CN112648104A - 晶须增强铝合金活塞及制备方法 - Google Patents

Abstract

一种晶须增强铝合金活塞及其制备方法，所述活塞为采用硼酸铝晶须增强的铝合金活塞，其中晶须增强部位为活塞的第一环槽、顶面和喉口部位。制备时通过硼酸铝晶须预制件的结构和定位方式解决了硼酸铝晶须预制件在挤压铸造过程中易开裂的问题，通过销钉和支撑杆配合的支撑方式，解决了盐芯上浮或断裂的问题，通固溶时效处理工艺，解决了纤维预制件与铝基体之间结合面开裂的问题和淬火开裂的问题。本发明制备工艺简单合理，制备的晶须增强铝合金活塞的硼酸铝晶须与铝基体结合部位结合牢固无裂纹、无孔隙，活塞基体经热处理后达到了较高的性能，同时具有活塞头部具有高耐热、活塞环槽高耐磨和活塞销孔高强韧的技术特点。

Description

晶须增强铝合金活塞及制备方法

技术领域

本发明涉及一种铝合金活塞，尤其涉及一种晶须增强铝合金活塞及制备方法。

背景技术

随着发动机功率密度的提高，活塞承受的燃烧压力和工作温度越来越高，活塞喉口部位的温度达到400℃以上。为满足高载荷柴油机对活塞耐热性能的要求，目前成熟的做法是采取钢顶铝裙的分体式活塞。但这种活塞偏重，市场上仍希望采用铝合金整体式活塞。但对于铝合金来说，当使用温度达到350℃以上时性能急剧下降，如何解决铝合金活塞耐热性能差的问题，国内外采用了不同的方法，大致可分为两种方案，第一种，降低活塞使用温度，通过增大冷却通道或者在活塞顶面增加隔热涂层；第二种，提高活塞耐热性能，改进基体材料的耐热性能，或局部改性以提高活塞局部的耐热性能，主要在喉口部位采用复合材料增强或重熔强化。

铝基复合材料活塞比铝合金活塞具有较高的耐磨性、高温强度、疲劳强度和抗黏着性能，同时具有热膨胀系数更小，导热性更好等特点。铝基复合材料活塞的发展经历了三代，第一代是利用立式挤压铸造机以100MPa以上的高压将氧化铝和二氧化硅短纤维与铝复合化；第二代是利用高压浸渗时的原位反应将抗黏着性优异的金属间化合物Al₃Ni与铝复合化；第三代是采用晶须局部强化。活塞的复合材料增强部位最初主要在第一环槽，在第三代开始出现在活塞喉口部位。复合材料由最初的氧化铝短纤维逐渐开始选用晶须，晶须增强铝基复合材料相比短纤维增强铝基复合材料具有更好的室温及高温性能。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种晶须增强铝合金活塞。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种晶须增强铝合金活塞的制备方法。

本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种晶须增强铝合金活塞，包括活塞，其特征在于：所述活塞为采用硼酸铝晶须增强的铝合金活塞，其中晶须增强部位为活塞的第一环槽、顶面和喉口部位。

优选的，所述硼酸铝晶须的纯度要求为99.5％以上，硼酸铝晶须的直径控制在200纳米～1微米，长度控制在1～50微米，晶须增强部位的硼酸铝的体积分数为10％～20％。

本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种上述晶须增强铝合金活塞的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)硼酸铝晶须预制件的制备及定位

通过高温烧结制备硼酸铝晶须预制件，将硼酸铝晶须预制件加工成与活塞的晶须增强部位结构相似的环形结构，外圆直径和高度比活塞的晶须增强部位尺寸大3～5mm，并在底部外缘环向加工有多个支撑角，硼酸铝晶须预制件通过多个支撑角在模具台阶上定位，硼酸铝晶须预制件的外圆与模具内壁之间留有3～5mm的间隙；

2)盐芯的定位

盐芯通过销钉与盐芯支撑杆连接定位，销钉与盐芯支撑杆配合的直径为4～6mm；过小的配合尺寸会造成盐芯支撑杆变形、断裂，影响使用寿命；过大的配合尺寸会造成活塞进出孔过大，不满足活塞尺寸的要求；

