專(zhuān)利名稱(chēng)：用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的鍛造活塞及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種由鋁硅合金制成的用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的鍛造活塞，并涉及一種用于制造該活塞的方法。
背景技術(shù)：
通常，通過(guò)金屬(永久)型鑄造(permanent mold casting)生產(chǎn)用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞。首先，將熔融鋁合金澆注進(jìn)一鑄模中以從而將該鋁模制成一活塞預(yù)制件。然后，對(duì)該形成的預(yù)制件進(jìn)行所需的熱處理，例如，人工時(shí)效(intentional aging)處理，并然后進(jìn)行所需的機(jī)加工以從而生產(chǎn)出一成品。
近來(lái)，在一些情況下，通過(guò)鍛造生產(chǎn)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)用活塞。對(duì)熔融鋁-硅合金進(jìn)行連續(xù)鑄造，以從而形成一擠出用坯件；對(duì)該坯件進(jìn)行熱處理(均勻化處理)以獲得由于在固化期間溶質(zhì)元素的偏析或收縮而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力的均勻分布；并通過(guò)擠出使該形成的坯件形成為一小直徑圓棒?？蛇x地，對(duì)熔融鋁-硅合金進(jìn)行連續(xù)鑄造，以從而形成一小直徑連鑄棒；對(duì)該形成的鑄棒進(jìn)行均勻化處理；并對(duì)該棒進(jìn)行切削加工以形成小直徑圓棒。將如此形成的小直徑圓棒切制成用作鍛造材料的待加工件。將該鍛造材料進(jìn)行預(yù)加熱，然后使用一熱鍛機(jī)鍛造成一活塞預(yù)制件。然后，對(duì)該預(yù)制件進(jìn)行熱處理，例如，人工時(shí)效處理，并然后進(jìn)行機(jī)加工以從而生產(chǎn)出一成品(即，一活塞)。根據(jù)活塞的使用，為了提高耐磨損性和耐熱性，該活塞的頭部或者在上氣環(huán)和頭部之間的活塞側(cè)壁部分可以經(jīng)受防蝕鈍化鋁/氧化鋁層處理或者涂層形成處理。
近來(lái)，日益要求提高用于例如汽車(chē)中的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料經(jīng)濟(jì)性。為了滿(mǎn)足該要求，已嘗試減小汽車(chē)車(chē)體的重量，并開(kāi)發(fā)了輕質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)。例如，用鋁生產(chǎn)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞，并開(kāi)發(fā)了薄壁活塞。
同時(shí)，日益要求滿(mǎn)足高性能發(fā)動(dòng)機(jī)的要求的高質(zhì)量的活塞。
當(dāng)通過(guò)一傳統(tǒng)的金屬(永久)型鑄造法生產(chǎn)一活塞時(shí)，由于該鑄造方法上的技術(shù)局限性，難以減少裙部厚度。因此，一般地，對(duì)該鑄造活塞進(jìn)行切削加工以從而減小該裙部的厚度。當(dāng)通過(guò)鑄造生產(chǎn)一活塞時(shí)，該活塞的金相結(jié)構(gòu)由于在鑄造期間的低固化速率而變得較粗，因此所獲得的活塞具有良好的可機(jī)械加工性。然而，由于通過(guò)鑄造形成的活塞間的厚度和尺寸變化較大，所以難以控制最終產(chǎn)品的尺寸精度。此外，在通過(guò)鑄造形成的活塞中可能會(huì)出現(xiàn)如孔洞、微縮孔的內(nèi)部缺陷，從而降低其強(qiáng)度。因此為了提高活塞強(qiáng)度，該活塞的整個(gè)壁被加厚，并且其加強(qiáng)肋的厚度增加，從而使得通過(guò)鑄造形成的活塞不適于在高性能發(fā)動(dòng)機(jī)中使用。而且，由于活塞壁的加厚造成活塞間的性能變化變大。由上可知，生產(chǎn)具有可靠性能的發(fā)動(dòng)機(jī)需要進(jìn)一步改進(jìn)活塞。
同時(shí)，當(dāng)通過(guò)鍛造由一鍛造材料生產(chǎn)一活塞時(shí)，由于該鍛造材料基本上不包含內(nèi)部缺陷，并且該鍛造材料具有可靠的機(jī)械特性，所以構(gòu)成該活塞的段/部分的厚度變得均勻。因此可以通過(guò)鍛造生產(chǎn)具有可靠質(zhì)量的活塞。但是，盡管該鍛造材料適于鍛造一薄的、長(zhǎng)的部分，例如一裙部，由于該鍛造材料具有較細(xì)的金相結(jié)構(gòu)，該材料的可機(jī)械加工性不夠令人滿(mǎn)意。例如因?yàn)樵跈C(jī)加工期間產(chǎn)生連續(xù)形式的碎屑而不是斷片，碎屑的可管理性(manageability)受到損害，導(dǎo)致較低的生產(chǎn)率。此外，經(jīng)機(jī)加工后的一最終活塞產(chǎn)品的油環(huán)槽部分的表面粗糙度也不令人滿(mǎn)意。當(dāng)應(yīng)用連續(xù)鑄造時(shí)，為了防止由于在鑄造時(shí)鑄錠中所產(chǎn)生的固化收縮應(yīng)力而出現(xiàn)裂縫，對(duì)待生產(chǎn)的合金的組份施加限制。因此不可能容易地生產(chǎn)用作一可以提供一種具有較高強(qiáng)度、較高耐磨損性和在高溫下比所需的更高的強(qiáng)度的活塞的鍛造材料的、具有所希望組份的合金。
由上可知，本發(fā)明已開(kāi)發(fā)、并且其目的在于，提供一種用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的鍛造活塞，該活塞包括一具有改善的可機(jī)械加工性(例如在表面粗糙度和平面度方面具有可靠的尺寸精度的油環(huán)槽)，一具有優(yōu)良的機(jī)械特性(例如，構(gòu)成該頭部的頭部表面和一活塞銷(xiāo)部分在高溫下具有優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度特性)的頭部，一具有優(yōu)良的可鍛性的裙部，和一具有可靠的耐磨損性的油環(huán)槽部分。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種由包含質(zhì)量比為6-25％的硅的鋁合金制成的用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的鍛造活塞，該活塞包括一油環(huán)槽部分和一裙部，其中包含在該油環(huán)槽部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(A)與包含在該裙部的前端部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(B)之比(A/B)至少為1.5，并且該平均尺寸(A)至少為4μm。
該鍛造活塞包括一種其中包含在油環(huán)槽部分中的原生硅晶體晶粒的平均尺寸(C)與包含在裙部的前端部分中的原生硅晶體晶粒的平均尺寸(D)之比(C/D)至少為1.3、并且該平均尺寸(C)至少為15μm的鍛造活塞。
在每種鍛造活塞中，鋁合金包含質(zhì)量比為0.3-7％的Cu和質(zhì)量比為0.1-2％的Mg。
任何一種鋁合金可包含質(zhì)量比為0.1-2.5％的Ni。
本發(fā)明還提供了一種制造用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的鍛造活塞的方法，包括下述步驟對(duì)包含質(zhì)量比為6-25％的硅的熔融鋁合金進(jìn)行單向固化鑄造以由此生產(chǎn)一用作具有彼此相對(duì)的第一表面和第二表面的鍛造材料的鑄錠，其中包含在第一表面中的硅晶粒的平均尺寸不同于包括在第二表面中的硅晶粒的平均尺寸；對(duì)該鍛造材料進(jìn)行預(yù)加熱；
將該鍛造材料置于一鍛模中，使得包含較大平均尺寸的硅晶粒的表面面對(duì)該模的對(duì)應(yīng)于活塞頭部的表面，以由此將該鍛造材料鍛造成一活塞預(yù)制件；對(duì)該活塞預(yù)制件進(jìn)行人工時(shí)效處理；和對(duì)該形成的活塞預(yù)制件進(jìn)行機(jī)加工，以由此制造一用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的鍛造活塞。
在該制造方法中，單向固化鑄造包括為獲得至少為1.5的包含在鑄錠的上部中的共晶硅晶粒的平均尺寸(A)與包含在該鑄錠的靠近一冷卻板的部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(B)之比(A/B)及至少為4.0μm的平均尺寸(A)而進(jìn)行的冷卻。
在該制造方法中，單向固化鑄造包括為獲得為0.85或更小的、在從固化模的頂部向下5mm并且從固化模具的側(cè)壁向里5mm的點(diǎn)e所測(cè)量的冷卻速率(E)與在從固化模具的底部向上1mm并且從固化模具的側(cè)壁向里5mm的點(diǎn)f測(cè)量的冷卻速率(F)之比(E/F)而進(jìn)行的冷卻，其中冷卻速率(E)至少為0.5℃/秒。
在任一種制造方法中，以一處在350℃至從鋁合金的固相線溫度(℃)減去10℃所得的差值之間的范圍內(nèi)的溫度進(jìn)行預(yù)加熱。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，可以生產(chǎn)一種包括一油環(huán)槽部分和一裙部的用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的鍛造活塞，其中包含在裙部的前端部分中的共晶和原生硅晶粒的平均尺寸較小，并且包含在油環(huán)槽部分中的共晶和原生硅晶粒的平均尺寸較大。由于該構(gòu)形，該裙部具有和由一小直徑的連鑄棒形成的活塞的裙部一相同的優(yōu)良的可鍛性，并因此可以減小該裙部的厚度。此外，油環(huán)槽部分在銑削期間具有和通過(guò)鑄造形成的活塞的油環(huán)槽部分相同的優(yōu)良的碎屑可管理性，并且該油環(huán)槽具有較小的表面粗糙度并具有優(yōu)良的耐磨損性。
附圖簡(jiǎn)介

