CN1796024A - 镁合金发动机活塞及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于镁合金发动机活塞及其方法，其镁合金的成份含量为：Al 2～10wt％，Si 2～10wt％，其余为Mg和添加元素，所述添加元素为Y、Sr、Ca、C、Be及稀土类金属元素中的一种或几种，其中，添加元素Y的含量为0～8wt％、Sr的含量为0～5wt％、Ca的含量为0～5wt％、C的含量为0～2wt％、Be的含量为0～0.01wt％，所述添加的稀土金属为Ce、Nd、Pr、La、Gd、Dy稀土金属，或是这些稀土金属的混合稀土金属，稀土金属的总含量为0～6wt％。其方法包括：镁合金熔炼、精炼，镁合金半固态浆料制备、镁合金半固态坯料制备、镁合铸锭的制备、压力成形，制成镁合金活塞。该活塞能大幅度提高曲轴和轴瓦的寿命，大幅度减少了振动。
Description
技术领域
本发明涉及一种镁合金发动机活塞及其制备方法。
背景技术
镁合金由于具有较小的密度(是实用结构金属中密度最小的一种)使其在许多场合具有十分显著的优势。特别是在轻量化方面具有难以替代的优势。构件的密度小可以节省能源，在一些高速运动尤其是高速往复运动的场合还具有惯性小的优势。目前，镁合金在上述轻量化、以及高速往复运动的场合中，还没有得到很好地开发利用。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够大幅度减少对曲轴和轴瓦的冲击并能够大幅度减少振动的镁合金发动机活塞。
本发明的另一个目的是提供一种镁合金发动机活塞的制备方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种镁合金发动机活塞，该镁合金发动机活塞的合金的成份含量为：Al 2～10wt％，Si 2～10wt％，其余为Mg和添加元素，所述添加元素为Y、Sr、Ca、C、Be及稀土类金属元素中的一种或几种，其中，添加元素Y的含量为0～8wt％、Sr的含量为0～5wt％、Ca的含量为0～5wt％、C的含量为0～2wt％、Be的含量为0～0.01wt％，所述添加的稀土金属为Ce、Nd、Pr、La、Gd、Dy等纯稀土金属，或是这些稀土金属的混合稀土金属，稀土金属的总含量为0～6wt％。
本发明的镁合金发动机活塞是镁合金应用在汽车、摩托车的轻量化方面，以及高速往复运动的场合中的典型例子。较小的材料密度可大幅减小活塞的惯性力，并大幅度减少对曲轴和轴瓦的冲击，不仅可以大幅度提高曲轴和轴瓦的寿命，更重要的是大幅度减少了振动，提高了车辆的舒适性。
在本发明的镁合金发动机活塞的合金中，所述的Al的最佳含量为6～8wt％，Si的最佳含量为6～8wt％。
在本发明的镁合金发动机活塞的合金中，所述的添加元素Y的最佳含量为1～3％、Sr的最佳含量为1～2％、Ca的最佳含量为1～2％、C的最佳含量为0.1～2％、Be的最佳含量为0.0004～0.001％。
在本发明的镁合金发动机活塞的合金中，所述的稀土金属的最佳总含量为2～4％。
制备上述的镁合金发动机活塞可以采用下述三种的方法：
1、一种镁合金发动机活塞的制备方法，该方法包括下述步骤：
(1)、按照上述的镁合金的成份含量进行备料；
(2)、先将上述的含量的镁锭在坩埚中升温至熔化，温度为700～750℃的条件下，以Al-Si中间合金的方式，加入上述的含量的Al和Si，进行熔炼；
