一種活塞燃燒室二次澆注增強材料及制造方法技術

本發明專利技術公開了一種活塞燃燒室二次澆注增強材料及制造方法，其要解決現有技術中對于活塞燃燒室部位的抗熱疲勞性能較差的問題，在鑄造過程中采用二次澆注的方法改變其燃燒室部位成分，在后續加工中采用20?500KHz高頻焊重熔再結晶方式使燃燒室部位粗大的銅、鎳、鐵等合金相充分細化，以達到喉口增強的目的。增強材料，由以下組分組成：鎳3?40％，銅4?25％，鐵0.4?20％，硅5?15％，鎂0?0.8％，鈦0.05?5％，硼0.0002?2.5％，錳0?0.5％，鋯0?0.2％，釩0.1?0.2％，鈧0?0.5％，余量為鋁和不可避免的雜質，其中的％為質量百分數。

Two time pouring reinforcing material for piston combustion chamber and manufacturing method thereof

The invention discloses a piston combustion chamber two times pouring reinforced material and manufacturing method, which solves the poor piston combustion chamber parts of the thermal fatigue resistance of the problem in the prior art, in the casting process using two pouring method to change the combustion chamber components, in the subsequent processing by 20 500KHz high frequency welding the recrystallization remelting of copper, nickel, iron and other combustion chamber parts of coarse phase alloy fully refined in order to achieve the goal of enhancing the throat. Reinforced material, which consists of the following components: 3 nickel copper 4 40%, 25% 0.4 20%, iron, silicon 5 15%, 0 0.8% mg, Ti 0.05 5%, 0.0002 2.5% 0 boron, manganese 0.5% Zr 0 0.2% V 0.1 0.2%, SC 0 0.5%. The balance of aluminum impurity and inevitable, which is the mass percentage%.

