專利名稱:鑄造耐熱稀土鎂合金發(fā)動機活塞及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種鑄造耐熱稀土鎂合金發(fā)動機活塞及其制備方法,具體涉及一種通 過綜合考慮活塞用材料的性能要求,選擇合適的稀土鎂合金、選取合適的鑄造工藝參數(shù)以 及調(diào)整相應(yīng)的熱處理工藝從而實現(xiàn)高強度、抗蠕變耐熱鎂合金活塞的低成本制備,屬于金 屬材料類及冶金領(lǐng)域。
背景技術(shù):
活塞是發(fā)動機中最重要的構(gòu)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。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重量%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?;钊谕鶑?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。因此,日本專利文獻特開2009-36143中公開了在汽車活塞中應(yīng)用鎂合金的內(nèi)容。
發(fā)明內(nèi)容
在上述現(xiàn)有技術(shù)中,在發(fā)動機的活塞上使用了鎂合金,但是沒有考慮到鎂合金在 高溫條件下的性能。然而,在發(fā)動機活塞上使用常規(guī)的鎂合金時,實際上因為鎂合金的高溫 強度不夠,活塞的往復(fù)運動仍會引起較大震動,因此通常情況下難以在發(fā)動機活塞上使用鏡合金。本發(fā)明正是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的這些課題而完成的,本發(fā)明的目的在于提供一 種鑄造耐熱稀土鎂合金發(fā)動機活塞及其制備方法,根據(jù)本發(fā)明的鑄造耐熱稀土鎂合金發(fā)動 機活塞,能夠確保發(fā)動機活塞在高溫條件下的強度,其結(jié)果可以大幅減輕活塞運動過程中 的較大震動,并且能實現(xiàn)內(nèi)燃機的輕量化,從而還能達到節(jié)約能源以及減小環(huán)境負(fù)荷的效果。為實現(xiàn)上述本發(fā)明的目的,本發(fā)明提供一種鑄造耐熱稀土鎂合金發(fā)動機活塞,其 特征在于,該鑄造耐熱稀土鎂合金發(fā)動機活塞是在內(nèi)燃機的汽缸內(nèi)做往復(fù)運動的構(gòu)件, 該發(fā)動機活塞的至少其頭部由耐熱稀土鎂合金鑄造而成,該耐熱稀土鎂合金的組成如 下6重量Y彡15重量%,1重量Gd彡6重量%,0. 5重量Si彡3重量%, 0 ^ Zr ^ 0. 9重量%,其余是Mg以及不可避免的雜質(zhì)。
上述本發(fā)明的鑄造耐熱稀土鎂合金發(fā)動機活塞,優(yōu)選是在鑄造耐熱稀土鎂合金并 對其實施固溶處理之后,以0. 0020C /s以上且68°C /s以下的冷卻速率將其冷卻而得到的。根據(jù)本發(fā)明的鑄造耐熱稀土鎂合金發(fā)動機活塞,首先,與專利US2004/0057865A1 相比,由于采用了比傳統(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較大震動,提高曲軸的 壽命,減少噪聲,增加乘坐的舒適性。并且,如上所述,本發(fā)明由于至少將發(fā)動機構(gòu)成中對高溫強度的要求最高的頭部 由具有上述組成的鎂合金鑄造而成,相比于用常規(guī)鎂合金的情況而言,大幅度提高了發(fā)動 機活塞的抗蠕變性能,從而能夠抑制發(fā)動機活塞做往復(fù)運動時的震動。另外,由于用高溫強 度高的鎂合金來構(gòu)成發(fā)動機的活塞,因此能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)燃機的輕量化,其結(jié)果,還能達到節(jié)約 能源以及減小環(huán)境負(fù)荷的效果。本發(fā)明還提供一種鑄造耐熱稀土鎂合金發(fā)動機活塞的制備方法,其特征在于,包 括如下工序1 工序4。在工序1中,準(zhǔn)備耐熱稀土鎂合金的原料,在將該原料的總重量記 為100重量%時,原料中的各個成分的含量為,6重量%彡Y彡15重量%、1重量%彡Gd彡6 重量%、0. 