(3)、将温度调整至710～730℃，进行精炼，搅拌熔液10～30min，再将熔液升温至755～765℃，保温静置20～60min，然后分别加入上述的含量的添加元素，制成镁合金熔体；
(4)、将镁合金熔体制成镁合金半固态浆料；
(5)、将镁合金半固态浆料压力成形，制成镁合金活塞。
该方法是通过镁合金熔炼，镁合金半固态浆料的制备，压力成形步骤。其中，镁合金半固态浆料的制备，可采取将镁合金熔体进行机械搅拌或电磁搅拌，同时对熔体温度进行控制，从而形成镁合金半固态浆料。压力成形为压铸、挤压铸造或模锻三种方法。
镁合金半固态浆料的制备可以采取将镁合金熔体在温度控制环境中进行机械搅拌与剪切，生成镁合金半固态浆料，也可采用已知的类似技术来制浆，但其本质基本上都是在温控环境中搅拌、剪切、挤压或上述几种作用同时施加于镁合金熔体，由此得到镁合金半固态浆料。其中，在镁合金半固态浆料的制备中，也可以采取将镁合金熔体进行电磁搅拌，同时对熔体温度进行控制，从而形成镁合金半固态浆料。下面是在温度控制环境中采用机械搅拌方法制备镁合金半固态浆料的一种方法，但是，本发明并不限于此方法。
在本发明的镁合金发动机活塞的制备方法中，在所述的步骤(4)中，所述的将镁合金熔体制成镁合金半固态浆料的过程是：将上述温度为680～720℃的镁合金熔体注入半固态制浆机入口，通过制浆机对镁合金熔体进行机械搅拌，搅拌转速为280～320转/分，对镁合金熔体进行800～1200/秒的剪切变形速率，在镁合金熔体向制浆机出口处运动过程中，使镁合金熔体温度以2.0～6.0℃/秒的速度降温，使镁合金熔体到达制浆机出口时，镁合金熔体温度为560～600℃，成为镁合金半固态浆料。
2、一种镁合金发动机活塞的制备方法，该方法包括下述步骤：
(1)、按照上述的镁合金的成份含量进行备料；
(2)、先将上述的含量的镁锭在坩埚中升温至熔化，温度为700～750℃的条件下，以Al-Si中间合金的方式，加入上述的含量的Al和Si，进行熔炼；
(3)、将温度调整至710～730℃，进行精炼，搅拌熔液10～30min，再将熔液升温至755～765℃，保温静置20～60min，然后分别加入上述的含量的添加元素，制成镁合金熔体；
(4)、将镁合金熔体制成镁合金半固态浆料；
(5)、将镁合金半固态浆料制成镁合金半固态坯料；
(6)、将镁合金半固态坯料经挤压成形、二次加热；或直接经二次加热，再进行压力成形，制成镁合金活塞。
该方法是通过镁合金熔炼，镁合金半固态浆料的制备，镁合金半固态坯料的制备，压力成形等步骤。
关于镁合金半固态坯料的制备可以有三种途径：一是制备出镁合金半固态浆料，然后将此浆料浇注到模具中凝固成镁合金半固态坯料；二是将镁合金半固态浆料进行连铸；三是在电磁搅拌或机械搅拌的作用下采用连续或半连续铸造方法，制备镁合金半固态坯料，即对镁合金熔体进行电磁搅拌或机械搅拌，通过对熔体温度控制和结晶器连续冷却，使其连续凝固成棒状的半固态镁合金坯料。镁合金半固态浆料的制备可采取将镁合金熔体在温度控制环境中进行机械搅拌与剪切，生成镁合金半固态浆料，也可采用已知的类似技术来制浆，但其本质基本上都是在温控环境中搅拌、剪切、挤压或上述几种作用同时施加于镁合金熔体，由此得到镁合金半固态浆料。制备出镁合金半固态浆料后使其在模具中凝固成半固态坯料，其中一种特殊情况是对镁合金半固态浆料进行连续冷却、凝固，也就是对镁合金半固态浆料进行连续铸造，以获得镁合金半固态坯料。所说的模具最好有水冷。下面是第一种途径中的一种方法，但是，本发明并不限于此方法。
