CN111408913A

CN111408913A - 一种用于铝活塞喉口部位的重熔强化制备方法

Info

Publication number: CN111408913A
Application number: CN202010169122.9A
Authority: CN
Inventors: 彭银江; 朱鸿磊; 徐英; 洪晓露; 陈大辉; 侯林冲; 朱秀荣; 刘永强; 张将
Original assignee: China Weapon Science Academy Ningbo Branch
Current assignee: China Weapon Science Academy Ningbo Branch
Priority date: 2020-03-12
Filing date: 2020-03-12
Publication date: 2020-07-14

Abstract

本发明涉及一种用于铝活塞喉口部位的重熔强化制备方法，其特征在于，依次包括以下步骤：喉口部位依次经过机械初加工‑清洗‑烘干‑重熔‑缓冷后获得喉口部位重熔强化活塞，采用该方法所制备的喉口重熔区与活塞铝基体(重熔前)相比，晶粒、共晶硅和初晶硅明显细化，可有效防止活塞喉口在高温高压下工作过程中疲劳裂纹的形成，制备方法简便，制造成本低。

Description

一种用于铝活塞喉口部位的重熔强化制备方法

技术领域

本发明涉及一种表面重熔强化制备方法，具体涉及一种用于铝活塞喉口部位的重熔强化制备方法。

背景技术

高功率密度柴油机活塞在高温高压下工作，活塞顶最高温度会超过380℃。活塞顶部在燃气的持久高温作用下，燃烧室喉口被视为热传导的狭路，局部温度将会达到 420℃，此处铝合金活塞的热疲劳强度已达到极限。由此导致散热困难及较高的持续热负荷和交变热负荷，尤其是在发动机的排气口一侧会形成裂纹，活塞喉口典型的热裂纹严重影响发动机的可靠性和使用寿命。这种损坏的主要原因是热机疲劳(TMF)和作用在活塞销方向上的高频率交变载荷(高周疲劳，HCF)，当活塞喉口边缘温度达到材料高温强度的极限范围，由燃烧压力引起的热应力会导致塑性变形及喉口出现裂纹，表面粗糙和结构不均匀的部位特别易受此过程影响。

高能束表面重熔强化是利用高能量密度电子束流、脉冲激光束流、等离子束流(104～106W/cm2)，使活塞顶燃烧室边缘表面快速熔化，然后通过基体自身导热以极高的冷却速度从液相凝固，改变基体合金表面的显微组织和相结构。高能束表面快速熔化凝固冷却速度可达1010K/s，比传统铸造方法的冷却速度(一般为106～107K/s)高几个数量级，因而能形成更小的硅相，并形成非晶相、介稳相、高度过饱和相及极细的显微组织，极大地提高材料的疲劳强度。

如中国发明专利《燃烧室喉口重熔强化活塞制造方法》，其专利号为201410255788.0 (授权公告号CN104028984B)，公开了一种燃烧室喉口重熔强化活塞制造方法，制造步骤为：a)活塞粗加工，活塞燃烧室喉口和燃烧室底部为活塞最薄弱部位，燃烧室喉口和燃烧室底部加工余量为1-3mm；b)活塞清洗脱脂处理；c)将表面活性剂涂抹或喷涂于需要重熔的燃烧室喉口和燃烧室底部；d)活塞使用A-TIG焊接方法重熔；f)重熔后活塞加工至成品。采用上述A-TIG焊接方法重熔，可能会出现表面熔深较深，熔宽狭窄，效率低下的情况。

又如中国发明专利《一种强化发动机活塞喉口的工艺》，其专利号为201710612103.7 (申请公开号CN107695615A)，公开了一种强化发动机活塞喉口的工艺，该方法对活塞喉口进行重熔后，再进行快速冷却处理，因为重熔过程就是一个快速冷却的过程，目的就是获得超细小的组织，重熔过程处理后存在较大的内应力，活塞再进行快速冷却处理，喉口重熔部位极易开裂，而导致活塞报废。

因此，需要对铝活塞喉口部位的重熔强化方法需要作进一步改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的现状，提供一种重熔效率高且防止出现疲劳裂纹的用于活塞喉口部位的重熔强化制备方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用于铝活塞喉口部位的重熔强化制备方法，其特征在于，依次包括以下步骤：

1)将预重熔的铝活塞毛坯的喉口部位进行机械加工，并留有加工余量；

2)将机械加工后的铝活塞毛坯的喉口部位采用清洗剂进行清洗；

3)将清洗后的铝活塞毛坯进行烘干；

4)在氩气保护下，将铝活塞毛坯的喉口部位进行重熔，重熔工艺参数采用：频率 8～10Hz，峰值电流250～275A，基值电流200～210A，氩气流量6～9L/min；

5)将重熔后的铝活塞毛坯进行缓慢冷却，获得喉口重熔后的活塞毛坯；

6)对重熔后的铝活塞毛坯加工后形成喉口部位重熔强化活塞。

在步骤1)中的铝活塞毛坯的化学成分及质量百分比为：Si：11.0％～13.0％，Mg：0.5％～1.2％，Cu：3.0％～5.0％，Ni：1.75％～3.0％，Ti：0.1％～0.2％，Fe：0.1％～0.3％，Zr： 0.1％～0.2％，V：0.05％～0.18％，其余为Al。该采用上述化学成分及含量，所制备的铝活塞毛坯强度高。

