一種輕型耐磨汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于活塞加工技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種輕型耐磨汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞及其制備方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 活塞被稱(chēng)為發(fā)動(dòng)機(jī)的屯、臟。它是發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的零件之一。其功用是承受氣體 壓力，并通過(guò)活塞銷(xiāo)傳給連桿驅(qū)使曲軸旋轉(zhuǎn)。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，活塞直接與瞬時(shí)溫度2200 攝氏度的高溫氣體接觸，其頂部溫度達(dá)300°C~400°C，且溫度分布不均勻；在做功行程時(shí) 活塞頂部承受著很大的氣體壓力，汽油機(jī)達(dá)4MPa~5MPa，柴油機(jī)高達(dá)8MP~9MPa，甚至更 高；此外，活塞在氣缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)線(xiàn)速度可達(dá)llm/s~16m/s;在運(yùn)種惡劣的條件下工作?；?塞承受著高溫、高壓的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷。因此活塞作為汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中傳遞能量的一個(gè)非 常重要的構(gòu)件，對(duì)其材料具有特殊的要求：密度小、質(zhì)量輕、熱傳導(dǎo)性好、熱膨脹系數(shù)??；并 具有足夠的高溫強(qiáng)度、耐磨和耐蝕性能、尺寸穩(wěn)定性好。
[0003]為了使活塞有足夠的強(qiáng)度和剛度，質(zhì)量要小，導(dǎo)熱性好和有較小的摩擦系數(shù)，活塞 材料普遍采用娃侶合金。柴油機(jī)活塞則多用銅儀儀侶合金。
[0004] 隨著大馬力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)快速發(fā)展，尤其是重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)滿(mǎn)輪增壓、中冷技術(shù)的 應(yīng)用W及大缸徑高壓縮比、低排放要求的不斷提高。傳統(tǒng)侶合金活塞材料已無(wú)法滿(mǎn)足其使 用要求，在滿(mǎn)足內(nèi)燃機(jī)輕量小型化、可靠性和耐久性的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)向著高速、大功率、大 壓縮比的方向發(fā)展，其燃燒室內(nèi)溫度和壓力變得更高，W往使用的侶合金已達(dá)到或接近使 用極限。
[0005] 傳統(tǒng)的化108、ZL109侶基合金生產(chǎn)的活塞，由于膨脹系數(shù)原因，活塞與缸體需 要較大的配缸間隙（柴油機(jī)發(fā)動(dòng)配缸間隙為0.12~0.20mm，空壓機(jī)配缸間隙為0. 08~ 0. 16mm，制冷壓縮機(jī)配缸間隙0. 06~0. 09mm，摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)配缸間隙為0. 03~0. 07mm)，
[0006] 運(yùn)種較大的配缸間隙，造成發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，振動(dòng)大、噪聲大、排放大、功率難 W提高，難W滿(mǎn)足新標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問(wèn)題，提出了一種力學(xué)性能、吸音、減震 的輕型耐磨汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞。
[0008] 本發(fā)明的目的可通過(guò)下列技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：一種輕型耐磨汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞，包括 頭部和連接在頭部下端的裙部，所述頭部上由下向上依次設(shè)有油環(huán)槽和氣環(huán)槽，油環(huán)槽底 面上開(kāi)有徑向小孔，所述裙部的兩側(cè)設(shè)有兩個(gè)相對(duì)的銷(xiāo)孔，所述發(fā)動(dòng)機(jī)活塞由侶合金陶瓷 多孔材料制成，所述侶合金陶瓷多孔材料包括質(zhì)量比為100 :巧5. 1-165. 2) :(0.4-0.9): 巧-12)的侶合金粉、陶瓷粉、致孔劑和粘結(jié)劑。
[0009]上述油環(huán)槽在活塞頭部的下部設(shè)有一道，氣環(huán)槽在頭部的上部根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)型設(shè) 有兩到=道，油環(huán)槽底面上開(kāi)有許多徑向小孔，使被油環(huán)從汽缸壁上刮下的機(jī)油經(jīng)過(guò)運(yùn)些 小孔流回油底殼。油環(huán)槽和氣環(huán)槽用W安裝活塞環(huán)，起密封作用。頭部和活塞環(huán)一起密封 氣缸，防止可燃混合氣漏到曲軸箱內(nèi)，并將熱量傳遞給汽缸壁。
