CN102410102A

CN102410102A - 一种自生A13Ni和Si混合颗粒局部增强铝合金活塞及其制备方法

Info

Publication number: CN102410102A
Application number: CN2011103989110A
Authority: CN
Inventors: 刘昌明; 林雪冬
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2011-12-05
Filing date: 2011-12-05
Publication date: 2012-04-11

Abstract

一种自生Al₃Ni和Si混合颗粒局部增强铝合金活塞及其制备方法，包括头部、裙部和销孔，头部包括活塞顶部和环槽部，活塞顶部及环槽部位于合金在凝固过程中自生析出的初生Al₃Ni及初生Si所形成的增强区域，增强区域内初生颗粒的体积分数从活塞顶部到环槽部逐渐减少，活塞裙部及销孔为无颗粒的非增强区域。本发明活塞实现了增强区域与非增强区域组织结构及性能的连续过渡，活塞头部具有优良的耐高温性能及耐磨性能，裙部具有良好的综合机械性能，适用于大排量发动机。本发明采用离心铸造方法使熔制的均质铝基复合材料中的初生增强颗粒聚集在活塞的顶部及环槽部，工艺简单，活塞使用寿命长。

Description

一种自生A13Ni和Si混合颗粒局部增强铝合金活塞及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种发动机气缸部件，特别是一种自生Al₃Ni和Si混合颗粒局部增强铝合金活塞及其制备方法。

背景技术

活塞在发动机工作中承载着交变的机械载荷与热负荷，其工作环境十分恶劣，要求活塞具有优良的机械性能与耐高温性能。随着社会的不断发展，对汽车行业在节能环保方面的要求越来越严格，这为铝合金活塞开发及大量应用提供了条件，然而，随着大功率发动机的不断发展，对于发动机活塞在强度、高温耐磨性及重量等方面提出了进一步要求。为了增强密度较小的铝合金活塞的强度及高温耐磨性，近年来活塞的开发朝着合金化、复合化方向发展。

为了解决活塞的抗耐磨，耐高温等问题，目前常用的手段是在活塞的基体上采用局部增强的结构形式，比如：在铝合金活塞顶部及环槽部位镶铸钢制耐磨块，但这种镶块容易在长期的使用过程中发生脱落。相比而言，采用挤压铸造复合法将增强体预制件与铝合金活塞基体进行挤压复合能够保证增强体的有效利用，进而对活塞顶部形成局部增强，使活塞的工作面达到耐热耐磨的目的(专利号：CN1488458)。然而，其中的预制件需要预先制备，延长了制备周期，且预制件与活塞基体之间的结合过渡变化剧烈，也会造成增强体在高温工作环境中的脱落。近年来，采取离心铸造方法制备SiC/Al₂O₃颗粒局部增强活塞的研究引起了关注(专利号：101338708)。这种方法是利用增强颗粒与铝合金基体存在密度差，从而在离心场中发生偏聚，对活塞头部进行局部增强。采用该种方法制备的活塞，其硬度高，耐磨性好且增强颗粒也不易发生脱落，但是对于颗粒前期的预处理要求严格，制料复杂，且后续的切削加工也很困难。而采用离心铸造方法制备的Al-Si/Mg₂Si复合材料活塞能避免上述方法的缺点(专利号：101446243)。Al-Si/Mg₂Si复合材料的自生Si，Mg₂Si颗粒是很好的增强颗粒，在离心场中一起偏移至活塞头部，起到局部增强作用，且后期加工也比较容易。但是这种方法存在一个不可避免的难点，即这种材料在离心铸造过程中，铸造夹渣、气孔等缺陷与颗粒同时偏移至活塞头部，致使活塞成品率降低并影响其耐磨性能。因此，可以考虑开发一种新的活塞，其所用材料能够自合金中析出自生颗粒对活塞头部局部增强，从而改善活塞工作面的高温耐磨性能，同时减少或消除增强颗粒脱落的缺陷，且增强区域与非增强区域之间的过渡均匀平缓，无性能上的急剧变化，延长其使用寿命。另外，应具有简单的铸造工艺及后续加工容易等特点。