圖1(a)是一示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的鍛造活塞的一實(shí)施例的垂直剖視圖，它包括一裙部的剖面圖；圖1(b)是一示意性地示出圖1(a)的鍛造活塞的垂直剖視圖，它包括一活塞銷(xiāo)孔的剖面圖；圖2是一用于單向固化鑄造的鑄造設(shè)備的一示例的示意圖；圖3是一示出設(shè)置在一單向固化設(shè)備的模具中的點(diǎn)的說(shuō)明性視圖，其中在這些點(diǎn)測(cè)量冷卻速率；圖4(a)是一用于銑削測(cè)試的Compax銑刀的側(cè)視圖；圖4(b)是圖4(a)中刀具的俯視圖；圖4(c)是圖4(a)中刀具的前視圖；圖5是一示出在制造本發(fā)明的鍛造活塞時(shí)所應(yīng)用的一鍛造設(shè)備的示意性視圖。
具體實(shí)施例方式
下面說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)用鍛造活塞的一實(shí)施例。
本發(fā)明的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)用鍛造活塞包括一具有氣門(mén)凹坑的頭部表面、一大厚度的裙部，一加強(qiáng)肋，一油環(huán)槽部分和一活塞銷(xiāo)孔。
圖1示出本發(fā)明的用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的鍛造活塞的一實(shí)施例的剖視圖。圖1(a)是該鍛造活塞的垂直剖視圖，它包括一裙部13的剖面圖。圖1(b)是該鍛造活塞的垂直剖視圖，它包括一其中插入了用于將該活塞連接至一連桿的活塞銷(xiāo)的活塞銷(xiāo)孔14的剖面圖。該活塞的上表面是一具有氣門(mén)凹坑的頭部表面11。油環(huán)槽12作為與活塞環(huán)配合的槽。該油環(huán)槽必須沿與該活塞的周壁垂直的方向，即，沿與豎直方向垂直的方向設(shè)置。該裙部13用作一用于使活塞保持在缸體襯套中的位置的導(dǎo)向件，并需要具有高強(qiáng)度和高耐磨損性。為了減少活塞的重量，要求該裙部具有一減小的厚度。一活塞預(yù)制件(即一鍛造產(chǎn)品)的輪廓用一標(biāo)記為15的雙點(diǎn)劃線繪出。一經(jīng)過(guò)機(jī)加工的活塞最終產(chǎn)品的輪廓用一標(biāo)記為16的實(shí)線繪出。標(biāo)記17表示一加強(qiáng)肋，標(biāo)記18表示該裙部13的前端部。從該活塞的底部開(kāi)始測(cè)量的該裙部的前端部的高度為該活塞的總體高度的40％。因?yàn)樵阱懺鞎r(shí)在該前端部出現(xiàn)相當(dāng)大的塑性流動(dòng)，要求該前端部具有優(yōu)良的可鍛性。
本發(fā)明的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)用鍛造活塞由一種包含質(zhì)量比為6-25％的硅的鋁合金制成。該鍛造活塞的特點(diǎn)在于包含在油環(huán)槽部分12中的共晶硅晶粒的平均尺寸(A)與包含在該裙部13的前端部分18中的共晶硅晶粒的平均尺寸(B)之比(A/B)至少為1.5(優(yōu)選地為至少1.6)，并且該平均尺寸(A)至少為4μm，優(yōu)選地為至少4.5μm。
在平均尺寸(A)小于4μm的情況下，當(dāng)油環(huán)槽部分經(jīng)受銑削時(shí)，銑刀和一銑床的夾盤(pán)往往會(huì)與細(xì)長(zhǎng)形的碎屑纏在一起。而纏在一起的碎屑會(huì)刮劃待銑削的活塞的表面。此外，碎屑堆積而在該銑床的底部形成一細(xì)絲狀物堆直到該碎屑覆蓋了整個(gè)夾盤(pán)，以使得該銑床不能再工作，從而導(dǎo)致較低的生產(chǎn)率。使用纏有碎屑的銑床銑削的鍛造活塞具有較大的表面粗糙度，這意味著該鍛造活塞的質(zhì)量不能令人滿(mǎn)意。
由于油環(huán)槽部分12沿該活塞的整個(gè)周向是連續(xù)的，所產(chǎn)生的細(xì)長(zhǎng)形碎屑需要自身斷裂。從而，需要良好的碎屑可管理性。
在本發(fā)明的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)用鍛造活塞中，包含在油環(huán)槽部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸至少為4μm。因此，當(dāng)對(duì)該油環(huán)槽部分進(jìn)行機(jī)加工時(shí)，所產(chǎn)生的碎屑會(huì)由于硅晶體而容易地?cái)嗔殉尚〉乃樾肌Ｒ虼?，可以防止碎屑纏在銑刀或夾盤(pán)里。此外，由于可以防止在銑床中的細(xì)絲狀碎屑的堆積，所以大大地提高了該碎屑的可管理性。而且，由于可以防止碎屑纏繞在銑刀中或正在銑削的產(chǎn)品中，因此銑削成的產(chǎn)品具有一穩(wěn)定的表面粗糙度。
因?yàn)榘谟铜h(huán)槽部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(A)至少為4μm，該油環(huán)槽部分具有優(yōu)良的耐磨損性。由于在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)該油環(huán)槽的上和下表面與一活塞環(huán)摩擦，因此該油環(huán)槽部分必須具有高耐磨損性?；钊^部表面(即，一暴露于該發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室的表面)由在燃料燃燒期間所產(chǎn)生的高溫燃燒氣體加熱，并且在該活塞頭部附近的溫度升高。與裙部相比，設(shè)置在該活塞頭部附近并與一發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體內(nèi)壁接觸的油環(huán)槽部分在更為苛刻的條件下工作。因此，該油環(huán)槽部分必須具有優(yōu)良的耐磨損性。當(dāng)該平均尺寸(A)小于4μm時(shí)，該部分的耐磨損性變得不足。
在本發(fā)明的用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的鍛造活塞中，包含在油環(huán)槽部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸至少為4μm。因此，該油環(huán)槽部分具有足夠的耐磨損性，而不用對(duì)該油環(huán)槽的附近進(jìn)行在一高性能發(fā)動(dòng)機(jī)中所進(jìn)行的用于提高耐磨損性的任何處理，例如硬氧化鋁層(hard-alumite)處理或者使用一耐磨損涂層劑的涂層處理。因此，在本發(fā)明中，由于不需要這種高成本的處理，可降低每個(gè)活塞的成本，從而可以提供一便宜的發(fā)動(dòng)機(jī)。
包含在油環(huán)槽部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(A)與包含在該裙部的前端部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(B)之比(A/B)優(yōu)選地為至少1.5，更優(yōu)選地為至少1.6。換句話說(shuō)，平均尺寸(B)小于平均尺寸(A)，并且平均尺寸(B)是平均尺寸(A)的0.67倍或更小，原因如下所述。
裙部13沿該活塞的整個(gè)周邊不是連續(xù)的，并且由活塞銷(xiāo)部分分成段。因此，當(dāng)在機(jī)加工過(guò)程中沿圓周方向?qū)υ撊共窟M(jìn)行銑削時(shí)，對(duì)裙部的銑削變得不連續(xù)，并因此可以防止碎屑纏繞在銑刀中。因此，只要包含在該裙部的前端部分18中的共晶硅晶粒的平均尺寸(B)是平均尺寸(A)的0.67倍或更小，就可以獲得在機(jī)加工時(shí)的滿(mǎn)意的碎屑可管理性。
