CN102052190A

CN102052190A - 铸造耐热稀土镁合金发动机活塞及其制备方法

Info

Publication number: CN102052190A
Application number: CN 200910207042
Authority: CN
Inventors: 王渠东; 尹冬弟; 陈长江; 高岩; 顾金海
Original assignee: Shanghai Jiaotong University; Hitachi Ltd
Current assignee: Shanghai Jiaotong University; Hitachi Ltd
Priority date: 2009-10-27
Filing date: 2009-10-27
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2029-10-27
Also published as: CN102052190B

Abstract

本发明涉及一种铸造耐热稀土镁合金发动机活塞及其制备方法。本发明的铸造耐热稀土镁合金发动机活塞是在内燃机的汽缸内做往复运动的构件，该发动机活塞的至少其头部由耐热稀土镁合金铸造而成，该耐热稀土镁合金的组成如下：6重量％≤Y≤15重量％，1重量％≤Gd≤6重量％，0.5重量％≤Zn≤3重量％，0≤Zr≤0.9重量％，其余是Mg以及不可避免的杂质。本发明的铸造耐热稀土镁合金发动机活塞是在铸造耐热稀土镁合金并对其实施固溶处理之后，以0.002℃/s以上且68℃/s以下的冷却速率将其冷却而得到的。本发明的铸造耐热稀土镁合金发动机活塞具有非常优异的高温强度和抗蠕变性能，能够更好地满足发动机活塞的服役要求。

Description

铸造耐热稀土镁合金发动机活塞及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种铸造耐热稀土镁合金发动机活塞及其制备方法，具体涉及一种通过综合考虑活塞用材料的性能要求，选择合适的稀土镁合金、选取合适的铸造工艺参数以及调整相应的热处理工艺从而实现高强度、抗蠕变耐热镁合金活塞的低成本制备，属于金属材料类及冶金领域。

背景技术

活塞是发动机中最重要的构件之一，因其在高温、高压、腐蚀、磨擦、高速运动的条件下工作，对材料的性能要求很高。铝硅多元合金是目前用于制备发动机活塞的主流材料，以专利US2004/0057865A1为例，它报道了一种Si含量介于10～21重量％范围的Al-Si-Mg-Ti-Cu-Fe-Ni-P多元合金活塞，通过成分优化可获得显著优于传统材料的抗热机疲劳性能。

随着全球石油资源的短缺，各国出台了日益严格的汽车尾气排放标准，生产出重量轻、油耗少、环保型的新型汽车是汽车工业中日益严峻的话题。镁合金作为最轻的金属结构材料，在汽车工业中的应用越来越广泛。众所周知，发动机是汽车的心脏，而活塞则是发动机中最关键的部件。通常活塞在往复运动过程中会引起震动，并对曲轴施加较大的侧向力。在大功率发动机中，这些力通常要靠昂贵的平衡系统来平衡。因此，选用更轻的活塞除了可以减轻重量，降低油耗之外，还可以大幅减轻活塞运动过程中的震动，提高曲轴的寿命，降低噪声，增加乘坐的舒适性。与传统的铝合金活塞相比，镁合金活塞有望减轻30％的重量。因此，日本专利文献特开2009-36143中公开了在汽车活塞中应用镁合金的内容。

发明内容

在上述现有技术中，在发动机的活塞上使用了镁合金，但是没有考虑到镁合金在高温条件下的性能。然而，在发动机活塞上使用常规的镁合金时，实际上因为镁合金的高温强度不够，活塞的往复运动仍会引起较大震动，因此通常情况下难以在发动机活塞上使用镁合金。

本发明正是为了解决现有技术中的这些课题而完成的，本发明的目的在于提供一种铸造耐热稀土镁合金发动机活塞及其制备方法，根据本发明的铸造耐热稀土镁合金发动机活塞，能够确保发动机活塞在高温条件下的强度，其结果可以大幅减轻活塞运动过程中的较大震动，并且能实现内燃机的轻量化，从而还能达到节约能源以及减小环境负荷的效果。

