CN102205409B - 内燃机用复合式活塞毛坯的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种汽车制造技术领域的内燃机用复合式活塞毛坯的制造方法，采用铸钢、AC9B过共晶铝硅合金、AC8A共晶铝硅合金、高稀土含量耐热镁合金、耐热稀土镁合金或其金属基复合材料的熔体作为活塞顶部熔体，采用AC8A共晶铝硅合金、耐热稀土镁合金、普通耐热镁合金或其金属基复合材料的熔体作为活塞裙部熔体且活塞裙部熔体和活塞顶部熔体采用不同的材质，将两种熔体采用重力铸造方法或采用挤压铸造方法制得复合式活塞毛坯。本发明制造成品能够同时满足增加强度、减轻重量以及降低成本的要求。

Description

内燃机用复合式活塞毛坯的制造方法

技术领域

本发明涉及的是一种汽车制造技术领域的制造方法，具体是一种内燃机用复合式活塞毛坯的制造方法。

背景技术

活塞是内燃机中工作强度最高的部件之一。由于它的工作条件特别恶劣，所以其工作能力对发动机的强化，可靠性，耐久性有重大影响。

活塞顶部与高温、高压燃气接触，工作温度高、热负荷大；活塞裙部起到导向和传递动力作用。一般活塞顶部温度可达300℃以上，汽油机活塞的第一环槽岸可能处于260℃范围，柴油机活塞的第一环槽岸可能超过315℃。随着现在发动机技术的进步，其功率在不断的提高，活塞的运动速度也随之提高，汽油机活塞速度可达11-16m/s，柴油机活塞速度可达6-8.5m/s，或者更高一些。由于发动机高速化的结果，使其作用在活塞上的惯性力也越来越大。在过去十年中，轿车柴油机升功率由30kW/L发展到现在的60kW/L，气缸的爆发压力由13MPa发展到18MPa，而重型柴油机的爆发压力已经从过去的14MPa发展到了20MPa以上。这些都对发动机活塞的材料提出了更高的要求，尤其是应具有较高的高温强度和高温抗疲劳、抗蠕变性能、好的热稳定性、较小的热膨胀系数、较大的热导率、好的耐磨性。与此同时，出于对发动机排放标准，油耗以及乘坐舒适性的要求，在不降低高温力学性能的前提下，追求活塞减重，一直是人们追求的目标。另一方面，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。

目前，国内外用作活塞的材料，主要有铝硅系合金，钢以及铸铁(灰铁和球铁)等。这些材料中，铝硅系合金应用最广。由于汽车轻量化以及各国出台的日益严格的汽车尾气排放标准的要求，镁合金作为最轻的金属结构材料，其在发动机活塞上的应用，也引起了人们的极大兴趣。但是，由于活塞顶部、裙部等不同部位的工作条件不一、需要的材料性能不同，采用同种材料制造活塞必然造成对材料各种性能的过高要求或材料某些性能的浪费，尤其是在高的高温力学性能和减轻重量这两个方面，总是顾此失彼。例如钢和铁具有好的高温性能，可以满足大功率，高速发动机活塞的要求，但是比重大，无法满足发动机对活塞轻量化的要求，对发动机寿命，油耗，噪音以及乘坐的舒适性都有不利的影响；而铝和镁合金虽然比重轻，但是高温性能又相对较低，在一定程度上限制了发动机功率的提升。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN1764775中记载了一种由整体铸造的铸钢制成的内燃机用活塞，与铝合金活塞以及球墨铸铁活塞相比，具有优异的高温力学性能以及耐热性能，可以使活塞工作温度上升至450℃以上，燃烧压力上升至20MPa以上时也可以使用，因此可以应用于高速，大功率发动机活塞上。但是，由于其是用铸钢制成，要比铝合金活塞重很多，未能很好地满足活塞轻量化的要求。而现在应用最广泛的铝硅合金活塞，具有比重轻，耐磨性好等优点，但是由于铝合金本身的力学性能尤其是高温力学性能的限制，使其难以应用于高速、大功率发动机上。