相反，當(dāng)平均尺寸(B)超過(guò)平均尺寸(A)的0.67倍，雖然保持油環(huán)槽的耐磨損性，在熱鍛造期間可能就不能夠獲得的優(yōu)良的裙部的塑性流動(dòng)。例如，可能會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題盡管保持了該裙部的優(yōu)良的塑性可加工性，但是該油環(huán)槽部分的耐磨損性受到損害；或者，盡管該油環(huán)槽部分具有優(yōu)良的耐磨損性，但是該裙部的塑性可加工性受到損害。結(jié)果，變得難以提供包括具有優(yōu)良的耐磨損性的油環(huán)槽部分和具有優(yōu)良的可塑性加工性的裙部的活塞。
然而，在本發(fā)明的用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的鍛造活塞中，包含在該裙部的前端部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(B)是包含在油環(huán)槽部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(A)的0.67倍或更小。因此，即使是當(dāng)該裙部的厚度減小時(shí)，在放置于一鍛造模具中的該裙部的前端部中也不會(huì)產(chǎn)生裂縫，并且在該鍛造模具中的該前端部的塑性流動(dòng)性也不會(huì)受到損害。因此，由于可以減小該裙部的厚度，所以可以容易地減小該活塞的重量。因?yàn)楹穸葴p小的裙部可以通過(guò)鍛造形成并且因?yàn)闄C(jī)加工所需加工余量可以減小，所以可以提高基于(一定)材料的活塞的生產(chǎn)率和產(chǎn)量。
在由一種優(yōu)選地包含質(zhì)量比為6-25％的硅的鋁合金制成的本發(fā)明的用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的鍛造活塞中，包含在油環(huán)槽部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(A)與包含在該裙部的前端部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(B)之比(A/B)至少為1.5，并且該平均尺寸(A)至少為4μm，包含在油環(huán)槽部分中的原生硅晶體晶粒的平均尺寸(C)與包含在該裙部的前端部分中的原生硅晶體晶粒的平均尺寸(D)之比(C/D)至少為1.3，并且平均尺寸(C)至少為15μm。
將比率(A/B)設(shè)置為至少為1.5并且平均尺寸(A)設(shè)置為至少為4μm的原因如上所述。
在一些情況下，包含質(zhì)量比為6-25％的硅的鋁合金根據(jù)該合金的冷卻速率具有一其中原生硅晶體晶粒分散于共晶硅結(jié)構(gòu)中的金相結(jié)構(gòu)。
在該情況下，包含在油環(huán)槽部分中的原生硅晶體晶粒的平均尺寸(C)優(yōu)選地至少為15μm，更優(yōu)選地至少為17μm。這可以進(jìn)一步提高油環(huán)槽部分的可機(jī)械加工性和耐磨損性。然而，當(dāng)該平均尺寸(C)小于15μm時(shí)，就不能充分地獲得該原生硅晶體晶粒的效果。
在本發(fā)明的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)用鍛造活塞中，包含在油環(huán)槽部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(A)至少為4μm，并且包含在該部分中的原生硅晶體晶粒的平均尺寸(C)至少為15μm。因此，當(dāng)該油環(huán)槽部分經(jīng)受機(jī)加工時(shí)，所產(chǎn)生的碎屑會(huì)由于硅晶體而容易地?cái)嗔殉尚〉乃樾?。因此，可以防止在碎屑纏繞在銑刀或夾盤(pán)中。此外，由于可以防止在銑床中的細(xì)絲狀碎屑的堆積，所以大大地提高了該碎屑的可管理性。而且，由于可以防止碎屑纏繞在銑刀中或正在銑削的產(chǎn)品中，因此銑削成的產(chǎn)品具有一可靠的表面粗糙度。因?yàn)榘谟铜h(huán)槽部分中的原生硅晶體晶粒的平均尺寸(C)至少為15μm，該油環(huán)槽部分具有改善的耐磨損性。
包含在油環(huán)槽部分中的原生硅晶體晶粒的平均尺寸(C)與包含在該裙部的前端部分中的原生硅晶體晶粒的平均尺寸(D)之比(C/D)優(yōu)選地至少為1.3，更優(yōu)選地至少為1.4，原因如下所述。當(dāng)比率(C/D)至少為1.3時(shí)，可以進(jìn)一步地提高該油環(huán)槽部分的耐磨損性和可機(jī)械加工性，并且可以保持該裙部的前端部分的塑性流動(dòng)性。相反，當(dāng)該比率(C/D)小于1.3時(shí)，該油環(huán)槽部分的耐磨損性和可機(jī)械加工性受到損害，或者該裙部的前端部分的塑性流動(dòng)性受到損害。
優(yōu)選地，用于形成該活塞的鋁合金還包含質(zhì)量比為0.3-7％(更優(yōu)選地質(zhì)量比為0.4-6.5％)的Cu和含質(zhì)量比為0.1-2％(更優(yōu)選地質(zhì)量比為0.15-1.8％)的Mg。加入這些合金元素增強(qiáng)了活塞的硬度，以及活塞的包括拉伸強(qiáng)度、0.2％屈服強(qiáng)度和抗疲勞強(qiáng)度的機(jī)械強(qiáng)度特性。此外，因?yàn)榭梢陨a(chǎn)這種薄壁結(jié)構(gòu)的活塞，可以減小該活塞的重量。當(dāng)合金元素的量降到下限值以下時(shí)，則不能獲得這些元素的效果。相反，當(dāng)合金元素的量超過(guò)上限值時(shí)，不能夠再獲得與附加的元素量相當(dāng)?shù)男Ч?，而材料成本增加，并且活塞的可鍛性受到損害。
優(yōu)選地，用于形成該活塞的鋁合金還包含質(zhì)量比為0.1-2.5％(更優(yōu)選地質(zhì)量比為0.2-2.0％)的Ni，原因如下所述。加入Ni可增強(qiáng)活塞在高溫下的強(qiáng)度并提高設(shè)置在該活塞頭部附近、并在苛刻的發(fā)動(dòng)機(jī)操作條件下與一發(fā)動(dòng)機(jī)缸體內(nèi)壁接觸的油環(huán)槽部分的耐用性。當(dāng)Ni的量降到下限值以下時(shí)，則不能獲得Ni的效果，而當(dāng)Ni的量超過(guò)上限值時(shí)，不能夠再獲得與附加的Ni的量相當(dāng)?shù)男Ч?。此外，?dāng)Ni的量增加時(shí)，因?yàn)镹i是一種昂貴的元素，生產(chǎn)成本增加。
下面說(shuō)明一種本發(fā)明的用于鍛造活塞的制造方法的一實(shí)施例。
本發(fā)明的制造方法包括以下步驟對(duì)包含質(zhì)量比為6-25％的硅的熔融鋁合金進(jìn)行單向固化鑄造以從而生產(chǎn)一用作具有彼此相對(duì)的第一表面和第二表面的鍛造材料的鑄錠，其中包含在第一表面中的硅晶粒的平均尺寸不同于包括在第二表面中的硅晶粒的平均尺寸；將該鍛造材料置于一鍛模中，使得包含較大平均尺寸的硅晶粒的表面面對(duì)該模的對(duì)應(yīng)于活塞頭部的表面，以由此將該鍛造材料鍛造成一活塞預(yù)制件；對(duì)該活塞預(yù)制件進(jìn)行人工時(shí)效處理；并對(duì)該形成的活塞預(yù)制件進(jìn)行機(jī)加工。
通過(guò)本發(fā)明的該方法制造的活塞具有上述特征。
下面將詳細(xì)說(shuō)明該制造方法。
鍛造材料是通過(guò)單向固化鑄造一種用作原材料的鋁合金而獲得。該制造方法應(yīng)用了例如在JP-A HEI 9-174198中所公開(kāi)的并在圖2中示出的鑄造設(shè)備。