5重量Zn彡3重量%、0 ^ Zr ^ 0. 9重量%,其余是Mg以及不可避免的雜 質(zhì)。在工序2中,對所述原材料進行熔煉,該熔煉在3&/0)2氣體保護或覆蓋劑保護條件下 進行,具體步驟如下(1)純鎂及中間合金在烘箱中預(yù)熱至200 250°C,保溫2小時以上; ⑵熔煉Mg,在熔煉爐中加入工業(yè)純鎂,加熱熔煉;(3)加Y和Gd 在700 740V的溫度下 向鎂液中加入烘干的Mg-Y和Mg-Gd中間合金;(4)加Si 待中間合金完全熔化后,在650 750°C的溫度下加入工業(yè)純鋅;(5)加& 將鎂液溫度升至760 780°C后加入Mg-^ 中間合 金,攪拌2 5分鐘以促使其充分熔化,升高鎂液溫度至780 800°C ; (6)精煉在780 800°C保溫20 30分鐘后降溫至740 760°C,采用鎂合金精煉劑精煉6 20分鐘;(7) 靜置精煉后的靜置時間控制在25 40分鐘之間,待鎂液冷卻至700 740°C后撇去表面 浮渣,獲得鎂合金熔體,準(zhǔn)備澆注。在工序3中進行重力鑄造將所述鎂合金熔體澆鑄到金 屬型發(fā)動機活塞模具中,制得鎂合金發(fā)動機活塞。在工序4中進行后續(xù)熱處理。本發(fā)明所述的鑄造耐熱稀土鎂合金發(fā)動機活塞的制備方法優(yōu)選,所述步驟(6)中 所使用的精煉劑是常規(guī)的含MgCl2、KCUCaF2的鎂合金熔劑。本發(fā)明所述的鑄造耐熱稀土鎂合金發(fā)動機活塞的制備方法進一步優(yōu)選,所述覆蓋 劑是含MgCl2、KCUCaF2的鎂合金用覆蓋劑或硫磺粉。本發(fā)明所述的鑄造耐熱稀土鎂合金發(fā)動機活塞的制備方法進一步優(yōu)選,所述重力 鑄造是,將溫度為700 740°C的鎂合金熔體,澆鑄到預(yù)先刷好涂料并加熱至200 350°C 的金屬型發(fā)動機活塞模具中,澆鑄壁厚為5mm 50mm的鎂合金發(fā)動機活塞,該鎂合金發(fā)動 機活塞鑄造過程中冷卻速率為1. 8K/s 15K/s。本發(fā)明所述的鑄造耐熱稀土鎂合金發(fā)動機活塞的制備方法進一步優(yōu)選,所述的后 續(xù)熱處理包括對所得到的所述鎂合金發(fā)動機活塞進行500 550°C、6 M小時的固溶處 理,在所述固溶處理之后進行冷卻,在冷卻時所選用的冷卻介質(zhì)應(yīng)使所述鎂合金發(fā)動機活 塞的冷卻速率達到0. 0020C /s以上且68°C /s以下,然后在225 300°C溫度條件下進行 12 48小時的時效處理。其次,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5別為293MPa ^P 1. 5%,在高溫150°C時的抗拉強度和延伸率分別為323MPa和3. 5%,在高 溫300°C測試時的抗拉強度和延伸率分別為M5MPa和4. 6% ;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,IOOh的蠕變伸長僅為1.82%,其穩(wěn)態(tài)蠕變速率 為 4. 72X10^。根據(jù)本發(fā)明的鑄造耐熱稀土鎂合金發(fā)動機活塞的制造方法制得的發(fā)動機活塞,首 先,與專利US2004/0057865A1相比,由于采用了比傳統(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。并且,如上所述,由于至少將發(fā)動機構(gòu)成中對高溫強度的要求最高的頭部由具有 上述組成的鎂合金鑄造而成,相比于用常規(guī)鎂合金的情況而言,大幅度提高了發(fā)動機活塞 的抗蠕變性能,從而能夠抑制發(fā)動機活塞做往復(fù)運動時的震動。另外,由于用在高溫條件下 的強度高的鎂合金來構(gòu)成發(fā)動機的活塞,因此能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)燃機的輕量化,其結(jié)果,還能達到 節(jié)約能源以及減小環(huán)境負(fù)荷的效果。總之,與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明具有顯著進步,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,能夠更好 地滿足發(fā)動機活塞的服役要求。
