本發(fā)明屬于活塞制造領(lǐng)域，具體涉及一種活塞燃燒室二次澆注增強(qiáng)材料及制造方法。

技術(shù)背景

目前隨排放要求越來越嚴(yán)格，商用車發(fā)動機(jī)都在向大功率、高負(fù)荷方向發(fā)展，強(qiáng)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(qiáng)度提出更高的要求。為應(yīng)對此要求部分發(fā)動機(jī)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(yīng)用。有些發(fā)動機(jī)活塞的頭部增加陶瓷復(fù)合材料以提高活塞喉口的熱疲勞性能，但采用陶瓷復(fù)合材料成本較高，質(zhì)量難于控制，不適合大批量推廣應(yīng)用。因此活塞燃燒室喉口重熔技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，現(xiàn)有喉口常見的重熔技術(shù)有TIG、ATIG以及激光焊，此種技術(shù)是在基體合金的基礎(chǔ)上，對基體合金進(jìn)行熔化后再結(jié)晶強(qiáng)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(dǎo)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(qiáng)化發(fā)動機(jī)的需求。近期發(fā)展了一種重熔技術(shù)，它是采用填絲、噴粉合金化強(qiáng)化喉口及底部的技術(shù)，此種技術(shù)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(fù)雜，填絲或噴粉擾亂了保護(hù)氣，強(qiáng)化區(qū)域易于產(chǎn)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(fù)雜，不利于批量生產(chǎn)。

綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)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(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種鋁活塞燃燒室二次澆注增強(qiáng)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(zhì)，其中的％為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。

該增強(qiáng)材料是在正常澆注鋁活塞材料的基礎(chǔ)上進(jìn)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(qū)域，形成在燃燒室區(qū)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(xì)小，強(qiáng)度與基體區(qū)相差不大，能滿足活塞對性能的需求。燃燒室區(qū)域耐熱金屬元素的富集，通過采用20-500KHz高頻焊重熔再結(jié)晶方式使燃燒室部位粗大的銅、鎳、鐵等合金相充分細(xì)化，耐熱金屬合金相細(xì)小而充分彌散，從而使燃燒室區(qū)域鋁合金的耐熱性能成倍提升。

進(jìn)一步的，所述增強(qiáng)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(zhì)，其中的％為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。

針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了上述增強(qiáng)材料在二次澆注鋁活塞燃燒室中的應(yīng)用。

當(dāng)采用該增強(qiáng)材料在澆注正常鋁活塞材料的基礎(chǔ)上，進(jìn)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(qū)域，由于是常規(guī)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(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明還提供了利用上述增強(qiáng)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(shè)定質(zhì)量正常成分的鋁液；

2)自模具的冒口中澆入設(shè)定質(zhì)量的上述增強(qiáng)材料，增強(qiáng)材料的溫度為790-1050℃，制得鋁活塞毛坯；

3)活塞毛坯經(jīng)熱處理、機(jī)加工、清洗預(yù)熱后，轉(zhuǎn)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(yīng)線圈放置于活塞毛坯的燃燒室部位，將高頻焊的頻率設(shè)定為20-500KHz，功率控制在20-200KW，在2min以內(nèi)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(qiáng)材料，且增強(qiáng)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(nèi)得到耐熱金屬元素富集區(qū)、成分過渡區(qū)以及正常材料成分區(qū)。活塞燃燒室喉口區(qū)域經(jīng)高頻焊重熔再結(jié)晶方式使燃燒室部位粗大的銅。鎳、鐵等合金相充分細(xì)化。采用高頻焊重熔再結(jié)晶工藝簡單，克服了填絲焊、MIG易于產(chǎn)生氣孔的缺點(diǎn)。

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(jìn)行調(diào)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(jìn)一步的，將所述增強(qiáng)材料放置于感應(yīng)攪拌保溫爐中。

感應(yīng)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(jìn)一步的，增強(qiáng)材料的質(zhì)量與正常成分鋁液的質(zhì)量比例為1:8-1:20。

當(dāng)增強(qiáng)材料與正常成分鋁液的質(zhì)量比在該范圍內(nèi)時，澆注得到的鋁活塞具有更佳的耐熱性能。

進(jìn)一步的，步驟2)中，將漏斗放置在冒口中，將增強(qiáng)材料引流至鋁活塞的燃燒室。

針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明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(nèi)依次為耐熱金屬元素富集區(qū)、成分過渡區(qū)和正常材料成分區(qū)。

