一种活塞燃烧室二次浇注增强材料及制造方法与流程

本发明属于活塞制造领域，具体涉及一种活塞燃烧室二次浇注增强材料及制造方法。

技术背景

目前随排放要求越来越严格，商用车发动机都在向大功率、高负荷方向发展，强化程度不断提高。对活塞性能，尤其是活塞燃烧室部位的疲劳强度提出更高的要求。为应对此要求部分发动机活塞采用锻钢材料，但是该材料比重大难于加工，制约了其推广应用。有些发动机活塞的头部增加陶瓷复合材料以提高活塞喉口的热疲劳性能，但采用陶瓷复合材料成本较高，质量难于控制，不适合大批量推广应用。因此活塞燃烧室喉口重熔技术应运而生，现有喉口常见的重熔技术有TIG、ATIG以及激光焊，此种技术是在基体合金的基础上，对基体合金进行熔化后再结晶强化。但由于基体合金受铸造成型方式限制，其冷却速度较低，导致合金相较大，因此限制了耐热相如镍、铜、铁的含量，重熔后合金的耐热能力较低无法满足高强化发动机的需求。近期发展了一种重熔技术，它是采用填丝、喷粉合金化强化喉口及底部的技术，此种技术活塞喉口及底部采用熔融的金属粉或焊丝熔入到重熔后的铝液中，但此种方式工艺复杂，填丝或喷粉扰乱了保护气，强化区域易于产生气孔。而如果采用涂粉的方式，也会带来气孔问题，同时涂粉工艺过于复杂，不利于批量生产。

综上所述，现有技术中对于活塞燃烧室部位的抗热疲劳性能较差的问题，尚缺乏有效的解决方案。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种铝活塞燃烧室二次浇注增强材料，由以下组分组成：镍3-40％，铜4-25％，铁0.4-20％，硅5-15％，镁0-0.8％，钛0.05-5％，硼0.0002-2.5％，锰0-0.5％，锆0-0.2％，钒0.1-0.2％，钪0-0.5％，余量为铝和不可避免的杂质，其中的％为质量百分数。

该增强材料是在正常浇注铝活塞材料的基础上进行的燃烧室二次浇注材料，材料中含有较高的镍、铜、铁等成分，通过二次浇注，将高含量的耐热金属元素合金浇入到活塞燃烧室区域，形成在燃烧室区域耐热金属元素的富集，并向活塞其他部位形成过渡层，过渡层的成分是渐变的，因此过渡层金相较为细小，强度与基体区相差不大，能满足活塞对性能的需求。燃烧室区域耐热金属元素的富集，通过采用20-500KHz高频焊重熔再结晶方式使燃烧室部位粗大的铜、镍、铁等合金相充分细化，耐热金属合金相细小而充分弥散，从而使燃烧室区域铝合金的耐热性能成倍提升。

进一步的，所述增强材料，由以下组分组成：镍3.5-35％，铜4-25％，铁0.4-20％，硅5-15％，，钛0.05-5％，硼0.0002-2.5％，锰0-0.5％，锆0-0.2％，钒0.1-0.2％，钪0-0.5％，余量为铝和不可避免的杂质，其中的％为质量百分数。

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了上述增强材料在二次浇注铝活塞燃烧室中的应用。

当采用该增强材料在浇注正常铝活塞材料的基础上，进行二次浇注，可以显著提高铝活塞燃烧室的耐热性能。而燃烧室部位以外的区域，由于是常规组分的铝合金，所以保证了铝活塞的铸造性能和低温性能，能较好地满足活塞的使用要求。

针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明还提供了利用上述增强材料制造铝活塞的方法，包括如下步骤：

1)自模具的浇口位置浇入设定质量正常成分的铝液；

2)自模具的冒口中浇入设定质量的上述增强材料，增强材料的温度为790-1050℃，制得铝活塞毛坯；

3)活塞毛坯经热处理、机加工、清洗预热后，转至高频焊重熔工序；

4)将活塞毛坯放置在高频焊重熔工装上，将高频焊感应线圈放置于活塞毛坯的燃烧室部位，将高频焊的频率设定为20-500KHz，功率控制在20-200KW，在2min以内完成活塞喉口部位的重熔。

