專利名稱：：耐熱稀土鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的低壓鑄造制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及的是一種汽車制造
技術(shù)領(lǐng)域：
的方法，具體是一種耐熱稀土鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的低壓鑄造制備方法。
背景技術(shù)：
：活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的部件之一，因其在高溫、高壓、腐蝕、磨擦、高速運(yùn)動(dòng)的條件下工作，對(duì)材料的性能要求很高。根據(jù)活塞的工作環(huán)境，活塞材料應(yīng)具備下列條件具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，尤其是應(yīng)具有較高的高溫強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性；具有較小的熱膨脹系數(shù)，使活塞和汽缸在工作過程中保持合適的間隙，以減少機(jī)械運(yùn)行時(shí)的噪聲，降低油耗；吸熱性要差，導(dǎo)熱性要好，能及時(shí)將工作過程中產(chǎn)生的熱量傳遞出去；比強(qiáng)度要大，以減小活塞重量，提高工作效率；此外還應(yīng)具有良好的耐磨性、耐蝕性，以延長(zhǎng)活塞的使用壽命；最后還要容易加工，成本較低。鋁硅多元合金是目前用于制備發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的主流材料，以專利US2004/0057865Al為例，它報(bào)道了一種Si含量介于1021%wt范圍的Al-Si-Mg-Ti-Cu-Fe-Ni-P多元合金活塞，通過成分優(yōu)化可獲得顯著優(yōu)于傳統(tǒng)材料的抗熱機(jī)疲勞性能。隨著全球石油資源的短缺，各國(guó)出臺(tái)了日益嚴(yán)格的汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)出重量輕、油耗少、環(huán)保型的新型汽車，是汽車工業(yè)中日益嚴(yán)峻的話題。鎂合金作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，在汽車工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。眾所周知，發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的心臟，而活塞則是發(fā)動(dòng)機(jī)中最關(guān)鍵的部件。通?；钊谕鶑?fù)運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)引起震動(dòng)，并對(duì)曲軸施加較大的側(cè)向力。在大功率發(fā)動(dòng)機(jī)中，這些力通常要靠昂貴的平衡系統(tǒng)來平衡。因此，選用更輕的活塞除了可以減輕重量，降低油耗之外，還可以大幅減輕活塞運(yùn)動(dòng)過程中的震動(dòng)，提高曲軸的壽命，降低噪聲，增加乘坐的舒適性。與傳統(tǒng)的鋁合金活塞相比，鎂合金活塞有望減輕30%的重量，因而開發(fā)鎂合金活塞是世界汽車業(yè)亟待解決的課題。然而，由于鎂合金低的高溫強(qiáng)度和抗蠕變性能制約了其在活塞(包括其它發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力系統(tǒng)零件)上的應(yīng)用。近年來，隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)鎂合金材料的開發(fā)和應(yīng)用的不斷深入，尤其是耐熱鎂合金和鎂基復(fù)合材料的發(fā)展為鎂合金在汽車活塞上的應(yīng)用提供了可能性。專利EP499321-A1中介紹了復(fù)合材料局部增強(qiáng)鎂合金活塞的一種制備工藝，首先選用氧化鋁、碳化硅或者氮化硅陶瓷短纖維制成一定形狀的預(yù)制件，安裝在活塞頂、活塞環(huán)、銷孔等需要增強(qiáng)的部位，然后通過壓力浸漬工藝注入鎂合金熔體，為改善其耐熱性，上述鎂合金基體中含有一定量與稀土金屬的化合物。盡管該工藝使活塞的耐熱性得到了明顯改善，但所涉及的纖維預(yù)制件、活塞模具、與基體的復(fù)合等制備過程相對(duì)復(fù)雜，不可避免地帶來了成本和性能穩(wěn)定性方面的問題，因而制約了其應(yīng)用。