CN109112357A - 一种钛合金材料汽车发动机连杆的制备方法 - Google Patents

一种钛合金材料汽车发动机连杆的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钛合金材料汽车发动机连杆的制备方法，包括以下步骤：(1)通过冷等静压和真空烧结方法制备钛合金材料；(2)将钛合金材料进行热锻造得到热锻造坯料；(3)将热锻造坯料进行镦粗得到镦粗坯料；(4)将镦粗坯料进行预成型得到预成型坯料；(5)将预成型坯料进行模锻得到模锻坯料；(6)将模锻坯料进行精加工即得到钛合金材料汽车发动机连杆。上述制备方法具有生产周期短、材料利用率高、生产效率高、生产成本低等优点，同时，其制备得到的连杆具有综合力学性能优异的特点。

Description

一种钛合金材料汽车发动机连杆的制备方法
技术领域
本发明属于汽车发动机技术领域，尤其涉及一种汽车发动机连杆的制备方法。
背景技术
钛合金具有高强度、低密度、低弹性模量、耐腐蚀、抗氧化等优异性能，能满足汽车及其零部件的技术要求，可用于制备发动机气门、连杆、气门弹簧、凸轮轴、排气系统等。由于钛的价格不断降低，钛合金在汽车工业中的使用量每年都在以高于3％的速度增长。钛合金制备的发动机连杆比钢制发动机连杆的质量轻15-30％，从而使连杆往复惯性力大幅度降低。使用钛合金发动机连杆的发动机与采用钢制发动机连杆的发动机相比，发动机转速可提高700r/min，输出功率得到大幅度提高，还可显著降低发动机噪声，因此钛合金是汽车发动机连杆的理想材料之一，国际知名汽车制造商均先后开展了钛合金发动机连杆的研究和应用，如在意大利的新型法拉利轿车3.5LV8与Acura的NSX发动机上都采用了钛合金发动机连杆。
粉末冶金作为一种近净成型技术，具有工艺流程短、材料利用率高、生产效率高等特点，在生产批量大、精度高、加工困难的零部件上有很大的优势。目前，粉末冶金工艺在铁基汽车发动机连杆的制备方面有了广泛的研究和应用。如周科朝等人提出一种利用模压、烧结和热处理的方法制备粉末冶金铁基发动机连杆的方法(参见201110078381.1号中国专利申请)，制备得到的材料的锻造密度为7.62g/cm3，屈服强度超过600MPa。吴建平等人提出一种通过加入改性助剂(主要由纳米二氧化硅和硬脂酸钙组成)制备高耐磨的粉末冶金铁基汽车连杆的方法(参见201310121293.4号中国专利申请)，所制备的连杆屈服强度超过500MPa，同时断面收缩率可达40％。李学峰等人提出一种通过在水雾化过程添加纳米二硫化钨，制备高致密、高强度的粉末冶金铁基汽车连杆的方法(参见201510682475.8号中国专利申请)，其烧结致密度达到99.9％，抗拉强度达到915MPa。但目前采用粉末冶金工艺制备钛合金汽车发动机连杆的研究还未见报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种钛合金材料汽车发动机连杆的制备方法，该方法制备得到的连杆具有生产周期短、材料利用率高、生产效率高、生产成本低等优点，同时，其制备得到的连杆具有综合力学性能优异的特点。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种钛合金材料汽车发动机连杆的制备方法，包括以下步骤：
(1)通过冷等静压和真空烧结方法制备钛合金材料；
(2)将钛合金材料进行热锻造得到热锻造坯料；
(3)将热锻造坯料进行镦粗得到镦粗坯料；
(4)将镦粗坯料进行预成型得到预成型坯料；
(5)将预成型坯料进行模锻得到模锻坯料；
(6)将模锻坯料进行精加工即得到钛合金材料汽车发动机连杆。
上述制备方法中，优选的，所述钛合金材料的原料按照质量百分比计，包括1-3％的Fe，1-3％的Mo，0.2-1％的YH2，余量为Ti及不可避免的杂质。
上述制备方法中，优选的，所述钛合金材料中含有Y2O3颗粒，所述Y2O3颗粒由原料中的Ti吸收氧后得到的钛氧化物与YH2原位反应得到，所述Y2O3颗粒平均尺寸为<10μm。原料粉末Ti，对间隙元素O有很大的活性，原料粉末长时间暴露在空气中就会发生表面氧化。上述钛氧化物是指TiO2(TiO)，TiO和TiO2都可能存在于Ti粉表面。原料Ti粉在氧化的过程中，先氧化成TiO，TiO是一个中间产物，即Ti→TiO→TiO2。