在本发明的镁合金发动机活塞的制备方法中，在所述的步骤(4)中，所述的将镁合金熔体制成镁合金半固态坯料的过程是：先将镁合金熔体制成镁合金半固态浆料，再将镁合金半固态坯料制成镁合金半固态浆料，即：将上述温度为680～720℃的镁合金熔体注入半固态制浆机入口，通过制浆机对镁合金熔体进行机械搅拌，搅拌转速为280～320转/分，对镁合金熔体进行800～1200/秒的剪切变形速率，在镁合金熔体向制浆机出口处运动过程中，使镁合金熔体温度以2.0～6.0℃/秒的速度降温，使镁合金熔体到达制浆机出口时，镁合金熔体温度为560～600℃，成为镁合金半固态浆料，然后将此浆料浇注到模具中凝固成镁合金半固态坯料。
制备出镁合金半固态坯料后，将坯料置于中频感应线圈中进行二次加热，当坯料达到半固态状态后，取出坯料并放入压铸机和挤压铸造机的压室或锻压机的模具型腔中，然后将此半固态坯料进行压力成形，制备出活塞。其中压力成形的方法同前述一样，为压铸、挤压铸造或模锻三种方法。
在上述步骤(6)中，镁合金半固态坯料可以直接经二次加热再进行压力成形，也可以经挤压成形、二次加热再进行压力成形。其中，在经挤压成形、二次加热再进行压力成形的方法中，镁合金半固态坯料的制备同前所述，将镁合金半固态坯料置于挤压机中进行挤压变形，通过挤压使坯料中的强化相破碎，使其分布得更加弥散和均匀，从而起到更好的强化效果。按一定重量将挤压成的棒料锯切成坯料，再对坯料进行二次加热，使之形成半固态状态，然后进行压力成形，二次加热与压力成形同前所述。
3、一种镁合金发动机活塞的制备方法，该方法包括下述步骤：
(1)、按照上述的镁合金的成份含量进行备料；
(2)、先将上述的含量的镁锭在坩埚中升温至熔化，温度为700～750℃的条件下，以Al-Si中间合金的方式，加入上述的含量的Al和Si，进行熔炼；
(3)、将温度调整至710～730℃，进行精炼，搅拌熔液10～30min，再将熔液升温至755～765℃，保温静置20～60min，然后分别加入上述的含量的添加元素，制成镁合金熔体；
(4)、将镁合金熔体制成镁合金铸锭；
(5)、将镁合金铸锭经挤压加工、二次加热；或直接经二次加热，再进行压力成形，制成镁合金活塞。
该方法是通过镁合金熔炼，镁合金铸锭的制备，经挤压加工、二次加热；或直接经二次加热，压力成形等步骤。镁合金铸锭的制备是在对熔体温度进行控制条件下采用模铸法，也可采用连铸技术铸造出镁合金铸锭。将镁合金铸锭经挤压加工成一定直径的棒材，将棒材按一定重量锯切成坯料，再进行二次加热，形成半固态后再进行压力成形，二次加热与压力成形的过程与制度同前所述。在上述步骤(5)中，镁合金铸锭按一定重量锯切成坯料后，可以直接经二次加热，再进行压力成形。其中镁合金铸锭的制备同前所述。为了破碎铸锭中的强化相，使之分布更弥散和均匀，可以对合金铸锭进行挤压加工成一定直径的棒材，将棒材按一定重量锯切成坯料，再进行二次加热，形成半固态后再进行压力成形，二次加热与压力成形的过程与制度同前所述。
在所述的步骤(5)中，所述的将镁合金铸锭经挤压加工、二次加热的具体过程是：将镁合金铸锭加工成挤压变形坯料，再将挤压变形坯料加热到300～360℃并保温20～40分钟后，将坯料转移到挤压机的挤压筒中，挤压成铸用棒材，冷却后，将挤压棒材锯切成态压铸坯料；再采用镁合金半固态加工专用二次加热炉将压铸坯料加热到570～585℃，进行保温。
