钢活塞及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及金属材料技术领域，尤其涉及一种钢活塞及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 活塞作为内燃机的心脏零件，影响着内燃机的整体性能。近年来，由于内燃机强化 程度不断提高和排放要求的日益严格，尤其大功率、高转速、高燃爆压力、高升功率等强化 指标成为内燃机发展的趋势，因此为了适应强化程度不断提高和排放要求日益严格的内燃 机，活塞需要具有良好的耐高温性能与力学性能。
[0003] 传统铝合金活塞越来越难以满足使用要求，特别是当内燃机燃爆压力超过20MPa 时，铝活塞已经不能满足内燃机的可靠性要求，因此开发新材料活塞非常重要。目前主要采 用钢材料，由于钢材料具有高的热力学性能、优良的抗磨性能以及良好的加工工艺性，成为 进一步提高活塞性能的首选材料。另外大多数柴油发动机的缸套使用的是铸铁材料，铝合 金活塞的"膨胀量"会大于它周围的缸套，从而带来很大的摩擦力，而钢质活塞的另一大优 点是其热膨胀系数小，在铸铁缸套和钢质活塞之间则不存在上述问题，因此钢活塞材料的 开发成为了当前活塞发展的最新方向。并且钢活塞采用铸造或锻造成型存在各种各样无法 克服的缺陷，例如：铸造成型的钢活塞合格率低、金相组织不均匀、力学性能不一致，且存在 大量气孔、疏松、夹渣、冷隔、浇不足等铸造缺陷；锻造成型的钢活塞过热、过烧、裂纹、脱碳 和增碳等，且锻模结构需简单厚实，对于薄壁、内腔复杂的钢活塞难以成型，因此我国还不 能批量生产锻钢活塞。
[0004] GB/T 3077中公布的钢号为42CrMoA的合金结构钢是目前活塞行业中最常用的钢 材料，该材料包括：0? 38wt % ~0? 45 % wt % 的 C，0? 17wt % ~0? 37wt % 的 Si，0? 50wt % ~ 0? 80wt% 的 Mn，0? 90wt% ~1. 20wt% 的 Cr，0? 15wt% ~0? 25wt% 的 Mo,余量的 Fe。42CrMoA 的常温抗拉强度值可达到1080MPa以上，硬度大于217HBS ;调质后有较高的疲劳强度和抗 多次冲击能力，低温冲击韧度良好，无明显的回火脆性。上述合金材料作为活塞材料耐高温 性能与力学性能还是稍差。
【发明内容】
[0005] 本发明解决的技术问题在于提供一种高温性能与力学性能较好的钢活塞及其制 备方法。
[0006] 有鉴于此，本申请提供了一种钢活塞，包括：
[0007]
[0008] 优选的，所述TiC的含量为0? 40wt %~0? 42wt %。
[0009] 优选的，所述Mo的含量为0.012wt%~0.016wt%。
[0010] 优选的，所述Ni的含量为O.Olwt%~0.015wt%。
[0011] 本身清华提供了一种钢活塞的制备方法，包括以下步骤：
[0012] 将 0? 38wt % ~0? 45wt % 的 TiC、0? 17wt % ~0? 25wt % 的 Si、0? 50wt % ~0? 80wt % 的 Mn、0. 9wt%~1. 2wt% 的 Cr、0.0 lwt%~0? 02wt% 的 Mo、< 0? 02wt% 的 Ni 与余量的 Fe 混合后进行球磨；
[0013] 将球磨后的物料进行压制，得到活塞毛坯；
[0014] 将所述活塞毛坯进行烧结，再进行淬火；
[0015] 将淬火后的活塞毛坯进行固溶处理后再进行时效处理，得到钢活塞。
[0016] 优选的，所述压制之前还包括：
[0017] 将球磨后的物料依次进行清洗、沉淀和蒸汽干燥，然后掺胶后震动干燥。
[0018] 优选的，所述烧结具体为：
[0019] 将所述活塞毛坯置于真空烧结炉中，以（3~5) °C /min的速率升温至1300°C~ 1420°C，烧结 3h ~5h。
[0020] 优选的，所述淬火具体为：
[0021] 将烧结后的活塞毛坯以（5~8) °C /min的速率降温至800°C~900°C，保温2h~ 4h后进行油冷。
[0022] 优选的，所述固溶处理的方式为室温放置3h~4h ;所述时效处理的温度为 500°C~560°C，时间为 2h ~3h。
[0023] 优选的，所述球磨的球料比为（2~3):1。
[0024] 本申请提供了一种钢活塞及其制备方法。本申请提供的钢活塞包括：0. 38wt%~ 0? 45wt % 的 TiC、0. 17wt % ~0? 25wt % 的 Si、0. 50wt % ~0? 80wt % 的 Mn、0. 9wt % ~ 1. 2wt%的Cr、0.0 lwt%~0? 02wt%的Mo、< 0? 02wt%的Ni与余量的Fe，本申请钢活塞中 添加的TiC作为硬质强化相，能够显著提高材料的再结晶温度，提高材料的耐高温、耐腐蚀 性能；Si、Mn、Cr、Mo、Ni等合金元素具有固溶强化作用，另外，Cr、Ni还能提高材料的抗氧 化和耐腐蚀性能；因此，本申请通过优化添加元素与合金元素的配比，得到了耐高温性能与 力学性能较好的钢活塞。
