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(71)申请人成都银河动力有限公司
地址610000四川省成都市新都区新繁街
道普文社区7组105号
(72)发明人王长军彭明诚何光驰曾凡伟
谢成明余小琴
(74)专利代理机构成都金英专利代理事务所
专利代理师郭庆
权利要求书2页说明书7页
一种高强度活塞铝合金及制备方法
本发明涉及铝合金技术领域，具体涉及一种
高强度活塞铝合金，以重量百分比计原料各组分
0.4％，P：≥0.0060%，其余为Al。本发明还提供了
一种高强度活塞铝合金的制备方法，包括以下制
备步骤：S1、铝合金熔炼；S2、铝液精炼；S3、铝合
金活塞热处理。通过本发明制备的高强度活塞铝
合金抗拉强度和塑性等性能更好，能满足高性能
生产高强度活塞的要求。
1.一种高强度活塞铝合金，其特征在于，以重量百分比计原料各组分组成如下：Si：
2.一种高强度活塞铝合金的制备方法，其特征在于，应用如权利要求1所述的高强度活
塞铝合金，包括以下制备步骤：
S1、铝合金熔炼；
S2、铝液精炼；
S3、铝合金活塞热处理。
3.根据权利要求2所述的一种高强度活塞铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S1
包括以下子步骤：
S11、在工频炉炉底加入硅，然后倒入天然气连续熔化炉里熔化好的铝液，再加铜、镍，
开启工频炉升温，待铝液温度达到780℃±20℃时加入镁合金、铝钒合金、铝钛合金、铝锆合
金、铝磷合金；
S12、继续升温至900‑930℃进行保温扩散熔炼，保温扩散时间为20‑40分钟；
S13、成分取样，待成分合格后，进行出水操作。
4.根据权利要求3所述的一种高强度活塞铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S2
包括以下子步骤：
S21、铝液除Ca预处理，预处理温度：770‑790℃；除气机转速控制在480‑520转/min，气
体压力控制在0.5‑0.6MPa，气流量控制在5‑15L/min时，加入一定量的除Ca熔剂，旋转除气5
分钟；
S22、铝液精炼处理，精炼温度：770‑790℃；将60g‑90g精炼剂沿漩涡边缘倒入铝液漩涡
内进行精炼处理，精炼除气时间10分钟；
S23、铝液静置：铝液精炼完毕后静置10分钟，用密度当量仪检测铝液质量，密度当量DI
值≤0.6，方可清渣开包浇注。
5.根据权利要求4所述的一种高强度活塞铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤
S21中，加入除Ca熔剂的方法为：将除气机转子置于坩埚（铝液）的正中央旋转，待铝液起比
较大的漩涡后，取定量的除Ca熔剂沿漩涡边缘倒入铝液漩涡内，继续旋转除气。
根据权利要求4所述的一种高强度活塞铝合金的制备方法，其特征在于，所述除Ca
根据权利要求4所述的一种高强度活塞铝合金的制备方法，其特征在于，所述精炼
8.根据权利要求3所述的一种高强度活塞铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S3
包括以下子步骤：
S31、铝活塞裙部铸淬处理：活塞毛坯温度不小于420℃，取出活塞毛坯立即放入淬火箱
中，淬火位置为止口向下，浸入深度不低于销孔中心，不超过销孔顶端；
S32、两组时效处理：第一次时效为180℃×5h，入炉温度≤50℃，升温时间
≥45分钟，
随后出炉空冷至室温再进行第二次时效，第二次时效为245℃×2h，入炉温度≤50℃，升温
时间≥60分钟。
9.根据权利要求8所述的一种高强度活塞铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤
S31中，淬火温度为60‑90℃。
一种高强度活塞铝合金及制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及铝合金技术领域，具体涉及一种高强度活塞铝合金及制备方法。
背景技术
[0002]铝及铝合金具有轻量性、耐蚀性、易成形性、高比强度、高导电性和导热性、易回收
性等诸多优良的特性，因此被广泛运用于建筑、汽车、飞机、船舶、国防工业等各个行业。含
Cu、Ni、Mg、V、Ti、Zr等合金元素的多元Al‑Si系合金由于拥有良好的铸造性能和较小的线膨
胀系数，同时金属间强化相的存在使合金的硬度和强度提高，耐磨性和耐蚀性表现较好。这
类合金满足材料对密度、高温疲劳强度、热膨胀系数、导热性、耐热性和耐磨性的要求，常用
于内燃机活塞等轻质高强零部件的制造。
[0003]活塞是内燃发动机部件中工作环境最恶劣、结构复杂的运动部件，主要作用是承
受汽缸中的燃烧压力，并将此力通过活塞销和连杆传给曲轴。由于活塞直接与高温高压燃
气相接触，承受较大的热负荷和机械负荷。同时，发动机功率和扭矩不断增大，导致的燃烧
室压力和温度大幅升高，活塞需要承受较高的热机械载荷，对铝合金活塞的强度提出了更
高的要求，常温抗拉强度≥280MPa，常温延伸率≥1％，高温(350℃)抗拉强度≥90MPa，高温
(350℃)延伸率≥7％，体积稳定性≤0.01％D，线/℃，活塞
喉口部位金相组织≤4级；而原铝合金活塞的要求为常温抗拉强度≥225MPa，常温延伸率≥
0.5％，高温(350℃)抗拉强度≥80MPa，高温(350℃)延伸率≥2％，体积稳定性≤0.01％D，
线/℃，活塞喉口部位金相组织≤4级；与原活塞性能要求相
比，铝合金活塞性能主要提升的是抗拉强度及其延伸率，常温抗拉强度最小值提高55MPa，
常温延伸率最小值提升0.5％，高温(350℃)抗拉强度最小值提高10MPa，高温(350℃)延伸
率最小值提升5％。
[0004]目前铝合金活塞一般采用金属型重力铸造方式生产，由于凝固过程中冷却速度较
慢，组织中存在较大的块状初晶硅组织和呈杆状分布的共晶硅组织，同时活塞材料中的杂
质元素Fe，为了改善Fe元素形态添加的Mn，以上两种元素降低了活塞材料的疲劳强度和导
热系数。虽然现有的材料成分及铸造工艺基本能够满足要求，已经不能满足日趋严苛的使
用要求。需要从材料成分、合金细化、活塞热处理等方面采取措施，提升铝活塞的综合性能，
以提高活塞的使用寿命。
发明内容
[0005]本发明目的是针对现有技术的问题和不足之处而提供了一种高强度、高延伸率、
高抗疲劳强度活塞用铝硅合金材料。
[0006]为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
[0007]一种高强度活塞铝合金，以重量百分比计原料各组分组成如下：Si：11.5‑12.0％，
[0008]一种高强度活塞铝合金的制备方法，包括以下制备步骤：
[0011]S3、铝合金活塞热处理。
[0012]具体的，所述步骤S1包括以下子步骤：
[0013]S11、在工频炉炉底加入硅，然后倒入天然气连续熔化炉里熔化好的铝液，再加铜、
镍，开启工频炉升温，待铝液温度达到780℃±20℃时加入镁合金、铝钒合金、铝钛合金、铝
锆合金、铝磷合金；
[0014]S12、继续升温至900‑930℃进行保温扩散熔炼，保温扩散时间为20‑40分钟；
[0015]S13、成分取样，待成分合格后，进行出水操作。
[0016]具体的，所述步骤S2包括以下子步骤：
min，气体压力控制在0.5‑0.6MPa，气流量控制在5‑15L/min时，加入一定量的除Ca熔剂，旋
转除气5分钟；