在上述的第1、2、3种镁合金发动机活塞的制备方法中，所述的压力成形为压铸、挤压铸造或模锻三个途径，第一种途径是将镁合金半固态浆料置于压铸机的压室中，通过压头的冲压将镁合金半固态浆料压铸成活塞；第二种途径是将镁合金半固态浆料置于挤压铸造机中，通过挤压铸造成形；第三种途径是将镁合金半固态浆料置于模具中，通过模锻成形制备出活塞。上述三个途径均为常规的方法。
本发明的优点是：
本发明的镁合金发动机活塞的镁合金由于密度小、韧性和强度高、抗蠕变和热疲劳性能好，所以能充分满足发动机对活塞材料的要求。本发明的镁合金发动机活塞可以大幅度减少对曲轴和轴瓦的冲击，大幅度提高曲轴和轴瓦的寿命，更重要的是大幅度减少了振动，提高了车辆的舒适性。
具体实施方式
以下实施例中所用的％均为重量％。
实施例1
按照镁合金发动机活塞的合金的成份含量为：Al 8％，Si 8％，Be 0.0006％和Y 2.5％，余量为Mg，进行备料，其中，Mg采用镁锭，Al和Si采用Al-Si中间合金。
1.镁合金熔炼
将坩埚预热至400～500℃，在坩埚内壁及底部均匀地撒上一层2号熔剂。加入镁锭，升温至熔化，当熔液温度达720～750℃时，按Al 8％，Si 8％，加入Al-Si中间合金。完全熔化后浇注光谱试样，进行炉前分析。如果成分不合格，可加料调整，直至合格。
将温度控制至740～750℃，按熔液重量的0.5％加入C2Cl6进行C变质处理，使熔液中的C含量达到0.02％～0.04％。变质处理结束后将温度调整至710～730℃，进行精炼。搅拌熔液10～30min，使熔液自下而上翻滚，不得飞溅，并不断在熔液的波峰上撒以镁合金精炼熔剂。精炼剂的用量视熔液中氧化夹杂含量的多少而定，一般约为炉料重量的1.5％～2.0％。精炼结束后，将熔液升温至755～765℃，保温静置20～60min。精炼后升温静置的目的是减小熔液的密度和粘度，以加速熔渣的沉析，也使熔渣能有较充分的时间从镁熔液中沉淀下来，不至进入下道工序中。
然后分别加入0.0006％的Be和2.5％的Y。完全熔化后浇注光谱试样，进行炉前分析。如果成分不合格，可加料调整，直至合格。合格后将熔液转入制浆机中。
2.镁合金半固态浆料制备
上述温度为700～710℃的镁合金熔体从半固态制浆机入口进入，利用制浆机对镁合金熔体进行机械搅拌，搅拌转速为300转/分，对熔体产生大约为800～1200/秒的剪切变形速率，并使熔体向制浆机出口处运动；对熔体温度进行控制，使熔体温度以大约3℃/秒的速度降温，使熔体到达制浆机出口时成为半固态浆料。将此半固态浆料转移到冷室压铸机的压射室中。
3.镁合金活塞半固态压铸成形
首先利用模具加热器将模具预热到260～280℃，在模具型腔表面喷涂上镁合金压铸专用涂料，如德国HA公司生产的FTw01涂料，合上模具；将上述镁合金半固态浆料转移到压铸机压射室后，立即压铸，即通过冲头将镁合金半固态浆料压射到模具型腔中，在压力作用下凝固成活塞；冲头压射速度为1.6～1.8米/秒，压射比压为50～70MPa，活塞留模时间为10～12秒。出模后自然冷却到室温，去掉余料柄、集渣包后成为镁合金活塞毛坯。然后利用活塞加工专用机床将毛坯加工到最终尺寸和形状。
到此完成镁合金活塞制造。该镁合金活塞比相同型号的铝合金活塞质量减少18～25％，大幅减小活塞的惯性力和对曲轴、轴瓦的冲击，不仅可以大幅度提高曲轴和轴瓦的寿命，更重要的是大幅度减少了振动，提高了车辆的舒适性。
实施例2
按照镁合金发动机活塞的合金的成份含量为：Al 7.5％，Si 7.5％，Ca 2％和Nd 3％，余量为Mg，进行备料，其中，Mg采用镁锭，Al和Si采用Al-Si中间合金。