3)挤压铸造

a、首先将活塞铝合金材料熔化，经变质、精炼、细化工艺后待浇注，浇注温度设定为740～780℃；

b、放入预热后的盐芯，盐芯的预热工艺为：预热温度为400～600℃，随炉升温，装炉温度不大于100℃，升温速度不超过200℃/h，预热时间大于1小时以上；

c、在模具内放入预热后的硼酸铝晶须预制件，硼酸铝晶须预制件置于盐芯的上方，硼酸铝晶须预制件的预热工艺为：预热温度为800～1000℃，随炉升温，装炉温度不大于200℃，升温速度不超过150℃/h，预热时间大于1小时以上；

d、浇入步骤1)处理好的铝液，并压住硼酸铝晶须预制件，以防漂浮，浇注结束后慢慢松开硼酸铝晶须预制件，合模、加压，挤压铸造压力为80～150MPa，保压时间为3～5min；

e、最后退模、取件，获得晶须增强铝合金活塞；

4)热处理。

进一步，所述步骤1)的硼酸铝晶须预制件的硼酸铝的体积分数为10％～20％。

再进一步，所述步骤1)的硼酸铝晶须预制件的四个支撑角为均匀间隔设置，支撑角的上端面与硼酸铝晶须预制件的外周面垂直，下端面与硼酸铝晶须预制件的底面齐平，并在下端面靠近硼酸铝晶须预制件的外周面的位置开设有带尖角的1～2mm的凹槽。

优选的，所述步骤2)的盐芯采用耐高压陶瓷增强盐芯。

作为优选，所述步骤4)热处理采取固溶和时效的热处理工艺，固溶温度为460～520℃，保温时间为2～4小时，到温装炉，85℃以上热水淬火，并强力搅拌，水流速度大于100mm/s；时效温度为190～215℃，保温8～12小时，固溶和时效处理的间隔时间不超过2小时。

进一步优选，所述热水淬火的水流速度保持在200mm/s以上。

最后，所述支撑角采用四个支撑角，并且在环向是均匀间隔分布。

与现有技术相比，本发明的优点在于：采用硼酸铝晶须增强活塞第一环槽、顶面和喉口部位，通过特制的硼酸铝晶须预制件的结构和定位方式解决了硼酸铝晶须预制件在挤压铸造过程中易开裂的问题，通过销钉和支撑杆配合的支撑方式，解决了盐芯上浮或断裂的问题，通过固溶时效处理工艺，解决了硼酸铝晶须预制件与铝基体之间结合面开裂的问题和淬火开裂的问题。本发明制备工艺简单合理，制备的晶须增强铝合金活塞的晶须增强部位的350℃高温强度达到180MPa，比铝基体提高了1倍以上，且热稳定性良好，耐热温度可达到400℃以上，硼酸铝晶须与铝基体结合部位结合牢固无裂纹、无孔隙，活塞基体经热处理后也达到了较高的性能，同时具有活塞头部具有高耐热、活塞环槽高耐磨和活塞销孔高强韧的技术特点。

附图说明

图1是本发明提供的硼酸铝晶须增强铝合金活塞的结构示意图；

图2是硼酸铝晶须预制件的结构示意图；

图3是硼酸铝晶须预制件和盐芯在模具中定位的结构示意图；

图4是硼酸铝晶须预制件的微观形貌图；

图5是硼酸铝晶须增强部位的金相组织图。

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1～5所示，一种晶须增强铝合金活塞，包括活塞1，所述活塞1为采用硼酸铝晶须增强的铝合金活塞，其中晶须增强部位11为活塞1的第一环槽、顶面和喉口部位；硼酸铝晶须的纯度要求为99.5％以上，硼酸铝晶须的直径控制在200纳米～1微米，长度控制在1～50微米，晶须增强部位的硼酸铝的体积分数为10％～20％。