【技術實現步驟摘要】
一種活塞燃燒室二次澆注增強材料及制造方法
本專利技術屬于活塞制造領域，具體涉及一種活塞燃燒室二次澆注增強材料及制造方法。技術背景目前隨排放要求越來越嚴格，商用車發動機都在向大功率、高負荷方向發展，強化程度不斷提高。對活塞性能，尤其是活塞燃燒室部位的疲勞強度提出更高的要求。為應對此要求部分發動機活塞采用鍛鋼材料，但是該材料比重大難于加工，制約了其推廣應用。有些發動機活塞的頭部增加陶瓷復合材料以提高活塞喉口的熱疲勞性能，但采用陶瓷復合材料成本較高，質量難于控制，不適合大批量推廣應用。因此活塞燃燒室喉口重熔技術應運而生，現有喉口常見的重熔技術有TIG、ATIG以及激光焊，此種技術是在基體合金的基礎上，對基體合金進行熔化后再結晶強化。但由于基體合金受鑄造成型方式限制，其冷卻速度較低，導致合金相較大，因此限制了耐熱相如鎳、銅、鐵的含量，重熔后合金的耐熱能力較低無法滿足高強化發動機的需求。近期發展了一種重熔技術，它是采用填絲、噴粉合金化強化喉口及底部的技術，此種技術活塞喉口及底部采用熔融的金屬粉或焊絲熔入到重熔后的鋁液中，但此種方式工藝復雜，填絲或噴粉擾亂了保護氣，強化區域易于產生氣孔。而如果采用涂粉的方式，也會帶來氣孔問題，同時涂粉工藝過于復雜，不利于批量生產。綜上所述，現有技術中對于活塞燃燒室部位的抗熱疲勞性能較差的問題，尚缺乏有效的解決方案。
技術實現思路
針對上述現有技術中存在的技術問題，本專利技術提供一種鋁活塞燃燒室二次澆注增強材料，由以下組分組成：鎳3-40％，銅4-25％，鐵0.4-20％，硅5-15％，鎂0-0.8％，鈦0.05-5％，硼0.0002-2.5％，錳0-0.5％，鋯0-0.2％，釩0.1-0.2％，鈧0-0.5％，余量為鋁和不可避免的雜質，其中的％為質量百分數。該增強材料是在正常澆注鋁活塞材料的基礎上進行的燃燒室二次澆注材料，材料中含有較高的鎳、銅、鐵等成分，通過二次澆注，將高含量的耐熱金屬元素合金澆入到活塞燃燒室區域，形成在燃燒室區域耐熱金屬元素的富集，并向活塞其他部位形成過渡層，過渡層的成分是漸變的，因此過渡層金相較為細小，強度與基體區相差不大，能滿足活塞對性能的需求。燃燒室區域耐熱金屬元素的富集，通過采用20-500KHz高頻焊重熔再結晶方式使燃燒室部位粗大的銅、鎳、鐵等合金相充分細化，耐熱金屬合金相細小而充分彌散，從而使燃燒室區域鋁合金的耐熱性能成倍提升。進一步的，所述增強材料，由以下組分組成：鎳3.5-35％，銅4-25％，鐵0.4-20％，硅5-15％，，鈦0.05-5％，硼0.0002-2.5％，錳0-0.5％，鋯0-0.2％，釩0.1-0.2％，鈧0-0.5％，余量為鋁和不可避免的雜質，其中的％為質量百分數。針對上述現有技術中存在的問題，本專利技術提供了上述增強材料在二次澆注鋁活塞燃燒室中的應用。當采用該增強材料在澆注正常鋁活塞材料的基礎上，進行二次澆注，可以顯著提高鋁活塞燃燒室的耐熱性能。而燃燒室部位以外的區域，由于是常規組分的鋁合金，所以保證了鋁活塞的鑄造性能和低溫性能，能較好地滿足活塞的使用要求。針對上述現有技術中存在的技術問題，本專利技術還提供了利用上述增強材料制造鋁活塞的方法，包括如下步驟：1)自模具的澆口位置澆入設定質量正常成分的鋁液；2)自模具的冒口中澆入設定質量的上述增強材料，增強材料的溫度為790-1050℃，制得鋁活塞毛坯；3)活塞毛坯經熱處理、機加工、清洗預熱后，轉至高頻焊重熔工序；4)將活塞毛坯放置在高頻焊重熔工裝上，將高頻焊感應線圈放置于活塞毛坯的燃燒室部位，將高頻焊的頻率設定為20-500KHz，功率控制在20-200KW，在2min以內完成活塞喉口部位的重熔。首次澆注時采用正常成分的鋁液澆注鋁活塞的本體，保證了鋁活塞的鑄造性能和鋁活塞的成型。二次澆注采用上述增強材料，且增強材料的溫度較高，所以澆注后會在鋁活塞的燃燒室的成分自外向內得到耐熱金屬元素富集區、成分過渡區以及正常材料成分區。活塞燃燒室喉口區域經高頻焊重熔再結晶方式使燃燒室部位粗大的銅。鎳、鐵等合金相充分細化。采用高頻焊重熔再結晶工藝簡單，克服了填絲焊、MIG易于產生氣孔的缺點。二次澆注鋁液溫度控制范圍在790-1050℃，溫度控制按不同成分進行調整，鎳銅鐵等元素含量低時取下限，控制在800℃左右。鎳銅鐵等元素含量高時取上限，控制在1000℃左右。進一步的，將所述增強材料放置于感應攪拌保溫爐中。感應攪拌保溫爐可以對鋁液起到較好的攪拌作用，并具有良好的保溫效果。進一步的，增強材料的質量與正常成分鋁液的質量比例為1:8-1:20。當增強材料與正常成分鋁液的質量比在該范圍內時，澆注得到的鋁活塞具有更佳的耐熱性能。進一步的，步驟2)中，將漏斗放置在冒口中，將增強材料引流至鋁活塞的燃燒室。針對上述現有技術中存在的問題，本專利技術還提供了利用上述方法制造的鋁活塞，所述鋁活塞的燃燒室由外到內依次為耐熱金屬元素富集區、成分過渡區和正常材料成分區。進一步的，步驟4)中，所述高頻焊感應線圈與燃燒室之間的距離小于或等于5mm，使活塞喉口部位的熔融細化層深度為2-5mm。本專利技術還提供了上述鋁活塞在大功率、高負荷發動機中的應用。由于該鋁活塞的燃燒室具有良好的抗熱疲勞性能，所以應用在發動機中時，使發動機可以具有大功率和高負荷，提高了發動機的性能。本專利技術的有益效果為：通過二次澆注將高含量耐熱金屬元素合金澆入到活塞燃燒室區域，形成在燃燒室區域耐熱金屬元素的富集，并向活塞其他部位形成過渡層，過渡層的成分是漸變的，因此過渡層金相較為細小，強度與基體區相差不大，能滿足活塞對性能的需求。而燃燒室區域由于耐熱金屬元素的富集，金相粗大，因此我們在后續加工中采用高頻焊重熔方式對其進行了充分的細化，耐熱金屬元素在燃燒室區域充分彌散，從而使燃燒室區域鋁合金的耐熱性能成倍的提升，試驗數據可以看出，在爆壓21-24MPa對應的條件下，燃燒室喉口壽命可提高4-7倍，活塞壽命得到相應的提高，從而解決了目前發動機國五、國六以后對活塞性能更加苛刻的要求，為環境的改善創造良好的基礎。同時，發動機燃油耗、機油耗的降低，將為整個社會節約大量能源。附圖說明構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進一步理解，本申請的示意性實施例及其說明用于解釋本申請，并不構成對本申請的不當限定。圖1為澆注正常成分鋁液時的結構示意圖；圖2為澆注二次澆注材料時的結構示意圖；圖3為澆注得到的鋁活塞毛坯的結構示意圖；圖4為高頻焊感應線圈與活塞燃燒室的安裝位置示意圖；圖5為鋁活塞燃燒室成分分布示意圖。其中，1、澆勺，2、頂模，3、外模，4、小澆勺，5、漏斗，6、鋁活塞毛坯，7、高頻焊感應線圈，8、粗車活塞，9、重熔區，10、耐熱金屬元素富集區，11、成分過渡區，12、正常材料成分區，13、活塞成品。具體的實施方式應該指出，以下詳細說明都是例示性的，旨在對本申請提供進一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術和科學術語具有與本申請所屬
的普通技術人員通常理解的相同含義。需要注意的是，這里所使用的術語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據本申請的示例性實施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數形式也意圖包括復數形式，此外，還應當理解的是，當在本說明書本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種鋁活塞燃燒室二次澆注增強材料，其特征在于：由以下組分組成：鎳3?40％，銅4?25％，鐵0.4?20％，硅5?15％，鎂0?0.8％，鈦0.05?5％，硼0.0002?2.5％，錳0?0.5％，鋯0?0.2％，釩0.1?0.2％，鈧0?0.5％，余量為鋁和不可避免的雜質，其中的％為質量百分數。