圖1表示應(yīng)用本發(fā)明中的活塞的內(nèi)燃機的構(gòu)成。圖2是典型的鑄造耐熱鎂合金的光學(xué)微觀結(jié)構(gòu)示意圖。圖3(a) 圖3(c)是不同厚度的鑄造耐熱鎂合金的光學(xué)微觀結(jié)構(gòu)示意圖。圖4的(a) (d)是在535°C條件下熱處理20小時之后在不同冷卻環(huán)境下冷卻而 得到的鑄造耐熱鎂合金的光學(xué)微觀結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面,對本發(fā)明進行進一步詳細的說明。1.耐熱鎂合金的選擇稀土能有效提高鎂合金的高溫強度和長期抗蠕變性能,稀土鎂合金主要應(yīng)用于在 200 300°C長期工作的部件,同時具有較高的抗腐蝕性能和較好的熔焊性能。其中,Y、Nd、 Sc, Gd, Tb, Dy等元素均可大幅度地提高鎂合金的耐熱性能。典型的合金包括WE43和TO33 稀土鎂合金,它們具有優(yōu)異的綜合性能,已用于汽車的引擎等部件和航空航天領(lǐng)域。最近的 研究表明,Mg-Y-Gd-Zn-Zr系合金不僅具有良好的高溫強度和延伸率,而且其在300°C溫度 條件下的抗蠕變性能優(yōu)異,其成本也相對可以接受,具有應(yīng)用于活塞的潛力。本發(fā)明選擇的用于活塞鑄造的一種高強度抗蠕變鎂合金,合金組成如下6重 量彡15重量%、1重量彡6重量%、0. 5重量彡3重量%、0彡& 彡0. 9 重量%,其余為Mg和不可避免的雜質(zhì)。其中,合金中的雜質(zhì)元素含量為Je < 0.005重 量%、01 < 0. 015 重量%、Ni < 0. 002 重量%。2.鑄造工藝及熱處理工藝參數(shù)的選擇。本發(fā)明采用鑄造方法制備耐熱稀土鎂合金發(fā)動機活塞。通過控制澆鑄溫度、模具溫度、充型壓力和保壓時間,防止氧化燃燒和熱裂,保證澆注過程中鎂合金液充型良好,凝 固速度和組織結(jié)構(gòu)得到有效控制,獲得無鑄造缺陷的耐熱鎂合金活塞。對應(yīng)于不同的鑄造 方法獲得的稀土耐熱鎂合金活塞,分別采用不同的固溶處理和時效處理工藝參數(shù),最后獲 得性能優(yōu)異的鑄造耐熱稀土鎂合金活塞。制備上述稀土耐熱鎂合金發(fā)動機活塞可以采用以下鑄造方法及其對應(yīng)的熱處理。2. 1重力鑄造及其熱處理熔煉過程在SF6+0)2混合氣體保護或覆蓋劑保護條件下進行,具體步驟如下(1)將純鎂及中間合金在烘箱中預(yù)熱至200 250°C,保溫2小時以上;(2)熔煉Mg 在熔煉爐中加入工業(yè)純鎂,加熱熔煉;(3)加Y和Gd 在700 740°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Si 待中間合金完全熔化后,在650 750°C的溫度下加入工業(yè)純鋅;(5)加rLx 將鎂液溫度升至760 780°C后加入Mglr中間合金,攪拌2 5分鐘 以促使其充分熔化,升高鎂液溫度至780 800°C ;(6)精煉在780 800°C保溫20 30分鐘后降溫至740 760°C,采用鎂合金 精煉劑精煉5 20分鐘;(7)靜置精煉后的靜置時間控制在25 40分鐘之間,待鎂液冷卻至700 740V 后撇去表面浮渣,獲得鎂合金熔體,準(zhǔn)備澆鑄。重力鑄造過程如下。將鎂合金熔體澆鑄到金屬型發(fā)動機活塞模具中,制得鎂合金 活塞。鑄造步驟是將溫度為720 740°C的鎂合金熔體,澆鑄到預(yù)先刷好涂料并加熱至 230 350°C的金屬型發(fā)動機活塞模具中,澆鑄壁厚為5mm 50mm的鎂合金發(fā)動機活塞,鑄 造過程中該鎂合金發(fā)動機活塞的冷卻速率介于1. 8K/s MK/s之間。此方法適用于(但 并不限于)金屬型模具。后續(xù)的熱處理工藝如下。對鑄造得到的鎂合金活塞先進行500 550°C、6 M 小時的固溶處理。固溶后采取常規(guī)的爐冷、水淬或空冷進行冷卻,或選用能使活塞的冷卻速 率達到0. 0020C /s以上且68°C /s以下的其它冷卻介質(zhì)進行冷卻。然后在225 300°C溫 度條件下進行12 48小時的時效處理。在對所得到的鑄造耐熱鎂合金進行固溶處理之后,在以0. 