另外，在中國(guó)專利文獻(xiàn)號(hào)CN1796024A中，公開了一種鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞及其制備方法，其成分含量為A1210wt%，Si210wt^，其余為鎂和添加元素，所述添加元素為Y、Sr、Ca、C、Be及稀土類金屬元素中的一種或幾種；活塞的制備方法有下列步驟組成鎂合金熔煉、精煉，鎂合金半固態(tài)漿料制備、鎂合金半固態(tài)坯料制備、鎂合金鑄錠的制備、壓力成型、最終制成鎂合金活塞。據(jù)報(bào)道，該工藝所制備的Mg-Al-Si鎂合金活塞在28(TC條件下，屈服強(qiáng)度高于200MPa。然而，該專利除工藝成本相對(duì)較高之外，還未考慮對(duì)活塞運(yùn)行更為重要的蠕變性能和疲勞強(qiáng)度，事實(shí)上，過高含量Al元素的添加勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致鎂合金蠕變性能和疲勞強(qiáng)度的顯著下降。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)功率的提高，活塞頂部的溫度可達(dá)到300°C，對(duì)活塞材料的要求也更為苛刻，因而如何利用耐熱鎂合金低成本，高效率的制備高性能的鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞一直是汽車行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。但目前采用低壓鑄造方法制備高性能的鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞，在國(guó)內(nèi)外還未見公開報(bào)道。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種耐熱稀土鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的低壓鑄造制備方法，通過施加0.20.8atm的壓力并選擇合適的耐熱稀土鎂合金、選取合適的低壓鑄造工藝參數(shù)以及調(diào)整相應(yīng)的熱處理工藝，從而制備出具備優(yōu)異高溫強(qiáng)度，疲勞強(qiáng)度和抗蠕變性能的活塞。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括以下步驟第一步、配取中間合金Mg-Y、Mg-Gd和Mg-Zr以及工業(yè)純鎂和工業(yè)純鋅，其中Mg-Y為Mg-25wt%Y中間合金，用量12.3118.46kg、Mg-Gd為Mg_25wt%Gd中間合金，用量42.1150.5kg和Mg-Zr為Mg_30wt%Zr中間合金，用量3.3310kg以及工業(yè)純鎂22.3843.55kg和工業(yè)純鋅13kg;第二步、熔煉合金，獲得鎂合金熔體，具體步驟如下2.1)將第一步中選取的中間合金Mg-Y、Mg-Gd和Mg-Zr以及工業(yè)純鎂和工業(yè)純鋅置于烘箱中預(yù)熱至20025(TC，保溫2小時(shí)以上；2.2)在SF6+C02氣體保護(hù)或覆蓋劑保護(hù)條件下向熔煉爐中加入工業(yè)純鎂，加熱熔煉，然后依次在70074(TC的溫度下向熔煉爐中加入預(yù)熱后的Mg-Y和Mg-Gd并待其完全熔化后，在65075(TC的溫度下加入工業(yè)純鋅；2.3)將熔煉爐升溫至76078(TC后加入Mg-Zr中間合金，攪拌25分鐘以促使其充分熔化，然后進(jìn)一步升高熔煉爐溫度至780800°C;2.4)在78080(TC保溫2030分鐘后降溫至740760°C，采用鎂合金精煉劑精煉520分鐘。精煉后的靜置時(shí)間控制在2540分鐘之間，待鎂液冷卻至74077(TC后撇去表面浮渣，獲得鎂合金熔體。第三步、對(duì)鎂合金熔體進(jìn)行低壓鑄造，得到鎂合金活塞初坯鎂合金熔體澆注溫度為720740°C，砂型澆道溫度為0150°C，金屬型活塞模具溫度為200400°C，然后依次進(jìn)行升壓5070s，0.20.25atm;保壓lminlmin30s，0.70.8atm;卸壓6min6min30s，0.25atm;完畢78min，實(shí)現(xiàn)低壓鑄造過程，制成鎂合金活塞初坯。第四步、將鎂合金活塞初坯依次進(jìn)行固溶處理、冷卻處理和時(shí)效處理后得到耐熱稀土鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞。所述的固熔處理是指在50055(TC的環(huán)境下固溶620小時(shí)；所述的冷卻處理是指隨爐自然冷卻、水淬、空氣冷卻；所述的冷卻處理的冷卻速度為0.002°C/s68°C/s之間；所述的時(shí)效處理是指在225300°C的環(huán)境下進(jìn)行1245小時(shí)的時(shí)效處理。