一种Al/Si-Mg₂Si复合材料的活塞及制备方法

专利名称：一种Al/Si-Mg₂Si复合材料的活塞及制备方法
技术领域：
本发明涉及一种用于发动机的活塞，特别涉及一种Al/Si-Mg2Si复合材料 的活塞及制备方法。
背景技术：
活塞是发动机的"心脏"，承受交变的机械负荷和热负荷，是发动机中工 作条件最恶劣的关^^定零部件之一。活塞分为头部、裙部和活塞销座三个部分。 头部包括活塞顶端和环槽部分。通常活塞顶端采用平顶或接近平顶，以利于活 塞减少与高温气体的接触面积，使应力分布均匀。活塞的凹槽称为环槽，用于 安装活塞环。活塞裙部是指活塞的下部分，它的作用是尽量保持活塞在往复运 动中垂直的姿态，也就是活塞的导向部分。
活塞工作在高温、高压、高速、润滑不良的条件下，活塞顶部的工作时温 度高达600 700K，且温度分布很不均匀；活塞顶部承受气体压力很大，特别是 作功行程压力最大，汽油机高达3-5MPa，使得活塞产生冲击，并承受侧压力的 作用；活塞在气缸内以很高的速度(8 12m/s)往复运动，且速度在不断地变化， 会产生变形并加速磨损，还会产生附加载荷和热应力，同时受到燃气的化学腐 蚀作用。因此，活塞的机械性能和热性能对发动机工作效率、使用寿命以及工 作状态有重要的影响。随着大功率、高性能发动机的发展，以及节能、环保意 识的进一步提高，对活塞在强度、耐磨性、高精度、低膨胀和重量轻等方面有 了较高的要求。为此，需要多种合金化、复合化的新型活塞满足大功率、高性 能发动机性能的要求，同时，新材料技术的不断发展，也为新型活塞材料及其 制造方法提供了更多的选择。
目前，已经出现或正在使用的活塞材料与制备方法有l.金属型铸造共晶 或过共晶A1-Si合金活塞。这种活塞的优点是制造工艺成熟，成本低。不足之 处硬度与销座部分强度不够(室温强度低于330MPa,高温强度低于65MPa)，在使用过 程中容易被磨损和产生热疲劳裂紋，不能适用于大功率发动机的制备；2.顶部 镶铸钢质耐磨块的共晶Al-Si合金活塞。为了提高共晶Al-Si合金活塞的耐磨 性，可以在活塞与燃烧室接触的顶部与环槽部镶铸铸铁或钢质耐磨块。通过镶 铸耐磨块，可以在一定程度上提高活塞的耐磨性，但这一方法工艺复杂，并且， 在与气缸套反复的磨损过程中，耐磨镶块容易脱落。3.外加SiC或人1203颗粒增 强Al基梯度复合材料活塞；3. 1. SiC/Ah03颗粒预制件与活塞基体的挤压铸造浸 渗复合法、SiC/Al203颗粒与活塞铝合金基体的镶铸复合法制备的活塞。这两种 方法都是釆用SiC/Al203颗粒增强活塞顶部来提高其工作面的高温性能，达到提 高活塞的使用寿命、增大发动机功率的目的。由于两种制备方法都需要颗粒预 处理、制坯、铸造等三个主要工序，其生产工艺复杂，制造成本高，并且不能 通过热处理改善其切削加工性能，后续枳a成加工困难，加工成本高； 3. 2. SiC/Al203颗粒增强Al复合材料离心铸造制备活塞。这一方法采用离心铸造 工艺，利用增强颗粒与Al液的密度差使SiC/Al203颗粒偏聚在活塞顶部。这种方 法制造的活塞耐磨性好，硬度高。但这种方法对颗粒的预处理要求非常严格， 制料过程复杂，并且不能通过热处理改善其切削加工性能，后续机械加工困难， 力口工成本高。

发明内容
本发明的目的是提供一种Al/Si，Mg2Si复合材料活塞及其制造方法。本发明 所述活塞的顶部与环槽部为Al-Si-Mg合金在凝固过程中自生的初晶Si与Mg2Si 的增强颗粒，使其具有高硬度、高耐磨性、和低热膨胀系数，使活塞裙部与销 座部为共晶或亚共晶Al-Si合金，使其仍然具有良好的机械强度，能够满足大 功率发动机对活塞性能的要求，还能够根据机械加工和性能的要求进行热处理， 有后续加工方便，寿命长的优点。本发明所述活塞质量轻，可以多次回收利用， 成本低，符合节能环保的要求，制造工艺简单。