【技術特征摘要】
1.一種鋁活塞燃燒室二次澆注增強材料，其特征在于：由以下組分組成：鎳3-40％，銅4-25％，鐵0.4-20％，硅5-15％，鎂0-0.8％，鈦0.05-5％，硼0.0002-2.5％，錳0-0.5％，鋯0-0.2％，釩0.1-0.2％，鈧0-0.5％，余量為鋁和不可避免的雜質，其中的％為質量百分數。2.根據權利要求1所述增強材料，其特征在于：由以下組分組成：鎳3.5-35％，銅4-25％，鐵0.4-20％，硅5-15％，鎂0-0.8％，鈦0.05-5％，硼0.0002-2.5％，錳0-0.5％，鋯0-0.2％，釩0.1-0.2％，鈧0-0.5％，余量為鋁和不可避免的雜質，其中的％為質量百分數。3.權利要求1或2所述增強材料在二次澆注鋁活塞燃燒室中的應用。4.利用權利要求1所2所述增強材料制造鋁活塞的方法，其特征在于：包括如下步驟：1)自模具的澆口位置澆入設定質量正常成分的鋁液；2)自模具的冒口中澆入設定質量的權利要求1或2所述增強材料，增強材料的溫度為790-1050℃...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉世英，馮增建，尚自河，李艷軍，崔巖壽，王龍昌，李佳，張慧玲，龐兆杰，杜恩民，金濤濤，
申請(專利權)人：山東濱州渤海活塞股份有限公司，
類型：發明
國別省市：山東,37