硼酸铝晶须的成分如表1所示。

表1 硼酸铝晶须的成分

实施例1：

(1)硼酸铝晶须预制件2的准备

通过高温烧结制备硼酸铝晶须预制件，硼酸铝晶须的成分如表2所示，硼酸铝的质量百分含量为99.834％，硼酸铝晶须的微观组织如图4所示，晶须直径在205～934纳米之间，长度在1～15微米之间，硼酸铝晶须的体积分数为10％，按图2将硼酸铝晶须预制件加工成与活塞1的晶须增强部位11结构相似的环形结构，外圆直径和高度比活塞的晶须增强部位尺寸大3mm，并在底部外缘环向加工有4个支撑角21，硼酸铝晶须预制件2通过4个支撑角21在模具4台阶上定位，硼酸铝晶须预制件2的外圆与模具1内壁之间留有3mm的间隙；

表2 硼酸铝晶须的成分

(2)盐芯的准备

盐芯3采用耐高压陶瓷增强盐芯，在盐芯3上安装销钉，销钉孔直径为4mm，盐芯3支撑杆31头部也是4mm。

(3)挤压铸造

首先将活塞铝合金材料熔化，经变质、精炼、细化工艺后待浇注；浇注温度设定为740℃；

硼酸铝晶须预制件2的预热温度为800℃，随炉升温，装炉温度为65℃，升温速率为100℃/h，到温后保温1.5小时以上；盐芯3的预热温度为400℃，随炉升温，装炉温度为25℃，升温速率为100℃/h，到温后保温1.5小时以上；将预热的硼酸铝晶须预制件2和盐芯3放入到模具4中，定位方式如图3所示，浇入铝液，浇注温度为740℃，并压住硼酸铝晶须预制件，以防漂浮，浇注结束后慢慢松开硼酸铝晶须预制件，合模加压，挤压铸造压力为80MPa，保压为5分钟，开模、取件，获得硼酸铝晶须增强铝合金活塞毛坯；

(4)热处理

将硼酸铝晶须增强铝合金活塞进行固溶时效热处理，固溶温度460℃，保温4h，到温装炉，淬火水温85℃，水流速度为100mm/s；时效温度为190℃，保温8小时，固溶和时效处理的间隔时间1小时；

(5)活塞加工与性能检测

对硼酸铝晶须增强铝合金活塞毛坯进行内部质量检测，经内冷油道清理、机械加工获得硼酸铝晶须增强铝合金活塞成品，对部分活塞毛坯进行解剖分析。硼酸铝晶须增强部位的力学性能：抗拉强度Rm为340MPa，断后伸长率A为0.5％；350℃高温抗拉强度Rm为183MPa，断后伸长率A为0.5％；400℃高温抗拉强度Rm为62MPa，断后伸长率A为1.0％。硼酸铝晶须与铝基体结合部位经渗透检验无裂纹，活塞基体经热处理后也达到了较高的性能，抗拉强度为300MPa，断后伸长率为1.0％，350℃高温抗拉强度Rm为98MPa，断后伸长率A为4.5％。硼酸铝增强铝基复合材料的微观形貌如图5所示，硼酸铝晶须与铝结合紧密，无孔隙，结合面无缝隙。

实施例2：

(1)硼酸铝晶须预制件2的制备及定位

通过高温烧结制备硼酸铝晶须预制件，硼酸铝晶须的成分如表3所示，硼酸铝的质量百分含量为99.834％，硼酸铝晶须的微观组织如图4所示，晶须直径在225～867纳米之间，长度在5～20微米之间，硼酸铝晶须的体积分数为20％，按图2将硼酸铝晶须加工成与活塞1的晶须增强部位11结构相似的环形结构，外圆直径和高度比活塞的晶须增强部位尺寸大5mm，并在底部外缘环向加工有4个支撑角21，硼酸铝晶须预制件2通过4个支撑角21在模具4台阶上定位，硼酸铝晶须预制件2的外圆与模具1内壁之间之间留有5mm的间隙；