目前，国内外采用离心铸造制备Al-Ni二元合金复合材料的研究报道较多。T.P.D.Rajan等人研究了Al-(10wt％，20wt％，30wt％，40wt％)Ni合金并发现Al-20Ni材料通过离心铸造能形成较好的梯度分布(Journal of Alloys and Compounds 453(2008)L4-L7)。YoshimiWatanabe等人也采用离心铸造方法成功制备出了研究了制备的Al-Al₃Ni功能梯度材料(Science and Engineering of Composite Materials Vol.11，Nos.2-3，2004，p185-199)。国内的张宝生等人采用离心铸造方法制备了Al-10Ni和Al-13Ni梯度功能材料进行了研究(哈尔滨工业大学学报，1998年4月第30卷第2期)。这些报道中的由Al-Ni二元合金形成的Al₃Ni颗粒梯度复合材料的硬度普遍不高，不能满足发动机活塞的耐高温性能及耐磨性要求。另据报道，日本学者Ohmi.T等采用复合离心铸造的方法按照先后顺序将Al-12.6Si与Al-30Ni两种熔体浇入铸模，得到了Al-Ni和Al-Si两种合金复合的功能梯度材料，混合后的合金成分为Al-7.5Ni-9Si(Journal of the Japan Institute of Metals，Vol.64，No.7，JUL 2000，p483-489)，该合金成分形成的Al₃Ni颗粒的体积分数很小，且未能形成高硬度的初晶Si颗粒。因此，材料的硬度和耐磨性有待提高。

而采用离心铸造方法制备Al-Si-Ni三元合金梯度功能材料的研究尚未见诸报道。

由此，本发明采用离心铸造来制备自生Al₃Ni和Si混合颗粒局部增强铝合金活塞。本发明将Si的含量扩大到18-30wt％，该范围已延伸到合金的过共晶成分区域，增加了合金中析出的初生Si颗粒的百分含量；将Ni的含量扩大到8-15wt％，提高了合金中的初生Al₃Ni颗粒的百分含量。大量的初生Al₃Ni颗粒与初生Si颗粒聚集到活塞头部，对活塞的顶部及环槽进行局部增强。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种自生Al₃Ni和Si混合颗粒局部增强活塞及其制备方法。该活塞顶部及环槽部位于由自生增强颗粒形成的增强区域内，具有优良的耐磨性和耐高温性能。活塞裙部为没有增强颗粒的非增强区域。由于增强颗粒为自生析出，与基体之间乃是冶金结合，不存在使用过程中增强颗粒脱离基体的问题。增强区域与非增强区域之间的过渡均匀平滑，无性能的急剧变化，活塞使用寿命长。本发明活塞的制造工艺简单，浆料制备容易，离心铸造过程便于操作，铸造成品率高，铸件毛坯的后续机械加工也很容易。

本发明的自生Al₃Ni和Si混合颗粒局部增强活塞，包括活塞头部、裙部3和销孔4，头部包括活塞顶部1，环槽2，所述活塞顶部1及环槽2为合金在凝固过程中自生析出的初生Al₃Ni及初生Si颗粒所形成的增强区域，增强区域内增强颗粒的体积分数从活塞顶部到环槽逐渐减少；活塞裙部3及销孔4为无颗粒的非增强区域；增强区域与非增强区域组织为冶金结合，组织结构和性能的过渡均匀连续。

进一步，初生Al₃Ni与初生Si颗粒在增强区域内所占的体积分数为15％-45％。

进一步，所述活塞基体材料为铝或铝基合金。

本发明自生Al₃Ni和Si混合颗粒局部增强铝合金活塞的铸造毛坯的制备方法：包括液态复合材料的熔制和离心铸造。活塞铸造毛坯的基体材料选用铝或铝基合金，并在液态Al合金中加入Si、Ni形成Al-Si-Ni合金，其中，Si含量为18-30wt％，Ni含量为8-15wt％，及其少量的Cu、Ti、Mg，其余为Al，在离心铸造凝固过程中形成初生Al₃Ni与初生Si增强颗粒。