[0018]S22、铝液精炼处理，精炼温度：770‑790℃；将60g‑90g精炼剂沿漩涡边缘倒入铝液
漩涡内进行精炼处理，精炼除气时间10分钟；
[0019]S23、铝液静置：铝液精炼完毕后静置10分钟，用密度当量仪检测铝液质量，密度当
量DI值≤0.6，方可清渣开包浇注。
[0020]具体的，所述步骤S21中，加入除Ca熔剂的方法为：将除气机转子置于坩埚(铝液)
的正中央旋转，待铝液起比较大的漩涡后，取定量的除Ca熔剂沿漩涡边缘倒入铝液漩涡内，
继续旋转除气。
[0023]具体的，所述步骤S3包括以下子步骤：
[0024]S31、铝活塞裙部铸淬处理：活塞毛坯温度不小于420℃，取出活塞毛坯立即放入淬
火箱中，淬火位置为止口向下，浸入深度不低于销孔中心，不超过销孔顶端；
[0025]S32、两组时效处理：第一次时效为180℃×5h，入炉温度≤50℃，升温时间≥45分
钟，随后出炉空冷至室温再进行第二次时效，第二次时效为245℃×2h，入炉温度≤50℃，升
温时间≥60分钟。
[0026]具体的，所述步骤S31中，淬火温度为60‑90℃。
[0027]基于上述技术方案，本发明实施例至少可以产生如下技术效果：
[0028](1)本发明提供的一种高强度活塞铝合金，选择Cu含量在4.35‑4.55％范围、Mg含
及硬化效果好的特性，提升活塞机械强度性能。
[0029](2)本发明提供的一种高强度活塞铝合金，一般铸造活塞用Al‑Si合金中含有Mn元
素，主要是改善Fe元素形成的针铁及鱼骨状铁形态，但本发明在合金中降低杂质Fe元素时
不加入Mn元素，主要是提升Al‑Si合金活塞的热导率，使活塞头部燃烧室内产生的热量能尽
快传递，增强活塞抗疲劳性能。Si选取在Al‑Si系合金偏下限，本发明选取在Si11.5‑12.0％
范围，主要是降低初晶硅析出几率及减少Al‑Si合金的热裂倾向。Al‑Si合金中添加V、Ti、Zr
等微量元素，V、Ti、Zr等微量元素具有细化铸态组织，抑制合金再结晶过程晶粒的长大，细
化初晶硅，可提高合金的抗拉强度和塑性等性能。
[0030](3)本发明提供的一种高强度活塞铝合金得制备方法，在铝合金熔炼工序加入铝
磷合金变质剂，高温900‑930℃，时长20‑40分钟保温扩散熔炼，合金均匀化效果好的同时主
要是提高游离态P元素的含量，游离态P起到抑制硅相生长的作用，促进初晶硅细化。
[0031](4)本发明提供的一种高强度活塞铝合金得制备方法，现场铝液除Ca预处理及除
Ca熔剂加入量的控制，当熔体中Ca含量增高时，易形成高熔点的AlCa化合物，降低铝合金的
流动性及补缩性能，同时还可能形成不溶于铝基体的化合相(如Al4Ca)，从而影响铝合金热
处理后的性能；多余的Ca还可与Al、Si反应生成粗大板片状Al2Si2Ca相；而且Ca的存在还会
导致Al2O3氧化膜的破裂，增加铝液含氢量和铸件出现气孔、疏松的几率，影响产品的表面
和内部质量。据研究表明，合金中Ca含量越低，P的变质效果越显著，初晶硅平均尺寸越细
小。根据铝液中的Ca含量，加入相应的除Ca熔剂，当Ca≤0.001％、≥0.006％时，铝液变质效
果最佳。
[0032](5)本发明提供的一种高强度活塞铝合金得制备方法，通过两组时效处理，第一次
时效为180℃×5h，提升Al‑Si合金活塞的时效强化效果及硬度，提高活塞抗拉强度；第二次
时效为245℃×2h，提升活塞体积稳定性。
具体实施方式
[0033]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行
详细的描述。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，以下结合
实施例对本发明作进一步详细描述。