在圖2中，標(biāo)號(hào)201表示一冷卻板。在該冷卻板201上設(shè)置了一個(gè)主模具202。在該主模具202上設(shè)置了一個(gè)用于接納由例如一熔爐(未示出)供給的熔融鋁合金207的容器203。如圖2所示，容器203的底部用作模具202的頂部。該容器203通過(guò)一個(gè)熔融金屬入口204與主模具202連通。一阻塞件205設(shè)置在該入口204上。通過(guò)借助一用于垂直移動(dòng)該阻塞件的設(shè)備(未示出)提升該阻塞件而將熔融合金注入該模具，注入的熔融合金的高度/液面向上移動(dòng)。在完成熔融合金的注入后，或者在經(jīng)過(guò)一預(yù)定的時(shí)間段后，將該阻塞件向下移動(dòng)以從而停止熔融合金的注入。參考標(biāo)號(hào)208表示一蓋子，而標(biāo)記209表示一用于使熔融合金保持在一預(yù)定溫度下的電爐。通過(guò)由一設(shè)置在冷卻板下面的噴嘴210向其上噴水等而冷卻該冷卻板201。標(biāo)號(hào)211和212分別表示一殼室和一排水出口。
注入到模具中的熔融鋁合金通過(guò)冷卻板冷卻并朝向該模具的頂部單向固化。結(jié)果，獲得一鑄錠206。該鑄錠206的金相結(jié)構(gòu)受冷卻速率的影響。冷卻速率越高，則共晶硅晶粒和原生硅晶體晶粒的尺寸越小(這些晶?？煽偡Q(chēng)為“硅晶粒”)。冷卻速率越低，則這些硅晶粒的尺寸越大。當(dāng)應(yīng)用上述鑄造設(shè)備時(shí)，靠近該冷卻板的一部分獲得最高的冷卻速率，而靠近該模具的頂部的一部分獲得最低的冷卻速率。因此，通過(guò)鋁硅合金的固化而在靠近冷卻板的部分處生成的硅晶體晶粒變得較小，而通過(guò)合金的固化在靠近該模具的頂部的部分處生成的硅晶體晶粒變得較大。即，可以獲得一具有其中硅晶粒的尺寸分等級(jí)的金相結(jié)構(gòu)的鑄錠。
用作原材料的鋁合金包含質(zhì)量比為6-25％的硅。當(dāng)硅的質(zhì)量比含量小于6％，耐磨損性受到損害，而當(dāng)硅的質(zhì)量比含量超過(guò)25％時(shí)，耐磨損性不再得到與硅的增加量相當(dāng)?shù)母纳?。此外，?dāng)硅的質(zhì)量比含量超過(guò)25％時(shí)，在鍛造期間產(chǎn)生裂縫，這意味著可鍛性受到損害。此外，切削刀具的使用壽命大大縮短。
優(yōu)選地，該鋁合金除了包含硅以外，還單獨(dú)或組合地包含質(zhì)量比為0.3-7％的Cu和質(zhì)量比為0.1-2％的Mg。這些元素時(shí)效硬化鋁合金，從而增強(qiáng)了所生成的活塞的硬度和機(jī)械特性。更優(yōu)選地，該鋁合金包含質(zhì)量比為1.5％或更少的Ag或Sc。
因?yàn)橛糜趦?nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的鍛造活塞受到由于燃料的燃燒生成的熱而造成的發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的高溫，要求該活塞在高溫下具有一定的強(qiáng)度。因此，該鋁合金優(yōu)選地包含質(zhì)量比為0.1-2.0％的Ni，已公知該元素可以提高在高溫下的強(qiáng)度。單獨(dú)或組合地加入Fe、Mn、Zr、Ti、W、Cr、V、Co、Mo等也是有效的。
該鋁合金優(yōu)選地包含一種對(duì)減小共晶硅晶粒的尺寸有效的元素，例如Na、Ca、Sr或Sb。可單獨(dú)或組合地加入這些元素。加入這樣一種元素是有利的，因?yàn)榭梢苑乐勾蟪叽绲墓簿Ч杈Я?duì)可鍛性和機(jī)加工工具的磨損的負(fù)作用。
當(dāng)生成原生硅晶體晶粒時(shí)，通常將P結(jié)合到鋁合金中以減小該原生硅晶體晶粒的尺寸。然而，當(dāng)在熔融鋁合金中存在Na或Ca時(shí)，Na或Ca妨礙P的作用，導(dǎo)致不能減小該原生硅晶體晶粒的尺寸。因此，Na或Ca在鋁合金中的質(zhì)量比的上限為50ppm。當(dāng)Na或Ca的質(zhì)量比超過(guò)50ppm的質(zhì)量時(shí)，原生硅晶體晶粒的尺寸變得相當(dāng)大。結(jié)果，可鍛性受到損害，并縮短了銑刀的使用壽命。
可以通過(guò)使用所述冷卻板進(jìn)行冷卻而由上述熔融合金生產(chǎn)本發(fā)明中應(yīng)用的鑄錠，以使得鑄錠具有一金相結(jié)構(gòu)，其中共晶硅晶粒和原生硅晶體晶粒的尺寸是分等級(jí)的而使得晶粒在靠近冷卻板的部分變小而在靠近模具的頂部的部分變大。
當(dāng)通過(guò)例如單向固化鑄造生產(chǎn)一具有如這種晶粒尺寸分等級(jí)的金相結(jié)構(gòu)的鑄錠時(shí)，進(jìn)行冷卻以獲得至少為1.5的包含在鑄錠的上部中的共晶硅晶粒的平均尺寸(A)與包含在該鑄錠的靠近一冷卻板的部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(B)之比(A/B)，并且平均尺寸(A)至少為4.0μm。
為了生產(chǎn)具有上述晶粒尺寸分等級(jí)的金相結(jié)構(gòu)的鑄錠，可以如下控制冷卻速率。例如，如圖3所示，在單向固化鑄造期間，進(jìn)行冷卻以在從固化模具的頂部向下5mm并且從該模具的側(cè)壁向里5mm的點(diǎn)e測(cè)量時(shí)獲得至少為0.5℃/秒的冷卻速率(E)，以及獲得0.85或更小的從該點(diǎn)e所測(cè)量的冷卻速率(E)與從固化模具的底部向上1mm并且從該模具的側(cè)壁向里5mm的點(diǎn)f測(cè)量的冷卻速率(F)之比E/F。
當(dāng)冷卻速率落于上述范圍內(nèi)時(shí)，可以生產(chǎn)出具有上述金相結(jié)構(gòu)的鍛造材料。當(dāng)這種鍛造材料鍛被造成一用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)用活塞時(shí)，所生產(chǎn)的鍛造活塞具有優(yōu)良的可鍛性、可機(jī)械加工性和耐磨損性。
該鑄錠通常呈一具有彼此平行的上和下表面的盤(pán)狀。然而，只要該鑄錠具有上述晶粒分等級(jí)的金相結(jié)構(gòu)，該鑄錠可以根據(jù)所要鍛造的活塞的形狀具有任何形狀。例如，該鑄錠可以具有一其上和下表面彼此不平行的形狀，或者，一種其上和下表面中的一個(gè)或兩個(gè)都具有不平行的突出部和凹陷部的形狀。該鑄錠具有這種不平行的形狀的有利之處在于，可以減小施加至一鍛模上的負(fù)載，并且可以通過(guò)鍛造形成具有復(fù)雜形狀的活塞。
如果希望的話，可以在鍛造前對(duì)該鑄錠進(jìn)行機(jī)加工。
如果希望的話，可以在鍛造后對(duì)該鑄錠進(jìn)行銑削以獲得一具有要求的金相結(jié)構(gòu)的表面。當(dāng)該鑄錠的最外層表面包含所不希望的平均尺寸的硅晶粒時(shí)，優(yōu)選地對(duì)具有一其中硅晶粒的平均尺寸是分等級(jí)的金相結(jié)構(gòu)的鑄錠進(jìn)行銑削直到獲得一包含具有所希望的平均尺寸的硅晶粒的表面，從而應(yīng)用該形成的鑄錠作為一鍛造材料。
在鍛造前對(duì)該鍛造材料進(jìn)行一預(yù)加熱。該預(yù)加熱在一落于從350℃至從鋁合金的固相線溫度(℃)減去10℃所得的差值之間的范圍內(nèi)的溫度進(jìn)行。將該鍛造材料預(yù)加熱直到該材料的整體溫度達(dá)到一上述范圍內(nèi)的溫度并在此后進(jìn)行鍛造。當(dāng)在一低于350℃的溫度下進(jìn)行預(yù)加熱時(shí)，在鍛造材料的熱鍛造期間不能出現(xiàn)足夠的塑性流動(dòng)，而當(dāng)在一高于上述差值的溫度下進(jìn)行預(yù)加熱時(shí)，可能會(huì)使鍛造材料發(fā)生過(guò)燒(burnt)(局部熔化)。當(dāng)在鍛造材料發(fā)生過(guò)燒時(shí)，所鍛造的產(chǎn)品的強(qiáng)度被大大削弱，或者在該產(chǎn)品中產(chǎn)生由于局部熔化而造成的缺陷，例如孔洞和微縮孔。