首次浇注时采用正常成分的铝液浇注铝活塞的本体，保证了铝活塞的铸造性能和铝活塞的成型。二次浇注采用上述增强材料，且增强材料的温度较高，所以浇注后会在铝活塞的燃烧室的成分自外向内得到耐热金属元素富集区、成分过渡区以及正常材料成分区。活塞燃烧室喉口区域经高频焊重熔再结晶方式使燃烧室部位粗大的铜。镍、铁等合金相充分细化。采用高频焊重熔再结晶工艺简单，克服了填丝焊、MIG易于产生气孔的缺点。

二次浇注铝液温度控制范围在790-1050℃，温度控制按不同成分进行调整，镍铜铁等元素含量低时取下限，控制在800℃左右。镍铜铁等元素含量高时取上限，控制在1000℃左右。

进一步的，将所述增强材料放置于感应搅拌保温炉中。

感应搅拌保温炉可以对铝液起到较好的搅拌作用，并具有良好的保温效果。

进一步的，增强材料的质量与正常成分铝液的质量比例为1:8-1:20。

当增强材料与正常成分铝液的质量比在该范围内时，浇注得到的铝活塞具有更佳的耐热性能。

进一步的，步骤2)中，将漏斗放置在冒口中，将增强材料引流至铝活塞的燃烧室。

针对上述现有技术中存在的问题，本发明还提供了利用上述方法制造的铝活塞，所述铝活塞的燃烧室由外到内依次为耐热金属元素富集区、成分过渡区和正常材料成分区。

进一步的，步骤4)中，所述高频焊感应线圈与燃烧室之间的距离小于或等于5mm，使活塞喉口部位的熔融细化层深度为2-5mm。

本发明还提供了上述铝活塞在大功率、高负荷发动机中的应用。

由于该铝活塞的燃烧室具有良好的抗热疲劳性能，所以应用在发动机中时，使发动机可以具有大功率和高负荷，提高了发动机的性能。

本发明的有益效果为：

通过二次浇注将高含量耐热金属元素合金浇入到活塞燃烧室区域，形成在燃烧室区域耐热金属元素的富集，并向活塞其他部位形成过渡层，过渡层的成分是渐变的，因此过渡层金相较为细小，强度与基体区相差不大，能满足活塞对性能的需求。而燃烧室区域由于耐热金属元素的富集，金相粗大，因此我们在后续加工中采用高频焊重熔方式对其进行了充分的细化，耐热金属元素在燃烧室区域充分弥散，从而使燃烧室区域铝合金的耐热性能成倍的提升，试验数据可以看出，在爆压21-24MPa对应的条件下，燃烧室喉口寿命可提高4-7倍，活塞寿命得到相应的提高，从而解决了目前发动机国五、国六以后对活塞性能更加苛刻的要求，为环境的改善创造良好的基础。同时，发动机燃油耗、机油耗的降低，将为整个社会节约大量能源。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为浇注正常成分铝液时的结构示意图；

图2为浇注二次浇注材料时的结构示意图；

图3为浇注得到的铝活塞毛坯的结构示意图；

图4为高频焊感应线圈与活塞燃烧室的安装位置示意图；

图5为铝活塞燃烧室成分分布示意图。

其中，1、浇勺，2、顶模，3、外模，4、小浇勺，5、漏斗，6、铝活塞毛坯，7、高频焊感应线圈，8、粗车活塞，9、重熔区，10、耐热金属元素富集区，11、成分过渡区，12、正常材料成分区，13、活塞成品。

具体的实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

术语解释部分：

增强材料，本文中的材料应用在进行首次铝活塞浇注后的二次浇注过程中，需要与首次浇注的铝液配合浇注，可以增强铝活塞燃烧室的耐热性能，所以在本文中命名为增强材料。

首次浇注过程中使用的正常成分铝液，可以为现有的任意可以用于浇注铝活塞的铝液，但是为了保证浇注的铝活塞的铸造性能和常温性能，该正常成分的铝液中镍、铜、铁等耐热金属元素的含量应该小。