[0034]本发明提供的一种高强度活塞铝合金得制备方法，包括优化的铝合金熔炼工艺、
优化铝液精炼工艺及优化铝合金活塞热处理工艺，具体包括以下步骤：
[0035]1、铝合金材料熔炼工艺按以下步骤进行：
[0036]a)先在工频炉炉底加入硅，然后倒入天然气连续熔化炉里熔化好的铝液，再加铜、
镍，开启工频炉升温，待铝液温度达到780℃±20℃时加入镁合金、铝钒合金、铝钛合金、铝
锆合金、铝磷合金。
[0037]b)继续升温至900‑930℃进行保温扩散熔炼，保温扩散时间为20‑40分钟；
[0038]c)成分取样，待成分合格后，进行出水操作；
[0039]2、铝液精炼工艺按以下步骤进行：
[0040]a)现场铝液除Ca预处理：①预处理温度：770‑790℃；②除气机转速控制在480‑520
转/min，气体压力控制在0.5‑0.6MPa，气流量控制在5‑15L/min时，将一定量的除Ca熔剂，旋
转除气5分钟；③加除Ca熔剂的方法：将除气机转子置于坩埚(铝液)的正中央旋转，待铝液
起比较大的漩涡后，取定量的除Ca熔剂沿漩涡边缘倒入铝液漩涡内，继续旋转除气。其中除
Ca熔剂加入量如下表所示：
炼剂沿漩涡边缘倒入铝液漩涡内进行精炼处理；③铝液精炼除气时间10分钟；
[0043]c)铝液静置：铝液精炼完毕后静置10分钟，用密度当量仪检测铝液质量，密度当量
DI值≤0.6，方可清渣开包浇注。
[0044]3、铝合金活塞的热处理工艺按以下步骤进行：
[0045]a)铝活塞裙部铸淬处理：取出活塞毛坯立即放入淬火箱中，活塞毛坯温度不小于
420℃，淬火位置为止口向下，浸入深度不低于销孔中心，不超过销孔顶端；淬火温度60‑90
℃。
[0046]b)两组时效处理：第一次时效为180℃×5h，入炉温度≤50℃，升温时间≥45分钟，
随后出炉空冷至室温再进行第二次时效，第二次时效为245℃×2h，入炉温度≤50℃，升温
时间≥60分钟。
[0049]按上述铝合金成分控制要求配制300Kg铝液合金，按上述铝合金熔炼工艺要求熔
炼铝液合金，检测合金成分，铝合金中各组分的组成如下：Si
其余为Al。
[0051]按上述铝液精炼工艺要求进行铝液精炼处理，铝液精炼工艺如下：
[0052]a)现场铝液除Ca预处理：检测现场保温炉铝液温度785℃，加入1定量瓢(80g)
1956除Ca熔剂，旋转除气5分钟；
[0053]b)铝液精炼处理：检测预处理后的铝液温度为776℃，加入称重65g的Pyroflux
DR212精炼剂进行精炼除气处理10分钟；
[0054]c)铝液静置：铝液精炼完毕后静置10分钟，密度当量仪检测铝液密度当量DI值为
[0055]d)活塞成分检测：铝液精炼后取成分试样检测活塞成分，铝液合金各组分的组成
如下：Si
[0057]铝活塞浇注，选用型号活塞分别进行浇注实例验证：产品型号选用NKM974ZL‑B活
塞，缸径Φ138，铸造机型为ZG1400‑Ⅱ下抽芯浇铸机：
[0058]a)该Φ138缸径活塞毛坯浇注工艺：浇注温度760‑780℃，补缩时间190秒，模具冷
却工艺：外模延30秒冲水140秒；内模中芯连续冲水；顶模延170冲水10秒；销子延10秒冲水
[0059]b)按上述铝活塞裙部铸淬工艺进行裙部铸淬处理，淬火温度60‑90℃。
[0061]铝活塞时效热处理：
[0063]b)按上述热处理时效工艺要求对铝活塞进行两组时效处理。
[0066]按上述铝合金成分控制要求配制300Kg铝液合金，按上述铝合金熔炼工艺要求熔
炼铝液合金，检测合金成分，铝合金中各组分的组成如下：Si
其余为Al。
[0068]按上述铝液精炼工艺要求进行铝液精炼处理，铝液精炼工艺如下：
[0069]a)现场铝液除Ca预处理：检测现场保温炉铝液温度788℃，加入2定量瓢(160g)