進(jìn)一步的，步驟4)中，所述高頻焊感應(yīng)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(xì)化層深度為2-5mm。

本發(fā)明還提供了上述鋁活塞在大功率、高負(fù)荷發(fā)動機(jī)中的應(yīng)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(yīng)用在發(fā)動機(jī)中時，使發(fā)動機(jī)可以具有大功率和高負(fù)荷，提高了發(fā)動機(jī)的性能。

本發(fā)明的有益效果為：

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(qū)域，形成在燃燒室區(qū)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(xì)小，強(qiáng)度與基體區(qū)相差不大，能滿足活塞對性能的需求。而燃燒室區(qū)域由于耐熱金屬元素的富集，金相粗大，因此我們在后續(xù)加工中采用高頻焊重熔方式對其進(jìn)行了充分的細(xì)化，耐熱金屬元素在燃燒室區(qū)域充分彌散，從而使燃燒室區(qū)域鋁合金的耐熱性能成倍的提升，試驗數(shù)據(jù)可以看出，在爆壓21-24MPa對應(yīng)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(yīng)的提高，從而解決了目前發(fā)動機(jī)國五、國六以后對活塞性能更加苛刻的要求，為環(huán)境的改善創(chuàng)造良好的基礎(chǔ)。同時，發(fā)動機(jī)燃油耗、機(jī)油耗的降低，將為整個社會節(jié)約大量能源。

附圖說明

構(gòu)成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進(jìn)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(gòu)成對本申請的不當(dāng)限定。

圖1為澆注正常成分鋁液時的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為澆注二次澆注材料時的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為澆注得到的鋁活塞毛坯的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為高頻焊感應(yīng)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(yīng)線圈，8、粗車活塞，9、重熔區(qū)，10、耐熱金屬元素富集區(qū)，11、成分過渡區(qū)，12、正常材料成分區(qū)，13、活塞成品。

具體的實施方式

應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說明都是例示性的，旨在對本申請?zhí)峁┻M(jìn)一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本申請所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據(jù)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(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說明書中使用術(shù)語“包含”和/或“包括”時，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

術(shù)語解釋部分：

增強(qiáng)材料，本文中的材料應(yīng)用在進(jìn)行首次鋁活塞澆注后的二次澆注過程中，需要與首次澆注的鋁液配合澆注，可以增強(qiáng)鋁活塞燃燒室的耐熱性能，所以在本文中命名為增強(qiáng)材料。

首次澆注過程中使用的正常成分鋁液，可以為現(xiàn)有的任意可以用于澆注鋁活塞的鋁液，但是為了保證澆注的鋁活塞的鑄造性能和常溫性能，該正常成分的鋁液中鎳、銅、鐵等耐熱金屬元素的含量應(yīng)該小。

耐熱金屬元素富集區(qū)，由于該區(qū)域是由本文中的二次澆注材料澆注而成，所以該區(qū)域的鎳、鐵、銅等耐熱金屬元素的含量相對較高，進(jìn)而使得該區(qū)域具有較好的耐熱性能，將其命名為耐熱金屬元素富集區(qū)。

成分過渡區(qū)，該區(qū)域是在二次澆注過程中，高溫的二次澆注材料與首次澆注得到的材料之間發(fā)生擴(kuò)散得到的區(qū)域，該區(qū)域的鎳、鐵、銅等元素的含量小于耐熱金屬元素富集區(qū)，大于正常成分區(qū)，所以命名為成分過渡區(qū)。

正常成分區(qū)，顧名思義，是由正常成分鋁液澆注得到的部位。

如圖1所示，鋁活塞模具包括頂模2和外模3。

實施例1

利用增強(qiáng)材料制造鋁活塞的方法，包括如下步驟：

步驟1：鑄造過程中，在原有保溫爐的基礎(chǔ)上，增加一臺感應(yīng)攪拌保溫爐，用于二次澆注使用，增強(qiáng)材料的成分是含有3％的鎳、4％的銅、0.6％的鐵、7％的硅、0.05％的鈦，0.0002％的硼，0.05％的錳，0.04％的鋯，0.1％的釩，除雜質(zhì)元素外，余量為鋁。鋁液溫度控制范圍在790-810℃。

