專利名稱：：耐熱稀土鎂合金發(fā)動機活塞的擠壓鑄造制備方法
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)動機活塞的擠壓鑄造制備方法。
背景技術(shù)：
：活塞是發(fā)動機中最重要的部件之一，因其在高溫、高壓、腐蝕、磨擦、高速運動的條件下工作，對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械強度，尤其是應(yīng)具有較高的高溫強度和熱穩(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，以減少機械運行時的噪聲，降低油耗；吸熱性要差，導(dǎo)熱性要好，能及時將工作過程中產(chǎn)生的熱量傳遞出去；比強度要大，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)動機活塞的主流材料，經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，美國專利文獻號US2004/0057865A1記載了一種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)材料的抗熱機疲勞性能。隨著全球石油資源的短缺，各國出臺了日益嚴(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)動機是汽車的心臟，而活塞則是發(fā)動機中最關(guān)鍵的部件。通常活塞在往復(fù)運動過程中會引起震動，并對曲軸施加較大的側(cè)向力。在大功率發(fā)動機中，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動過程中的震動，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度和抗蠕變性能制約了其在活塞(包括其它發(fā)動機和動力系統(tǒng)零件)上的應(yīng)用。近年來，隨著國內(nèi)外對鎂合金材料的開發(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。經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，歐洲專利文獻號EP499321-A1記載了復(fù)合材料局部增強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。另經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利文獻號CN1796024A記載了一種"鎂合金發(fā)動機活塞及其制備方法"，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，屈服強度高于200MPa。然而，該專利除工藝成本相對較高之外，還未考慮對活塞運行更為重要的蠕變性能和疲勞強度，事實上，過高含量Al元素的添加勢必會導(dǎo)致鎂合金蠕變性能和疲勞強度的顯著下降。隨著發(fā)動機功率的提高，活塞頂部的溫度可達到300°C，對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)動機活塞一直是汽車行業(yè)關(guān)注的焦點。但目前采用鎂合金擠壓鑄造方法制備高性能的發(fā)動機活塞，在國內(nèi)外還未見公開報道。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對現(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)動機活塞的擠壓鑄造制備方法，通過選擇合適的耐熱稀土鎂合金、選取合適的擠壓鑄造工藝參數(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小時以上；2.2)在SF6+C02氣體保護或覆蓋劑保護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、對鎂合金熔體進行擠壓鑄造處理，獲得鎂合金活塞初坯將鎂合金熔體澆注溫度為740770。C，金屬型模具溫度為200300。C，擠壓壓力1020MPa，保壓時間15》#。第四步、將鎂合金活塞初坯依次進行固溶處理、冷卻處理和時效處理后得到耐熱稀土鎂合金發(fā)動機活塞。所述的固熔處理是指在50055(TC的環(huán)境下固溶618小時；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；所述的時效處理是指在225300°C的環(huán)境下進行1240小時的時效處理。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動過程中的震動，提高曲軸的壽命，減少噪聲，增加乘坐的舒適性；同時由于本發(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，獲得晶粒細小、致密、成分均勻和少無缺陷的組織，尺寸精度高，活塞性能更加優(yōu)異、能更好滿足發(fā)動機活塞服役要求的新型耐熱稀土鎂合金活塞。