优选地，在步骤5)中，冷却温度初始为150～160℃，冷却时间为1h～2h。冷却温度过高，时间过长会导致活塞性能下降影响活塞整体性能，冷却温度过低和时间过短会导致活塞冷却过快从而导致重熔后的喉口部位与原活塞基体组织产生裂纹，该温度和时间能够同时保证在不开裂的前提下具有较佳的组织结构和整体力学性能。

优选地，在步骤3)中，烘干温度100～120℃，烘干时间为40～60min。烘干温度过高会导致活塞表面氧化，在后续重熔过程氧化夹杂，过低起不到去除水分，烘干时间过长影响效率等。

优选地，在步骤1)中，加工余量为1.5mm～2mm。

优选地，在步骤2)中，清洗剂采用丙酮或三氯乙烯；清洗时间为5～8min。去除油污，防止后续重熔产生气孔。

所述喉口重熔部位的重熔区深度基本为5mm，宽度为10mm。能有效防开裂的宽度和深度。

所述喉口重熔部位初晶硅的晶粒平均尺寸为4～5μm，最大尺寸不大于15um。能够有效防止活塞喉口在使用过程中发生烧蚀和开裂。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明铝活塞喉口部位在氩气保护下进行氩弧重熔，避免了重熔氧化，氩弧重熔的效率远高于在真空下的电子束流和脉冲激光束流重熔，其制造成本不到真空电子束重熔的1/10，即其制造成本大大降低；采用氩弧重熔后，重熔区深度约5mm，宽度达10mm，均优于真空电子束重熔；与重熔前的铝活塞基体相比，晶粒、共晶硅和初晶硅明显细化，其中，初晶硅晶粒平均尺寸由40μm降低至 4～5μm，最大尺寸不超过15μm，明显细化的组织可有效防止活塞喉口在高温高压下工作过程中疲劳裂纹的形成，可使铝活塞寿命延长4-8倍。

附图说明

图1为本发明实施例的工艺制备流程图；

图2为本发明实施例铝活塞的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图2所示，本发明实施例的铝活塞包括活塞本体，活塞本体的上部向下凹陷形成的燃烧室11，燃烧室11的底壁在邻近中间位置上具有向上的凸起111，则该燃烧室11 的纵截面基本呈ω型，燃烧室11内周壁邻近顶部开口处为喉口部位2；其中，活塞本体即为下述的活塞毛坯1。

实施例一：

如图1所示，对铝合金铸造得到铝活塞毛坯，本发明实施例的用于铝活塞喉口部位的重熔强化制备方法依次包括以下步骤：

1)制造铝活塞毛坯，该铝活塞毛坯的化学成分及质量百分比为：Si：11.0％，Mg：0.5％，Cu：3.0％，Ni：1.75％，Ti：0.1％，Fe：0.1％，Zr：0.1％，V：0.05％，其余为 Al；

2)将需要重熔的整体铸造铝活塞毛坯1的喉口部位2进行机械加工，并留有1.5mm的加工余量；

3)将机械加工后的铝活塞毛坯1的喉口部位2采用三氯乙烯或丙酮进行清洗，清洗时间为5min；

4)将清洗后的活塞毛坯1进行烘干，去除三氯乙烯或丙酮残液，防止重熔时产生微观和宏观气孔，烘干时的烘干温度100℃，烘干时间为40min；

5)在氩气保护下，将活塞毛坯1的喉口部位2进行重熔，重熔工艺参数采用：频率8Hz，峰值电流250A，基值电流200A，氩气流量6L/min；可防止重熔组织中产生微观孔洞，效率高；

6)将重熔后的活塞毛坯1放入保温炉中缓慢冷却，冷却温度初始为150℃，冷却时间为1h，获得喉口重熔后的活塞毛坯；采用缓慢冷却，能防止重熔后的活塞毛坯喉口部位与铝基体之间在自然冷却或者快速冷却很容易产生宏观裂纹，有效提高活塞重熔工艺的成品率；

7)对重熔后的活塞毛坯，经过机械精加工后形成喉口部位重熔强化活塞。

经上述方法制备的活塞喉口重熔区深度约5mm，宽度达10mm，与活塞铝基体(重熔前)相比，晶粒、共晶硅和初晶硅明显细化，其中初晶硅平均尺寸由40μm降低至4～ 5μm，最大尺寸不超过12μm，可有效防止活塞喉口在高温高压下工作过程中疲劳裂纹的形成，铝活塞寿命延长5倍以上。

实施例二：

本发明实施例的用于铝活塞喉口部位的重熔强化制备方法依次包括以下步骤：

1)制造铝活塞毛坯，该铝活塞毛坯的化学成分及质量百分比为：Si：12.0％；Mg：0.8％，Cu：3.2％，Ni：3.0％，Ti：0.15％，Fe：0.2％，Zr：0.15％，V：0.10％，其余为 Al；

