[發(fā)明專利]耐熱稀土鎂合金發(fā)動機活塞的低壓鑄造制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910308916.2
• 申請日: 2009-10-27
• 公開（公告）號: CN101693971A
• 公開（公告）日: 2010-04-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王渠東;尹冬弟;陳長江
• 申請（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號: C22C23/00
• 分類號: C22C23/00;C22C1/03;B22D18/04;C22F1/06;F02F3/00
• 代理公司: 上海交達專利事務(wù)所 31201
• 代理人: 王錫麟;王桂忠

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)動機活塞的低壓鑄造制備方法。

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，以專利US2004/0057865A1為例，它報道了一種Si含量介于10～21％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，各國出臺了日益嚴格的汽車尾氣排放標準，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。

專利EP499321-A1中介紹了復(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。

另外，在中國專利文獻號CN1796024A中，公開了一種鎂合金發(fā)動機活塞及其制備方法，其成分含量為：A12～10wt％，Si?2～10wt％，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280℃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℃，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。但目前采用低壓鑄造方法制備高性能的鎂合金發(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)動機活塞的低壓鑄造制備方法，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)異高溫強度，疲勞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12.31～18.46kg、Mg-Gd為Mg-25wt％Gd中間合金，用量42.11～50.5kg和Mg-Zr為Mg-30wt％Zr中間合金，用量3.33～10kg以及工業(yè)純鎂22.38～43.55kg和工業(yè)純鋅1～3kg；

第二步、熔煉合金，獲得鎂合金熔體，具體步驟如下：