本发明的技术方案是活塞顶部与环槽部为在合金凝固过程中自生析出初 晶Si与Mg2Si材料的增强颗粒区域，所述增强区的增强颗粒从与燃烧室接触的顶部到环槽部呈现由高到低的递减；从活塞裙部到销座部为的基体为共晶或亚 共晶A卜Si合金的无增强颗粒区域。
制备A1/Si -Mg2Si复合材料活塞的方法，有以下步骤
1) 取铝合金、镁合金为原料，配制成Al-Si-Mg合金。配制好的合金中， Si的质量百分含量为16-25%, Mg的质量百分含量为1-8%,不可避免杂质元素 小于1%，其余为铝；
2) .将原料加入到700-800°C,以Al-50Cu、 A1-10Ni、 A1-5Ti、 A卜10Mn中 间合金的形式添加Cu、 Ni、 Mn合金元素，其中合金元素占熔体总量的百分比分 别为0. 5-2%Cu， 0.5-2%Ni， 0. 2-1. 5%Ti， 0. 2-1. 5%Mn,得到熔体；
3) 在温度为700-760°C,六氯乙烷或氩气保护气体作用下对熔体精炼；
4) 温度为760-S30。C，用PM磷变质剂对熔体进行变质处理；
5) 预热模具至温度为300—600°C
6) 将熔体在温度650-85(TC，向离心铸造机中浇注熔体，在离心转速为400 一2000rpm,离心铸造，得到本发明所述活塞。
本发明的有益效果如下
本发明在过共晶Al-Si合金中添加适量的Mg，在熔炼过程中，利用合金在 凝固过程中自生析出的初晶相一一Si与Mg2Si作为增强颗粒来提高基体Al合金 的硬度、耐磨性等机械性能。同时，为了进一步提高复合材料的常温和高温性 能，可以根据需要在合金中添加一定量的Cu、 Mn、 Ni、 Ti等合金元素。这种自 生复合材料具有高硬度、高耐磨性和热膨胀系数低的优点。由于Si与Mg2Si颗 粒是合金凝固过程中自生析出的初晶相，所以，颗粒界面洁净，与基体结合牢 固，不会引入新的杂质；并且，可以根据机加工或零件性能要求进行热处理， 使材料机械加工性能与零件性能达到最佳配合状态。
本发明所述活塞顶部与环槽部为自生颗粒增强区域，并且从与燃烧室接触 的顶部到与环槽部，增强颗粒呈现梯度递减；裙部与销座部分无增强颗粒的 A卜Si合金。与普通的共晶与过共晶活塞相比，本发明所述活塞在保证顶部与环 槽部具有高硬度(硬度高与HB160)、高耐磨性的(磨损系数低于0. 4 x 10—14mra3/(Nxm))、低热膨胀系数(热膨胀系数低于15x1(TV。C)的同时，使活塞裙部与销 座部仍然具有良好的机械强度(室温强度高于330MPa,高温强度高于70MPa ), 更适合大功率发动机的制造。
采用离心铸造工艺一次成形毛坯，与共晶Al-Si合金活塞顶部镶铸钢质耐 磨块方法相比，其工艺简单，活塞质量高，使用可靠。
采用合金凝固过程中自身析出的初晶Si与Mg2Si颗粒作为增强体，颗粒洁 净，界面结合牢固，不会产生新杂质，增强区域无孔隙。与外加颗粒增强A1复 合材料活塞相比，它具有如下优势1)增强颗粒与基体结合更紧密，更牢固； 2)增强区域杂质更少，孔隙率更低；3)外加颗粒增强的Al基复合材料一般采 用密度大于铝基体密度的SiC或A1203,而自生初晶Si与Mg2Si的密度均小于铝 基体，因此，该活塞具有更低的密度，质量轻，并且可以多次回收利用，更满 足节能环保的要求；4)可以根据后续加工需要和性能要求进行热处理，从而大 大降低了后续机加工成本；5)去除了颗粒预处理、制备增强坯以及制备复合 材料浆料步骤，工艺简单，生产成本低，更适合大批量生产。


下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
图1为本发明的活塞结构示意图2为图1中沿A-A向的剖浮见图3为本发明离心铸造模具装配示意图。