步驟2：用澆勺1舀取并用電子天平稱量正常成分的鋁液，再按常規(guī)方式自澆口中澆入鋁液，如圖1所示。

步驟3：自感應(yīng)攪拌保溫爐中用小澆勺4舀取高合金含量的鋁液，用金屬漏斗5自冒口中澆入，通過漏斗5將該增強(qiáng)材料導(dǎo)流至鋁活塞的燃燒室進(jìn)行二次澆注，如圖2所示。澆注得到的鋁活塞毛坯6的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

步驟4：鋁活塞毛坯6經(jīng)熱處理、機(jī)加工、清洗預(yù)熱，轉(zhuǎn)至高頻焊重熔工序。

步驟5：將粗車活塞8放置到高頻焊重熔工裝上，活塞隨工裝移動，高頻焊感應(yīng)線圈7進(jìn)入到活塞燃燒室部位，線圈與活塞燃燒室距離5mm，接通高頻焊接電源，頻率設(shè)定20KHz，功率控制在200KW，0.8分鐘完成重熔，如圖4所示。

步驟6：活塞加工成活塞成品13，活塞燃燒室區(qū)域成分自外向內(nèi)呈現(xiàn)耐熱金屬元素富集區(qū)10、成分過渡區(qū)11及正常材料成分區(qū)12，活塞燃燒室喉口重熔區(qū)9經(jīng)重熔得到充分細(xì)化增強(qiáng)，如圖5所示。

實施例2

利用增強(qiáng)材料制造鋁活塞的方法，包括如下步驟：

步驟1：鑄造過程中，在原有保溫爐的基礎(chǔ)上，增加一臺感應(yīng)攪拌保溫爐，用于二次澆注使用，增強(qiáng)材料含有7％的鎳、5％的銅、0.8％的鐵、5％的硅、0.1％的鎂、0.06％的鈦，0.0003％的硼，0.1％的錳，0.06％的鋯，0.11％的釩，0.01％的鈧，除雜質(zhì)元素外余量為鋁。鋁液溫度控制范圍在810-830℃。

步驟2：用澆勺1舀取并用電子天平稱量正常成分的鋁液，再按常規(guī)方式自澆口中澆入鋁液，如圖1所示。

步驟3：自感應(yīng)攪拌保溫爐中用小澆勺4舀取高合金含量的鋁液，用金屬漏斗5自冒口中澆入，通過漏斗5將該增強(qiáng)材料導(dǎo)流至鋁活塞的燃燒室進(jìn)行二次澆注，如圖2所示。澆注得到的鋁活塞毛坯6的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

步驟4：鋁活塞毛坯6經(jīng)熱處理、機(jī)加工、清洗預(yù)熱，轉(zhuǎn)至高頻焊重熔工序。

步驟5：將粗車活塞8放置到高頻焊重熔工裝上，活塞隨工裝移動，高頻焊感應(yīng)線圈7進(jìn)入到活塞燃燒室部位，線圈與活塞燃燒室距離4.5mm，接通高頻焊接電源，頻率設(shè)定60KHz，功率控制在150KW，1.2分鐘完成重熔，如圖4所示。

步驟6：活塞加工成活塞成品13，活塞燃燒室區(qū)域成分自外向內(nèi)呈現(xiàn)耐熱金屬元素富集區(qū)10、成分過渡區(qū)11及正常材料成分區(qū)12，活塞燃燒室喉口重熔區(qū)9經(jīng)重熔得到充分細(xì)化增強(qiáng)，如圖5所示。

實施例3

利用增強(qiáng)材料制造鋁活塞的方法，包括如下步驟：

步驟1：鑄造過程中，在原有保溫爐的基礎(chǔ)上，增加一臺感應(yīng)攪拌保溫爐，用于二次澆注使用，增強(qiáng)材料含有20％的鎳、6％的銅、4.2的鐵、10％的硅、0.3％的鎂、0.2％的鈦，0.05％的硼，0.2％的錳，0.1％的鋯，0.12％的釩，除雜質(zhì)元素外余量為鋁。鋁液溫度控制范圍在850-880℃。

步驟2到步驟4如實施例1。

步驟5：將粗車活塞8放置到高頻焊重熔工裝上，活塞隨工裝移動，高頻焊感應(yīng)線圈7進(jìn)入到活塞燃燒室部位，線圈與活塞燃燒室距離4.0mm，接通高頻焊接電源，頻率設(shè)定120KHz，功率控制在120KW，1.4分鐘完成重熔，如圖4所示。