0020C /s以上且68°C /s 以下的冷卻速率進行冷卻從而得到發(fā)動機活塞的頭部時,可得到具有高抗蠕變性能的長周 其月結(jié)構(gòu)(Long period stackingordered structure,簡稱 LPS0)的鎂合金。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn),當(dāng)對鑄造耐熱鎂合金進行固溶處理之后的冷卻速率不同時,所得 到的鎂合金的微觀結(jié)構(gòu)也不同。由此,發(fā)明人認(rèn)為正是這種不同的微觀結(jié)構(gòu)帶來了本發(fā)明 的鑄造耐熱鎂合金不同于現(xiàn)有的常規(guī)鎂合金的高溫強度以及抗蠕變性能。圖2是典型的鑄造耐熱鎂合金的光學(xué)微觀結(jié)構(gòu)示意圖。從圖2中可知,鑄造鎂合金主要包括以下四相α-Mg基體,其是Gd、Y以及Zn固 溶體的過飽和體;網(wǎng)狀淺灰色的共熔化合物%24 (GdYZn) 5 ;網(wǎng)狀黑色化合物Mg12Y1Zn1 (18R型 (ACBCBCBACACACBABAB) LPSO 結(jié)構(gòu));片層相(fine-lamellarphases,6Η,-type (ABCBCB,) LPSO結(jié)構(gòu))。圖3(a) 圖3(c)是不同厚度的鑄造耐熱鎂合金的光學(xué)微觀結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3 (a)是厚度為5mm的鑄造鎂合金,其冷卻速率為MK/s ;圖3 (b)是厚度為25mm 的鑄造鎂合金,其冷卻速率為3. 2K/s ;圖3(c)是厚度為50mm的鑄造鎂合金,其冷卻速率為 1. 8K/s。圖3(a) 圖3(c)是通過將730°C鎂合金澆注到預(yù)先加熱到130°C的模具中而得 到的結(jié)果。從圖3 (a) 圖3 (c)可知,當(dāng)冷卻速率降低時,結(jié)晶粒度變大QO μ m 90 μ m),共 熔化合物Mg24(GdYai)5的數(shù)量變少,而片層相(fine-lamellarphases)增多。另外,圖4是在535°C條件下熱處理20小時之后在不同冷卻環(huán)境下冷卻而得到的 鑄造耐熱鎂合金的光學(xué)微觀結(jié)構(gòu)示意圖。圖4(a)是厚度為5mm的鑄造鎂合金,其冷卻速率為68°C /s,冷卻介質(zhì)是水;圖 4(b)是厚度為5mm的鑄造鎂合金,其冷卻速率為8. 4°C/s,冷卻介質(zhì)是空氣;圖4 (c)是厚 度為50mm的鑄造鎂合金,其冷卻速率為7. 6°C /s,冷卻介質(zhì)是水;圖4(d)是厚度為50mm的 鑄造鎂合金,其采用爐冷方式,冷卻速率為0. 0030C /s。在圖4的(a) (d)中,冷卻速率是(a) > (b) > (c) > (d)。當(dāng)冷卻速率降低時,結(jié) 晶粒度(120μπι 35μ )以及Mg12Y1ZnJg (18R型LPSO結(jié)構(gòu))增大,片層相(fine-lamellar phases,(6H,-type LPSO structure)的數(shù)量減少。這表明結(jié)晶粒度尺寸以及LPSO結(jié)構(gòu)直 接影響鎂合金的高溫機械性能。下面,參照附圖1對本發(fā)明中的內(nèi)燃機的一個實施方式進行說明。圖1表示應(yīng)用本發(fā)明中的活塞的內(nèi)燃機的構(gòu)成。在內(nèi)燃機10的汽缸本體IOA中形成的汽缸內(nèi)膛IOB中具有可以往復(fù)運動的活塞 10C,在活塞IOC的上側(cè)隔成燃燒室23。吸氣流路11和排氣流路12被連通地連接在內(nèi)燃 發(fā)動機10上?;钊鸌OC經(jīng)由連接桿32而與曲軸IOF相連,活塞IOC的往復(fù)運動轉(zhuǎn)換為曲 軸IOF的旋轉(zhuǎn)運動。在該曲軸IOF上設(shè)置有能夠檢測曲軸角度和發(fā)動機轉(zhuǎn)速的曲軸角度傳 感器沈。另外,能夠經(jīng)由未圖示的齒輪機構(gòu)通過用于啟動發(fā)動機的啟動電動機(starter motor)而使曲軸IOF正逆旋轉(zhuǎn)。氣流傳感器14安裝在吸氣流路11上。節(jié)流閥15設(shè)置在氣流傳感器14的下游。 節(jié)流閥15是能夠與加速踏板的踏量獨立地控制節(jié)流閥開度的電子控制式節(jié)流閥。