为实现上述本发明的目的，本发明提供一种铸造耐热稀土镁合金发动机活塞，其特征在于，该铸造耐热稀土镁合金发动机活塞是在内燃机的汽缸内做往复运动的构件，该发动机活塞的至少其头部由耐热稀土镁合金铸造而成，该耐热稀土镁合金的组成如下：6重量％≤Y≤15重量％，1重量％≤Gd≤6重量％，0.5重量％≤Zn≤3重量％，0≤Zr≤0.9重量％，其余是Mg以及不可避免的杂质。

上述本发明的铸造耐热稀土镁合金发动机活塞，优选是在铸造耐热稀土镁合金并对其实施固溶处理之后，以0.002℃/s以上且68℃/s以下的冷却速率将其冷却而得到的。

根据本发明的铸造耐热稀土镁合金发动机活塞，首先，与专利US2004/0057865A1相比，由于采用了比传统铝硅合金活塞材料密度更小的镁合金作为原材料，大大减轻了活塞的重量，除了可以降低油耗外，还可以大幅减轻活塞运动过程中的较大震动，提高曲轴的寿命，减少噪声，增加乘坐的舒适性。

并且，如上所述，本发明由于至少将发动机构成中对高温强度的要求最高的头部由具有上述组成的镁合金铸造而成，相比于用常规镁合金的情况而言，大幅度提高了发动机活塞的抗蠕变性能，从而能够抑制发动机活塞做往复运动时的震动。另外，由于用高温强度高的镁合金来构成发动机的活塞，因此能够实现内燃机的轻量化，其结果，还能达到节约能源以及减小环境负荷的效果。

本发明还提供一种铸造耐热稀土镁合金发动机活塞的制备方法，其特征在于，包括如下工序1～工序4。在工序1中，准备耐热稀土镁合金的原料，在将该原料的总重量记为100重量％时，原料中的各个成分的含量为，6重量％≤Y≤15重量％、1重量％≤Gd≤6重量％、0.5重量％≤Zn≤3重量％、0≤Zr≤0.9重量％，其余是Mg以及不可避免的杂质。在工序2中，对所述原材料进行熔炼，该熔炼在SF₆/CO₂气体保护或覆盖剂保护条件下进行，具体步骤如下：(1)纯镁及中间合金在烘箱中预热至200～250℃，保温2小时以上；(2)熔炼Mg，在熔炼炉中加入工业纯镁，加热熔炼；(3)加Y和Gd：在700～740℃的温度下向镁液中加入烘干的Mg-Y和Mg-Gd中间合金；(4)加Zn：待中间合金完全熔化后，在650～750℃的温度下加入工业纯锌；(5)加Zr：将镁液温度升至760～780℃后加入Mg-Zr中间合金，搅拌2～5分钟以促使其充分熔化，升高镁液温度至780～800℃；(6)精炼：在780～800℃保温20～30分钟后降温至740～760℃，采用镁合金精炼剂精炼6～20分钟；(7)静置：精炼后的静置时间控制在25～40分钟之间，待镁液冷却至700～740℃后撇去表面浮渣，获得镁合金熔体，准备浇注。在工序3中进行重力铸造：将所述镁合金熔体浇铸到金属型发动机活塞模具中，制得镁合金发动机活塞。在工序4中进行后续热处理。

本发明所述的铸造耐热稀土镁合金发动机活塞的制备方法优选，所述步骤(6)中所使用的精炼剂是常规的含MgCl₂、KCl、CaF₂的镁合金熔剂。

本发明所述的铸造耐热稀土镁合金发动机活塞的制备方法进一步优选，所述覆盖剂是含MgCl₂、KCl、CaF₂的镁合金用覆盖剂或硫磺粉。

本发明所述的铸造耐热稀土镁合金发动机活塞的制备方法进一步优选，所述重力铸造是，将温度为700～740℃的镁合金熔体，浇铸到预先刷好涂料并加热至200～350℃的金属型发动机活塞模具中，浇铸壁厚为5mm～50mm的镁合金发动机活塞，该镁合金发动机活塞铸造过程中冷却速率为1.8K/s～15K/s。

