一種活塞燃燒室二次澆注增強材料及制造方法與流程

本發明屬于活塞制造領域，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。

技術實現要素：

針對上述現有技術中存在的技術問題，本發明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，本發明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，本發明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，本發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。

本發明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。

本發明的有益效果為：

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技術領域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，當在本說明書中使用術語“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。

術語解釋部分：

增強材料，本文中的材料應用在進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，可以增強鋁活塞燃燒室的耐熱性能，所以在本文中命名為增強材料。

首次澆注過程中使用的正常成分鋁液，可以為現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該小。

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

成分過渡區，該區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生擴散得到的區域，該區域的鎳、鐵、銅等元素的含量小于耐熱金屬元素富集區，大于正常成分區，所以命名為成分過渡區。

正常成分區，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上，增加一臺感應攪拌保溫爐，用于二次澆注使用，增強材料的成分是含有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，再按常規方式自澆口中澆入鋁液，如圖1所示。

步驟3：自感應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將該增強材料導流至鋁活塞的燃燒室進行二次澆注，如圖2所示。澆注得到的鋁活塞毛坯6的結構示意圖如圖3所示。

步驟4：鋁活塞毛坯6經熱處理、機加工、清洗預熱，轉至高頻焊重熔工序。

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，高頻焊感應線圈7進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，活塞燃燒室區域成分自外向內呈現耐熱金屬元素富集區10、成分過渡區11及正常材料成分區12，活塞燃燒室喉口重熔區9經重熔得到充分細化增強，如圖5所示。

實施例2

利用增強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上，增加一臺感應攪拌保溫爐，用于二次澆注使用，增強材料含有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，再按常規方式自澆口中澆入鋁液，如圖1所示。

步驟3：自感應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將該增強材料導流至鋁活塞的燃燒室進行二次澆注，如圖2所示。澆注得到的鋁活塞毛坯6的結構示意圖如圖3所示。

步驟4：鋁活塞毛坯6經熱處理、機加工、清洗預熱，轉至高頻焊重熔工序。

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，高頻焊感應線圈7進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，活塞燃燒室區域成分自外向內呈現耐熱金屬元素富集區10、成分過渡區11及正常材料成分區12，活塞燃燒室喉口重熔區9經重熔得到充分細化增強，如圖5所示。

實施例3

利用增強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上，增加一臺感應攪拌保溫爐，用于二次澆注使用，增強材料含有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，高頻焊感應線圈7進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上，增加一臺感應攪拌保溫爐，用于二次澆注使用，增強材料含有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，高頻焊感應線圈7進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上，增加一臺感應攪拌保溫爐，用于二次澆注使用，增強材料含有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，高頻焊感應線圈7進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上，增加一臺感應攪拌保溫爐，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，高頻焊感應線圈7進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上，增加一臺感應攪拌保溫爐，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，高頻焊感應線圈7進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選實施例而已，并不用于限制本申請，對于本領域的技術人員來說，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，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本申請的保護范圍之內。