，铝液温度达到
760℃时，保温30min；将纯Si和纯Cu加入熔体中保温30min待其完全熔化；
3)将铝液温度保持为760℃，向铝液中加入Mn剂和Ti剂，搅拌，扒渣；
4)成分合格后，将铝液温度升高至840℃，加入质量分数为500ppm的Al4.5P中间合
金，搅拌，保温45min；
5)温度降至730℃，加入纯Mg，加入总投料质量0.2％的无钠精炼剂，通入Ar气，气
体流量为0.28L/min，除气18min。除气完成后静置40min，取成分样；
6)当铝液温度为750℃，模具温度150℃左右时浇铸；
7)步骤2到步骤6的熔炼和浇铸总时长4.8h；
8)当铸件凝固冷却到室温取出后，放置电阻炉485℃保温6小时后水淬火，接着将
铸件装入185℃箱式电阻炉保温6小时进行人工时效处理后，获得所述得新型铝合金活塞材
料。
比较例1
0.8％，Mn:0.4％，Ti:0.13％，P:150ppm，Al余量。按上述配比进行熔炼、浇铸及淬火时效铝
合金活塞材料，恒行6娱乐其熔炼、浇铸及淬火时效工艺与实施例1相同。
比较例2
0.9％，Mn:0.2％，Ti:0.2％，Al余量，按上述配比进行熔炼、浇铸及淬火时效铝合金活塞材
料，其熔炼、浇铸及淬火时效工艺与实施例1相同。
比较例3
铝合金活塞材料，其熔炼、浇铸及淬火时效工艺与实施例1相同。
将本实施例和比较例制得的合金材料制成直径Φ10的标准室温拉伸试样、直径Φ
16的标准高温拉伸试样和标注高温疲劳试样，按照国家标准GB/T 228 .2‑2015、GB/T
说明书
228.1‑2010、GB/T3075分别测试室温力学性能、350℃力学性能和350℃疲劳性能；同时测试
了本实施例和比较例的流动性能、密度及线膨胀系数，各项测试结果如表1所示。
表1实施例和对比例获得的铝合金活塞材料性能对比
说明书