本发明所述的铸造耐热稀土镁合金发动机活塞的制备方法进一步优选，所述的后续热处理包括：对所得到的所述镁合金发动机活塞进行500～550℃、6～24小时的固溶处理，在所述固溶处理之后进行冷却，在冷却时所选用的冷却介质应使所述镁合金发动机活塞的冷却速率达到0.002℃/s以上且68℃/s以下，然后在225～300℃温度条件下进行12～48小时的时效处理。

其次，经过固溶和时效处理后，在活塞顶部取样，测试其室温抗拉强度和延伸率分别为293MPa和1.5％，在高温150℃时的抗拉强度和延伸率分别为323MPa和3.5％，在高温300℃测试时的抗拉强度和延伸率分别为245MPa和4.6％；在300℃/50MPa测试条件下，该合金仍具有非常优异的抗蠕变性能，100h的蠕变伸长仅为1.82％，其稳态蠕变速率为4.72×10^-8s^-1。

根据本发明的铸造耐热稀土镁合金发动机活塞的制造方法制得的发动机活塞，首先，与专利US2004/0057865A1相比，由于采用了比传统铝硅合金活塞材料密度更小的镁合金作为原材料，大大减轻了活塞的重量，除了可以降低油耗外，还可以大幅减轻活塞运动过程中的震动，提高曲轴的寿命，减少噪声，增加乘坐的舒适性。

并且，如上所述，由于至少将发动机构成中对高温强度的要求最高的头部由具有上述组成的镁合金铸造而成，相比于用常规镁合金的情况而言，大幅度提高了发动机活塞的抗蠕变性能，从而能够抑制发动机活塞做往复运动时的震动。另外，由于用在高温条件下的强度高的镁合金来构成发动机的活塞，因此能够实现内燃机的轻量化，其结果，还能达到节约能源以及减小环境负荷的效果。

总之，与现有技术相比，本发明具有显著进步，制备的耐热稀土镁合金活塞除具有重量轻、工艺简单、成本可接受之外，还具有非常优异的高温强度和抗蠕变性能，能够更好地满足发动机活塞的服役要求。

附图说明

图1表示应用本发明中的活塞的内燃机的构成。

图2是典型的铸造耐热镁合金的光学微观结构示意图。

图3(a)～图3(c)是不同厚度的铸造耐热镁合金的光学微观结构示意图。

图4的(a)～(d)是在535℃条件下热处理20小时之后在不同冷却环境下冷却而得到的铸造耐热镁合金的光学微观结构示意图。

具体实施方式

下面，对本发明进行进一步详细的说明。

1.耐热镁合金的选择

稀土能有效提高镁合金的高温强度和长期抗蠕变性能，稀土镁合金主要应用于在200～300℃长期工作的部件，同时具有较高的抗腐蚀性能和较好的熔焊性能。其中，Y、Nd、Sc、Gd、Tb、Dy等元素均可大幅度地提高镁合金的耐热性能。典型的合金包括WE43和WE33稀土镁合金，它们具有优异的综合性能，已用于汽车的引擎等部件和航空航天领域。最近的研究表明，Mg-Y-Gd-Zn-Zr系合金不仅具有良好的高温强度和延伸率，而且其在300℃温度条件下的抗蠕变性能优异，其成本也相对可以接受，具有应用于活塞的潜力。

本发明选择的用于活塞铸造的一种高强度抗蠕变镁合金，合金组成如下：6重量％≤Y≤15重量％、1重量％≤Gd≤6重量％、0.5重量％≤Zn≤3重量％、0≤Zr≤0.9重量％，其余为Mg和不可避免的杂质。其中，合金中的杂质元素含量为：Fe＜0.005重量％、Cu＜0.015重量％、Ni＜0.002重量％。

2.铸造工艺及热处理工艺参数的选择。

本发明采用铸造方法制备耐热稀土镁合金发动机活塞。通过控制浇铸温度、模具温度、充型压力和保压时间，防止氧化燃烧和热裂，保证浇注过程中镁合金液充型良好，凝固速度和组织结构得到有效控制，获得无铸造缺陷的耐热镁合金活塞。对应于不同的铸造方法获得的稀土耐热镁合金活塞，分别采用不同的固溶处理和时效处理工艺参数，最后获得性能优异的铸造耐热稀土镁合金活塞。