因?yàn)橥ǔ?duì)鍛造材料進(jìn)行熱鍛造，該材料被預(yù)加熱，并且一鍛模也被加熱。該加熱溫度為100至400℃。該加熱溫度根據(jù)包括鍛造產(chǎn)品的形狀、鍛造設(shè)備的類(lèi)型和構(gòu)成待鍛造材料的合金的類(lèi)型的各種鍛造參數(shù)而確定。當(dāng)該加熱溫度過(guò)低時(shí)，該鍛造材料與鍛模一起冷卻，該材料的可加工性被損害，導(dǎo)致該材料的塑性流動(dòng)不足。相反，該加熱溫度過(guò)高時(shí)，該鍛模的強(qiáng)度降低，并且該模具往往會(huì)被磨壞或破裂。因此，從該鍛模的使用壽命角度而言，過(guò)高的加熱溫度不是所優(yōu)選的。優(yōu)選地，在將一潤(rùn)滑劑施加到該鍛模上之后進(jìn)行鍛造。
對(duì)鍛造材料進(jìn)行模鍛。下面將參照?qǐng)D5說(shuō)明在本發(fā)明中所應(yīng)用的鍛造設(shè)備的一個(gè)示例。該鍛造設(shè)備包括一鍛床101，一安裝在一上部模座102上的上部模103，一安裝在一下部模座106上的下部模105。本發(fā)明中所應(yīng)用的鍛模包括上部模103、下部模105和一脫模銷(xiāo)/頂出銷(xiāo)107。如圖5所示，所要應(yīng)用的該鍛模包括用于形成一活塞頭部的上部模103和用于形成一裙部的下部模105。然而，可以應(yīng)用一包括用于形成一活塞頭部的下部模和用于形成一裙部的上部模的鍛模。如果希望的話，可以設(shè)置一潤(rùn)滑劑施加裝置，該裝置包括一用于水平地運(yùn)送一噴霧器的裝置108，一噴霧器旋轉(zhuǎn)裝置109和一通過(guò)一軸110與噴霧器運(yùn)送裝置108連接的潤(rùn)滑劑噴嘴104。
在本發(fā)明中，將鍛造材料置于鍛模中，使得包含較大平均尺寸的硅晶粒的表面面對(duì)與活塞頭部相對(duì)應(yīng)的模具的表面。例如，當(dāng)對(duì)上述鑄錠進(jìn)行鍛造時(shí)，將該鑄錠置于鍛模中，使得該鑄錠的上表面面對(duì)著與活塞頭部相對(duì)應(yīng)的模具的表面。當(dāng)以一種相反的方式將該鑄錠置于該鍛模中時(shí)，所形成的裙部的前端部包含較大平均尺寸的硅晶粒，并且所形成的油環(huán)槽部分包含較小平均尺寸的硅晶粒。因此在該情況下，不能獲得本發(fā)明的效果。即，包含在油環(huán)槽部分(a)中的共晶硅晶粒的平均尺寸變得小于4μm，包含在油環(huán)槽部分中的原生硅晶體晶粒的平均尺寸變得小于15μm，包含在油環(huán)槽部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(A)與包含在裙部的前端部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(B)之比(A/B)變得小于1.5，并且包含在油環(huán)槽部分中的原生硅晶體晶粒的平均尺寸(C)與包含在裙部的前端部分中的原生硅晶體晶粒的平均尺寸(D)之比(C/D)變得小于1.3。結(jié)果，油環(huán)槽部分不具有優(yōu)良的可機(jī)械加工性和耐磨損性，而裙部的前端部分在鍛造期間不具有優(yōu)良的塑性流動(dòng)性。
在本發(fā)明的制造方法中，將鍛造材料置于鍛模中，優(yōu)選地，使得包含較大平均尺寸的硅晶粒的表面面對(duì)著與活塞頭部相對(duì)應(yīng)的模具的表面，而裙部的前端部分優(yōu)選地包含具有3μm或更小的平均尺寸的共晶硅晶粒。該平均尺寸的有利之處在于，該前端部分在熱鍛造期間具有良好的可加工性。即，在裙部的前端部分包含具有3μm或更小的平均尺寸的共晶硅晶粒的情況下，即使是當(dāng)該裙部的厚度在鍛造期間減小時(shí)，在置于鍛模中的前端部分中也不會(huì)產(chǎn)生裂縫，并且該前端部分的壓模裝料特性也不會(huì)被削弱。
可對(duì)所形成的鍛造的活塞預(yù)制件進(jìn)行機(jī)加工。然而，優(yōu)選對(duì)該活塞預(yù)制件進(jìn)行熱處理，例如人工時(shí)效處理，因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)熱處理改善由一種包含Cu、Mg、Sc、Ag等的合金制成的預(yù)制件的機(jī)械特性。在人工時(shí)效處理中，優(yōu)選地，該活塞預(yù)制件經(jīng)受固溶(solid solution)處理，其中活塞預(yù)制件緊跟在400-500℃下加熱0.2-10小時(shí)之后，經(jīng)受水淬火，并然后在150-250℃下回火0.2-20小時(shí)。通過(guò)該人工時(shí)效處理，該預(yù)制件可以獲得增強(qiáng)的硬度、機(jī)械特性(例如，拉伸強(qiáng)度和0.2％屈服強(qiáng)度)和疲勞強(qiáng)度。
此后，該形成的活塞預(yù)制件經(jīng)受包括例如用于形成一活塞銷(xiāo)孔的加工、對(duì)一活塞表面的銑削、和用于形成油環(huán)槽的加工的加工，以由此制造出一最終產(chǎn)品(內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)用鍛造活塞)。
在本發(fā)明的制造方法中，由于鍛造材料置于鍛模中，使得包含較大平均尺寸的硅晶粒的表面面對(duì)著與活塞頭部相對(duì)應(yīng)的模具的表面，包含在油環(huán)槽部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(A)變得至少為4μm，包含在油環(huán)槽部分中的原生硅晶體晶粒的平均尺寸(C)變得至少為15μm，平均尺寸(A)與包含在裙部的前端部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(B)之比(A/B)變得至少為1.5，并且包含在油環(huán)槽部分中的原生硅晶體晶粒的平均尺寸(C)與包含在裙部的前端部分中的原生硅晶體晶粒的平均尺寸(D)之比(C/D)變得至少為1.3。結(jié)果，當(dāng)對(duì)油環(huán)槽部分進(jìn)行銑削時(shí)，可以防止細(xì)長(zhǎng)形碎屑纏繞在銑刀中和在銑床的夾盤(pán)中。因此可以防止在待銑削的活塞表面上產(chǎn)生劃痕。此外，可以防止在銑床的底部堆積細(xì)絲狀的碎屑并防止整個(gè)夾盤(pán)被碎屑覆蓋。因此，可以提高生產(chǎn)率。
裙部沿該活塞的整個(gè)周邊不是連續(xù)的，而是由其中插入有用于將該活塞連接到一連桿上的活塞銷(xiāo)的一活塞銷(xiāo)孔分成段。因此，該裙部的銑削是以一種不連續(xù)的方式進(jìn)行的，從而防止了碎屑在銑刀中的纏繞。因此，只要包含在裙部的前端部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(B)是包含在油環(huán)槽部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(A)的0.67倍或更小，并且包含在油環(huán)槽部分中的原生硅晶體晶粒的平均尺寸(C)與包含在裙部的前端部分中的原生硅晶體晶粒的平均尺寸(D)之比(C/D)至少為1.3，就可以在銑削期間獲得令人滿(mǎn)意的碎屑可管理性。
因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)鍛造形成厚度減小的裙部，不需要進(jìn)行用于減小裙部厚度的機(jī)加工(銑削)，或者可以減小機(jī)加工所需的加工余量。因此，可以提高基于(一定)材料的活塞的產(chǎn)量。此外，因?yàn)闄C(jī)加工所需時(shí)間縮短，生產(chǎn)率提高。