[0025] 本申请采用粉末冶金工艺制备了钢活塞，可有效避免铸造偏析和晶粒较粗大的金 相组织，有利于得到一种金相组织致密、力学性能稳定的钢活塞。
【具体实施方式】
[0026] 为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是 应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的 限制。
[0027] 本发明实施例公开了一种钢活塞，包括：
[0028]
[0029]
[0030] 本申请的目的是提高材料的高温性能，使材料用作高强化性能指标的内燃机活塞 时能够承受其严酷的服役条件而不发生失效，由此本申请通过优选合金元素Si、C、Mn和Ni 的配比，并添加TiC、Cr、Mn等多种组分，使其进行合金化，得到了一种耐高温性能与力学性 能较好的钢活塞。
[0031] 本申请中TiC作为金属间化合物相，具有高硬度、高耐磨、耐腐蚀、热稳定性 好的特点，其对提高材料的高温力学性能具有显著效果。本申请中所述TiC的含量为 0? 38wt%~0? 45wt%，在一些实施例中，所述TiC的含量优选为0? 40wt%~0? 42wt%。所 述TiC的含量过少，则强化效果不明显，若含量过多，则影响材料的压缩性与成形性。
[0032] 按照本发明，添加的其他金属元素Si、Mn、Cr、Mo与Ni具有固溶强化的作用，如经 过固溶和时效处理，含量较多的Si、Mn和Cr还能起到时效强化的作用。本申请中Si的含 量为0? 17wt %~0? 25wt %，在一些实施例中，Si的含量优选为0? 20wt %~0? 23wt % ;Mn的 含量为〇. 50wt %~0. 80wt %，在一些实施例中，Mn的含量优选为0. 55wt %~0. 70wt % ;Cr 的含量为〇. 9wt %~1. 2wt %，在一些实施例中，Cr的含量优选为1. Owt %~1. lwt % ;Mo的 含量为0? Olwt%~0? 02wt%，在一些实施例中，Mo的含量优选为0? 012wt%~0? 016wt% ; Ni的含量< 0. 02wt%，在一些实施例中，所述Ni的含量为0.0 lwt%~0. 015wt%。上述元 素的含量过少，则强化作用不明显，若含量过多，则会形成各种脆性化合物相，严重降低材 料的综合力学性能。
[0033] 本申请还提供了上述钢活塞的制备方法，包括以下步骤：
[0034]将 0? 38wt % ~0? 45wt % 的 TiC、0? 17wt % ~0? 25wt % 的 Si、0? 50wt % ~0? 80wt % 的 Mn、0. 9wt%~1. 2wt% 的 Cr、0.0 lwt%~0? 02wt% 的 Mo、< 0? 02wt% 的 Ni 与余量的 Fe 混合后进行球磨；
[0035] 将球磨后的物料进行压制，得到活塞毛坯；
[0036] 将所述活塞毛坯进行烧结，再进行淬火；
[0037] 将淬火后的活塞毛坯进行固溶处理后再进行时效处理，得到钢活塞。
[0038] 本申请采用粉末冶金的方法制备的钢活塞具有金相组织致密、力学性能稳定的特 点。
[0039] 按照本发明，首先将上述各种组分进行混合，然后进行球磨，得到混合均匀的物 料。在上述过程中，所述球磨的球料比优选为2:1，球磨过程中的润滑剂优选为酒精，所述酒 精的加入量为上述组分总和的0. 05~0. lwt %。所述球磨为本领域技术人员熟知的技术手 段，本申请不作特别的限制。本申请所述球磨能够使粉末原料混合均勾，还能调节粉末松装 密度，活化原料粉末。
[0040] 本申请然后将混合后的物料进行压制，得到活塞毛坯。在压制之前，为了保证合金 体系成分的稳定性，本申请优选将混合后的物料依次进行清洗、沉淀和蒸汽干燥，再进行掺 胶和震动干燥。上述清洗能够最大限度的减少粉末原料球磨后的损失，确保合金体系的成 分稳定。所述掺胶和震动干燥为制粒作准备，而制粒则是为了确保粒料的流动性，为压制时 的自动装料作准备。上述过程中，掺胶的胶量为钢活塞组分总量的0. 〇5wt%~0. 10wt%。
[0041] 按照本发明，然后将活塞毛坯进行烧结，将烧结后的活塞毛坯进行淬火。本申请所 述烧结的过程具体为：
[0042] 将所述活塞毛坯置于真空烧结炉中，以（3~5) °C /min的速率升温至1300°C~ 1420°C，烧结 3h ~5h。
[0043] 本申请采用烧结升温速率较慢与烧结温度较高的烧结方式，其中烧结升温速率较 慢可使活塞毛坯受热均匀，使掺进的胶在烧结前以较慢的速率分解并排出，以使掺胶不影 响钢活塞的性能；较高的烧结温度且保温时间较长有利于活塞毛坯充分烧结，确保钢活塞 的致密度，提高钢活塞的力学性能。
[0044] 在烧结之后，本申请则将烧结后的活塞毛坯进行淬火，所述淬火的具体方式为：
[0045]将烧结后的活塞毛坯以（5~8)°C/min的速率降温至800°C~900°C，保温2~ 4h后进行油冷。
[0046] 本申请采用分段式的降温淬火方式，可以有效降低热应力，还可有效避免工件热 处理过程中的变形和开裂。
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