制备上述稀土耐热镁合金发动机活塞可以采用以下铸造方法及其对应的热处理。

2.1重力铸造及其热处理

熔炼过程在SF₆+CO₂混合气体保护或覆盖剂保护条件下进行，具体步骤如下：

(1)将纯镁及中间合金在烘箱中预热至200～250℃，保温2小时以上；

(2)熔炼Mg：在熔炼炉中加入工业纯镁，加热熔炼；

(3)加Y和Gd：在700～740℃的温度下向镁液中加入烘干的Mg-Y和Mg-Gd中间合金；

(4)加Zn：待中间合金完全熔化后，在650～750℃的温度下加入工业纯锌；

(5)加Zr：将镁液温度升至760～780℃后加入Mg-Zr中间合金，搅拌2～5分钟以促使其充分熔化，升高镁液温度至780～800℃；

(6)精炼：在780～800℃保温20～30分钟后降温至740～760℃，采用镁合金精炼剂精炼5～20分钟；

(7)静置：精炼后的静置时间控制在25～40分钟之间，待镁液冷却至700～740℃后撇去表面浮渣，获得镁合金熔体，准备浇铸。

重力铸造过程如下。将镁合金熔体浇铸到金属型发动机活塞模具中，制得镁合金活塞。铸造步骤是：将温度为720～740℃的镁合金熔体，浇铸到预先刷好涂料并加热至230～350℃的金属型发动机活塞模具中，浇铸壁厚为5mm～50mm的镁合金发动机活塞，铸造过程中该镁合金发动机活塞的冷却速率介于1.8K/s～15K/s之间。此方法适用于(但并不限于)金属型模具。

后续的热处理工艺如下。对铸造得到的镁合金活塞先进行500～550℃、6～24小时的固溶处理。固溶后采取常规的炉冷、水淬或空冷进行冷却，或选用能使活塞的冷却速率达到0.002℃/s以上且68℃/s以下的其它冷却介质进行冷却。然后在225～300℃温度条件下进行12～48小时的时效处理。

在对所得到的铸造耐热镁合金进行固溶处理之后，在以0.002℃/s以上且68℃/s以下的冷却速率进行冷却从而得到发动机活塞的头部时，可得到具有高抗蠕变性能的长周期结构(Long period stackingordered structure，简称LPSO)的镁合金。

本发明人发现，当对铸造耐热镁合金进行固溶处理之后的冷却速率不同时，所得到的镁合金的微观结构也不同。由此，发明人认为：正是这种不同的微观结构带来了本发明的铸造耐热镁合金不同于现有的常规镁合金的高温强度以及抗蠕变性能。

图2是典型的铸造耐热镁合金的光学微观结构示意图。

从图2中可知，铸造镁合金主要包括以下四相：α-Mg基体，其是Gd、Y以及Zn固溶体的过饱和体；网状浅灰色的共熔化合物Mg₂₄(GdYZn)₅；网状黑色化合物Mg₁₂Y₁Zn₁(18R型(ACBCBCBACACACBABAB)LPSO结构)；片层相(fine-lamellarphases，6H’-type(ABCBCB’)LPSO结构)。

图3(a)是厚度为5mm的铸造镁合金，其冷却速率为15K/s；图3(b)是厚度为25mm的铸造镁合金，其冷却速率为3.2K/s；图3(c)是厚度为50mm的铸造镁合金，其冷却速率为1.8K/s。图3(a)～图3(c)是通过将730℃镁合金浇注到预先加热到130℃的模具中而得到的结果。

从图3(a)～图3(c)可知，当冷却速率降低时，结晶粒度变大(20μm～90μm)，共熔化合物Mg₂₄(GdYZn)₅的数量变少，而片层相(fine-lamellarphases)增多。