具体实施例方式
参见图1和图2。 Al/Si，Mg2Si复合材料活塞包括顶部1、环槽2、裙部3、 销座4，所述头部1与环槽2为颗粒增强区域，裙部3与销座4为非增强区域， 增强区域与非增强区域之间存在一个界面5，界面自环槽2边缘向活塞顶部为互 弧形分布，圓弧顶朝向活塞顶部。在增强区域活塞顶部1初晶S i和Mg2S i的混 合颗粒体积含量最高，初晶Si与Mg2Si颗粒在增强区域中所占的体积分数为 15%-45°/。。所述初晶Si和Mgji的混合颗粒中，按体积百分含量初晶Si占30% _60°/。， Mg2Si为70 - 40%;初晶Si的粒径为20—120 jam, Mg2Si的粒径为20—40jum。从顶部1到环槽2，颗粒体积 积百分含量降低为零。
当活塞成分有下列变化时
实施例一
合金成分为A1-16Si-2Mg， Ni、 Cu、 分比小于5%,活塞顶部硬度高与HB120， 60Mpa,热膨胀系数低于15x10—7。C。
实施例二
合金成分为Al-16Si-5Mg， Ni、 Cu、 分比小于5%。活塞顶部硬度高与HB120， 6OMP,热膨胀系数低于15x10'7 °C 。
实施例三
合金成分为AH6Si-8Mg， Ni、 Cu、 分比小于5°/ 。活塞顶部硬度高与服20， 60MPa，热膨胀系数低于15xlO—V。C。
实施例四
合金成分为Al-20Si-2Mg， Ni、 Cu、 分比小于5%。活塞顶部硬度高与脂20， 6 OMPa ，热膨胀系数低于15x 1 (TV °C 。
实施例五
合金成分为Al-20Si-5Mg， Ni、 Cu、 分比小于5%。活塞顶部石更度高与HB120, 6 OMPa,热膨胀系数低于15x1 (T7 。C 。
实施例六
合金成分为Al-20Si-8Mg， Ni、 Cu、 分比小于5%。活塞顶部硬度高与HB120， 60MPa，热膨胀系数低于15xl(T6/°C。
实施例七
含量逐渐降低，到非增强区域，颗粒体
Ti、 Mn、 Re等微量合金元素的质量百 室温强度高于250MPa，高温强度高于
Ti、 Mn、 Re等微量合金元素的质量百 室温强度高于250MPa,高温强度高于
Ti、 Mn、 Re等孩i量合金元素的质量百 室温强度高于250MPa,高温强度高于
Ti、 Mn、 Re等微量合金元素的质量百 室温强度高于250MPa,高温强度高于
Ti、 Mn、 Re等^[敖量合金元素的质量百 室温强度高于250MPa,高温强度高于
Ti、 Mn、 Re等孩吏量合金元素的质量百 室温强度高于250MPa,高温强度高于合金成分为Al-25Si-2Mg, Ni、 Cu、 Ti、 Mn、 Re等微量合金元素的质量百 分比小于5%。活塞顶部硬度高与HB120，室温强度高于250MPa,高温强度高于 60MPa,热膨胀系数低于15x1(T7。C。
实施例八
合金成分为Al-25Si-5Mg, Ni、 Cu、 Ti、 Mn、 Re等微量合金元素的质量百 分比小于5%。活塞顶部硬度高与HB120,室温强度高于250MPa,高温强度高于 60MPa,热膨胀系数低于15x10—V'C。
实施例九
合金成分为A1-25Si-8Mg, Ni、 Cu、 Ti、 Mn、 Re等微量合金元素的质量百 分比小于5%。活塞顶部硬度高与HB120,室温强度高于250MPa,高温强度高于 60MPa，热膨胀系数低于15x1(TV。C。
活塞增强区域的增强颗粒按体积百分含量的实施例
实施例一
增强层区域中，初晶Si和Mg2S i增强颗粒占增强区域按体积百分含量为15%, 在初晶Si和Mg2Si的混合颗粒中，按体积百分含量初晶Si占30-60%,初晶Si 的粒径为20—120iim， Mg2Si的粒径为20—40 jnm。活塞顶部的硬度为HB120，