耐热金属元素富集区，由于该区域是由本文中的二次浇注材料浇注而成，所以该区域的镍、铁、铜等耐热金属元素的含量相对较高，进而使得该区域具有较好的耐热性能，将其命名为耐热金属元素富集区。

成分过渡区，该区域是在二次浇注过程中，高温的二次浇注材料与首次浇注得到的材料之间发生扩散得到的区域，该区域的镍、铁、铜等元素的含量小于耐热金属元素富集区，大于正常成分区，所以命名为成分过渡区。

正常成分区，顾名思义，是由正常成分铝液浇注得到的部位。

如图1所示，铝活塞模具包括顶模2和外模3。

实施例1

利用增强材料制造铝活塞的方法，包括如下步骤：

步骤1：铸造过程中，在原有保温炉的基础上，增加一台感应搅拌保温炉，用于二次浇注使用，增强材料的成分是含有3％的镍、4％的铜、0.6％的铁、7％的硅、0.05％的钛，0.0002％的硼，0.05％的锰，0.04％的锆，0.1％的钒，除杂质元素外，余量为铝。铝液温度控制范围在790-810℃。

步骤2：用浇勺1舀取并用电子天平称量正常成分的铝液，再按常规方式自浇口中浇入铝液，如图1所示。

步骤3：自感应搅拌保温炉中用小浇勺4舀取高合金含量的铝液，用金属漏斗5自冒口中浇入，通过漏斗5将该增强材料导流至铝活塞的燃烧室进行二次浇注，如图2所示。浇注得到的铝活塞毛坯6的结构示意图如图3所示。

步骤4：铝活塞毛坯6经热处理、机加工、清洗预热，转至高频焊重熔工序。

步骤5：将粗车活塞8放置到高频焊重熔工装上，活塞随工装移动，高频焊感应线圈7进入到活塞燃烧室部位，线圈与活塞燃烧室距离5mm，接通高频焊接电源，频率设定20KHz，功率控制在200KW，0.8分钟完成重熔，如图4所示。

步骤6：活塞加工成活塞成品13，活塞燃烧室区域成分自外向内呈现耐热金属元素富集区10、成分过渡区11及正常材料成分区12，活塞燃烧室喉口重熔区9经重熔得到充分细化增强，如图5所示。

实施例2

利用增强材料制造铝活塞的方法，包括如下步骤：

步骤1：铸造过程中，在原有保温炉的基础上，增加一台感应搅拌保温炉，用于二次浇注使用，增强材料含有7％的镍、5％的铜、0.8％的铁、5％的硅、0.1％的镁、0.06％的钛，0.0003％的硼，0.1％的锰，0.06％的锆，0.11％的钒，0.01％的钪，除杂质元素外余量为铝。铝液温度控制范围在810-830℃。

步骤2：用浇勺1舀取并用电子天平称量正常成分的铝液，再按常规方式自浇口中浇入铝液，如图1所示。

步骤3：自感应搅拌保温炉中用小浇勺4舀取高合金含量的铝液，用金属漏斗5自冒口中浇入，通过漏斗5将该增强材料导流至铝活塞的燃烧室进行二次浇注，如图2所示。浇注得到的铝活塞毛坯6的结构示意图如图3所示。

步骤4：铝活塞毛坯6经热处理、机加工、清洗预热，转至高频焊重熔工序。

步骤5：将粗车活塞8放置到高频焊重熔工装上，活塞随工装移动，高频焊感应线圈7进入到活塞燃烧室部位，线圈与活塞燃烧室距离4.5mm，接通高频焊接电源，频率设定60KHz，功率控制在150KW，1.2分钟完成重熔，如图4所示。

步骤6：活塞加工成活塞成品13，活塞燃烧室区域成分自外向内呈现耐热金属元素富集区10、成分过渡区11及正常材料成分区12，活塞燃烧室喉口重熔区9经重熔得到充分细化增强，如图5所示。