进一步，离心铸造活塞毛坯选用水平对开式模具，离心铸造过程中，转速为600-2000rpm，浇注温度为750-950℃，模具预热温度为200-700℃。

进一步，将离心铸造得到的活塞铸造毛坯按照图纸进行机械加工，并且，在铸造毛坯的增强区域加工出活塞环槽2，得到自生Al₃Ni和Si混合颗粒局部增强活塞。

本发明的有益效果是：本发明活塞是一种自生混合颗粒局部增强活塞，活塞顶部及环槽部为合金在凝固过程中自生析出的初生Al₃Ni及初生Si颗粒所形成的增强区域，活塞裙部及销孔为无颗粒的非增强区域。增强区域与非增强区域组织为冶金结合，结构和性能过渡平缓连续，减少或消除了增强颗粒在使用过程中失效脱落的几率，延长了活塞的使用寿命。活塞裙部不含增强颗粒，这为自生增强颗粒在局部增强活塞工作面(顶部及环槽)的耐高温性能的同时，最大限度的保证了活塞整体的抗拉强度等机械性能。增强区域内增强颗粒的体积分数从位于活塞顶部的最大值至环槽部位逐渐减少，首先保证了顶部足够的增强颗粒，提高了顶部的耐热性及环槽的耐磨性，其次也保证了环槽部位良好的综合力学性能。

本发明采用离心铸造方法，其工艺简单，便于操作。在离心铸造过程中，初生Al₃Ni带动初生Si一起朝着活塞头部聚集，而铸造过程中产生的夹渣、气孔等缺陷则向着反方向积聚，形成集渣层，最大程度的净化了铸件中的杂质。通过机械加工切除掉集渣层就得到不含任何夹渣物的增强活塞，其机械性能优良，耐热性好，抗耐磨性能强。与外加增强颗粒相比，本发明活塞中的自生增强颗粒与基体结合更牢固、更紧密，增强区域的杂质更少，孔隙率更低。本发明对于替代进口，促进国内高档发动机的发展，进而促进整个活塞行业的技术发展都有重要意义。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明活塞的结构示意图。

图2为本发明离心铸造模具示意图。

具体实施方式

参见图1。Al-Si-Ni复合材料自生混合颗粒局部增强活塞包括顶部1，环槽2，裙部3，销孔4，所述头部1与环槽2为增强区域，裙部3与销孔4为非增强区域。增强区域与非增强区域之间存在一个分界面5。在增强区域活塞顶部1的增强颗粒体积分数最高，从活塞顶部1到环槽2，增强颗粒的体积分数逐渐减少，初生Al₃Ni与初生Si在增强区域内所占的体积分数为15％-45％。

以下为本发明活塞合金成分的实施例：

实施例一

合金成分为Al-18Si-8Ni，增强区域具有优良的耐高温性能及抗耐磨性能。

实施例二

合金成分为Al-18Si-15Ni，本实施例增强区域的耐高温性能及抗耐磨性能优于实施例一。

实施例三

合金成分为Al-24Si-8Ni，本实施例增强区域的耐高温性能及抗耐磨性能优于实施例一。

实施例四

合金成分为Al-24Si-15Ni，本实施例增强区域的耐高温性能及抗耐磨性能优于实施例二和三。

实施例五

合金成分为Al-30Si-8Ni，本实施例增强区域的耐高温性能及抗耐磨性能优于实施例一和三。

实施例六

合金成分为Al-30Si-15Ni，本实施例增强区域的耐高温性能及抗耐磨性能优于实施例二、四和五。

以下为增强区域增强颗粒的体积分数按体积百分含量的实施例：

实施例一

增强区域内的增强颗粒按体积百分含量大于等于15％，增强颗粒为初生Al₃Ni与初生Si，增强区域具有较高的硬度和优良的高温耐磨性能。

实施例二

增强区域内的增强颗粒按体积百分含量为25％，增强颗粒为初生Al₃Ni与初生Si，本实施例增强区域的硬度及高温耐磨等性能优于实施例一。

实施例三

增强区域内的增强颗粒按体积百分含量为35％，增强颗粒为初生Al₃Ni与初生Si，本实施例增强区域的硬度及高温耐磨等性能优于实施例二。

实施例四

增强区域内的增强颗粒按体积百分含量为45％，增强颗粒为初生Al₃Ni与初生Si，本实施例增强区域的硬度及高温耐磨等性能优于实施例三。

以下为离心铸造制备活塞铸造毛坯的实施例：

参见图2。本发明活塞的制备所采用的模具为对开式模具，包括上模8，下模9，砂芯7，活塞成形型腔10及浇注口6。其中用于活塞成形的型腔10共有四个，均匀分布在整个圆周上，因而该模具能一次成形四个本发明活塞。