調(diào)壓器 16連通在節(jié)流閥15的下游。在調(diào)壓器16的下游配置向吸氣孔IOD噴射燃料的燃料噴射閥 門18。內(nèi)燃機10具有開關(guān)吸氣孔IOD的吸氣閥門19,和開關(guān)排氣孔IOE的排氣閥門22。汽缸本體IOA在燃燒室23內(nèi)安裝露出電極部的火花塞24。用于從排氣流路12向 吸氣流路11回流排氣的EGR管觀連接在排氣流路12上。在EGR管觀的流路中配置用于 調(diào)節(jié)EGR量的EGR閥門四。在吸氣流路11中設(shè)置用于使燃燒室23內(nèi)的氣體形成縱渦的縱渦控制閥門30。吸氣通過氣流傳感器14進入節(jié)流閥15,借助吸氣流路11、吸氣閥門19被提供給 發(fā)動機的燃燒室23。燃料通過燃料泵從燃料箱被提高至燃料噴射所需的壓力,從燃料噴射 閥門18被提供,用點火火花塞M進行點火。燃燒后的廢氣借助排氣閥門22被排出到排氣 流路12。ECU(發(fā)動機控制單元)50中內(nèi)置有燃料噴射控制裝置,輸入發(fā)動機的曲軸角度傳 感器26的信號、氣流傳感器14的空氣量信號等的信號。ECU50具有從曲軸角度傳感器26 的信號計算出發(fā)動機轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速檢測機構(gòu)。另外,ECU50計算出發(fā)動機所需的吸入空氣量,8向節(jié)流閥15輸出與其相一致的開度信號,燃料噴射控制裝置計算出與吸入空氣量相對應(yīng) 的燃料量,向燃料噴射閥門18輸出燃料噴射信號,向點火火花塞M輸出點火信號。下面,以上述活塞IOC的具體的實施例對本發(fā)明進行說明。實施例1 鎂合金發(fā)動機活塞的合金成分(重量百分比)10% Y,6% Gd,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,將純鎂及所用中間 合金在烘箱中預(yù)熱至200°C,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SF6/C02混合氣體進行保護;(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Si 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ττ 將鎂液溫度升至760°C后加入中間合金,攪拌2分鐘以促使其充 分熔化,升高鎂液溫度至780V ; (6)精煉在780°C保溫20分鐘后降溫至760°C,采用鎂合 金精煉劑精煉6分鐘;(7)精煉后靜置30分鐘,待鎂液冷卻至740°C后撇去表面浮渣,獲得 鎂合金熔體,準(zhǔn)備澆注。將740°C鎂合金熔體澆鑄到300°C鋼質(zhì)活塞模具中,制得鎂合金活塞。對制得的鎂合金活塞進行525°C、20小時的固溶處理,之后進行水淬(冷卻速率為 7. 2 68K/s),之后再進行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290ΜΙ^和0. 63%,在高 溫300°C測試時的抗拉強度和延伸率分別為235MPa和7%;30(rC /50MPa蠕變條件下,其穩(wěn) 態(tài)蠕變速率為4. 22X IO^8s"1,100小時的蠕變伸長為1. 63%。實施例2 鎂合金發(fā)動機活塞的合金成分(重量百分比)12% Y,5% Gd,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,將純鎂及所用中間 合金在烘箱中預(yù)熱至200°C,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SF6/C02混合氣體進行保護;(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Si 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ττ 將鎂液溫度升至760°C后加入中間合金,攪拌2分鐘以促使其充 分熔化,升高鎂液溫度至780V ; (6)精煉在780°C保溫20分鐘后降溫至760°C,采用鎂合 金精煉劑精煉10分鐘;(7)精煉后靜置30分鐘,待鎂液冷卻至730°C后撇去表面浮渣,獲得 鎂合金熔體,準(zhǔn)備澆注。