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用了比傳統(tǒng)鋁硅合金活塞材料密度更小的鎂合金作為原材料，大大減輕了活塞的重量，除了可以降低油耗外，還可以大幅減輕活塞運(yùn)動(dòng)過程中的震動(dòng)，提高曲軸的壽命，減少噪聲，增加乘坐的舒適性；同時(shí)由于本發(fā)明采用了新型耐熱稀土鎂合金作為活塞材料，并通過成分優(yōu)化和一系列工藝參數(shù)的調(diào)整，獲得晶粒細(xì)小、組織致密、尺寸穩(wěn)定，性能更加優(yōu)異、能更好滿足發(fā)動(dòng)機(jī)活塞服役要求的新型耐熱稀土鎂合金活塞。經(jīng)過固溶和時(shí)效處理后，在活塞頂部取樣，測(cè)試其室溫抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為275MPa和1.2%，高溫30(TC測(cè)試時(shí)的抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為238MPa和5.2%;其室溫和300°C疲勞強(qiáng)度分別為82MPa和67MPa;在300°C/50MPa測(cè)試條件下，該合金仍具有非常優(yōu)異的抗蠕變性能，100h的蠕變伸長(zhǎng)僅為0.86%，其穩(wěn)態(tài)蠕變速率為2.34X10—8s一1。圖1為本發(fā)明制備所得活塞示意圖。具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。實(shí)施例1鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的合金成分(重量百分比)10%Gd、3%Y、2%Zn、0.4%Zr，雜質(zhì)元素小于0.02%，其余為Mg。該合金的熔煉工藝具體步驟為(1)按照上述成分配置合金，純鎂及所用中間合金在烘箱中預(yù)熱至20(TC，保溫2小時(shí)；(2)熔煉Mg:在熔煉爐中加入工業(yè)純鎂，加熱熔煉，同時(shí)采用覆蓋劑進(jìn)行保護(hù)；(3)加Y和Gd:在730。C的溫度下向鎂液中加入烘干的Mg-Y和Mg-Gd中間合金；(4)加Zn:待中間合金完全熔化后，在70(TC的溫度下加入工業(yè)純鋅；(5)加Zr:將鎂液溫度升至76(TC后加入Mg-Zr中間合金，攪拌2分鐘以促使其充分熔化，升高鎂液溫度至780°C;(6)精煉在78(TC保溫20分鐘后降溫至760°C，采用鎂合金精煉劑精煉10分鐘。精煉后靜置30分鐘，待鎂液冷卻至735t:后撇去表面浮渣，獲得鎂合金熔體，澆注準(zhǔn)備；(7)低壓鑄造保持鎂合金熔體溫度735°C，砂型澆道50°C，金屬模具溫度350°C，進(jìn)行低壓鑄造制成活塞，其工藝參數(shù)具體為升壓70s，0.25atm;保壓lmin30s，0.7at;卸壓6min，0.25atm;完畢7min07s。將制得的鎂合金活塞進(jìn)行525°C、15小時(shí)的固溶處理、空冷以及225°C、20小時(shí)的時(shí)效處理，最后獲得高強(qiáng)度耐熱鎂合金活塞。本實(shí)施例的鎂合金活塞的室溫抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為260MPa和0.89%，高溫30(TC測(cè)試時(shí)的抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為221MPa和5.6%;其室溫和30(TC疲勞強(qiáng)度分別為67MPa和46MPa。300°C/50MPa蠕變條件下，其穩(wěn)態(tài)蠕變速率為5.25X10—8s—、100小時(shí)的蠕變伸長(zhǎng)為3.1%。實(shí)施例2鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的合金成分(重量百分比)11%Gd、2%Y、l%Zn、0.2%Zr，雜質(zhì)元素小于0.02%，其余為Mg。該合金的熔煉工藝具體步驟為(1)按照上述成分配置合金，純鎂及所用中間合金在烘箱中預(yù)熱至20(TC，保溫2小時(shí)；(2)熔煉Mg:在熔煉爐中加入工業(yè)純鎂，加熱熔煉，同時(shí)采用覆蓋劑進(jìn)行保護(hù)；(3)加Y和Gd:在73(TC的溫度下向鎂液中加入烘干的Mg_Y和Mg-Gd中間合金；(4)加Zn:待中間合金完全熔化后，在700°C的溫度下加入工業(yè)純鋅；(5)加Zr:將鎂液溫度升至76(TC后加入Mg-Zr中間合金，攪拌2分鐘以促使其充分熔化，升高鎂液溫度至780°C;(6)精煉在78(TC保溫20分鐘后降溫至760°C，采用鎂合金精煉劑精煉10分鐘。