上述制备方法中，优选的，所述Ti为氢化脱氢Ti粉，平均粒径为<104μm，氧含量质量比低于0.4％；所述Fe、Mo的平均粒径均为<45μm；所述YH2的平均粒径为<74μm。一般粉末越细，表面活性越大，原料粉末氧含量越高，可以通过控制原料粉末粒度来控制制备得到的钛合金材料的氧含量。
上述钛合金原料中，Mo为钛合金中的强固溶强化元素，但是Mo在Ti中扩散系数较低，当Mo含量超出3％时，可能会造成Mo原子扩散不均匀，造成元素偏析，当Mo含量1％时，固溶强化效果不明显。Fe原子可以提高钛合金烧结过程中的烧结致密度，并起到固溶强化作用，当Fe含量超过3％时，对钛合金的烧结致密度提高效果不明显，当Fe含量低于1％时，起到的固溶强化效果不明显。稀土元素Y在钛合金中可有效细化组织，改善其室温性能、抗氧化性和热稳定性，同时稀土氧化物具有很高的熔点，在高温时稳定，可以显著提高材料的高温力学性能。氧原子是钛合金的一种强固溶强化元素，当较多的氧原子固溶到钛合金基体中时，合金的强度增加明显，但是同时也牺牲大部分的塑性。当基体中的氧原子与Y元素结合，形成弥散的氧化物颗粒，可以达到弥散强化合金的作用，同时，基体中分布的氧化物颗粒可以阻碍材料晶粒的长大，获得细小的基体组织，从而提高材料的塑性。具体的，YH2中的Y元素可以细化钛合金组织，并且在烧结过程中发生反应YH2+TiO2(TiO)→Y2O3+H2+Ti，原位形成稀土氧化物Y2O3颗粒，起到弥散强化作用。其中氧原子的引入方式为原料Ti粉中部分氧化得到TiO2(TiO)。当YH2含量超过1％时，会造成氧化物过多，材料易脆化，当YH2含量低于0.2％时，氧化物弥散强化效果不明显，基体中固溶的氧原子没反应完全，材料塑性降低。总的来说，采用上述原料配比得到的钛合金材料具有轻质高强、高硬、韧性良好的特点。
上述制备方法中，优选的，所述冷等静压的压力为150-300MPa，保压时间不超过10min。冷等静压时，先采用不引入杂质的惰性气体氩气作为保护气氛，在高效率V型混料机中将上述钛合金的原料粉末混合，再采用橡胶包套进行冷等静压。
上述制备方法中，优选的，所述真空烧结时的升温速率为3-5℃/min，烧结温度为1200-1400℃，保温时间为1-3h，真空度不超过5×10-3Pa。
上述制备方法中，优选的，所述热锻造为将钛合金材料预热保温0.5-1h，预热温度为800-900℃，将预热后的材料在四柱液压机上进行锻造，变形速率为0.01-0.1s-1，变形量为60-80％。热锻造时，过大的变形速率会使材料破坏，过低的变性速率会降低生产效率，因此，本发明中限制热锻造的变性速率在0.01-0.1s-1之间。研究表明，在钛合金中添加Y元素，可以细化组织。同时，在烧结过程，Y原子可以吸取Ti粉表面的O，促进烧结过程，减少烧结后残余空隙，提高烧结密度，另外热锻造过程可以使得材料达到全致密。稀土Y元素是通过固-固界面从钛颗粒中摄取氧元素，因而受到界面动力学的限制，在稀土Y原子周围的Ti-O颗粒中氧元素不充足的情况下很难使稀土Y完全转变为稀土氧化物颗粒Y2O3。热锻造变形中移动的晶界能够从基体中吸收溶质元素而使得晶界附近的氧浓度升高，稀土Y原子可摄取更多的氧来形成氧化物。本发明中，热锻造时高温变形能够有效的破坏含Y颗粒与Ti基的界面并且使晶界发生迁移，能够给Y2O3的形成提供有利条件。本发明中，添加Y的合金，通过热锻造，可以达到消除孔隙和提高密度的目的，从而使得钛合金强度和塑性均可得到提高。
上述制备方法中，优选的，所述镦粗为将热锻造坯料在中频感应炉中加热到800-900℃，加热时间为2-10min，再将加热后的坯体沿轴向进行镦粗，控制变形量为10-20％。当预热温度低于800℃时，合金的强度还处于较高的水平，镦粗过程中可能会出现材料破裂的情况，当预热温度高于900℃时，在预热过程中，会造成组织粗化，影响性能。
上述制备方法中，优选的，所述预成型为将镦粗坯料沿径向进行变形量为25-40％的预成型。具体的，预成型为将镦粗坯料沿径向进行变形量为25-40％的压扁锻造，然后锻打出大头、小头以及杆部的大体形状，最后在大头部锻出缺槽，制得预成型件。
上述制备方法中，优选的，所述模锻时，先使用润滑剂对模具进行润滑，再通过中频感应炉控制模锻温度为850-1000℃进行模锻处理(将预成型坯料在开式模具中锻造处理)。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明在制备钛合金发动机连杆时，采用粉末冶金工艺制备钛合金材料，相比于铸造工艺，具有成份调整灵活、生产周期短、材料利用率高、生产效率高、生产成本低等优点。