將730°C鎂合金熔體澆鑄到250°C鋼質(zhì)活塞模具中,制得鎂合金活塞。對制得的鎂合金活塞進行515°C、20小時的固溶處理,之后進行水淬(冷卻速率為 6. 9 68K/s),之后再進行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265MPa和2. 1%,高溫 300°C測試時的抗拉強度和延伸率分別為223MPa和6. 5%;300°C /50MPa蠕變條件下,其穩(wěn) 態(tài)蠕變速率為5. 21 X IO^8s"1,100小時的蠕變伸長為2. 06%。實施例3 鎂合金發(fā)動機活塞的合金成分(重量百分比)12% Y,5% Gd,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,將純鎂及所用中間 合金在烘箱中預(yù)熱至200°C,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SF6/C02混合氣體進行保護;(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Si 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ττ 將鎂液溫度升至760°C后加入中間合金,攪拌2分鐘以促使其充 分熔化,升高鎂液溫度至780V ; (6)精煉在780°C保溫20分鐘后降溫至760°C,采用鎂合 金精煉劑精煉10分鐘;(7)精煉后靜置35分鐘,待鎂液冷卻至730°C后撇去表面浮渣,獲得 鎂合金熔體,準(zhǔn)備澆注。將730°C鎂合金熔體澆鑄到250°C鋼質(zhì)活塞模具中,制得鎂合金活塞。對制得的鎂合金活塞進行515°C、20小時的固溶處理,之后進行空冷(冷卻速率為 0. 1 0. 8K/S),之后再進行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256MPa和0. 82%,高溫 300°C測試時的抗拉強度和延伸率分別為213ΜΙ^和4. 19% ;300°C /50MPa蠕變條件下,其 穩(wěn)態(tài)蠕變速率為5. 26X IO^8s"1,100小時的蠕變伸長為2. 12%。實施例4 鎂合金發(fā)動機活塞的合金成分(重量百分比)15% Y,5% Gd,2% Zn、0. 5% 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,將純鎂及所用中間 合金在烘箱中預(yù)熱至200°C,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SF6/C02混合氣體進行保護;(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Si 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ττ 將鎂液溫度升至760°C后加入中間合金,攪拌2分鐘以促使其充 分熔化,升高鎂液溫度至780V ; (6)精煉在780°C保溫20分鐘后降溫至760°C,采用鎂合 金精煉劑精煉10分鐘;(7)精煉后靜置40分鐘,待鎂液冷卻至740°C后撇去表面浮渣,獲得 鎂合金熔體,準(zhǔn)備澆注。將740°C鎂合金熔體澆鑄到300°C鋼質(zhì)活塞模具中,制得鎂合金活塞。對制得的鎂合金活塞進行535°C、20小時的固溶處理,之后進行水淬(冷卻速率為 7. 6 68K/s),之后再進行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286MPa和0. 55%,高溫 300°C測試時的抗拉強度和延伸率分別為MlMPa和0. 7% ;300°C /50MPa蠕變條件下,其穩(wěn) 態(tài)蠕變速率為4. 84X ΙΟ—、—1,100小時的蠕變伸長為1. 93%。