精煉后靜置30分鐘，待鎂液冷卻至735t:后撇去表面浮渣，獲得鎂合金熔體，澆注準(zhǔn)備；(7)低壓鑄造保持鎂合金熔體溫度735°C，砂型澆道60°C，金屬模具溫度380°C，進(jìn)行低壓鑄造制成活塞，其工藝參數(shù)具體為升壓70s，0.25atm;保壓lmin30s，0.8atm;卸壓6min30s，0.25atm;完畢7min09s。將制得的鎂合金活塞進(jìn)行525°C、20小時(shí)的固溶處理、水淬以及225°C、24小時(shí)的時(shí)效處理，最后獲得高強(qiáng)度耐熱鎂合金活塞。本實(shí)施例的鎂合金活塞的室溫抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為250MPa和1.5%，高溫30(TC測(cè)試時(shí)的抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為231MPa和6.2%;其室溫和30(TC疲勞強(qiáng)度分別為73MPa和58MPa;30(TC/50MPa蠕變條件下，其穩(wěn)態(tài)蠕變速率為4.91X10—S—1,100小時(shí)的蠕變伸長(zhǎng)為2.88%。實(shí)施例3鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的合金成分(重量百分比)12%Gd、2%Y、2%Zn、0.3%Zr，雜質(zhì)元素小于0.02%，其余為Mg。該合金的熔煉工藝具體步驟為(1)按照上述成分配置合金，純鎂及所用中間合金在烘箱中預(yù)熱至20(TC，保溫2小時(shí)；(2)熔煉Mg:在熔煉爐中加入工業(yè)純鎂，加熱熔煉，同時(shí)采用覆蓋劑進(jìn)行保護(hù)；(3)加Y和Gd:在73(TC的溫度下向鎂液中加入烘干的Mg-Y和Mg-Gd中間合金；(4)加Zn:待中間合金完全熔化后，在700°C的溫度下加入工業(yè)純鋅；(5)加Zr:將鎂液溫度升至76(TC后加入Mg-Zr中間合金，攪拌2分鐘以促使其充分熔化，升高鎂液溫度至780°C;(6)精煉在79(TC保溫25分鐘后降溫至760°C，采用鎂合金精煉劑精煉10分鐘。精煉后靜置30分鐘，待鎂液冷卻至735t:后撇去表面浮渣，獲得鎂合金熔體，澆注準(zhǔn)備；(7)低壓鑄造保持鎂合金熔體溫度720°C，砂型澆道IO(TC，金屬模具溫度350°C，進(jìn)行低壓鑄造制成活塞，其工藝參數(shù)具體為升壓60s，0.25at;保壓lmin20s，0.8at;卸壓6min20s，0.25at;完畢7min20s。將制得的鎂合金活塞進(jìn)行525°C、20小時(shí)的固溶處理、水淬以及225°C、24小時(shí)的時(shí)效處理，最后獲得高強(qiáng)度耐熱鎂合金活塞。本實(shí)施例的鎂合金活塞的室溫抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為275MPa和1.2%，高溫30(TC測(cè)試時(shí)的抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為238MPa和5.2%;其室溫和30(TC疲勞強(qiáng)度分別為82MPa和67MPa;30(TC/50MPa蠕變條件下，其穩(wěn)態(tài)蠕變速率為2.34X10—8s—、100小時(shí)的蠕變伸長(zhǎng)為0.86%。如表1所示，為上述實(shí)施例與現(xiàn)有技術(shù)的性能比較<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>權(quán)利要求一種耐熱稀土鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的低壓鑄造制備方法，其特征在于，包括以下步驟第一步、配取中間合金Mg-Y、Mg-Gd和Mg-Zr以及工業(yè)純鎂和工業(yè)純鋅；第二步、熔煉合金，獲得鎂合金熔體；第三步、對(duì)鎂合金熔體進(jìn)行低壓鑄造，得到鎂合金活塞初坯；第四步、將鎂合金活塞初坯依次進(jìn)行固溶處理、冷卻處理和時(shí)效處理后得到耐熱稀土鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞。2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的耐熱稀土鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的低壓鑄造制備方法，其特征是，第一步、配取中間合金Mg-Y、Mg-Gd和Mg-Zr以及工業(yè)純鎂和工業(yè)純鋅，其中Mg-Y為Mg-25wt%Y中間合金，用量12.3118.46kg、Mg-Gd為Mg-25wt%Gd中間合金，用量42.1150.5kg和Mg-Zr為Mg_30wt%Zr中間合金，用量3.3310kg以及工業(yè)純鎂22.3843.55kg和工業(yè)純鋅13kg。