磨损系数为0. 4xl(T"nW/(Nxm),热膨胀系数为15xl 0—V 。C等性能为？
实施例二
增强层区域的初晶Si和Mgji增强颗粒占增强区域按体积百分含量为30%， 在初晶Si和Mg:Si的混合颗粒中，按体积百分含量初晶Si占30-60%,初晶Si 的粒径为20—120 iam， Mg2Si的粒径为20—40 Mm。本实施例中增强颗粒的体 积百分含量使活塞顶部的硬度、耐磨性、热膨胀系数等性能优于实施例一。
实施例三
增强层区域的初晶Si和Mgji增强颗粒占增加区域按体积百分含量为45%, 在初晶Si和Mg2Si的混合颗粒中，4要体积百分含量初晶Si占30-60%,初晶Si 的粒径为20—120jnm， Mg2Si的粒径为20—40 jum，本实施例中增强颗粒的体 积百分含量使活塞顶部的硬度、耐磨性、热膨胀系数等性能优于实施例二；
以下为活塞增强区域内，初晶Si与Mg2Si混合颗粒中，按初晶Si颗粒体积百分含量的实施例 实施例一
增强层区域中，初晶Si和Mg2Si增强颗粒占增强区域4姿体积百分含量为 15-45%，按体积百分含量初晶Si占30%,在初晶Si和MgAi的混合颗粒中，初 晶Si的粒径为20—120|am, Mg2Si的粒径为20—40jum;活塞顶部的硬度为 HB120，磨损系数为0. 4xio"咖v(Nxra),热膨胀系数为15x10—7°C。 实施例二
增强层区域的初晶Si和M^Si增强颗粒按体积百分含量为15-45%,在初晶 Si和Mgji的混合颗粒中，按体积百分含量初晶Si占45%,初晶Si的粒径为 20—120 |um， Mg2Si的粒径为20—40jum;本实施例中，在初晶Si和Mg2Si的 混合颗粒中，初晶Si的体积百分含量使活塞顶部的硬度、耐磨性、热膨胀系数 等性能优于实施例一。
实施例三
增强层区域的初晶Si和Mg2Si增强颗粒按体积百分含量为15-45%，在初晶 Si和Mgji的混合颗if立中，4姿体积百分含量初晶Si占60%，初晶Si的粒径为 20—120 Mm, Mg2Si的粒径为20—40 nm;本实施例中，在初晶Si和Mg2Si的 混合颗粒中，初晶Si的体积百分含量使活塞顶部的硬度、耐磨性、热膨胀系数 等性能介于实施例一与实施例二之间。
以下为活塞增强区域内，初晶Si与Mg2Si混合颗粒中，按初晶Si颗粒的粒 径大小的实施例
实施例一
增强层区域中，初晶Si和Mg2Si增强颗粒占增强区域按体积百分含量为 15-45%，在初晶Si和Mg5i的混合颗粒中，按体积百分含量初晶Si占30-60%, 初晶Si的粒径为120 jum， Mg2Si的粒径为20—40 m m。活塞顶部的硬度为HB160,
磨损系数为0. 4x10-"mmV(Nxm)，热膨胀系数为15x10—7°C 。
实施例二
增强层区域初晶Si和Mg3i增强颗粒按体积百分含量为15-45%，在初晶Si 和MgAi的混合颗粒中，按体积百分含量初晶Si占30-60%,初晶Si的粒径为80 jum, Mg2Si的粒径为20—40 ja m。本实施例中，在初晶Si和Mg2Si的混合颗 粒中，初晶Si的粒径使活塞顶部的硬度、耐磨性、热膨胀系数等性能优于实施 例一。
实施例三
增强层区域初晶Si和NfeSi增强颗粒按体积百分含量为15-45%,在初晶Si 和Mgji的混合颗粒中，按体积百分含量初晶Si占30-60%,初晶Si的粒径为 20 ja m， Mg2Si的粒径为20—4 0 n m。本实施例中，在初晶Si和Mg2Si的混合颗 粒中，初晶Si的粒径使活塞顶部的硬度、耐磨性、热膨胀系数等性能优于实施 例二。
以下为活塞增强区域内，初晶Si与Mg2Si混合颗粒中，按初晶Mg2Si颗粒 的粒径大小的实施例 实施例一