2)将需要重熔的整体铸造铝活塞毛坯1的喉口部位2进行机械加工，并要求留有1.5mm的加工余量；或者留有1.8mm的加工余量；

3)将加工过的铝活塞毛坯1的喉口部位2采用三氯乙烯或丙酮进行清洗，清洗时间为8min；

4)将清洗后的活塞毛坯1烘干，烘干温度110℃，烘干时间为50min；去除三氯乙烯或丙酮残液，防止重熔时产生微观和宏观气孔；

5)在氩气保护下，将活塞毛坯1的喉口部位2进行重熔，重熔工艺参数：频率8Hz，峰值电流260A，基值电流205A，氩气流量8L/min；或者重熔工艺中的频率采用9Hz；

6)将重熔后的活塞毛坯1放入保温炉中缓慢冷却，冷却温度初始为155℃，冷却时间为1.5h，获得喉口重熔后的活塞毛坯；采用缓慢冷却，能防止重熔后的活塞毛坯喉口部位与铝基体之间在自然冷却或者快速冷却很容易产生宏观裂纹，有效提高活塞重熔工艺的成品率；

经上述工艺制备的活塞喉口重熔区深度约5mm，宽度达10mm，与活塞铝基体(重熔前)相比，晶粒、共晶硅和初晶硅明显细化，其中初晶硅的晶粒平均尺寸由40μm降低至4～5μm，最大尺寸不超过15μm，可有效防止活塞喉口在高温高压下工作过程中疲劳裂纹的形成，铝活塞寿命延长5倍以上。

实施例三：

1)制造铝活塞毛坯，该铝活塞毛坯的化学成分及质量百分比为：Si：13.0％，Mg：1.2％，Cu：4.0％，Ni：3.0％，Ti：0.2％，Fe：0.3％，Zr：0.2％，V：0.18％，其余为 Al；

2)将需要重熔的整体铸造铝活塞毛坯1的喉口部位2进行机械加工，并留有2mm 的加工余量；

3)将加工后的铝活塞毛坯1的喉口部位2采用三氯乙烯或丙酮进行清洗，清洗时间为10min；

4)将清洗后的活塞毛坯1烘干，烘干温度120℃，烘干时间为60min；有效去除三氯乙烯或丙酮残液，防止重熔时产生微观和宏观气孔；

5)在氩气保护下，将活塞毛坯1的喉口部位2进行重熔，重熔工艺参数采用：频率10Hz，峰值电流275A，基值电流210A，氩气流量9L/min；

6)将重熔后的活塞毛坯1放入保温炉中缓慢冷却，冷却温度初始为160℃，冷却时间为2h，获得喉口重熔后的活塞毛坯；采用缓慢冷却，能防止重熔后的活塞毛坯喉口部位与铝基体之间在自然冷却或者快速冷却很容易产生宏观裂纹，有效提高活塞重熔工艺的成品率；

实施例四：

1)制造铝活塞毛坯，该铝活塞毛坯的化学成分及质量百分比为：Si：12.0％，Mg：1.2％，Cu：5.0％，Ni：2.0％，Ti：0.2％，Fe：0.3％，Zr：0.2％，V：0.18％，其余为 Al；

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于铝活塞喉口部位的重熔强化制备方法，其特征在于，依次包括以下步骤：

3)将清洗后的铝活塞毛坯进行烘干；

4)在氩气保护下，将铝活塞毛坯的喉口部位进行重熔，重熔工艺参数采用：频率8～10Hz，峰值电流250～275A，基值电流200～210A，氩气流量6～9L/min；

6)对重熔后的铝活塞毛坯精加工后形成喉口部位重熔强化活塞。

2.根据权利要求1所述的重熔强化制备方法，其特征在于：在步骤1)中的铝活塞毛坯的化学成分及质量百分比为：Si：11.0％～13.0％，Mg：0.5％～1.2％，Cu：3.0％～5.0％，Ni：1.75％～3.0％，Ti：0.1％～0.2％，Fe：0.1％～0.3％，Zr：0.1％～0.2％，V：0.05％～0.18％，其余为Al。

3.根据权利要求1所述的重熔强化制备方法，其特征在于：在步骤5)中，冷却温度初始为150～160℃，冷却时间为1h～2h。

4.根据权利要求1所述的重熔强化制备方法，其特征在于：在步骤3)中，烘干温度100～120℃，烘干时间为40～60min。

5.根据权利要求1所述的重熔强化制备方法，其特征在于：在步骤1)中，加工余量为1.5mm～2mm。

6.根据权利要求1所述的重熔强化制备方法，其特征在于：在步骤2)中，清洗剂采用丙酮或三氯乙烯。

7.根据权利要求6所述的重熔强化制备方法，其特征在于：清洗时间为5～8min。

8.根据权利要求1所述的重熔强化制备方法，其特征在于：所述喉口重熔部位的重熔区深度基本为5mm，宽度为10mm。

9.根据权利要求1所述的重熔强化制备方法，其特征在于：所述喉口重熔部位的初晶硅的晶粒平均尺寸为4～5μm，最大尺寸不大于15um。