中国专利文献号CN2371394Y和CN101468426A分别记载了用链接和激光焊接的方式来制造活塞。活塞的顶部用铁或者钢制成，活塞的裙部用铝合金制成，然后通过链接或者激光焊接的方法把钢或者铁的活塞顶部与铝合金的活塞裙部连接起来。这两种方法虽然可以同时满足增加强度和减轻重量，但是制造过程复杂、工序较多、成本也很高。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种内燃机用复合式活塞毛坯的制造方法，通过分别用两种金属液先后浇注到活塞顶部和裙部的模具型腔中，并利用其自身的结晶潜热来冶金结合活塞的顶部和裙部，从而制造出可以同时满足增加强度与减轻重量的要求，并且具有制造方法相对简单，成本低廉的内燃机用复合式活塞毛坯。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明采用铸钢、AC9B过共晶铝硅合金、AC8A共晶铝硅合金、高稀土含量耐热镁合金、或其金属基复合材料等的熔体作为活塞顶部熔体，采用AC8A共晶铝硅合金、普通耐热镁合金或其金属基复合材料等的熔体作为活塞裙部熔体且活塞裙部熔体和活塞顶部熔体采用不同的材质，将两种熔体采用重力铸造方法或采用挤压铸造方法制得复合式活塞毛坯。

所述的活塞顶部熔体的浇注温度为710-1610℃。

所述的活塞裙部熔体的浇注温度为700-780℃。

所述的重力铸造方法是指：将活塞模具顶部向下和置于铸型底部、活塞模具裙部向上和置于活塞的上方，将活塞顶部熔体浇注满活塞模具顶部型腔；然后当活塞顶部熔体温度为540-1450℃时，将活塞裙部熔体浇入活塞模具裙部中；最后采用水冷却和/或自然冷却，制得复合式活塞毛坯。

所述的挤压铸造方法是指：将活塞模具顶部向下和置于铸型底部、活塞模具裙部向上和置于活塞的上方，将活塞顶部熔体浇注到活塞模具顶部内；然后当活塞顶部熔体的温度为540-1450℃时，把活塞裙部熔体浇注到活塞模具裙部中，然后施压，挤压压力为10-20MPa并保压1-5分钟；最后采用水冷却和/或自然冷却，制得复合式活塞毛坯。

所述的铸钢的成分以质量％计，含有C：0.5-0.8％，Si：3％，Mn：3％以下，S：0.2％以下，Ni：10％以下，Cr：7-10％，Cu：6％以下，Nb：0.05-8％，剩余部分由铁以及不可避免的杂质构成。

所述的AC8A共晶铝硅合金的成分以质量％计，含有Cu：0.8-1.3％，Si：11-13％，Mg：0.47-1.30％，Zn：0.1％，Fe：0.8％，Mn：0.1％，Ni：1.0-2.5％，Ti：0.2％，剩余部分由铝以及不可避免的杂质构成。

所述的AC9B过共晶铝硅合金的成分以质量％计，含有Cu：0.5-1.1％，Si：19-20％，Mg：0.5-1.5％，Zn：0.2％，Fe：0.8％，Mn：0.5％，Ni：0.5-1.5％，Ti：0.2％，剩余部分由铝以及不可避免的杂质构成。

所述的高稀土含量耐热镁合金，其成分为，以质量％计，含有Y：12-14％，含有Gd：4-8％，Zn：0.5-2％，Zr：0.2-0.6％，剩余部分由镁以及不可避免的杂质构成。

所述的普通耐热镁合金，其成分为，以质量％计，含有Si：0-5％，Ca：0-5％，Al：0-5％，Zn：0-6％，剩余部分由镁以及不可避免的杂质构成。

与现有技术相比，本发明充分利用了两种材料各自的优势，可以兼顾活塞所需要的高强度和轻重量，可以更好地满足高性能发动机对活塞的服役要求。并且具有工艺相对简单，成本相对低廉的优势。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

重力铸造钢顶铝裙复合式活塞。活塞顶部所用材料为铸钢，其成分为，以质量％计，含有C：0.5-0.8％，Si：3％，Mn：3％以下，S：0.2％以下，Ni：10％以下，Cr：7-10％，Cu：6％以下，Nb：0.05-8％，剩余部分由铁以及不可避免的杂质构成。活塞裙部所用材料为AC8A共晶铝硅合金，其成分为，以质量％计，含有Cu：0.8-1.3％，Si：11-13％，Mg：0.47-1.30％，Zn：0.1％，Fe：0.8％，Mn：0.1％，Ni：1.0-2.5％，Ti：0.2％，剩余部分由铝以及不可避免的杂质构成。