另外，图4是在535℃条件下热处理20小时之后在不同冷却环境下冷却而得到的铸造耐热镁合金的光学微观结构示意图。

图4(a)是厚度为5mm的铸造镁合金，其冷却速率为68℃/s，冷却介质是水；图4(b)是厚度为5mm的铸造镁合金，其冷却速率为8.4℃/s，冷却介质是空气；图4(c)是厚度为50mm的铸造镁合金，其冷却速率为7.6℃/s，冷却介质是水；图4(d)是厚度为50mm的铸造镁合金，其采用炉冷方式，冷却速率为0.003℃/s。

在图4的(a)～(d)中，冷却速率是(a)＞(b)＞(c)＞(d)。当冷却速率降低时，结晶粒度(120μm～35μm)以及Mg₁₂Y₁Zn₁相(18R型LPSO结构)增大，片层相(fine-lamellar phases，(6H’-type LPSO structure)的数量减少。这表明结晶粒度尺寸以及LPSO结构直接影响镁合金的高温机械性能。

下面，参照附图1对本发明中的内燃机的一个实施方式进行说明。

图1表示应用本发明中的活塞的内燃机的构成。

在内燃机10的汽缸本体10A中形成的汽缸内膛10B中具有可以往复运动的活塞10C，在活塞10C的上侧隔成燃烧室23。吸气流路11和排气流路12被连通地连接在内燃发动机10上。活塞10C经由连接杆32而与曲轴10F相连，活塞10C的往复运动转换为曲轴10F的旋转运动。在该曲轴10F上设置有能够检测曲轴角度和发动机转速的曲轴角度传感器26。另外，能够经由未图示的齿轮机构通过用于启动发动机的启动电动机(starter motor)而使曲轴10F正逆旋转。

气流传感器14安装在吸气流路11上。节流阀15设置在气流传感器14的下游。节流阀15是能够与加速踏板的踏量独立地控制节流阀开度的电子控制式节流阀。调压器16连通在节流阀15的下游。在调压器16的下游配置向吸气孔10D喷射燃料的燃料喷射阀门18。

内燃机10具有开关吸气孔10D的吸气阀门19，和开关排气孔10E的排气阀门22。

汽缸本体10A在燃烧室23内安装露出电极部的火花塞24。用于从排气流路12向吸气流路11回流排气的EGR管28连接在排气流路12上。在EGR管28的流路中配置用于调节EGR量的EGR阀门29。

在吸气流路11中设置用于使燃烧室23内的气体形成纵涡的纵涡控制阀门30。

吸气通过气流传感器14进入节流阀15，借助吸气流路11、吸气阀门19被提供给发动机的燃烧室23。燃料通过燃料泵从燃料箱被提高至燃料喷射所需的压力，从燃料喷射阀门18被提供，用点火火花塞24进行点火。燃烧后的废气借助排气阀门22被排出到排气流路12。ECU(发动机控制单元)50中内置有燃料喷射控制装置，输入发动机的曲轴角度传感器26的信号、气流传感器14的空气量信号等的信号。ECU50具有从曲轴角度传感器26的信号计算出发动机转速的转速检测机构。另外，ECU50计算出发动机所需的吸入空气量，向节流阀15输出与其相一致的开度信号，燃料喷射控制装置计算出与吸入空气量相对应的燃料量，向燃料喷射阀门18输出燃料喷射信号，向点火火花塞24输出点火信号。

下面，以上述活塞10C的具体的实施例对本发明进行说明。

实施例1：

镁合金发动机活塞的合金成分(重量百分比)：10％Y、6％Gd、2％Zn、0.4％Zr，杂质元素小于0.02％，其余为Mg。

该合金的熔炼工艺具体步骤为：(1)按照上述成分配置合金，将纯镁及所用中间合金在烘箱中预热至200℃，保温2小时；(2)熔炼Mg：在熔炼炉中加入工业纯镁，加热熔炼，同时采用SF₆/CO₂混合气体进行保护；(3)加Y和Gd：在730℃的温度下向镁液中加入烘干的Mg-Y和Mg-Gd中间合金；(4)加Zn：待中间合金完全熔化后，在700℃的温度下加入工业纯锌；(5)加Zr：将镁液温度升至760℃后加入Mg-Zr中间合金，搅拌2分钟以促使其充分熔化，升高镁液温度至780℃；(6)精炼：在780℃保温20分钟后降温至760℃，采用镁合金精炼剂精炼6分钟；(7)精炼后静置30分钟，待镁液冷却至740℃后撇去表面浮渣，获得镁合金熔体，准备浇注。