優(yōu)選地，鍛造材料在熱鍛造以提高該材料的可鍛性和一鍛造活塞預(yù)制件的人工時(shí)效處理之前經(jīng)受一均勻化處理。在該均勻化處理中，在高溫下加熱該鍛造材料以在鋁基體中均勻地分布一附加金屬，例如Cu或Mg。該金屬被加到鍛造材料中以增強(qiáng)待形成的活塞的機(jī)械強(qiáng)度和增加用在一高溫下的發(fā)動(dòng)機(jī)中的該活塞的強(qiáng)度，并在鑄造期間進(jìn)行微偏析(microsegregate)。通過(guò)該均勻化處理，可以確保鍛造材料的可鍛性，并可以獲得已經(jīng)受人工時(shí)效處理的鍛造活塞預(yù)制件的機(jī)械特性的均勻化。該均勻化處理可以在一落于從400℃至從待應(yīng)用的一合金的固相線溫度(℃)減去10℃所得的差值之間的范圍內(nèi)的溫度進(jìn)行1至30個(gè)小時(shí)。
根據(jù)待要應(yīng)用的一合金的類(lèi)型或者待形成的活塞的形狀，在鍛造前進(jìn)行的鍛造材料的預(yù)加熱可以起到與通過(guò)對(duì)鍛造材料的均勻化處理所獲得的效果類(lèi)似的效果。例如，當(dāng)對(duì)鍛造材料進(jìn)行一小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間的預(yù)加熱時(shí)，可以獲得與通過(guò)均勻化處理所獲得的效果類(lèi)似的效果。同時(shí)，根據(jù)待要應(yīng)用的一合金的類(lèi)型或者待形成的活塞的形狀，在鍛造后進(jìn)行的對(duì)鍛造活塞預(yù)制件熱處理可以起到與通過(guò)對(duì)鍛造材料的均勻化處理所獲得的效果類(lèi)似的效果。例如，當(dāng)該鍛造活塞預(yù)制件在人工時(shí)效處理期間經(jīng)受長(zhǎng)時(shí)間的固溶處理時(shí)，可以獲得與通過(guò)均勻化處理所獲得的效果類(lèi)似的效果。
下面將參考應(yīng)用一通過(guò)單向固化鑄造形成的鍛造材料、一通過(guò)連鑄形成的鍛造材料和一通過(guò)金屬(永久)型鑄造形成的鍛造材料的示例詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的效果。
示例1和2表1中所示的具有一549℃的固相線溫度的合金1通過(guò)圖2所示的設(shè)備經(jīng)受單向固化鑄造，以從而形成用作一鍛造材料的鑄錠(外徑77mm，厚度30mm)(示例1)。對(duì)表1中所示的具有一528℃的固相線溫度的合金1通過(guò)圖2所示的設(shè)備進(jìn)行單向固化鑄造，以從而形成用作一鍛造材料的鑄錠(外徑110mm，厚度30mm)(示例2)。鑄造條件在表2中示出。在示例1和2中的每個(gè)示例中，在圖3所示的模具的位置處設(shè)置K-型熱電偶以測(cè)量在固化期間該鑄錠的冷卻速率。
各上述鍛造材料在490℃下經(jīng)受8個(gè)小時(shí)均勻化處理，然后使用圖5示出的鍛造設(shè)備通過(guò)熱鍛造而鍛造成一活塞預(yù)制件。將該鍛造材料置于該鍛造設(shè)備的鍛模中以使得鍛造材料(鑄錠)的上表面即鑄錠的不面對(duì)鍛造設(shè)備的冷卻板的表面被鍛造成活塞頭部，并使得鑄錠的底表面即鑄錠的面對(duì)鍛造設(shè)備的冷卻板的表面被鍛造成裙部。鍛造條件在表3中示出。
在示例1中，生產(chǎn)的鍛造活塞預(yù)制件的外徑為78mm，該預(yù)制件的裙部的厚度為3.5mm，并且在鍛造期間的鍛造負(fù)載為430t。在示例2中，生產(chǎn)的鍛造活塞預(yù)制件的外徑為111mm，該預(yù)制件的裙部的厚度為4mm，并且在鍛造期間的鍛造負(fù)載為670t。
通過(guò)視覺(jué)觀察沿與塑性流動(dòng)相同方向生成的裂縫、由于在鍛造期間裙部的前端部的不充分塑性流動(dòng)而造成的未充滿(mǎn)和發(fā)狀裂紋的生成而評(píng)價(jià)各活塞預(yù)制件的裙部的可成形性。
所形成的活塞預(yù)制件在表4示出的條件下進(jìn)行人工時(shí)效處理。
利用洛氏硬度計(jì)測(cè)量該所形成的活塞預(yù)制件的硬度。測(cè)量包含在油環(huán)槽部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸，測(cè)量包含在裙部的前端部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸，并計(jì)算前一平均尺寸與后一平均尺寸的比率。而且，測(cè)量包含在油環(huán)槽部分中的原生硅晶體晶粒的平均尺寸，測(cè)量包含在裙部的前端部分中的原生硅晶體晶粒的平均尺寸，并計(jì)算前一平均尺寸與后一平均尺寸的比率。為了便于比較，利用一圖象分析儀測(cè)量各硅晶粒的最大弦長(zhǎng)(MAXLNG)。
在本發(fā)明中，用一金相結(jié)構(gòu)觀察技術(shù)在一顯微鏡下觀察一制備的樣品，并利用一圖象分析處理器對(duì)觀察的表面進(jìn)行圖象分析。將等效圓直徑(circle-equivalent diameter)(通過(guò)將在觀察的表面中發(fā)現(xiàn)的晶粒的平均截面積減小至一個(gè)圓的面積并用該圓的直徑作為晶粒直徑而獲得的HEYWOOD直徑)的平均值視為平均晶粒尺寸。
最大弦長(zhǎng)是指使用一游標(biāo)卡尺測(cè)量的硅晶粒的最大長(zhǎng)度。當(dāng)兩個(gè)硅晶體晶粒具有相同的HEYWOOD直徑，并且其中一個(gè)晶粒具有一較大的MAXLNG時(shí)，該具有較大MAXLNG的硅晶體晶粒呈片狀或針狀。
所形成的活塞預(yù)制件的油環(huán)槽部分在表5所示條件下進(jìn)行銑削測(cè)試，并且在形狀和可管理性方面對(duì)碎屑進(jìn)行評(píng)價(jià)。然后在表6所示的條件下對(duì)該油環(huán)槽的內(nèi)壁的表面粗糙度進(jìn)行評(píng)價(jià)。應(yīng)用圖4所示的一Compax銑刀(人造金剛石制銑刀)進(jìn)行銑削測(cè)試。利用表面粗糙度計(jì)，沿與銑削方向平行的方向(即，沿與活塞頭表面平行的方向)測(cè)量該活塞預(yù)制件的油環(huán)槽的表面粗糙度。
然后，從該油環(huán)槽的附近獲得一試樣，并然后在表7所示條件下在環(huán)境溫度下對(duì)該試樣進(jìn)行一銷(xiāo)-盤(pán)磨損測(cè)試，以測(cè)量一銷(xiāo)的磨損量。
表8示出上述測(cè)量的冷卻速率的結(jié)果。表9示出包含在鑄錠中的共晶硅晶粒和原生硅晶體晶粒的平均尺寸。表12示出該活塞預(yù)制件的硬度(HRB)，裙部的可成形性，油環(huán)槽部分產(chǎn)生的碎屑形狀，碎屑的可管理性，油環(huán)槽的內(nèi)壁的表面粗糙度，和從油環(huán)槽部分的附近獲得的試樣的磨損量。
對(duì)比示例1和2從表1所示的由一合金1制成的一直徑為82mm的連鑄棒(對(duì)比示例1)，和從表1所示的由一合金2制成的一直徑為115mm的連鑄棒(對(duì)比示例2)。連鑄是在表10所示的條件下利用在JP-B SHO 54-42847中所公開(kāi)的氣壓熱頂鑄造工藝而進(jìn)行的。在對(duì)比示例1中，對(duì)所形成的鑄錠在495℃進(jìn)行8個(gè)小時(shí)均勻化處理，然后進(jìn)行切削加工以將直徑減小至77mm。在對(duì)比示例2中，所形成的鑄錠同樣地處理以將直徑減小至110mm。此后，將各鑄錠切制成具有30mm厚度的工件，并將所形成的工件用作鍛造材料。在該對(duì)比示例1和2中，以與示例1和2中條件相同的條件對(duì)該鍛造材料分別進(jìn)行鍛造。然而，在鍛造期間，各鍛造材料以與示例1或2中所述的方式不同的方式放置到鍛模中。在對(duì)比示例1和2中，以與示例1和2中條件相同的條件對(duì)所形成的鍛造活塞預(yù)制件分別進(jìn)行人工時(shí)效處理并然后進(jìn)行機(jī)加工。
表11示出共晶硅晶粒的平均尺寸和原生硅晶體晶粒的平均尺寸的測(cè)量結(jié)果。表12示出以與示例1或2的方式相似的方式進(jìn)行的評(píng)價(jià)的結(jié)果。
表1(質(zhì)量百分比％)