此实施例的具体步骤为：(1)制得上述两种合金的熔体，准备浇注。其中用于制备活塞顶部的合金熔体的浇注温度为1590-1610℃，用于制备活塞裙部的合金熔体的浇注温度为740-780℃。(2)浇注时，采用重力铸造方法，活塞顶部模具置于活塞裙部模具下方。(3)把用于制备活塞顶部的合金熔体浇入事先准备好的模具中，控制此合金熔体用量，使其正好填满活塞顶部模具型腔。(4)在用于制备活塞顶部的合金的温度为1380-1450℃时，把用于制备活塞裙部的合金熔体浇入活塞模具中。(5)在活塞裙部合金熔体浇入模具之后，立即用水冷却活塞模具1-2s，之后采用常规的自然冷却，活塞的顶部和裙部通过两种合金结晶潜热冶金结合到一起，制得复合式活塞毛坯。水冷使得两种合金在界面结合处形成的脆性Fe-Al金属间化合物层尽可能的薄，避免了界面脆化；之后的自然冷却一方面可以利用合金自身的结晶潜热加快Fe、Al原子的相互扩散，形成对界面结合有利的扩散层，另一方面也避免了由于冷却速率过快造成的较大的残余应力。

本实施例所获得的复合式活塞，在活塞顶部达到与全钢活塞相近的性能的同时，比全钢的活塞减重约15％。特别适用于于大功率，高速重型柴油机活塞。

实施例2

重力铸造铝顶镁裙复合式活塞。活塞顶部所用材料为AC9B过共晶铝硅合金，其成分为，以质量％计，含有Cu：0.5-1.1％，Si：19-20％，Mg：0.5-1.5％，Zn：0.2％，Fe：0.8％，Mn：0.5％，Ni：0.5-1.5％，Ti：0.2％，剩余部分由铝以及不可避免的杂质构成。活塞裙部所用材料为高稀土含量耐热镁合金，其成分为，以质量％计，含有Y：12-14％，含有Gd：4-8％，Zn：0.5-2％，Zr：0.2-0.6％，剩余部分由镁以及不可避免的杂质构成。

此实施例的具体步骤为：(1)制得上述两种合金熔体，准备浇注。其中用于制备活塞顶部的合金熔体的浇注温度为740-780℃，用于制备活塞裙部的合金熔体的浇注温度为720-760℃。(2)浇注时，采用重力铸造方法，将活塞模具顶部向下和置于铸型底部、活塞模具裙部向上和置于活塞的上方，将活塞顶部熔体浇注满活塞模具顶部型腔。(3)把用于制备活塞顶部的合金熔体浇入事先准备好的模具中，控制此合金熔体用量，使其正好填满活塞模具顶部型腔。(4)在用于制备活塞顶部的合金的温度为550-600℃时，把用于制备活塞裙部的合金熔体浇入活塞模具中。(5)在活塞裙部合金熔体浇入模具之后，立即用水冷却活塞模具0.5-1.5s，之后采用常规的自然冷却，活塞的顶部和裙部通过两种合金结晶潜热冶金结合到一起，制得复合式活塞毛坯。水冷使得两种合金在界面结合处形成的脆性Mg-Al金属间化合物层尽可能的薄，避免了界面脆化；之后的自然冷却一方面可以利用合金自身的结晶潜热加快Mg、Al原子的相互扩散，形成对界面结合有利的扩散层，另一方面也避免了由于冷却速率过快造成的较大的残余应力。

本实施例所获得的复合式活塞，在活塞顶部达到与全铝硅合金活塞相近的性能的同时，比全铝硅合金的活塞减重约8％。由于其轻量化明显，特别适用于对油耗，排放以及乘坐舒适性要求较高的轿车发动机活塞。

实施例3

挤压铸造铝顶镁裙复合式活塞。活塞顶部所用材料为AC8A共晶铝硅合金，其成分为，以质量％计，含有Cu：0.8-1.3％，Si：11-13％，Mg：0.47-1.30％，Zn：0.1％，Fe：0.8％，Mn：0.1％，Ni：1.0-2.5％，Ti：0.2％，剩余部分由铝以及不可避免的杂质构成。活塞裙部所用材料为高稀土含量耐热镁合金，其成分为，以质量％计，含有Y：12-14％，含有Gd：4-8％，Zn：0.5-2％，Zr：0.2-0.6％，剩余部分由镁以及不可避免的杂质构成。