2、采用本发明的制备工艺及钛合金配方，最终制备得到的钛合金发动机连杆(或钛合金材料)的拉伸强度可达847MPa，屈服强度可达771MPa，延伸率可达到14％，可满足钛合金发动机连杆的要求。
3、本发明的制备方法得到的钛合金发动机连杆可减重15-30％，且综合力学性能较高，使发动机输出功率大幅度提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1中制备得到的发动机连杆的显微组织照片。
图2为实施例1中经模锻后制得到的发动机连杆毛坯剖面宏观照片
图3为实施例1中制得到的发动机连杆成品的宏观照片
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1：
本实施例的钛合金材料汽车发动机连杆，其制备方法包括以下步骤：
(1)通过冷等静压和真空烧结方法制备钛合金材料；
(2)将钛合金材料进行热锻造得到热锻造坯料；
(3)将热锻造坯料进行镦粗得到镦粗坯料；
(4)将镦粗坯料进行预成型得到预成型坯料；
(5)将预成型坯料进行模锻得到模锻坯料；
(6)将模锻坯料进行精加工即得到本实施例的钛合金材料汽车发动机连杆。
第一步中，本实施例的钛合金是通过如下方法制备得到的：(1)按质量百分比称取Fe粉2％、Mo粉2％、YH2粉0.6％，余量为钛粉及不可避免的杂质，其中，Ti粉的粒径为45μm，Fe粉的平均粒径为25μm，Mo粉的平均粒径为25μm，YH2粉的平均粒径为45μm；将上述粉末装入V型混料机，均匀混合10h，混料过程用氩气作保护气体；(2)将混合好的粉末装入橡胶包套，包套尺寸为Φ50×100mm，包套两端用橡胶塞密封进行冷等静压，冷等静压处理时，压力为300MPa，保压时间2min，制得生压坯；(3)将生压坯放入真空烧结炉进行真空烧结，烧结时真空度为5×10-3Pa，以升温速率为3℃/min升温至烧结温度为1300℃后，烧结保温时间为1.5h，随炉冷却获后得钛合金材料。
第二至第五步具体操作依次为：1、将钛合金材料在四柱液压机上进行锻造，在马弗炉中850℃预热保温30min，变形速率为0.1s-1，变形量60％。2、将热锻造坯料在中频感应炉中加热，加热时间为2min，温度为850℃，将加热后的坯体沿轴向进行变形量为15％的镦粗。3、将镦粗坯料沿径向进行变形量为30％的压扁锻造，锻打出大头、小头以及杆部的大体形状，在大头部锻出缺槽，制得连杆预成型件。4、将预成型坯料在开式模具中锻造，模具采用石墨进行润滑，锻造温度控制为870℃，模锻后制得连杆毛坯。5、对制得的连杆毛坯进行精加工，包括整形、去毛刺、磨双面等，即制得本实施例中的钛合金材料汽车发动机连杆。
本实施例的发动机连杆的金相组织的扫描电子显微镜照片如图1所示。由图1可知，其致密性良好，微观组织细小，成分均匀无偏析。本实施例经过模锻后的发动机连杆毛坯剖面宏观图片如图2所示，从外观看无明显缺陷，经过探伤后没有发现连杆内部存在明显缺陷。本实施例所制备的发动机连杆成品宏观照片如图3所示。
按照国标GBT-228.1-2010进行力学性能测试，本实施例的用于发动机连杆的钛合金材料拉伸强度达到了847MPa，屈服强度达到了771MPa，延伸率达到了14％，符合汽车用钛合金标准。
实施例2：
本实施例的钛合金材料汽车发动机连杆，其制备方法包括以下步骤：
第一步：通过冷等静压和真空烧结方法制备钛合金材料；
第二步：将烧结钛合金坯体进行热锻造；
第三步：将热锻造钛合金材料进行镦粗；
第四步：将镦粗后的材料进行预成型；
第五步：将预成型后坯料进行模锻；
第六步：对模锻后毛坯进行精加工；
第一步中，本实施例的钛合金是通过如下方法制备得到的：(1)按质量百分比称取Fe粉1.8％、Mo粉2.0％、YH2粉0.4％，余量为钛粉及不可避免的杂质，其中，Ti粉的平均粒径为45μm，Fe粉的平均粒径为15μm，Mo粉的平均粒径为15μm，YH2粉的平均粒径为35μm；将上述粉末装入V型混料机，均匀混合10h，混料过程用氩气作保护气体；(2)将混合好的粉末装入橡胶包套，包套尺寸为Φ50×100mm，包套两端用橡胶塞密封进行冷等静压，冷等静压处理时，压力为250MPa，保压时间5min，制得生压坯；(3)将生压坯放入真空烧结炉进行真空烧结，烧结时真空度为5×10-3Pa，以升温速率为5℃/min升温至烧结温度为1200℃后，烧结保温时间为2h，随炉冷却获后得钛合金材料。