1956除Ca熔剂，旋转除气5分钟；
[0070]b)铝液精炼处理：检测预处理后的铝液温度为778℃，加入称重70g的Pyroflux
DR212精炼剂进行精炼除气处理10分钟；
[0071]c)铝液静置：铝液精炼完毕后静置10分钟，密度当量仪检测铝液密度当量DI值为
[0072]d)活塞成分检测：铝液精炼后取成分试样检测活塞成分，铝液合金各组分的组成
如下：Si
[0074]铝活塞浇注，选用型号活塞分别进行浇注实例验证：产品型号选用YC4110ZLQ活
塞，缸径Φ110，铸造机型为ZG1400‑Ⅱ下抽芯浇铸机；
[0075]a)该Φ110缸径活塞毛坯浇注工艺：浇注温度760‑780℃，补缩时间140秒，模具冷
却工艺：外模延30秒冲水90秒；中芯连续冲水；顶模延120秒冲水10秒；销子空冷。
[0076]b)按上述铝活塞裙部铸淬工艺进行裙部铸淬处理，淬火温度60‑90℃。
[0078]铝活塞时效热处理：
[0080]b)按上述热处理时效工艺要求对铝活塞进行两组时效处理。
[0083]按上述铝合金成分控制要求配制300Kg铝液合金，按上述铝合金熔炼工艺要求熔
炼铝液合金，检测合金成分，铝合金中各组分的组成如下：Si
其余为Al。
[0085]按上述铝液精炼工艺要求进行铝液精炼处理，铝液精炼工艺如下：
[0086]a)现场铝液除Ca预处理：检测现场保温炉铝液温度784℃，加入1.5定量瓢(120g)
1956除Ca熔剂，旋转除气5分钟；
[0087]b)铝液精炼处理：检测预处理后的铝液温度为775℃，加入称重85g的Pyroflux
DR212精炼剂进行精炼除气处理10分钟；
[0088]c)铝液静置：铝液精炼完毕后静置10分钟，密度当量仪检测铝液密度当量DI值为
[0089]d)活塞成分检测：铝液精炼后取成分试样检测活塞成分，铝液合金各组分的组成
如下：Si
[0091]铝活塞浇注，选用型号活塞分别进行浇注实例验证：产品型号选用YN27CRE活塞，恒行6娱乐注册
缸径Φ90，铸造机型为ZG1400‑Ⅱ下抽芯浇铸机：
[0092]a)该Φ90缸径活塞毛坯浇注工艺：浇注温度760‑780℃，补缩时间70秒，模具冷却
工艺：外模延30秒冲水30秒，芯模连续冲水，顶模延55秒冲水5秒，销子空冷。
[0093]b)按上述铝活塞裙部铸淬工艺进行裙部铸淬处理，淬火温度60‑90℃。
[0095]铝活塞时效热处理：
[0097]b)按上述热处理时效工艺要求对铝活塞进行两组时效处理。
[0099]性能试样取样部位：常温抗拉强度、高温抗拉强度、线胀系数均在活塞销孔上方头
部取样；金相组织在销孔上方的燃烧室喉口部位取样。性能检测数据如下表：
[0101]上表检测数据表明：制备高强度活塞铝合金能达到：常温抗拉强度≥280MPa，常温
延伸率≥1％，高温(350℃)抗拉强度≥90MPa，高温(350℃)延伸率≥7％，体积稳定性≤
0.01％D，线/℃，活塞喉口部位金相组织≤4级，能满足生产
高强度活塞的要求。
[0102]可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱
离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另
外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不
会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入
本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
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