本发明活塞离心铸造过程中，可根据活塞在发动中的工作条件对Al-Si-Ni复合材料中的增强颗粒的体积分数进行调整，进而调整活塞的硬度及耐磨性能以适应不同功率的发动机。制料时，将设计好的一定量的合金材料进行预热处理，将Si、Ni合金加入到液态Al合金中进行熔炼，加入其它的微量元素如Cu、Mg、Ti等，待精炼、变质处理后准备浇铸；待离心铸造模具预热到设定温度后将下模具9放置到离心机上并安置好砂芯7，合上上模具8；开启离心机，将制备好的浆料通过浇注口6浇注到成形模具的型腔10中。在离心力的作用下，自生析出的初生增强颗粒Al₃Ni将带动初生Si相一起向活塞头部偏移并聚集。所成形的活塞顶部1及环槽2位于增强区域，裙部3及销孔4位于非增强区域，增强区域与非增强区域为冶金结合。

具体实施例如下：

制造实施例一

本发明自生混合颗粒局部增强活塞的制造方法，增强颗粒为初生Al₃Ni与初生Si，在离心铸造过程中，密度较大的初生Al₃Ni带动密度较小的初生Si一起向着活塞头部偏聚，致使活塞顶部1及环槽2位于增强区域内，而裙部3及销孔4位于非增强区域内。

离心铸造过程中，转速为600rpm，浇注温度为750-950℃，模具预热温度为200-700℃。增强区域与非增强区域之间出现分界面5。

制造实施例二

离心铸造过程中，转速为2000rpm，浇注温度为750-950℃，模具预热温度为200-700℃。增强区域与非增强区域之间的分界面5较实施例一更为明显。

本发明中通过调整铝合金中Si、Ni的相对含量与离心成形工艺(浇注温度、模具温度、离心转速等)，可以实现对活塞顶部1及环槽部2中增强颗粒的不同体积分数的控制；通过调整合金成分(如加入Mg，Ti，Cu)、变质处理及变化浇注参数，可以控制初生Al₃Ni、初生Si颗粒的形貌及尺寸大小。而通过对增强颗粒体积分数及增强颗粒的形貌大小等的设计控制，可以达到设计、控制活塞的高温耐磨性能、机械性能、耐热性能等。

因此，可以通过简单的工艺调整进一步优化该活塞的系列性能指标，并且制造工艺简单，便于控制，生产成本低，生产效率高。

需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims

1.一种自生Al₃Ni和Si混合颗粒局部增强铝合金活塞及其制备方法，包括头部、裙部(3)和销孔(4)，所述头部包括活塞顶部(1)和环槽(2)，其特征在于：所述活塞顶部(1)及环槽(2)为合金在凝固过程中自生析出的Al₃Ni和Si颗粒所形成的增强区域，活塞裙部(3)及销孔(4)为无颗粒的非增强区域，增强区域与非增强区域之间通过冶金结合的方式进行结合。

2.一种权利要求1所述的自生Al₃Ni和Si混合颗粒局部增强铝合金活塞，其特征在于：所述自生Al₃Ni和Si颗粒在增强区域内所占的体积分数为15％-45％。

3.一种权利要求1所述的自生Al₃Ni和Si混合颗粒局部增强铝合金活塞，其特征在于：所述活塞基体材料为铝或铝基合金。

4.一种权利要求1所述的自生Al₃Ni和Si混合颗粒局部增强铝合金活塞的铸造毛坯的制备方法：包括液态复合材料的熔制和离心铸造，其特征在于：活塞基体材料选用铝或铝基合金，并在液态Al合金中加入Si、Ni形成Al-Si-Ni合金，其中，Si含量为18-30wt％，Ni含量为8-15wt％，及其少量的Cu、Ti、Mg，其余为Al，在离心铸造凝固过程中形成自生Al₃Ni和Si增强颗粒；离心铸造过程中，转速为600-2000rpm，浇注温度为750-950℃，模具预热温度为200-700℃。

5.一种权利要求4所述的自生Al₃Ni和Si混合颗粒局部增强铝合金活塞的铸造毛坯的机械加工方法，其特征在于：通过机械加工在活塞铸造毛坯的增强区域得到活塞环槽(2)。