将740℃镁合金熔体浇铸到300℃钢质活塞模具中，制得镁合金活塞。

对制得的镁合金活塞进行525℃、20小时的固溶处理，之后进行水淬(冷却速率为7.2～68K/s)，之后再进行225℃、24小时的时效处理，最后获得高强度耐热镁合金活塞。

本实施例的镁合金活塞的室温抗拉强度和延伸率分别为290MPa和0.63％，在高温300℃测试时的抗拉强度和延伸率分别为235MPa和7％；300℃/50MPa蠕变条件下，其稳态蠕变速率为4.22×10^-8s^-1，100小时的蠕变伸长为1.63％。

实施例2：

镁合金发动机活塞的合金成分(重量百分比)：12％Y、5％Gd、2％Zn、0.3％Zr，杂质元素小于0.02％，其余为Mg。

该合金的熔炼工艺具体步骤为：(1)按照上述成分配置合金，将纯镁及所用中间合金在烘箱中预热至200℃，保温2小时；(2)熔炼Mg：在熔炼炉中加入工业纯镁，加热熔炼，同时采用SF₆/CO₂混合气体进行保护；(3)加Y和Gd：在730℃的温度下向镁液中加入烘干的Mg-Y和Mg-Gd中间合金；(4)加Zn：待中间合金完全熔化后，在700℃的温度下加入工业纯锌；(5)加Zr：将镁液温度升至760℃后加入Mg-Zr中间合金，搅拌2分钟以促使其充分熔化，升高镁液温度至780℃；(6)精炼：在780℃保温20分钟后降温至760℃，采用镁合金精炼剂精炼10分钟；(7)精炼后静置30分钟，待镁液冷却至730℃后撇去表面浮渣，获得镁合金熔体，准备浇注。

将730℃镁合金熔体浇铸到250℃钢质活塞模具中，制得镁合金活塞。

对制得的镁合金活塞进行515℃、20小时的固溶处理，之后进行水淬(冷却速率为6.9～68K/s)，之后再进行225℃、24小时的时效处理，最后获得高强度耐热镁合金活塞。

本实施例的镁合金活塞的室温抗拉强度和延伸率分别为265MPa和2.1％，高温300℃测试时的抗拉强度和延伸率分别为223MPa和6.5％；300℃/50MPa蠕变条件下，其稳态蠕变速率为5.21×10^-8s^-1，100小时的蠕变伸长为2.06％。

实施例3：

该合金的熔炼工艺具体步骤为：(1)按照上述成分配置合金，将纯镁及所用中间合金在烘箱中预热至200℃，保温2小时；(2)熔炼Mg：在熔炼炉中加入工业纯镁，加热熔炼，同时采用SF₆/CO₂混合气体进行保护；(3)加Y和Gd：在730℃的温度下向镁液中加入烘干的Mg-Y和Mg-Gd中间合金；(4)加Zn：待中间合金完全熔化后，在700℃的温度下加入工业纯锌；(5)加Zr：将镁液温度升至760℃后加入Mg-Zr中间合金，搅拌2分钟以促使其充分熔化，升高镁液温度至780℃；(6)精炼：在780℃保温20分钟后降温至760℃，采用镁合金精炼剂精炼10分钟；(7)精炼后静置35分钟，待镁液冷却至730℃后撇去表面浮渣，获得镁合金熔体，准备浇注。

对制得的镁合金活塞进行515℃、20小时的固溶处理，之后进行空冷(冷却速率为0.1～0.8K/s)，之后再进行225℃、24小时的时效处理，最后获得高强度耐热镁合金活塞。

