一种多元合金增强活塞铝合金材料及其制备方法与应用与流程

本发明涉及金属材料，具体涉及一种多元合金增强活塞铝合金材料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、随着载重汽车、工程机械、铁路机车及船用发动机向大功率、高负荷方向发展，活塞的工作温度与机械负荷持续升高，对活塞材料的高温强度、高温疲劳性能提出了更为苛刻的要求。目前，商用活塞铝合金主要基于 al-si-cu-ni-mg 系，通过提高铜（cu）和镍（ni）的含量来增加合金相数量，从而提高耐热性能；同时添加钛（ti）、锆（zr）、钒（v）等元素细化α-al 晶粒和组织。

2、然而，现有技术存在以下突出问题：

3、1、细化能力不足：即使采用 ti、b、zr 等常规细化剂，α-al 晶粒的最终尺寸通常大于 220 μm，且合金相组织粗大。粗大的晶粒和相组织严重限制了材料的高温疲劳寿命。

4、2、高温疲劳性能提升幅度有限：在上述合金化及细化方案下，材料在 300 ℃ 和350 ℃ 的高温疲劳强度仅能在原有基础上提高约 10%，而在 350 ℃ 以上时提升幅度更低，仅为 5% 左右。这一瓶颈使得现有铝合金活塞难以满足新一代高强化发动机的需求。

5、3、被迫采用锻钢活塞：由于铝合金活塞的高温性能无法达标，部分厂家不得不改用锻钢活塞，但锻钢活塞不仅成本高昂，而且重量显著增加，导致发动机能耗上升，不符合绿色节能的发展趋势。

6、针对上述问题，国内外学者开展了大量研究。例如，中国专利文献 cn103469021a（公开日：2013年12月25日）公开了一种发动机活塞用铝合金，其成分为：si 8.5-12.5%、cu1.8-2.4%、mg 0.6-1.2%、ni 1.2-1.6%、la 0.04-0.06%、tm 0.02-0.04% 等，余量为 al。该方案采用了单一稀土元素 la 和 tm，但并未解决 α-al 晶粒粗大（>220 μm）和高温疲劳提升幅度有限的根本问题。

7、另一篇中国专利文献 cn103725933a（公开日：2014年4月16日）公开了一种柴油机活塞用铝合金型材，其成分为：si 12-15%、cu 4.4-5.8%、ni 2.7-3.4%、sc 0.03-0.06%、y0.02-0.05%、lu 0.01-0.03% 等。该方案使用了多种稀土元素，但同样未能突破高温疲劳性能提升幅度的瓶颈，且稀土成本极高。

8、此外，相关研究论文（如《发动机活塞和缸套材料及其加工工艺研究现状》、《高性能汽车发动机活塞材料与热处理工艺的研究》、《高性能活塞材料-bh135的研发》）主要从工艺优化或材料体系概述角度进行了探讨，均未提出有效的成分-工艺协同解决方案，也未给出能够将α-al晶粒尺寸降至 150 μm以下并显著提升350 ℃高温疲劳性能的具体技术手段。

9、综上所述，现有技术亟需一种能够在保持较低合金化程度的同时，大幅细化 α-al晶粒、抑制有害针状铁相、并显著提升高温疲劳强度的活塞铝合金材料及其制备方法。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种多元合金增强活塞铝合金材料及其制备方法与应用，通过多元微合金化与特殊工艺协同作用，使 α-al 晶粒尺寸降至 150 μm 以下、350 ℃ 高温疲劳强度提升 15% 以上的活塞铝合金材料及其制备方法。

2、本发明是通过如下技术方案实现的：

3、提供一种多元合金增强活塞铝合金材料，按重量百分比计，包括以下组分：

4、si：9.5~17.0%，cu：2.5~5.5%，ni：1.5~3.5%，mg：0.15~1.0%，fe：0.1~1.0%，ti：0.001~0.05%，b：0.0002~0.03%，sr：0.001~0.05%，mn：0.1~0.8%，er：0.05~0.6%，cr：0.01~0.6%，zn：0~0.3%，以及铈镧复合稀土：0.002~0.05%；