表2

表3

表4

表5

表6

表7

表8

表9

表10

表11

表12

裙部的可成形性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

碎屑形狀的評(píng)價(jià) 如表8所清楚地示出，在應(yīng)用了通過(guò)在點(diǎn)e所測(cè)得的冷卻速率為2.6℃/秒、并且比率(E/F)為0.42的條件下鑄造形成的鍛造材料的示例1中，在鍛造材料中不存在原生硅晶體晶粒；包含在油環(huán)槽部分和包含在裙部的前端部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(HEYWOOD直徑)分別為4.7μm和2.3μm；比率(A/B)約為2。如表11所清楚地示出，在應(yīng)用了由合金1所形成的小直徑連鑄棒的對(duì)比示例1中，包含在油環(huán)槽部分和包含在裙部的前端部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸分別為2.0μm和2.0μm；比率(A/B)為1，表明該活塞預(yù)制件沒(méi)有其中硅晶粒尺寸沿厚度方向分等級(jí)的金相結(jié)構(gòu)。包含在對(duì)比示例1的活塞預(yù)制件的油環(huán)槽部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸小于包含在示例1的活塞預(yù)制件的油環(huán)槽部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸。如表12所清楚地示出，在示例1和對(duì)比示例1中，裙部的可成形性都很好。在示例1中，從油環(huán)槽部分產(chǎn)生的碎屑具有一斷片形狀。相反，在對(duì)比示例1中，從油環(huán)槽部分產(chǎn)生的碎屑具有一細(xì)長(zhǎng)形狀，由此可知碎屑的可管理性很差。在對(duì)比示例1中，油環(huán)槽的內(nèi)壁具有較大的表面粗糙度，并且油環(huán)槽部分具有較差的耐磨損性。通常，當(dāng)油環(huán)槽的內(nèi)壁具有較大的表面粗糙度時(shí)，該油環(huán)槽被活塞環(huán)磨損，并且該油環(huán)槽變大。結(jié)果，該活塞與油環(huán)槽傾斜地配合，這造成在氣缸內(nèi)壁上的磨損等問(wèn)題。當(dāng)活塞與氣缸之間的間隙由于油環(huán)槽部分的較差的耐磨損性而變大時(shí)，機(jī)油消耗變大，并且活塞與氣缸彼此不能以密封地方式配合，從而降低了發(fā)動(dòng)機(jī)輸出。因此，當(dāng)將對(duì)比示例1的活塞預(yù)制件制成一活塞時(shí)，所形成的活塞被認(rèn)為不具有令人滿(mǎn)意的特性。
示例2和對(duì)比示例2之間的對(duì)比表明了下述內(nèi)容。在示例2中，在點(diǎn)e測(cè)得的冷卻速率為4.1℃/秒，并且比率(E/F)為0.75。在示例2中，包含在油環(huán)槽部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(A)為6.9μm；包含在裙部的前端部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(B)為2.8μm；比率(A/B)為2.5；包含在油環(huán)槽部分中的原生硅晶體晶粒的平均尺寸(C)為23.9μm；包含在裙部的前端部分中的原生硅晶體晶粒的平均尺寸(D)為15.7μm；比率(C/D)(約)為1.5。如表11所清楚地示出，在對(duì)比示例2中，包含在油環(huán)槽部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(A)為2.6μm；包含在裙部的前端部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(B)為2.5μm；比率(A/B)(約)為1.0；包含在油環(huán)槽部分中的原生硅晶體晶粒的平均尺寸(C)為17.7μm；包含在裙部的前端部分中的原生硅晶體晶粒的平均尺寸(D)為18.3μm；比率(C/D)(約)為1.0，表明該活塞預(yù)制件沒(méi)有其中硅晶粒尺寸沿厚度方向分等級(jí)的金相結(jié)構(gòu)。如上所述，包含在對(duì)比示例2的活塞預(yù)制件的油環(huán)槽部分中的共晶硅晶粒和原生硅晶體晶粒的平均尺寸小于包含在示例2的活塞預(yù)制件的油環(huán)槽部分中的共晶硅晶粒和原生硅晶體晶粒的平均尺寸。在示例2和對(duì)比示例2中，裙部的可成形性都很好。在示例2中，從油環(huán)槽部分產(chǎn)生的碎屑具有一斷片形狀。相反，在對(duì)比示例2中，從油環(huán)槽部分產(chǎn)生的碎屑具有一細(xì)長(zhǎng)形狀，由此碎屑的可管理性較差，并且油環(huán)槽的內(nèi)壁具有較大的表面粗糙度。在對(duì)比示例2中，由于包含在油環(huán)槽部分中的共晶硅晶粒和原生硅晶體晶粒的平均尺寸較小，從油環(huán)槽部分產(chǎn)生的碎屑具有一細(xì)長(zhǎng)形狀，碎屑的可管理性較差，油環(huán)槽的內(nèi)壁具有較大的表面粗糙度，并且由油環(huán)槽部分獲得的試樣的磨損量較大。
對(duì)比示例3活塞預(yù)制件由表1所示的合金1和合金2通過(guò)金屬(永久)型鑄造生產(chǎn)。對(duì)比示例3應(yīng)用了兩種類(lèi)型的鑄模，即A類(lèi)(對(duì)應(yīng)于裙部的一部分的厚度3.5mm)和B類(lèi)(對(duì)應(yīng)于裙部的一部分的厚度6mm)。這兩種模具在形狀上與示例1中所應(yīng)用的鍛模相同。該A類(lèi)和B類(lèi)模具的內(nèi)徑和形狀相同。
活塞預(yù)制件由該A類(lèi)和B類(lèi)模具在表13所示的鑄造條件下通過(guò)鑄造生產(chǎn)。對(duì)所形成的活塞預(yù)制件的裙部無(wú)缺陷性(soundness)進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果在表14中示出。表15示出了共晶硅晶粒和原生硅晶體晶粒的平均尺寸測(cè)量結(jié)果。
表13