本实施例的镁合金活塞的室温抗拉强度和延伸率分别为256MPa和0.82％，高温300℃测试时的抗拉强度和延伸率分别为213MPa和4.19％；300℃/50MPa蠕变条件下，其稳态蠕变速率为5.26×10^-8s^-1，100小时的蠕变伸长为2.12％。

实施例4：

镁合金发动机活塞的合金成分(重量百分比)：15％Y、5％Gd、2％Zn、0.5％Zr，杂质元素小于0.02％，其余为Mg。

该合金的熔炼工艺具体步骤为：(1)按照上述成分配置合金，将纯镁及所用中间合金在烘箱中预热至200℃，保温2小时；(2)熔炼Mg：在熔炼炉中加入工业纯镁，加热熔炼，同时采用SF₆/CO₂混合气体进行保护；(3)加Y和Gd：在730℃的温度下向镁液中加入烘干的Mg-Y和Mg-Gd中间合金；(4)加Zn：待中间合金完全熔化后，在700℃的温度下加入工业纯锌；(5)加Zr：将镁液温度升至760℃后加入Mg-Zr中间合金，搅拌2分钟以促使其充分熔化，升高镁液温度至780℃；(6)精炼：在780℃保温20分钟后降温至760℃，采用镁合金精炼剂精炼10分钟；(7)精炼后静置40分钟，待镁液冷却至740℃后撇去表面浮渣，获得镁合金熔体，准备浇注。

对制得的镁合金活塞进行535℃、20小时的固溶处理，之后进行水淬(冷却速率为7.6～68K/s)，之后再进行225℃、24小时的时效处理，最后获得高强度耐热镁合金活塞。

本实施例的镁合金活塞的室温抗拉强度和延伸率分别为286MPa和0.55％，高温300℃测试时的抗拉强度和延伸率分别为241MPa和0.7％；300℃/50MPa蠕变条件下，其稳态蠕变速率为4.84×10^-8s^-1，100小时的蠕变伸长为1.93％。

实施例5：

镁合金发动机活塞的合金成分(重量百分比)：14％Y、5％Gd、2％Zn、0.6％Zr，杂质元素小于0.02％，其余为Mg。

该合金的熔炼工艺具体步骤为：(1)按照上述成分配置合金，将纯镁及所用中间合金在烘箱中预热至200℃，保温2小时；(2)熔炼Mg：在熔炼炉中加入工业纯镁，加热熔炼，同时采用SF₆/CO₂混合气体进行保护；(3)加Y和Gd：在730℃的温度下向镁液中加入烘干的Mg-Y和Mg-Gd中间合金；(4)加Zn：待中间合金完全熔化后，在700℃的温度下加入工业纯锌；(5)加Zr：将镁液温度升至760℃后加入Mg-Zr中间合金，搅拌2分钟以促使其充分熔化，升高镁液温度至780℃；(6)精炼：在780℃保温20分钟后降温至760℃，采用镁合金精炼剂精炼10分钟；(7)精炼后静置30分钟，待镁液冷却至740℃后撇去表面浮渣，获得镁合金熔体，准备浇注。

本实施例的镁合金活塞的室温抗拉强度和延伸率分别为290MPa和0.37％，高温300℃测试时的抗拉强度和延伸率分别为261MPa和5.24％；300℃/50MPa蠕变条件下，其稳态蠕变速率为2.06×10^-7s^-1，100小时的蠕变伸长为8.14％。

实施例6：

镁合金发动机活塞的合金成分(重量百分比)：11％Y、5％Gd、2％Zn、0.3％Zr，杂质元素小于0.02％，其余为Mg。

将735℃镁合金熔体浇铸到280℃钢质活塞模具中，制得镁合金活塞。

对制得的镁合金活塞进行535℃、40小时的固溶处理，之后进行炉冷(冷却速率为0.003～0.017K/s)，之后再进行225℃、24小时的时效处理，最后获得高强度耐热镁合金活塞。

本实施例的镁合金活塞的室温抗拉强度和延伸率分别为258MPa和0.93％，高温300℃测试时的抗拉强度和延伸率分别为206MPa和3.03％；300℃/50MPa蠕变条件下，其稳态蠕变速率为5.46×10^-8s^-1，100小时的蠕变伸长为2.42％。