實施例5 鎂合金發(fā)動機活塞的合金成分(重量百分比)14% Y,5% Gd,2% Zn,0.6% 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,將純鎂及所用中間 合金在烘箱中預(yù)熱至200°C,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SF6/C02混合氣體進行保護;(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Si 待中間合金完全熔化后,在700°C的溫度下加入工10業(yè)純鋅;(5)加Ir 將鎂液溫度升至760°C后加入中間合金,攪拌2分鐘以促使其充 分熔化,升高鎂液溫度至780V ; (6)精煉在780°C保溫20分鐘后降溫至760°C,采用鎂合 金精煉劑精煉10分鐘;(7)精煉后靜置30分鐘,待鎂液冷卻至740°C后撇去表面浮渣,獲得 鎂合金熔體,準(zhǔn)備澆注。將730°C鎂合金熔體澆鑄到250°C鋼質(zhì)活塞模具中,制得鎂合金活塞。對制得的鎂合金活塞進行535°C、20小時的固溶處理,之后進行水淬(冷卻速率為 7. 6 68K/s),之后再進行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290MPa和0. 37%,高溫 300°C測試時的抗拉強度和延伸率分別為^lMI3a和5. 24% ;300°C /50MPa蠕變條件下,其 穩(wěn)態(tài)蠕變速率為2. 06X Kr7s^lOO小時的蠕變伸長為8. 14%。實施例6 鎂合金發(fā)動機活塞的合金成分(重量百分比)11% Y、5% Gd,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,將純鎂及所用中間 合金在烘箱中預(yù)熱至200°C,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SF6/C02混合氣體進行保護;(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Si 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ττ 將鎂液溫度升至760°C后加入中間合金,攪拌2分鐘以促使其充 分熔化,升高鎂液溫度至780V ; (6)精煉在780°C保溫20分鐘后降溫至760°C,采用鎂合 金精煉劑精煉10分鐘;(7)精煉后靜置30分鐘,待鎂液冷卻至740°C后撇去表面浮渣,獲得 鎂合金熔體,準(zhǔn)備澆注。將735°C鎂合金熔體澆鑄到280°C鋼質(zhì)活塞模具中,制得鎂合金活塞。對制得的鎂合金活塞進行535°C、40小時的固溶處理,之后進行爐冷(冷卻速率為 0. 003 0. 017K/S),之后再進行225°CJ4小時的時效處理,最后獲得高強度耐熱鎂合金活O本實施例的鎂合金活塞的室溫抗拉強度和延伸率分別為258MPa和0. 93%,高溫 300°C測試時的抗拉強度和延伸率分別為206MPa和3. 03% ;300°C /50MPa蠕變條件下,其 穩(wěn)態(tài)蠕變速率為5. 46X ΙΟ、—1,100小時的蠕變伸長為2. 42%。1權(quán)利要求
1.一種鑄造耐熱稀土鎂合金發(fā)動機活塞,其特征在于,該鑄造耐熱稀土鎂合金發(fā)動機活塞是在內(nèi)燃機的汽缸內(nèi)做往復(fù)運動的構(gòu)件,該發(fā)動機 活塞的至少其頭部由耐熱稀土鎂合金鑄造而成,該耐熱稀土鎂合金的組成如下 6重量YS 15重量%, 1重量Gd彡6重量%, 0. 5重量Zn ^ 3重量%, 0 ^ Zr ^ 0. 9 重量 %, 其余是Mg以及不可避免的雜質(zhì)。
2.如權(quán)利要求1所述的鑄造耐熱稀土鎂合金發(fā)動機活塞,其特征在于,所述鑄造耐熱稀土鎂合金發(fā)動機活塞是在鑄造耐熱稀土鎂合金并對其實施固溶處理 之后,以0. 0020C /s以上且68°C /s以下的冷卻速率將其冷卻而得到的。