表14

說(shuō)明○在裙部沒(méi)有未充滿(mǎn)×由于裙部的澆鑄不滿(mǎn)而出現(xiàn)有缺陷表15

表14的結(jié)果表明，當(dāng)通過(guò)金屬(永久)型鑄造由合金1和2中的任一合金形成一包括其厚度為3.5mm，即與鍛造的活塞預(yù)制件的裙部的厚度相同的裙部的活塞預(yù)制件時(shí)，由于澆不足而在裙部的前端部發(fā)生未充滿(mǎn)，并且所形成的預(yù)制件不具有與鍛造的活塞預(yù)制件的質(zhì)量相當(dāng)?shù)馁|(zhì)量。該結(jié)果還表明，當(dāng)裙部的厚度為6mm時(shí)，該裙部具有無(wú)缺陷性。如上所述，通過(guò)金屬(永久)型鑄造形成的活塞預(yù)制件不具有與鍛造的活塞預(yù)制件的特征類(lèi)似的特征。因?yàn)榘趯?duì)比示例3的活塞預(yù)制件的油環(huán)槽部分中的共晶硅晶粒和原生硅晶體晶粒的平均尺寸幾乎等于包含在示例1或2的活塞預(yù)制件的油環(huán)槽部分中的共晶硅晶粒和原生硅晶體晶粒的平均尺寸，可認(rèn)為對(duì)比示例3的活塞預(yù)制件的油環(huán)槽部分具有良好的可銑削性。然而，在對(duì)比示例3的情況下，由于裙部的厚度不能減小，并且需要較大量的銑削加工余量，所以不能獲得高的生產(chǎn)率。
對(duì)比示例4將表1所示的合金2在一熔化裝置中熔化，并且將所形成的熔融合金澆注到一圓柱形鐵模(外徑300mm，全長(zhǎng)350mm，內(nèi)徑115mm，深度250mm)中，以從而形成一具有115mm外徑的圓柱狀的鑄錠(該鑄錠的不包含孔洞的無(wú)缺陷部分的長(zhǎng)度150mm)。在鑄造期間，熔融合金的溫度保持在800℃，并且將模具預(yù)先加熱到300℃。將所形成的圓柱狀鑄錠在490℃下進(jìn)行均勻化處理8個(gè)小時(shí)。然后，對(duì)鑄錠的周邊進(jìn)行切削加工以除去有缺陷的部分，從而形成一具有110mm外徑的圓棒。將該圓棒切制成具有30mm厚度的工件，并且將該形成的工件用作鍛造材料。
用兩種類(lèi)型即C類(lèi)(對(duì)應(yīng)于裙部的一部分的厚度4.0mm)和D類(lèi)(對(duì)應(yīng)于裙部的一部分的厚度6mm)的鍛模通過(guò)熱鍛造而生產(chǎn)活塞預(yù)制件，由此所獲得的活塞具有相同的外徑。在熱鍛造之前先將該鍛造材料預(yù)加熱至450℃。對(duì)所形成的活塞預(yù)制件的裙部的可成形性進(jìn)行評(píng)價(jià)。在與表3所示的示例2中條件相同的條件下進(jìn)行熱鍛造。結(jié)果在表16中示出。從各預(yù)制件的裙部的前端部獲得一試樣，并且觀察該試樣的金相結(jié)構(gòu)，以由此測(cè)量共晶硅晶粒和原生硅晶體晶粒的平均尺寸。結(jié)果在表17中示出。
表16

表17

平均尺寸HEYWOOD直徑結(jié)果表明，當(dāng)共晶硅晶?；蛘咴杈w晶粒的平均尺寸較大時(shí)，可鍛性降低，并且不能生產(chǎn)一個(gè)有優(yōu)良耐磨損性和碎屑易斷裂性的成品。結(jié)果還表明，當(dāng)共晶硅晶粒或者原生硅晶體晶粒的平均尺寸較大時(shí)，如同在金屬(永久)型鑄造的情況下，必須在鍛造期間形成一較大厚度的裙部，并且然后必須對(duì)該裙部進(jìn)行機(jī)加工以由此減小該裙部的厚度。
工業(yè)實(shí)用性如上所述，根據(jù)本發(fā)明，可以生產(chǎn)一種包括一油環(huán)槽部分和一裙部的用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的鍛造活塞，其中包含在裙部的前端部分中的共晶硅晶粒和原生硅晶體晶粒的平均尺寸較小，并且包含在油環(huán)槽部分中的這些晶粒的平均尺寸較大。該裙部具有與由一種小直徑的連鑄棒形成的活塞的裙部一樣優(yōu)良的可鍛性，并因此可以減小該裙部的厚度。此外，油環(huán)槽部分在銑削期間具有與通過(guò)鑄造形成的活塞的油環(huán)槽部分一樣優(yōu)良的碎屑可管理性，并且該油環(huán)槽具有較小的表面粗糙度并具有優(yōu)良的耐磨損性。
不能通過(guò)使用傳統(tǒng)的小直徑連鑄棒進(jìn)行熱鍛造或者通過(guò)金屬(永久)型鑄造生產(chǎn)如上所述的鍛造的活塞。然而，本發(fā)明可以提供一種具有由熱鍛造和金屬(永久)型鑄造而得到的優(yōu)點(diǎn)的用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的鍛造活塞。
通過(guò)一種結(jié)合熱鍛造和人工時(shí)效處理的制造方法由一種通過(guò)單向固化鑄造獲得的材料制造本發(fā)明的鍛造活塞。
本發(fā)明中所應(yīng)用的鋁合金除了包含原始附加元素(即，Si、Cu和Mg)之外，還可以包含用于進(jìn)一步改善人工時(shí)效硬化性能的元素，如Ag或者Sc，和一種用于改善耐熱性的元素，如Fe、Ni、Ti、Cr、V、Zr、Mn、Co、Nb或者M(jìn)o。這些元素可以被單獨(dú)地或結(jié)合地加入。通過(guò)加入這樣一種元素，與其它部分相比，油環(huán)槽部分、裙部、頭部表面和活塞銷(xiāo)部分的特性可以得到更好的改善。
因此，可以提供一種便宜的高性能鍛造活塞，并且可以提供品質(zhì)均勻的高性能發(fā)動(dòng)機(jī)。
權(quán)利要求
1.一種由包含質(zhì)量比為6-25％的硅的鋁合金制成的用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的鍛造活塞，該活塞包括一油環(huán)槽部分和一裙部，其中包含在該油環(huán)槽部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(A)與包含在該裙部的前端部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(B)之比(A/B)至少為1.5，并且該平均尺寸(A)至少為4μm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鍛造活塞，其特征在于，包含在油環(huán)槽部分中的原生硅晶體晶粒的平均尺寸(C)與包含在裙部的前端部分中的原生硅晶體晶粒的平均尺寸(D)之比(C/D)至少為1.3，并且該平均尺寸(C)至少為15μm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鍛造活塞，其特征在于，所述鋁合金包含質(zhì)量比為0.3-7％的Cu和質(zhì)量比為0.1-2％的Mg。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的鍛造活塞，其特征在于，所述鋁合金包含質(zhì)量比為0.1-2.5％的Ni。
5.一種制造用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的鍛造活塞的方法，包括下述步驟對(duì)包含質(zhì)量比為6-25％的硅的熔融鋁合金進(jìn)行單向固化鑄造以由此生產(chǎn)一用作具有彼此相對(duì)的第一表面和第二表面的鍛造材料的鑄錠，其中包含在第一表面中的硅晶粒的平均尺寸不同于包括在第二表面中的硅晶粒的平均尺寸；對(duì)該鍛造材料進(jìn)行預(yù)加熱；將該鍛造材料置于一鍛模中，使得包含較大平均尺寸的硅晶粒的表面面對(duì)該模的對(duì)應(yīng)于活塞頭部的表面，以由此將該鍛造材料鍛造成一活塞預(yù)制件；對(duì)該活塞預(yù)制件進(jìn)行人工時(shí)效處理；和對(duì)形成的活塞預(yù)制件進(jìn)行機(jī)加工，以由此制造一用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的鍛造活塞。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，單向固化鑄造包括為獲得至少為1.5的包含在鑄錠的上部中的共晶硅晶粒的平均尺寸(A)與包含在該鑄錠的靠近一冷卻板的部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(B)之比(A/B)及至少為4.0μm的平均尺寸(A)而進(jìn)行的冷卻。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，單向固化鑄造包括為獲得為0.85或更小的、在從固化模的頂部向下5mm并且從固化模具的側(cè)壁向里5mm的點(diǎn)e處測(cè)量的冷卻速率(E)與在從固化模具的底部向上1mm并且從固化模具的側(cè)壁向里5mm的點(diǎn)f測(cè)量的冷卻速率(F)之比(E/F)而進(jìn)行的冷卻，其中冷卻速率(E)至少為0.5℃/秒。
8.根據(jù)權(quán)利要求5至7中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在一落于從350℃至從鋁合金的固相線溫度減去10℃所得的差值之間的范圍內(nèi)的溫度進(jìn)行所述預(yù)加熱。
全文摘要
一種由包含質(zhì)量比為6－25％的硅的鋁合金制成的用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的鍛造活塞包括一油環(huán)槽部分(12)和一裙部(13)。包含在該油環(huán)槽部分中的共晶硅晶粒的平均尺寸(A)與包含在該裙部的前端部分(18)中的共晶硅晶粒的平均尺寸(B)之比(A/B)至少為1.5。該平均尺寸(A)至少為4μm。由于使平均尺寸(B)較小以及平均尺寸(A)較大的構(gòu)形，該裙部具有優(yōu)良的可鍛性，而該油環(huán)槽部分具有可靠的可機(jī)械加工性和改善的耐磨損性。
文檔編號(hào)B22D27/04GK1545597SQ02816439
公開(kāi)日2004年11月10日 申請(qǐng)日期2002年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月23日
發(fā)明者柳本茂, 福田政志, 佐藤正廣, 廣, 志 申請(qǐng)人:昭和電工株式會(huì)社