表3 硼酸铝晶须的成分

(2)盐芯3的准备

盐芯3采用耐高压陶瓷增强盐芯，在盐芯3上安装销钉，销钉孔直径为6mm，盐芯3支撑杆31头部也是6mm。

(3)挤压铸造

首先将活塞铝合金材料熔化，经变质、精炼、细化工艺后待浇注；

硼酸铝晶须预制件2的预热温度为1000℃，随炉升温，装炉温度为100℃，升温速率为150℃/h，到温后保温1小时以上；盐芯3的预热温度为600℃，随炉升温，装炉温度为100℃，升温速率为200℃/h，到温后保温1小时以上；将预热的硼酸铝晶须预制件2和盐芯3放入到模具4中，定位方式如图3所示，浇入铝液，浇注温度为780℃，并压住硼酸铝晶须预制件，以防漂浮，浇注结束后慢慢松开硼酸铝晶须预制件，合模加压，挤压铸造压力为150MPa，保压为3分钟，开模、取件，获得硼酸铝晶须增强铝合金活塞毛坯。

(4)热处理

将硼酸铝晶须增强铝合金活塞进行固溶时效热处理，固溶温度520℃，保温2h，到温装炉，淬火水温98℃，水流速度为200mm/s；时效温度为215℃，保温12小时，固溶和时效处理的间隔时间2小时。

(5)活塞加工与性能检测

对硼酸铝晶须增强铝合金活塞毛坯进行内部质量检测，经内冷油道清理、机械加工获得硼酸铝晶须增强铝合金活塞成品，对部分活塞毛坯进行解剖分析。硼酸铝晶须增强部位的力学性能：抗拉强度Rm为380MPa，断后伸长率A为1.0％；350℃高温抗拉强度Rm为226MPa，断后伸长率A为1.0％；400℃高温抗拉强度Rm为65MPa，断后伸长率A为1.5％。硼酸铝晶须与铝基体结合部位经渗透检验无裂纹，活塞基体经热处理后也达到了较高的性能，抗拉强度为340MPa，断后伸长率为1.0％，350℃高温抗拉强度Rm为92MPa，断后伸长率A为6.5％。硼酸铝晶须与铝结合紧密，无孔隙，结合面无缝隙。

下面对本发明的构思进行具体说明

一、活塞第一环槽是活塞耐磨性要求最高的部位，该部位用硼酸铝晶须增强可有效提高耐磨性能，取代常规的高镍铸铁镶环。活塞顶面和喉口部位是活塞使用温度最高的部位，该部位用硼酸铝晶须增强可有效提高耐热性能，350℃的高温强度比铝基体提高1倍以上，耐热温度达到400℃以上。硼酸铝晶须的纯度要求在99.5％以上，较高纯度的硼酸铝晶须有助于提高硼酸铝晶须增强铝基复合材料的力学性能，否则因杂质含量较高，达不到较高的室温强度和高温强度。硼酸铝晶须的直径以200纳米～1微米为宜，硼酸铝晶须的直径小于200纳米时很难制备，大于1微米时降低力学性能；长度以1～50微米之间为宜，硼酸铝晶须的长度小于1微米时，晶须之间很难搭接在一起构成多孔隙的硼酸铝晶须预制件2，大于50微米时，硼酸铝晶须预制件2很难制备；体积分数以10％～20％为宜，硼酸铝的体积分数低于10％时，硼酸铝晶须预制件2的制备存在困难，高于20％时，硼酸铝晶须增强部位很脆，极易产生裂纹。

二、硼酸铝晶须预制件2的结构设计与定位出于两个目的：硼酸铝晶须预制件2较脆，如果受力不均匀容易开裂。一方面，硼酸铝晶须预制件2与模具4之间留有间隙，在浇注过程中铝液填充其间，随后挤压铸造的过程中压力通过铝液在晶须的整个周向施加等静压力，等静压力的作用晶须不会开裂。另一方面，硼酸铝晶须预制件2通过支撑角21与模具4接触，在挤压铸造的过程中随着铝液的凝固收缩，硼酸铝晶须预制件2也随之下移1～2mm，支撑角21受模具4台阶的限制而不能下移，支撑角21在与圆环连接处断裂，裂纹不会扩展到硼酸铝晶须预制件2圆环上，由此保证了硼酸铝晶须预制件2不开裂。