增强层区域中，初晶Si和Mg2Si增强颗粒占增强区域按体积百分含量为 15-45%，在初晶Si和Mg2Si的混合颗粒中，按体积百分含量初晶Si占30-60%, 初晶Si的粒径为20-120 jam, Mg2Si的粒径为40 pm;活塞顶部的石更度为HB120,
磨损系数为0. 4xlO-"mmV(Nxm),热膨胀系数为15xl(rV。C
实施例二
增强层区域初晶Si和Mgji增强颗粒按体积百分含量为15-45%,在初晶Si 和Mgji的混合颗;粒中，4姿体积百分含量初晶Si占30-60%,初晶Si的粒径为 20-120 m m, Mg2Si的粒径为30 |a m;本实施例中，在初晶Si和Mg2Si的混合颗 粒中，初晶Mg2Si的粒径使活塞顶部的硬度、耐磨性、热膨胀系数等性能优于实 施例一。
实施例三
增强层区域初晶Si和Mgji增强颗粒按体积百分含量为15-45%,在初晶Si 和Mg2S i的混合颗粒中，按体积百分含量初晶S i占30-6 0°/ ,初晶S i的粒径为 20-120 pm, Mg2Si的粒径为20|am;本实施例中，在初晶Si和Mg^i的混合颗 粒中，初晶Mg2Si的粒径使活塞顶部的硬度、耐磨性、热膨胀系数等性能优于实 施例二。参见图3。本发明制备活塞所采用的模具为对开式模具，包括上模9，下模 11，浇注口 6，离芯10定位销8。模具的浇注口 6设置在模具的旋转中心，活 塞铸件成型型腔7，沿径向分布于旋转中心的四周，本实施例中活塞铸件成型型 腔7为四个，均布在旋转中心的四周。
本发明在铸造过程中，根据活塞的结构特征设计模具，将一定成分配比的 Al-Si-Mg合金熔融、保温待用，同时将预热好的下模具11固定在离心机上，离 心机采用立式离心才几，安置好妙、芯10。根据实际情况，取纯A1、纯Si、纯Mg 或铝合金和镁合金，本实施例采用Al-25Si合金、Mg-10A1合金为原料，取 A卜25Si合金20Kg, Mg-10Al合金1. 5Kg，配制成Al-Si-Mg合金。使配制好的 合金中，Si的质量百分含量约为23%, Mg的质量百分含量约为6%，不可避免杂 质元素小于1%,其余为铝；将配制好的合金加热到700-80(TC，添加合金元素， 才艮据实际情况，可以取纯Cu、纯Ni、纯Ti、纯Mn、纯Re等纯金属的形式添加。 也可以取Cu合金、Ni合金、Ti合金、Mn合金、Re合金等中间合金的方式添力口。 本实施例添加合金元素的方式采用添加中间合金的方式，取A1 -5 OCu合金0. 5Kg 、 A卜10Ni合金2Kg、 Al-5Ti合金2Kg、 A卜10Mn合金lKg, Al-20Re合金lKg,目 的是在Al-Si-Mg合金中添加Cu.、 Ni、 Ti、 Mn、 Re等合金元素，其中添加元素 占熔体总量的质量百分比分别为0. 5-2y。Cu, 0. 5-2%Ni , 0. 2-1. 5°/ Ti， 0. 2-1. 5%Mn， G. 1-1. 5%Re,得到熔体；在温度为700-76(TC下，用六氯乙烷或氩 气对熔体精炼；温度为760-83(TC下，用济南山大金属工艺材料有限公司生产的 PM磷变质剂对熔体进行变质处理；预热模具至温度为300—60(TC。安装砂芯、 合模。熔体在温度650-85(TC下，向离心铸造机中已预热的模具浇注熔体，离心 转速为400—2000rpm,在离心力作用下，密度小于Al熔体(熔体密度2. 37 g/cm3) 的初生相Si (熔体密度为2. 33 g/cm3)和Mgji (熔体密度为1. 93 g/cm3)颗粒 向模具中心方向运动，偏聚在活塞顶部与环槽部，形成的活塞分为位于活塞顶1 和环槽部分2的初晶Si和Mg2Si颗粒增强区域(增强层)和位于裙部3的共晶 或亚共晶A卜Si合金的无增强颗粒区域(非增强层)。