Claims

1.一种铸造耐热稀土镁合金发动机活塞，其特征在于，

该铸造耐热稀土镁合金发动机活塞是在内燃机的汽缸内做往复运动的构件，该发动机活塞的至少其头部由耐热稀土镁合金铸造而成，该耐热稀土镁合金的组成如下：

6重量％≤Y≤15重量％，

1重量％≤Gd≤6重量％，

0.5重量％≤Zn≤3重量％，

0≤Zr≤0.9重量％，

其余是Mg以及不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的铸造耐热稀土镁合金发动机活塞，其特征在于，

所述铸造耐热稀土镁合金发动机活塞是在铸造耐热稀土镁合金并对其实施固溶处理之后，以0.002℃/s以上且68℃/s以下的冷却速率将其冷却而得到的。

3.一种铸造耐热稀土镁合金发动机活塞的制备方法，其特征在于，包括如下工序1～工序4，

在工序1中，准备耐热稀土镁合金的原料，在将该原料的总重量记为100重量％时，原料中的各个成分的含量为，6重量％≤Y≤15重量％、1重量％≤Gd≤6重量％、0.5重量％≤Zn≤3重量％、0≤Zr≤0.9重量％，其余是Mg以及不可避免的杂质，

在工序2中，对所述原材料进行熔炼，该熔炼在SF₆/CO₂气体保护或覆盖剂保护条件下进行，具体步骤如下：(1)将纯镁及中间合金在烘箱中预热至200～250℃，保温2小时以上；(2)熔炼Mg，在熔炼炉中加入工业纯镁，加热熔炼；(3)加Y和Gd：在700～740℃的温度下向镁液中加入烘干的Mg-Y和Mg-Gd中间合金；(4)加Zn：待所述中间合金完全熔化后，在650～750℃的温度下加入工业纯锌；(5)加Zr：将镁液温度升至760～780℃后加入Mg-Zr中间合金，搅拌2～5分钟以促使其充分熔化，升高镁液温度至780～800℃；(6)精炼：在780～800℃保温20～30分钟后降温至740～760℃，采用镁合金精炼剂精炼5～20分钟；(7)静置：精炼后的静置时间控制在25～40分钟之间，待镁液冷却至700～740℃后撇去表面浮渣，获得镁合金熔体，准备浇注，

在工序3中进行重力铸造：将所述镁合金熔体浇铸到金属型发动机活塞模具中，制得镁合金发动机活塞，

工序4中进行后续热处理。

4.根据权利要求3所述的铸造耐热稀土镁合金发动机活塞的制备方法，其特征在于：所述步骤(6)中所使用的精炼剂是常规的含MgCl₂、KCl、CaF₂的镁合金熔剂。

5.根据权利要求3所述的铸造耐热稀土镁合金发动机活塞的制备方法，其特征在于：所述覆盖剂是含MgCl₂、KCl、CaF₂的镁合金用覆盖剂或硫磺粉。

6.根据权利要求3所述的铸造耐热稀土镁合金发动机活塞的制备方法，其特征在于，

所述重力铸造是，将温度为720～740℃的镁合金熔体，浇铸到预先刷好涂料并加热至200～350℃的金属型发动机活塞模具中，浇铸壁厚为5mm～50mm的镁合金发动机活塞，该镁合金发动机活塞铸造过程中冷却速率为1.8K/s～15K/s。

7.根据权利要求3所述的铸造耐热稀土镁合金发动机活塞的制备方法，其特征在于，

所述的后续热处理包括：对所得到的所述镁合金发动机活塞进行500～550℃、6～24小时的固溶处理，在所述固溶处理之后进行冷却，在冷却时所选用的冷却介质应使所述镁合金发动机活塞的冷却速率达到0.002℃/s以上且68℃/s以下，然后在225～300℃温度条件下进行12～48小时时效处理。

8.根据权利要求7所述的铸造耐热稀土镁合金发动机活塞的制备方法，其特征在于，

在所述固溶处理之后按照常规的炉冷、空冷或水淬方式进行冷却。