此实施例的具体步骤为：(1)制得上述两种合金熔体，准备浇注。其中用于制备活塞顶部的合金熔体的浇注温度为720-760℃，用于制备活塞裙部的合金熔体的浇注温度为710-750℃。(2)浇注时，采用挤压铸造方法，将活塞模具顶部向下和置于铸型底部、活塞模具裙部向上和置于活塞的上方。(3)把用于制备活塞顶部的合金熔体浇注到事先准备好的模具中，控制此合金熔体用量，使其正好填满活塞顶部模具型腔。(4)在用于制备活塞顶部的合金的温度为550-600℃时，把用于制备活塞裙部的合金熔体浇注到活塞模具中，然后施压，挤压压力为10-20MPa，保压时间1-5分钟。(5)在活塞裙部合金熔体挤压入模具之后，立即用水冷却活塞模具0.5-1s，之后采用常规的自然冷却，活塞的顶部和裙部通过两种合金结晶潜热冶金结合到一起，制得复合式活塞毛坯。水冷使得两种合金在界面结合处形成的脆性Mg-Al金属间化合物层尽可能的薄，避免了界面脆化；之后的自然冷却一方面可以利用合金自身的结晶潜热加快Mg、Al原子的相互扩散，形成对界面结合有利的扩散层，另一方面也避免了由于冷却速率过快造成的较大的残余应力。

本实施例所获得的复合式活塞，在活塞顶部达到与全铝硅合金活塞相近的性能的同时，比全铝硅合金的活塞减重约8％。由于其轻量化明显，特别适用于对油耗，排放以及乘坐舒适性要求较高的轿车发动机活塞。

实施例4

重力铸造高稀土含量耐热镁合金顶普通耐热镁合金裙复合式活塞。活塞顶部所用材料为高稀土含量耐热镁合金，其成分为，以质量％计，含有Y：12-14％，含有Gd：4-8％，Zn：0.5-2％，Zr：0.2-0.6％，剩余部分由镁以及不可避免的杂质构成。活塞裙部所用材料为普通耐热镁合金，其成分为，以质量％计，含有Si：0-5％，Ca：0-5％，Al：0-5％，Zn：0-6％，剩余部分由镁以及不可避免的杂质构成。

此实施例的具体步骤为：(1)制得上述两种合金熔体，准备浇注。其中用于制备活塞顶部的合金熔体的浇注温度为730-780℃，用于制备活塞裙部的合金的浇注温度为720-760℃。(2)浇注时，采用重力铸造方法，将活塞模具顶部向下和置于铸型底部、活塞模具裙部向上和置于活塞的上方，将活塞顶部熔体浇注满活塞模具顶部型腔。(3)把用于制备活塞顶部的合金熔体浇入事先准备好的模具中，控制此合金熔体用量，使其正好填满活塞顶部模具型腔。(4)在用于制备活塞顶部的合金温度为540-580℃时，把用于制备活塞裙部的合金熔体浇入活塞模具中。(5)在活塞裙部合金熔体浇入模具之后，采用常规的自然冷却模具，活塞的顶部和裙部通过两种合金结晶潜热冶金结合到一起，制得复合式活塞毛坯。

本实施例所获得的复合式活塞，在活塞顶部达到与高稀土含量耐热镁合金活塞相近的性能的同时，比全高稀土含量耐热镁合金活塞节约成本约10％，同时比全铝合金活塞减轻重量约30％。由于其轻量化极为明显，特别适用于对减重有特殊要求的高端发动机活塞。

实施例5

挤压铸造高稀土含量耐热镁合金顶普通耐热镁合金裙复合式活塞。活塞顶部所用材料为高稀土含量耐热镁合金，其成分为，以质量％计，含有Y：12-14％，含有Gd：4-8％，Zn：0.5-2％，Zr：0.2-0.6％，剩余部分由镁以及不可避免的杂质构成。活塞裙部所用材料为普通耐热镁合金，其成分为，以质量％计，含有Si：0-5％，Ca：0-5％，Al：0-5％，Zn：0-6％，剩余部分由镁以及不可避免的杂质构成。