采用本发明方法，可以取纯A1、纯Si、纯Mg或铝合金和镁合金做为配制 Al-Si-Mg合金的原料，向熔体中添加合金元素，可以取纯Cu、纯Ni、纯Ti、纯Mn、纯Re等纯金属或Cu合金、Ni合金、Ti合金、Mn合金、Re合金等中间 合金做为配制A1-Si-Mg合金的原料，向熔体中添加合金元素，按照本发明方法 均可以使所得Al-Si-Mg合金中Si的质量百分含量为16-25%， Mg的质量百分含 量为1-8%,不可避免杂质的质量百分含量《1°/。；合金元素占熔体总量的质量百 分比分别为0. 5-2%Cu, 0. 5—2°/。Ni, 0. 2-1. 5%Ti， 0. 2—1. 5飾,0. 5%Re, 并且具有与本发明所述相同的效果。
不同离心转速的具体制造实施例 实施例一
上述铸造过程中在熔体中加入Mg,铸造时凝固过程中从熔体中自生析出的 初晶Si与Mg2Si颗粒；活塞轴向方向分为增强层与非增强层；宏观上观察，增 强层与非增强层之间界限明显。离心铸造过程中，离心机转速为400rpm。
实施例二
与实施例一不同的是，离心铸造过程中，离心机转速为1200rpm,宏观上观 察，活塞轴向方向分为增强层与非增强层；宏观上观察，增强层与非增强层之 间界限较实施例一明显。
制造实施例三
与实施例一不同的是，离心铸造过程中，离心机转速为2000rpm,宏观上观
察，活塞轴向方向分为增强层与非增强层；宏观上观察，增强层与非增强层之
间界限较实施例一与实施例二更明显。 不同模具温度的具体制造实施例
实施例一
上述铸造过程中在熔体中加入Mg,铸造时凝固过程中从熔体中自生析出的 初晶Si与Mg2Si颗粒；活塞轴向方向分为增强层与非增强层；宏观上观察，增 强层与非增强层之间界限明显。离心铸造过程中，离心机转速为400-2000rpm， 模具预热温度为300°C。
实施例二
与实施例一不同的是，离心铸造过程中，离心机转速为400-2000rpm,模具 预热温度为40(TC，宏观上观察，活塞轴向方向分为增强层与非增强层；宏观上观察，增强层与非增强层之间界限较实施例一明显。 实施例二
与实施例一不同的是，离心铸造过程中，离心机转速转速为400-2000rpm， 模具预热温度为60(TC,宏观上观察，活塞轴向方向分为增强层与非增强层；宏 观上观察，增强层与非增强层之间界限较实施例一与实施例二更明显。
本发明中通过调整铝合金中Si元素与Mg元素的相对含量与离心成形工艺 (如浇温、模具温度、离心转速等工艺条件)，可以把增强层设计与控制成骤变 梯度分布状态；通过定量铝水与调整离心铸造工艺，可以实现增强层厚度的设 计与控制；通过调整离心转速与合金中Si、 Mg元素的对比含量，可以实现增强 层颗粒体积分数的可设计性与可控制性；通过调整合金成分，变质处理、浇注 工艺、离心铸造工艺，可以控制初晶Si颗粒的粒径在20-120|am之间，Mg2Si 颗粒粒径在20-40 n m之间；通过控制增强颗粒的体积分数与粒径大小，可以设 计与控制增强区域的硬度、耐磨性能、导热系数等机械性能；通过调整离心铸 造工艺(浇注温度、模具温度、离心转速等)，可以设计与控制非增强层区域的 合金成分(共晶、准共晶或亚共晶成分)，同时通过在合金中添加微量合金元素 (Cu、 Ni、 Mn、 Ti等)，可以实现非增强区域机械性能(常温抗拉强度、高温抗 拉强度等)的可设计性与可控制性。