本发明制备的晶须增强铝合金活塞的硼酸铝晶须增强部位11的力学性能：抗拉强度Rm≥340MPa，断后伸长率A≥0.5％；350℃高温抗拉强度Rm≥180MPa，断后伸长率A≥0.5％；400℃高温抗拉强度Rm≥60MPa，断后伸长率A≥1.0％。硼酸铝晶须与铝基体结合部位经渗透检验无裂纹，活塞基体经热处理后也达到了较高的性能，抗拉强度达到300MPa，断后伸长率达到1.0％，350℃高温抗拉强度Rm≥90MPa，断后伸长率A≥4.5％。

具有优良的耐热性、耐磨性和高强韧，同时硼酸铝晶须与铝基体结合部位结合牢固无裂纹。

Claims (9)

1.一种晶须增强铝合金活塞，包括活塞，其特征在于：所述活塞为采用硼酸铝晶须增强的铝合金活塞，其中晶须增强部位为活塞的第一环槽、顶面和喉口部位。

2.根据权利要求1所述的晶须增强铝合金活塞，其特征在于：所述硼酸铝晶须的纯度要求为99.5％以上，硼酸铝晶须的直径控制在200纳米～1微米，长度控制在1～50微米，晶须增强部位的硼酸铝的体积分数为10％～20％。

3.一种根据权利要求1或2所述的晶须增强铝合金活塞的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)硼酸铝晶须预制件的制备及定位

通过高温烧结制备硼酸铝晶须预制件，将硼酸铝晶须预制件加工成与活塞的晶须增强部位结构相似的环形结构，外圆直径和高度比活塞的晶须增强部位尺寸大3～5mm，并在底部外缘环向加工有多个支撑角，硼酸铝晶须预制件通过多个支撑角在模具台阶上定位，硼酸铝晶须预制件的外圆与模具内壁之间留有3～5mm的间隙。

2)盐芯的定位

盐芯通过销钉与盐芯支撑杆连接定位，销钉与盐芯支撑杆配合的直径为4～6mm；

3)挤压铸造

a、首先将活塞铝合金材料熔化，经变质、精炼、细化工艺后待浇注，浇注温度设定为740～780℃；

b、放入盐芯，盐芯的预热温度为400～600℃，随炉升温，装炉温度不大于100℃，升温速度不超过200℃/h，预热时间大于1小时以上；

c、在模具内放入硼酸铝晶须预制件，硼酸铝晶须预制件置于盐芯的上方，硼酸铝晶须预制件的预热温度为800～1000℃，随炉升温，装炉温度不大于200℃，升温速度不超过150℃/h，预热时间大于1小时以上；

d、浇入步骤1)处理好的铝液，并压住硼酸铝晶须预制件，以防漂浮，浇注结束后慢慢松开硼酸铝晶须预制件，合模、加压，挤压铸造压力为80～150MPa，保压时间为3～5min；

e、最后退模、取件，获得晶须增强铝合金活塞；

4)热处理。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1)的硼酸铝晶须预制件的硼酸铝的体积分数为10％～20％。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1)的硼酸铝晶须预制件的支撑角的上端面与硼酸铝晶须预制件的外周面垂直，下端面与硼酸铝晶须预制件的底面齐平，并在下端面靠近硼酸铝晶须预制件的外周面的位置开设有带尖角的1～2mm的凹槽。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤2)的盐芯采用耐高压陶瓷增强盐芯。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤4)热处理采取固溶和时效的热处理工艺，固溶温度为460～520℃，保温时间为2～4小时，到温装炉，85℃以上热水淬火，并强力搅拌，水流速度大于100mm/s；时效温度为190～215℃，保温8～12小时，固溶和时效处理的间隔时间不超过2小时。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述热水淬火的水流速度保持在200mm/s以上。

9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述支撑角采用四个支撑角，并且在环向是均匀间隔分布。

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