經(jīng)過固溶和時效處理后，在活塞頂部取樣，測試其室溫抗拉強度和延伸率分別為340MPa和2.3%，高溫30(TC測試時的抗拉強度和延伸率分別為279MPa和6.6%;其室溫和30(TC疲勞強度分別為80MPa和62MPa;在300°C/50MPa測試條件下，該合金仍具有非常優(yōu)異的抗蠕變性能，100h的蠕變伸長僅為1.12%，其穩(wěn)態(tài)蠕變速率為2.63X10—8s—1。圖1為本發(fā)明制備所得活塞示意圖。具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。實施例1鎂合金發(fā)動機活塞的合金成分(重量百分比)10%Gd、3%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；(2)熔煉Mg:在熔煉爐中加入工業(yè)純鎂，加熱熔煉，同時采用覆蓋劑進行保護；(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。精煉后的靜置時間30分鐘，待鎂液冷卻至74(TC后撇去表面浮渣，獲得鎂合金熔體，澆注準(zhǔn)備；(7)擠壓鑄造保持鎂合金熔體溫度為74(TC，模具溫度為225t:，擠壓壓力為12MPa，保壓時間為2分鐘。將制得的鎂合金活塞進行535°C、16小時的固溶處理、水淬以及225°C、24小時的時效處理，最后獲得高強度耐熱鎂合金活塞。本實施例的鎂合金活塞的室溫抗拉強度和延伸率分別為340MPa和2.3%，高溫30(TC測試時的抗拉強度和延伸率分別為279MPa和6.6%;其室溫和30(TC疲勞強度分別為80MPa和62MPa;30(TC/50MPa蠕變條件下，其穩(wěn)態(tài)蠕變速率為2.63X10—8s—、100小時的蠕變伸長為1.12%。實施例2鎂合金發(fā)動機活塞的合金成分(重量百分比)12%Gd、2%Y、l%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；(2)熔煉Mg:在熔煉爐中加入工業(yè)純鎂，加熱熔煉，同時采用覆蓋劑進行保護；(3)加Y和Gd:在725"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8分鐘。精煉后的靜置時間35分鐘，待鎂液冷卻至75(TC后撇去表面浮渣，獲得鎂合金熔體，澆注準(zhǔn)備；(7)擠壓鑄造保持鎂合金熔體溫度為75(TC，模具溫度為20(TC，擠壓壓力為15MPa，保壓時間為3分鐘。將制得的鎂合金活塞進行525°C、17小時的固溶處理、水淬以及225°C、30小時的時效處理，最后獲得高強度耐熱鎂合金活塞。本實施例的鎂合金活塞的室溫抗拉強度和延伸率分別為314MPa和2.6%，高溫30(TC測試時的抗拉強度和延伸率分別為258MPa和6.9%;其室溫和30(TC疲勞強度分別為74MPa和56MPa;30(TC/50MPa蠕變條件下，其穩(wěn)態(tài)蠕變速率為7.59X10—8s—、100小時的蠕變伸長為3.25%。實施例3鎂合金發(fā)動機活塞的合金成分(重量百分比)10%Gd、3%Y、l%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；(2)熔煉Mg:在熔煉爐中加入工業(yè)純鎂，加熱熔煉，同時采用覆蓋劑進行保護；(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6分鐘。精煉后的靜置時間控制在40分鐘之間，待鎂液冷卻至76(TC后撇去表面浮渣，獲得鎂合金熔體，澆注準(zhǔn)備；(7)擠壓鑄造保持鎂合金熔體溫度為76(TC，模具溫度為20(TC，擠壓壓力為20MPa，保壓時間為3分鐘。將制得的鎂合金活塞進行525°C、18小時的固溶處理、水淬以及225°C、30小時的時效處理，最后獲得高強度耐熱鎂合金活塞。本實施例的鎂合金活塞的室溫抗拉強度和延伸率分別為297MPa和4.7%，高溫30(TC測試時的抗拉強度和延伸率分別為228MPa和11.6%;其室溫和30(TC疲勞強度分別為65MPa和48MPa;30(TC/50MPa蠕變條件下，其穩(wěn)態(tài)蠕變速率為8.63X10—8s—、100小時的蠕變伸長為3.82%。實施例4鎂合金發(fā)動機活塞的合金成分(重量百分比)11%Gd、2%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；(2)熔煉Mg:在熔煉爐中加入工業(yè)純鎂，加熱熔煉，同時采用覆蓋劑進行保護；(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770°C，采用鎂合金精煉劑精煉12分鐘。精煉后的靜置時間30分鐘，待鎂液冷卻至77(TC后撇去表面浮渣，獲得鎂合金熔體，澆注準(zhǔn)備；(7)擠壓鑄造保持鎂合金熔體溫度為77(TC，模具溫度為23(TC，擠壓壓力為20MPa，保壓時間為1分鐘。將制得的鎂合金活塞進行525°C、18小時的固溶處理、空冷以及225°C、35小時的時效處理，最后獲得高強度耐熱鎂合金活塞。