1.镁合金熔炼
将坩埚预热至400～500℃，在坩埚内壁及底部均匀地撤上一层2号熔剂。加入镁锭，升温至熔化，当熔液温度达700～720℃时，按Al 7.5％，Si 7.5％，加入Al-Si中间合金。完全熔化后浇注光谱试样，进行炉前分析。如果成分不合格，可加料调整，直至合格。
将温度调整至710～730℃，进行精炼。搅拌熔液10～30min，使熔液自下而上翻滚，不得飞溅，并不断在熔液的波峰上撒以镁合金精炼熔剂。精炼剂的用量视熔液中氧化夹杂含量的多少而定，一般约为炉料重量的1.5％～2.0％。精炼结束后，将熔液升温至755～765℃，保温静置20～60min。精炼后升温静置的目的是减小熔液的密度和粘度，以加速熔渣的沉析，也使熔渣能有较充分的时间从镁熔液中沉淀下来，不至进入下道工序中。
然后分别加入2％的Ca、3％的Nd。完全熔化后浇注光谱试样，进行炉前分析。如果成分不合格，可加料调整，直至合格。合格后将熔液转入半固态坯料制备装置中。
2.镁合金半固态坯料制备
首先将铸模预热到200～300℃，在模具型腔表面喷涂镁合金金属型重力铸造专用涂料，如德国HA公司生产的FTw01涂料。将上述镁合金熔液在保护气体(SO2、C02、SF6或它们与干燥空气的混合气体)保护下，浇注到预热后的铸模中，凝固成镁合金铸锭。
利用车床将铸锭加工成φ120×300的挤压变形坯料。将挤压变形坯料加热到300～360℃并保温30分钟后，将坯料转移到800吨挤压机的挤压筒中，挤压成φ40的半固态压铸用棒材。冷却后，将挤压棒材锯切成φ40×60的半固态压铸坯料。
3.镁合金活塞半固态压铸成形
采用镁合金半固态加工专用二次加热炉将上述φ40×60的半固态压铸坯料加热到570～585℃，保温1～3分钟，使坯料组织达到固-液混成状态并产生触变性。将此坯料转移到压铸机压射室中，随后立即压铸，即通过冲头将镁合金半固态浆料压射到模具型腔中，在压力作用下凝固成活塞；冲头压射速度为1.6～1.8米/秒，压射比压为50～70MPa，活塞留模时间为10～12秒。出模后自然冷却到室温，去掉余料柄、集渣包后成为镁合金活塞毛坯。然后利用活塞加工专用机床将毛坯加工到最终尺寸和形状。
到此完成镁合金活塞制造。该镁合金活塞比相同型号的铝合金活塞质量减少23～27％。
本发明的镁合金发动机活塞中的镁合金在280℃条件下，镁合金的屈服强度σ0.2≥200MPa，冲击韧性α≥12焦耳。
Claims (10)
1、一种镁合金发动机活塞，其特征在于：该发动机活塞的镁合金的成份含量为：Al 2～10wt％，Si 2～10wt％，其余为Mg和添加元素，所述添加元素为Y、Sr、Ca、C、Be及稀土类金属元素中的一种或几种，其中，添加元素Y的含量为0～8wt％、Sr的含量为0～5wt％、Ca的含量为0～5wt％、C的含量为0～2wt％、Be的含量为0～0.01wt％，所述添加的稀土金属为Ce、Nd、Pr、La、Gd、Dy稀土金属，或是这些稀土金属的混合稀土金属，稀土金属的总含量为0～6wt％。
2、根据权利要求1所述的镁合金发动机活塞，其特征在于：所述的Al的含量为6～8wt％，Si的含量为6～8wt％。
3、根据权利要求1或2所述的镁合金发动机活塞，其特征在于：所述的添加元素Y的含量为1～3％、Sr的含量为1～2％、Ca的含量为1～2％、C的含量为0.1～2％、Be的含量为0.0004～0.001％。
4、根据权利要求3所述的镁合金发动机活塞，其特征在于：所述的稀土金属的总含量为2～4％。