因此，可以通过简单的工艺调整，可以大大增强机械性能和热性能好，提高 发动机工作效率，并且工艺过程简单，生产效率高。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管 参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解， 可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的 宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1. 一种Al/Si-Mg2Si复合材料的活塞，包括活塞顶部、环槽及裙部和销座部，其特征在于活塞顶部与环槽部为在合金凝固过程中自生析出初晶Si与Mg2Si材料的增强颗粒区域，所述增强区的增强颗粒从与燃烧室接触的顶部到环槽部呈现由高到低的递减；从活塞裙部到销座部为的基体为共晶或亚共晶Al-Si合金的无增强颗粒区域。2根据权利要求1所述的Al/Si-Mg2Si复合材料的活塞，其特征在于所述初晶Si与Mg2Si颗粒在增强区域中所占的体积分数为15％-45％。3根据权利要求2所述的Al/Si-Mg2Si复合材料的活塞，其特征在于所述初晶Si和Mg2Si的混合颗粒中，按体积百分含量初晶Si占30％—60％，Mg2Si为70-40％；初晶Si的粒径为20—120μm，Mg2Si的粒径为20—40μm。
2.根据权利要求1所述的Al/Si-Mg2Si复合材料的活塞，其特征在于所 述初晶Si与Mg2Si颗粒在增强区域中所占的体积分数为15%-45%。
3.根据权利要求2所述的Al/Si-Mg2Si复合材料的活塞，其特征在于所 述初晶Si和MgaSi的混合颗粒中，按体积百分含量初晶Si占30%—60°/。， Mg2Si 为70 - 40%;初晶Si的粒径为20—120 |im， Mg2Si的粒径为20—40 ja m。
4. 一种制备权利要求1 - 4中任意一项所述的Al/Si - Mg2Si复合材料活塞的方法，其特征在于有以下步骤1).取过铝合金、镁合金为原料，配制成Al-Si-Mg合金，其中Si的质量 百分含量为16-25%, Mg的质量百分含量为1-8%,不可避免杂质的质量百分含量 《1%，其余为铝；2 ) 将步骤1)所述的Al-Si-Mg合金，加热到700-800°C,添加Cu、 Ni、 Mn、Ti元素，其中各元素占熔体总量的质量百分比分别为0. 5-2%Cu, 0. 5-2°/。Ni， 0. 2-1. 5%Ti， 0. 2-L 5%Mn,得到熔体；3) 在温度为700-76(TC,六氯乙烷或氩气保护气体作用下对熔体精炼；4) 温度为760-830°C,用PM磷变质剂对熔体进行变质处理； 5 )预热模具至温度为300—60(TC6)将熔体在温度650-850°C，向离心铸造机中浇注熔体，在离心转速为400 一2000rpm下离心铸造，得到本发明所述活塞。
5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于:步骤1)所述的不可避免杂质 为原始材料中自带的Fe、 Cr、 Zr、 Ca等元素，以及合金在熔炼过程中引入的C、P等元素。
全文摘要
本发明涉及一种Al/Si-Mg₂Si复合材料的活塞及制备方法，所述活塞顶部与环槽部为在合金凝固过程中自生析出初晶Si与Mg₂Si材料的增强颗粒区域，所述增强区的增强颗粒从与燃烧室接触的顶部到环槽部呈现由高到低的递减；从活塞裙部到销座部为基体，为共晶或亚共晶Al-Si合金的无增强颗粒区域。本发明所述活塞质量轻，可以多次回收利用，成本低，符合节能环保的要求，制造工艺简单。所述活塞的顶部与环槽部具有高硬度、高耐磨性、低热膨胀系数，活塞裙部与销座部有良好的机械强度，能够满足大功率发动机对活塞性能的要求，还能够根据机械加工和性能的要求进行热处理，有后续加工方便，寿命长的优点。
文档编号F02F3/10GK101446243SQ200810237278
公开日2009年6月3日 申请日期2008年12月29日 优先权日2008年12月29日
发明者何乃军, 刘昌明, 潘登良, 开 王, 翟彦博, 邹茂华 申请人:重庆大学