此实施例的具体步骤为：(1)制得上述两种合金熔体，准备浇注。其中用于制备活塞顶部的合金熔体的浇注温度为710-760℃，用于制备活塞裙部的合金熔体的浇注温度为700-740℃。(2)浇注时，采用挤压铸造方法，将活塞模具顶部向下和置于铸型底部、活塞模具裙部向上和置于活塞的上方。(3)把用于制备活塞顶部的合金熔体浇注入事先准备好的模具中，控制此合金熔体用量，使其正好填满活塞顶部模具型腔。(4)在用于制备活塞顶部的合金温度为540-580℃时，把用于制备活塞裙部的合金熔体浇注入活塞模具中，然后施压，挤压压力为10-20MPa，保压时间1-5分钟。(5)在活塞裙部合金熔体挤压入模具之后，采用常规的自然冷却模具，活塞的顶部和裙部通过两种合金结晶潜热冶金结合到一起，制得复合式活塞毛坯。

本实施例所获得的复合式活塞，在活塞顶部达到与高稀土含量耐热镁合金活塞相近的性能的同时，比全高稀土含量耐热镁合金活塞节约成本约10％，同时比全铝合金活塞减轻重量约30％。由于其轻量化极为明显，特别适用于对减重有特殊要求的高端发动机活塞。

Claims (1)

1.一种内燃机用复合式活塞毛坯的制造方法，其特征在于，采用铸钢、AC9B过共晶铝硅合金、AC8A共晶铝硅合金、高稀土含量耐热镁合金、耐热稀土镁合金或其金属基复合材料的熔体作为活塞顶部熔体，采用AC8A共晶铝硅合金、耐热稀土镁合金、普通耐热镁合金或其金属基复合材料的熔体作为活塞裙部熔体且活塞裙部熔体和活塞顶部熔体采用不同的材质，将两种熔体采用挤压铸造方法制得复合式活塞毛坯；

所述的铸钢的成分以质量%计，含有C：0.5-0.8%，Si：3%，Mn：3%以下，S：0.2%以下，Ni：10%以下，Cr：7-10%，Cu：6%以下，Nb：0.05-8%，剩余部分由铁以及不可避免的杂质构成；

所述的AC8A共晶铝硅合金的成分以质量%计，含有Cu：0.8-1.3%，Si：11-13%，Mg：0.47-1.30%，Zn：0.1%，Fe：0.8%，Mn：0.1%，Ni：1.0-2.5%，Ti：0.2%，剩余部分由铝以及不可避免的杂质构成；

所述的AC9B过共晶铝硅合金的成分以质量%计，含有Cu：0.5-1.1%，Si：19-20%，Mg：0.5-1.5%，Zn：0.2%，Fe：0.8%，Mn：0.5%，Ni：0.5-1.5%，Ti：0.2%，剩余部分由铝以及不可避免的杂质构成；

所述的耐热稀土镁合金的成分以质量%计，含有Gd：10-12%，Y：2-4%，Zn：0.5-2%，Zr：0.2-0.6%，剩余部分由镁以及不可避免的杂质构成；

所述的高稀土含量耐热镁合金，其成分为，以质量%计，含有Y：12-14%，含有Gd：4-8%，Zn：0.5-2%，Zr：0.2-0.6%，剩余部分由镁以及不可避免的杂质构成；

所述的普通耐热镁合金，其成分为，以质量%计，含有Si：0-5%，Ca：0-5%，Al：0-5%，Zn：0-6%，剩余部分由镁以及不可避免的杂质构成；

所述的活塞顶部熔体的温度为710-1610℃；所述的活塞裙部熔体的温度为700-780℃；

所述的挤压铸造方法是指：将活塞模具顶部向下和置于铸型底部、活塞模具裙部向上和置于活塞的上方，将活塞顶部熔体浇注到活塞模具顶部内；然后当活塞顶部熔体的温度为540-1450℃时，把活塞裙部熔体浇注到活塞模具裙部中，然后施压，挤压压力为10-20MPa并保压1-5分钟；最后采用水冷却和/或自然冷却，制得复合式活塞毛坯。