5、一种权利要求1所述的镁合金发动机活塞的制备方法，其特征在于：该方法包括下述步骤：
(1)、按照上述的镁合金的成份含量进行备料；
(2)、先将上述的含量的镁锭在坩埚中升温至熔化，温度为700～750℃的条件下，以Al-Si中间合金的方式，加入上述的含量的Al和Si，进行熔炼；
(3)、将温度调整至710～730℃，进行精炼，搅拌熔液10～30min，再将熔液升温至755～765℃，保温静置20～60min，然后分别加入上述的含量的添加元素，制成镁合金熔体；
(4)、将镁合金熔体制成镁合金半固态浆料；
(5)、将镁合金半固态浆料压力成形，制成镁合金活塞。
6、一种权利要求1所述的镁合金发动机活塞的制备方法，其特征在于：该方法包括下述步骤：
(1)、按照上述的镁合金的成份含量进行备料；
(2)、先将上述的含量的镁锭在坩埚中升温至熔化，温度为700～750℃的条件下，以Al-Si中间合金的方式，加入上述的含量的Al和Si，进行熔炼；
(3)、将温度调整至710～730℃，进行精炼，搅拌熔液10～30min，再将熔液升温至755～765℃，保温静置20～60min，然后分别加入上述的含量的添加元素，制成镁合金熔体；
(4)、将镁合金熔体制成镁合金半固态浆料；
(5)、将镁合金半固态浆料制成镁合金半固态坯料；
(6)、将镁合金半固态坯料经挤压成形、二次加热；或直接经二次加热，再进行压力成形，制成镁合金活塞。
7、一种权利要求1所述的镁合金发动机活塞的制备方法，其特征在于：该方法包括下述步骤：
(1)、按照上述的镁合金的成份含量进行备料；
(2)、先将上述的含量的镁锭在坩埚中升温至熔化，温度为700～750℃的条件下，以Al-Si中间合金的方式，加入上述的含量的Al和Si，进行熔炼；
(3)、将温度调整至710～730℃，进行精炼，搅拌熔液10～30min，再将熔液升温至755～765℃，保温静置20～60min，然后分别加入上述的含量的添加元素，制成镁合金熔体；
(4)、将镁合金熔体制成镁合金铸锭；
(5)、将镁合金铸锭经挤压加工、二次加热；或直接经二次加热，再进行压力成形，制成镁合金活塞。
8、根据权利要求5或6所述的制备镁合金发动机活塞的制备方法，其特征在于：所述的步骤(4)中，所述的将镁合金熔体制成镁合金半固态浆料的过程是：将上述温度为680～720℃的镁合金熔体注入半固态制浆机入口，通过制浆机对镁合金熔体进行机械搅拌，搅拌转速为280～320转/分，对镁合金熔体进行800～1200/秒的剪切变形速率，在镁合金熔体向制浆机出口处运动过程中，使镁合金熔体温度以2.0～6.0℃/秒的速度降温，使镁合金熔体到达制浆机出口时，镁合金熔体温度为560～600℃，成为镁合金半固态浆料。
9、根据权利要求7所述的制备镁合金发动机活塞的制备方法，其特征在于：所述的步骤(5)中，所述的将镁合金铸锭经挤压加工、二次加热的过程是：将镁合金铸锭加工成挤压变形坯料，再将挤压变形坯料加热到300～360℃并保温20～40分钟后，将坯料转移到挤压机的挤压筒中，挤压成铸用棒材，冷却后，将挤压棒材锯切成态压铸坯料；再采用镁合金半固态加工专用二次加热炉将压铸坯料加热到570～585℃，进行保温。
10、根据权利要求5、或6、或7所述的镁合金发动机活塞的制备方法，其特征在于：所述的压力成形为压铸、挤压铸造或模锻。
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