实施例3

利用增强材料制造铝活塞的方法，包括如下步骤：

步骤1：铸造过程中，在原有保温炉的基础上，增加一台感应搅拌保温炉，用于二次浇注使用，增强材料含有20％的镍、6％的铜、4.2的铁、10％的硅、0.3％的镁、0.2％的钛，0.05％的硼，0.2％的锰，0.1％的锆，0.12％的钒，除杂质元素外余量为铝。铝液温度控制范围在850-880℃。

步骤2到步骤4如实施例1。

步骤5：将粗车活塞8放置到高频焊重熔工装上，活塞随工装移动，高频焊感应线圈7进入到活塞燃烧室部位，线圈与活塞燃烧室距离4.0mm，接通高频焊接电源，频率设定120KHz，功率控制在120KW，1.4分钟完成重熔，如图4所示。

步骤6如实施例1。

实施例4

利用增强材料制造铝活塞的方法，包括如下步骤：

步骤1：铸造过程中，在原有保温炉的基础上，增加一台感应搅拌保温炉，用于二次浇注使用，增强材料含有30％的镍、6％的铜、5.4％的铁、5.2％的硅、0.7％的镁、1％的钛，0.4％的硼，0.4％的锰，0.15％的锆，0.15％的钒，0.3％的钪，除杂质元素外余量为铝。铝液温度控制范围在880-910℃。

步骤2到步骤4如实施例1。

步骤5：将粗车活塞8放置到高频焊重熔工装上，活塞随工装移动，高频焊感应线圈7进入到活塞燃烧室部位，线圈与活塞燃烧室距离3.2mm，接通高频焊接电源，频率设定340KHz，功率控制在100KW，1.5分钟完成重熔，如图4所示。

步骤6如实施例1。

实施例5

利用增强材料制造铝活塞的方法，包括如下步骤：

步骤1：铸造过程中，在原有保温炉的基础上，增加一台感应搅拌保温炉，用于二次浇注使用，增强材料含有5％的镍、10％的铜、10％的铁、12％的硅、0.4％的镁、3％的钛，1％的硼，0.5％的锰，0.18％的锆，0.18％的钒，0.5％的钪，除杂质元素外余量为铝。铝液温度控制范围在850-880℃。

步骤2到步骤4如实施例1。

步骤5：将粗车活塞8放置到高频焊重熔工装上，活塞随工装移动，高频焊感应线圈7进入到活塞燃烧室部位，线圈与活塞燃烧室距离2.7mm，接通高频焊接电源，频率设定390KHz，功率控制在80KW，1.7分钟完成重熔，如图4所示。

步骤6如实施例1。

实施例6

利用增强材料制造铝活塞的方法，包括如下步骤：

步骤1：铸造过程中，在原有保温炉的基础上，增加一台感应搅拌保温炉，用于二次浇注使用，二次浇注材料含有35％的镍、5％的铜、1.2的铁、5％的硅、0.2％的镁、0.1％的钛，0.02％的硼，0.1％的锰，0.01％的锆，0.2％的钒，除杂质元素外余量为铝。铝液温度控制范围在980-1010℃。

步骤2到步骤4如实施例1。

步骤5：将粗车活塞8放置到高频焊重熔工装上，活塞随工装移动，高频焊感应线圈7进入到活塞燃烧室部位，线圈与活塞燃烧室距离2.4mm，接通高频焊接电源，频率设定430KHz，功率控制在60KW，1.8分钟完成重熔，如图4所示。

步骤6如实施例1。

实施例7

利用增强材料制造铝活塞的方法，包括如下步骤：

步骤1：铸造过程中，在原有保温炉的基础上，增加一台感应搅拌保温炉，用于二次浇注使用，二次浇注材料含有7％的镍、8％的铜、20％的铁、15％的硅、0.6％的镁、1％的钛，0.02％的硼，0.2％的锰，0.11％的锆，0.11％的钒，除杂质元素外余量为铝。铝液温度控制范围在930-960℃。

步骤2到步骤4如实施例1。

步骤5：将粗车活塞8放置到高频焊重熔工装上，活塞随工装移动，高频焊感应线圈7进入到活塞燃烧室部位，线圈与活塞燃烧室距离2.0mm，接通高频焊接电源，频率设定500KHz，功率控制在30KW，1.9分钟完成重熔，如图4所示。

步骤6如实施例1。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。