3.—種鑄造耐熱稀土鎂合金發(fā)動機活塞的制備方法,其特征在于,包括如下工序1 工序4,在工序1中,準(zhǔn)備耐熱稀土鎂合金的原料,在將該原料的總重量記為100重量%時,原 料中的各個成分的含量為,6重量%彡Y彡15重量%、1重量%彡Gd彡6重量%、0. 5重量% ^ Zn ^ 3重量%、0 ^ Zr ^ 0. 9重量%,其余是Mg以及不可避免的雜質(zhì),在工序2中,對所述原材料進行熔煉,該熔煉在SF6AD2氣體保護或覆蓋劑保護條件下 進行,具體步驟如下(1)將純鎂及中間合金在烘箱中預(yù)熱至200 250°C,保溫2小時以 上;⑵熔煉Mg,在熔煉爐中加入工業(yè)純鎂,加熱熔煉;(3)加Y和Gd 在700 740V的溫度 下向鎂液中加入烘干的Mg-Y和Mg-Gd中間合金;(4)加Si 待所述中間合金完全熔化后,在 650 750°C的溫度下加入工業(yè)純鋅;(5)加ττ 將鎂液溫度升至760 780°C后加入Mg-Zr 中間合金,攪拌2 5分鐘以促使其充分熔化,升高鎂液溫度至780 800°C ; (6)精煉在 780 800°C保溫20 30分鐘后降溫至740 760°C,采用鎂合金精煉劑精煉5 20分 鐘;(7)靜置精煉后的靜置時間控制在25 40分鐘之間,待鎂液冷卻至700 740°C后撇 去表面浮渣,獲得鎂合金熔體,準(zhǔn)備澆注,在工序3中進行重力鑄造將所述鎂合金熔體澆鑄到金屬型發(fā)動機活塞模具中,制得 鎂合金發(fā)動機活塞,工序4中進行后續(xù)熱處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鑄造耐熱稀土鎂合金發(fā)動機活塞的制備方法,其特征在于 所述步驟(6)中所使用的精煉劑是常規(guī)的含MgCl2、KCl、CaF2&鎂合金熔劑。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鑄造耐熱稀土鎂合金發(fā)動機活塞的制備方法,其特征在于 所述覆蓋劑是含MgCl2、KCUCaF2的鎂合金用覆蓋劑或硫磺粉。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鑄造耐熱稀土鎂合金發(fā)動機活塞的制備方法,其特征在于, 所述重力鑄造是,將溫度為720 740°C的鎂合金熔體,澆鑄到預(yù)先刷好涂料并加熱至200 350°C的金屬型發(fā)動機活塞模具中,澆鑄壁厚為5mm 50mm的鎂合金發(fā)動機活塞,該 鎂合金發(fā)動機活塞鑄造過程中冷卻速率為1. 8K/s 15K/s。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鑄造耐熱稀土鎂合金發(fā)動機活塞的制備方法,其特征在于, 所述的后續(xù)熱處理包括對所得到的所述鎂合金發(fā)動機活塞進行500 550°C、6 M小時的固溶處理,在所述固溶處理之后進行冷卻,在冷卻時所選用的冷卻介質(zhì)應(yīng)使所述鎂合金發(fā)動機活塞的冷卻速率達到0. 0020C /s以上且68°C /s以下,然后在225 300°C溫度 條件下進行12 48小時時效處理。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的鑄造耐熱稀土鎂合金發(fā)動機活塞的制備方法,其特征在于, 在所述固溶處理之后按照常規(guī)的爐冷、空冷或水淬方式進行冷卻。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鑄造耐熱稀土鎂合金發(fā)動機活塞及其制備方法。本發(fā)明的鑄造耐熱稀土鎂合金發(fā)動機活塞是在內(nèi)燃機的汽缸內(nèi)做往復(fù)運動的構(gòu)件,該發(fā)動機活塞的至少其頭部由耐熱稀土鎂合金鑄造而成,該耐熱稀土鎂合金的組成如下6重量%≤Y≤15重量%,1重量%≤Gd≤6重量%,0.5重量%≤Zn≤3重量%,0≤Zr≤0.9重量%,其余是Mg以及不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明的鑄造耐熱稀土鎂合金發(fā)動機活塞是在鑄造耐熱稀土鎂合金并對其實施固溶處理之后,以0.002℃/s以上且68℃/s以下的冷卻速率將其冷卻而得到的。本發(fā)明的鑄造耐熱稀土鎂合金發(fā)動機活塞具有非常優(yōu)異的高溫強度和抗蠕變性能,能夠更好地滿足發(fā)動機活塞的服役要求。
文檔編號C22C23/00GK102052190SQ20091020704
公開日2011年5月11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, 顧金海, 高巖 申請人:上海交通大學(xué), 株式會社日立制作所