5、其中铈镧复合稀土中ce：la = 1：0.25~0.40，余量为铝al及不可避免杂质；铈镧复合稀土以含铈镧复合稀土的铝钛硼丝形式加入。

6、进一步地，铝钛硼丝的直径为1.5~3.5mm。

7、作为优选，铈镧复合稀土中ce：la = 1：0.30~0.35。

8、进一步地，er的含量为0.4~0.5%。

9、进一步地，合金中mn与cr与fe协同形成块状al15si2fe3(mn，cr)3相以替代针状β-al5fesi相，该块状相平均尺寸<70μm。

10、进一步地，合金的α-al晶粒最终尺寸<150μm。

11、进一步地，合金在350℃下的高温疲劳性能≥55mpa，常温疲劳性能≥130mpa。

12、本发明还提供一种活塞铝合金的制备方法，用于制备多元合金增强活塞铝合金材料，包括以下步骤：

13、（1）预制铈镧复合稀土：将ce与la按ce：la = 1：0.25~0.40 熔配成铈镧复合稀土；

14、（2）制备含铈镧复合稀土的铝钛硼丝：在铝钛硼合金液熔炼过程中加入铈镧复合稀土，经挤压或拉拔成型，制得直径1.5~3.5mm的含铈镧复合稀土铝钛硼丝；

15、（3）配制铝合金熔液：按权利要求1所述组分备料熔炼；其中钛、硼由含铈镧复合稀土铝钛硼丝提供；

16、（4）活塞浇注：将含铈镧复合稀土铝钛硼丝置于浇口处，随铝液浇注加入，高温铝液将铝钛硼丝不断熔化，使铈镧复合稀土均匀分布于活塞铸件中。

17、本发明还提供一种由多元合金增强活塞铝合金材料制成铝合金活塞。

18、本发明的有益效果：

19、一、er在铝合金中生成纳米级 al3er 相，该相与α-al晶格匹配度高，可作为异质形核核心，显著细化α-al晶粒；同时，含ce-la复合稀土的铝钛硼丝在浇注过程中随流熔化，释放出tib2和 tial3粒子，进一步提供形核质点。两种细化机制叠加，使α-al 晶粒最终尺寸从现有技术的>220 μm降至<150 μm，降幅超过 30%。本发明首次将er与ce-la铝钛硼丝组合用于高铜高镍活塞铝合金，实现了晶粒尺寸的跨数量级缩减，晶粒双重细化机制带来的α-al晶粒尺寸突破性降低。

20、二、er 原子在凝固前沿富集，增大共晶硅形核过冷度，使硅相由有害的板片状或针状转变为细小的纤维状或球状，消除了尖锐棱角处的应力集中，显著提升合金的塑性和疲劳裂纹扩展抗力。本发明利用er独特的过冷效应，在高cu、高ni 体系下实现了更彻底的硅相球化。

21、三、mn与cr协同作用，将脆性针状β-al5fesi相转化为块状al15si2fe3(mn，cr)3相，该相平均尺寸<70 μm，且呈弥散分布，避免了粗大针状相对基体的割裂效应，同时该相本身具有高温稳定性，成为耐热强化相。本发明通过特定mn、cr含量范围的协同，在er和ce-la存在的复杂合金体系中成功实现了铁相无害化。

22、四、细晶+球硅+块状铁相三重微观组织优化的综合作用，使材料在 350℃ 下的高温疲劳强度达到≥55 mpa，较现有技术提升>30%；常温疲劳强度达到 ≥130 mpa，提升>20%。此外，微量ce、la可进一步提高al7cu4ni、al3cuni 等高温强化相的热稳定性，延缓其在长期服役过程中的粗化。本发明利用er细化、ce-la铝钛硼丝随流、cr+mn控铁三者协同产生的非线性增益，实现了高温疲劳性能的有效提升。

23、五、本发明铝合金活塞可满足高强化发动机对活塞材料的苛刻要求，直接替代锻钢活塞，实现减重，降低发动机能耗与碳排放，符合绿色节能发展趋势，同时避免了锻钢活塞成本高、加工难的问题，具有显著的经济和社会效益。

24、综上所述，本发明通过er微合金化、ce-la铝钛硼丝随流、cr/mn控铁的三位一体技术方案，解决了现有活塞铝合金晶粒粗大、高温疲劳性能不足的行业难题。