本實施例的鎂合金活塞的室溫抗拉強度和延伸率分別為326MPa和2.9%，高溫30(TC測試時的抗拉強度和延伸率分別為267MPa和7.5%;其室溫和30(TC疲勞強度分別為69MPa和52MPa;30(TC/50MPa蠕變條件下，其穩(wěn)態(tài)蠕變速率為3.42X10—8s—、100小時的蠕變伸長為1.54%。實施例5鎂合金發(fā)動機活塞的合金成分(重量百分比)10%Gd、2%Y、l%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；(2)熔煉Mg:在熔煉爐中加入工業(yè)純鎂，加熱熔煉，同時采用覆蓋劑進行保護；(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76(TC，采用鎂合金精煉劑精煉10分鐘。精煉后的靜置時間30分鐘，待鎂液冷卻至755t:后撇去表面浮渣，獲得鎂合金熔體，澆注準(zhǔn)備；(7)擠壓鑄造保持鎂合金熔體溫度為75(TC，模具溫度為23(TC，擠壓壓力為16MPa，保壓時間為1分鐘。將制得的鎂合金活塞進行525°C、10小時的固溶處理、水淬以及225°C、20小時的時效處理，最后獲得高強度耐熱鎂合金活塞。本實施例的鎂合金活塞的室溫抗拉強度和延伸率分別為286MPa和4.2%，高溫30(TC測試時的抗拉強度和延伸率分別為215MPa和10.3%;其室溫和30(TC疲勞強度分別為59MPa和41MPa;300。C/50MPa蠕變條件下，其穩(wěn)態(tài)蠕變速率為9.25X10—8s—、100小時的蠕變伸長為4.23%。如表1所示，為上述實施例與現(xiàn)有技術(shù)的性能比較<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>權(quán)利要求一種耐熱稀土鎂合金發(fā)動機活塞的擠壓鑄造制備方法，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、對鎂合金熔體進行擠壓鑄造處理，獲得鎂合金活塞初坯；第四步、將鎂合金活塞初坯依次進行固溶處理、冷卻處理和時效處理后得到耐熱稀土鎂合金發(fā)動機活塞。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐熱稀土鎂合金發(fā)動機活塞的擠壓鑄造制備方法，其特征是，第一步中所述的配取中間合金Mg-V、Mg-Gd和Mg-Zr以及工業(yè)純鎂和工業(yè)純鋅是指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)動機活塞的擠壓鑄造制備方法，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小時以上；2.2)在SF6+C02—氣體保護或覆蓋劑保護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。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐熱稀土鎂合金發(fā)動機活塞的擠壓鑄造制備方法，其特征是，所述的對鎂合金熔體進行擠壓鑄造處理是指將鎂合金熔體澆注溫度為74077(TC，金屬型模具溫度為200300。C，擠壓壓力1020MPa，保壓時間15分鐘。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐熱稀土鎂合金發(fā)動機活塞的擠壓鑄造制備方法，其特征是，所述的固熔處理是指在50055(TC的環(huán)境下固溶618小時。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐熱稀土鎂合金發(fā)動機活塞的擠壓鑄造制備方法，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)動機活塞的擠壓鑄造制備方法，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)動機活塞的擠壓鑄造制備方法，其特征是，所述的時效處理是指在22530(TC的環(huán)境下進行1240小時的時效處理。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)動機活塞的擠壓鑄造制備方法，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；對鎂合金熔體進行擠壓鑄造處理，獲得鎂合金活塞初坯；將鎂合金活塞初坯依次進行固溶處理、冷卻處理和時效處理后得到耐熱稀土鎂合金發(fā)動機活塞。本發(fā)明制備的耐熱稀土鎂合金活塞除具有重量輕、工藝簡單、成本可接受之外，還具有非常優(yōu)異的高溫強度和抗蠕變性能以及良好的疲勞強度，能夠更好地滿足發(fā)動機活塞的服役要求。文檔編號B22D18/02GK101693972SQ20091030891公開日2010年4月14日申請日期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,陳長江申請人:上海交通大學(xué);