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐熱稀土鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的低壓鑄造制備方法，其特征是，所述的熔煉合金，獲得鎂合金熔體，具體包括以下步驟2.1)將第一步中選取的中間合金Mg-Y、Mg-Gd和Mg-Zr以及工業(yè)純鎂和工業(yè)純鋅置于烘箱中預(yù)熱至20025(TC，保溫2小時(shí)以上；2.2)在SF6+C02—?dú)怏w保護(hù)或覆蓋劑保護(hù)條件下向熔煉爐中加入工業(yè)純鎂，加熱熔煉，然后依次在700740°C的溫度下向熔煉爐中加入預(yù)熱后的Mg-Y和Mg-Gd并待其完全熔化后，在65075(TC的溫度下加入工業(yè)純鋅；2.3)將熔煉爐升溫至76078(TC后加入Mg-Zr中間合金，攪拌25分鐘以促使其充分熔化，然后進(jìn)一步升高熔煉爐溫度至780800°C;2.4)在78080(TC保溫2030分鐘后降溫至740760°C，采用鎂合金精煉劑精煉520分鐘。精煉后的靜置時(shí)間控制在2540分鐘之間，待鎂液冷卻至740770°C后撇去表面浮渣，獲得鎂合金熔體。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐熱稀土鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的低壓鑄造制備方法，其特征是，所述的對(duì)鎂合金熔體進(jìn)行低壓鑄造處理是指鎂合金熔體澆注溫度為72074(TC，砂型澆道溫度為015(TC，金屬型活塞模具溫度為20040(TC，然后依次進(jìn)行升壓5070s，0.20.25atm;保壓:lminlmin30s，0.70.8atm;卸壓6min6min30s，0.25atm;完畢78min，實(shí)現(xiàn)低壓鑄造過程，制成鎂合金活塞初坯。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐熱稀土鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的低壓鑄造制備方法，其特征是，所述的固熔處理是指在50055(TC的環(huán)境下固溶620小時(shí)。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐熱稀土鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的低壓鑄造制備方法，其特征是，所述的冷卻處理是指隨爐自然冷卻、水淬、空氣冷卻。7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的耐熱稀土鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的低壓鑄造制備方法，其特征是，所述的冷卻處理的冷卻速度為0.002°C/s68°C/s之間。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐熱稀土鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的低壓鑄造制備方法，其特征是，所述的時(shí)效處理是指在22530(TC的環(huán)境下進(jìn)行1245小時(shí)的時(shí)效處理。全文摘要一種汽車制造
技術(shù)領(lǐng)域：
的耐熱稀土鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的低壓鑄造制備方法，包括配取中間合金Mg-Y、Mg-Gd和Mg-Zr以及工業(yè)純鎂和工業(yè)純鋅；熔煉合金，獲得鎂合金熔體；對(duì)鎂合金熔體進(jìn)行擠壓鑄造處理，獲得鎂合金活塞初坯；將鎂合金活塞初坯依次進(jìn)行固溶處理、冷卻處理和時(shí)效處理后得到耐熱稀土鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)活塞。本發(fā)明通過施加0.2～0.8atm的壓力并選擇合適的耐熱稀土鎂合金、選取合適的低壓鑄造工藝參數(shù)以及調(diào)整相應(yīng)的熱處理工藝，從而制備出具備優(yōu)異高溫強(qiáng)度，疲勞強(qiáng)度和抗蠕變性能的活塞。文檔編號(hào)C22C23/00GK101693971SQ20091030891公開日2010年4月14日申請(qǐng)日期2009年10月27日優(yōu)先權(quán)日2009年10月27日發(fā)明者尹冬弟,王渠東,陳長(zhǎng)江申請(qǐng)人:上海交通大學(xué);