步驟6如實施例1。

實施例4

利用增強(qiáng)材料制造鋁活塞的方法，包括如下步驟：

步驟1：鑄造過程中，在原有保溫爐的基礎(chǔ)上，增加一臺感應(yīng)攪拌保溫爐，用于二次澆注使用，增強(qiáng)材料含有30％的鎳、6％的銅、5.4％的鐵、5.2％的硅、0.7％的鎂、1％的鈦，0.4％的硼，0.4％的錳，0.15％的鋯，0.15％的釩，0.3％的鈧，除雜質(zhì)元素外余量為鋁。鋁液溫度控制范圍在880-910℃。

步驟2到步驟4如實施例1。

步驟5：將粗車活塞8放置到高頻焊重熔工裝上，活塞隨工裝移動，高頻焊感應(yīng)線圈7進(jìn)入到活塞燃燒室部位，線圈與活塞燃燒室距離3.2mm，接通高頻焊接電源，頻率設(shè)定340KHz，功率控制在100KW，1.5分鐘完成重熔，如圖4所示。

步驟6如實施例1。

實施例5

利用增強(qiáng)材料制造鋁活塞的方法，包括如下步驟：

步驟1：鑄造過程中，在原有保溫爐的基礎(chǔ)上，增加一臺感應(yīng)攪拌保溫爐，用于二次澆注使用，增強(qiáng)材料含有5％的鎳、10％的銅、10％的鐵、12％的硅、0.4％的鎂、3％的鈦，1％的硼，0.5％的錳，0.18％的鋯，0.18％的釩，0.5％的鈧，除雜質(zhì)元素外余量為鋁。鋁液溫度控制范圍在850-880℃。

步驟2到步驟4如實施例1。

步驟5：將粗車活塞8放置到高頻焊重熔工裝上，活塞隨工裝移動，高頻焊感應(yīng)線圈7進(jìn)入到活塞燃燒室部位，線圈與活塞燃燒室距離2.7mm，接通高頻焊接電源，頻率設(shè)定390KHz，功率控制在80KW，1.7分鐘完成重熔，如圖4所示。

步驟6如實施例1。

實施例6

利用增強(qiáng)材料制造鋁活塞的方法，包括如下步驟：

步驟1：鑄造過程中，在原有保溫爐的基礎(chǔ)上，增加一臺感應(yīng)攪拌保溫爐，用于二次澆注使用，二次澆注材料含有35％的鎳、5％的銅、1.2的鐵、5％的硅、0.2％的鎂、0.1％的鈦，0.02％的硼，0.1％的錳，0.01％的鋯，0.2％的釩，除雜質(zhì)元素外余量為鋁。鋁液溫度控制范圍在980-1010℃。

步驟2到步驟4如實施例1。

步驟5：將粗車活塞8放置到高頻焊重熔工裝上，活塞隨工裝移動，高頻焊感應(yīng)線圈7進(jìn)入到活塞燃燒室部位，線圈與活塞燃燒室距離2.4mm，接通高頻焊接電源，頻率設(shè)定430KHz，功率控制在60KW，1.8分鐘完成重熔，如圖4所示。

步驟6如實施例1。

實施例7

利用增強(qiáng)材料制造鋁活塞的方法，包括如下步驟：

步驟1：鑄造過程中，在原有保溫爐的基礎(chǔ)上，增加一臺感應(yīng)攪拌保溫爐，用于二次澆注使用，二次澆注材料含有7％的鎳、8％的銅、20％的鐵、15％的硅、0.6％的鎂、1％的鈦，0.02％的硼，0.2％的錳，0.11％的鋯，0.11％的釩，除雜質(zhì)元素外余量為鋁。鋁液溫度控制范圍在930-960℃。

步驟2到步驟4如實施例1。

步驟5：將粗車活塞8放置到高頻焊重熔工裝上，活塞隨工裝移動，高頻焊感應(yīng)線圈7進(jìn)入到活塞燃燒室部位，線圈與活塞燃燒室距離2.0mm，接通高頻焊接電源，頻率設(shè)定500KHz，功率控制在30KW，1.9分鐘完成重熔，如圖4所示。

步驟6如實施例1。

以上所述僅為本申請的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本申請，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本申請的保護(hù)范圍之內(nèi)。