第二至第五步具体操作依次为：1、将钛合金材料在四柱液压机上进行锻造，在马弗炉中900℃预热保温30min，变形速率为0.01s-1，变形量70％。2、将热锻造坯料在中频感应炉中加热，加热时间为5min，温度为850℃，将加热后的坯体沿轴向进行变形量为15％的镦粗。3、将镦粗坯料沿径向进行变形量为40％的压扁锻造，锻打出大头、小头以及杆部的大体形状，在大头部锻出缺槽，制得连杆预成型件。4、将预成型坯料在开式模具中锻造，模具采用石墨进行润滑，锻造温度控制为850℃，模锻后制得连杆毛坯。5、对制得的连杆毛坯进行精加工，包括整形、去毛刺、磨双面等，即制得本实施例中的钛合金材料汽车发动机连杆。
本实施例所制备的汽车发动机连杆从外观看无明显缺陷，经过磁粉探伤后也没有发现发动机连杆内部存在明显缺陷。金相组织细小，成分均匀无偏析。按照国标GBT-228.1-2010进行力学性能测试，用于发动机连杆的钛合金材料的拉伸强度达到了795MPa，屈服强度达到了724MPa，延伸率达到了16％，符合汽车用钛合金标准。

Claims (10)

1.一种钛合金材料汽车发动机连杆的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过冷等静压和真空烧结方法制备钛合金材料；
(2)将钛合金材料进行热锻造得到热锻造坯料；
(3)将热锻造坯料进行镦粗得到镦粗坯料；
(4)将镦粗坯料进行预成型得到预成型坯料；
(5)将预成型坯料进行模锻得到模锻坯料；
(6)将模锻坯料进行精加工即得到钛合金材料汽车发动机连杆。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述钛合金材料的原料按照质量百分比计，包括1-3％的Fe，1-3％的Mo，0.2-1％的YH2，余量为Ti及不可避免的杂质。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述钛合金材料中含有Y2O3颗粒，所述Y2O3颗粒由原料中的Ti吸收氧后得到的钛氧化物与YH2原位反应得到，所述Y2O3颗粒平均尺寸为<10μm。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述Ti为氢化脱氢Ti粉，平均粒径为<104μm，氧含量质量比低于0.4％；所述Fe、Mo的平均粒径均为<45μm；所述YH2的平均粒径为<74μm。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述冷等静压的压力为150-300MPa，保压时间不超过10min。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述真空烧结时的升温速率为3-5℃/min，烧结温度为1200-1400℃，保温时间为1-3h，真空度不超过5×10-3Pa。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述热锻造为将钛合金材料预热保温0.5-1h，预热温度为800-900℃，将预热后的材料在四柱液压机上进行锻造，变形速率为0.01-0.1s-1，变形量为60-80％。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述镦粗为将热锻造坯料在中频感应炉中加热到800-900℃，加热时间为2-10min，再将加热后的坯体沿轴向进行镦粗，控制变形量为10-20％。
9.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述预成型为将镦粗坯料沿径向进行变形量为25-40％的预成型。
10.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述模锻时，先使用润滑剂对模具进行润滑，再控制模锻温度为850-1000℃进行模锻。
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