[0010] 活塞在做功行程時(shí)活塞頂部承受著很大的氣體壓力和高溫，裙部承受發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)壁 較大的壓力，因此活塞要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度、剛度和高溫性能。本發(fā)明采用的侶合金陶瓷多 孔材料內(nèi)部彌散分布著大量獨(dú)立存在的閉孔孔桐，綜合多孔陶瓷和多孔金屬的優(yōu)點(diǎn)，具有 一般多孔材料所不能比擬的高硬度、高強(qiáng)度、抗磨損、抗酸堿、耐高溫、耐沖擊等性能，同時(shí) 具有比重小、吸振及吸音性能好等特點(diǎn)，而且通過(guò)顆粒控制可使其表面光結(jié)度達(dá)到所需要 求。因此使用侶合金陶瓷多孔材料制成的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞具有很高的強(qiáng)度和剛度，并且整 體質(zhì)量小，大幅減少發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的震動(dòng)和噪音，并且有很強(qiáng)的抗腐蝕性，具有優(yōu)良的力學(xué) 性能和使用性能。
[0011] 作為優(yōu)選，所述侶合金陶瓷多孔材料的孔隙率為55.4-78.6 %，孔徑為 13. 1-25. 0Um〇
[0012] 材料的孔隙率和孔徑大小決定了產(chǎn)品最終的力學(xué)性能和機(jī)械性能，在上述孔隙率 和孔徑的范圍內(nèi)，多孔合金鋼陶瓷具有最佳的硬度、強(qiáng)度、抗沖擊等性能和最低的密度，其 綜合性能達(dá)到最優(yōu)。
[0013] 作為優(yōu)選，所述侶合金陶瓷多孔材料中侶合金粉的粒徑為3-15ym，陶瓷粉的粒徑 為 30-100nm。
[0014] 多孔材料的孔隙的大小和孔隙特性主要取決于制備工藝和原料粉體粒徑，為了得 至尷體性能優(yōu)良、導(dǎo)熱性能好的多孔材料，原料粉體的粒徑越小，活性越高，越容易燒結(jié)。均 布在密實(shí)的侶合金陶瓷基體中的致孔劑產(chǎn)生分解，釋放的氣體導(dǎo)致壓實(shí)體膨脹，形成高度 多孔的結(jié)構(gòu)。
[0015] 作為優(yōu)選，所述侶合金粉由W下質(zhì)量百分比含量的組分組成：19.3-22.7%Si， 0. 9-1.2%Cu, 1. 1-2. 1 %Mg,0.6-1. 5%Ni，0. 20-0. 35%Mn,0.20-0. 33%Ti,0.05-0. 09% C，0. 3-0. 5%Bi,0. 05-0. 25% 化，0. 7-1. 1%Re,余量為Al及不可避免的雜質(zhì)。
[0016] 本發(fā)明侶合金中的Mg能和化、Al形成S(AlzCuMg)強(qiáng)化相，和Si可形成MgzSi強(qiáng) 化相，化和Al形成0(Alz化）相，從而增強(qiáng)侶合金的強(qiáng)度，提高強(qiáng)度和區(qū)服極限，可明顯增 加侶合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。另外Mn對(duì)Mg起補(bǔ)充強(qiáng)化作用，同時(shí)降低熱裂傾向。Ni 和化形成耐熱相AlgFe化，增加侶合金的熱承受力。Ti能與Al形成TiAls相，與C形成TiC 相，TiAls相和TiC相在侶合金結(jié)晶時(shí)成為結(jié)晶時(shí)的非自發(fā)核屯、，細(xì)化合金的晶粒組織，降低 有效的結(jié)晶溫度，減輕裂紋和縮松傾向，提高合金的熱處理效果和力學(xué)性能。本侶合金含有 的Bi元素為低烙點(diǎn)金屬，有利于生成更多晶核和細(xì)化晶核；另外Bi具有自潤(rùn)滑性，能提高 侶合金的耐磨性。
[0017] 侶合金中固溶態(tài)雜質(zhì)對(duì)其熱導(dǎo)率影響較大，過(guò)剩的Si、Fe、Mg侶合金中主要的固 溶態(tài)雜質(zhì)。Si過(guò)剩較少時(shí)剛好與化彌散分布于侶基體中，可減少Si、化在侶基體中的固 溶度；當(dāng)Si過(guò)剩較多時(shí)，過(guò)剩的Si不僅固溶于侶基體中，并且與鐵的比值適當(dāng)時(shí)極易形 成0 (Alg化2Si2)粗大相，對(duì)侶合金的性能危害很大，并降低其導(dǎo)熱能力；Mg過(guò)剩時(shí)會(huì)削弱 MgzSi的強(qiáng)化機(jī)制，同時(shí)還會(huì)增加自身在侶基體中的固溶度，導(dǎo)致侶合金導(dǎo)熱性能的顯著下 降。本發(fā)明侶合金中各成分配比合理，化含量較少，并且Si的含量適當(dāng)，結(jié)晶過(guò)程中很難形 成0(AI9化2Si2)粗大相，有利于保持侶合金良好的導(dǎo)熱能力。適量的Re能與Fe、Si等雜 質(zhì)生成過(guò)渡性化合物R沁62、ReSi等，很大程度上降低了過(guò)剩元素在侶基體中的固溶分布， 能提高侶合金的導(dǎo)熱性能。但是如Re添加過(guò)量會(huì)與侶基體生成AIaRs化合物，成為侶合金 導(dǎo)熱的新障礙，降低侶合金的導(dǎo)熱系數(shù)，所W將Re的含量控制在上述范圍內(nèi)。
[0018] 作為優(yōu)選，所述陶瓷粉包括質(zhì)量百分比為50-60%的P-SiC和質(zhì)量百分比為 40-50 % 的皿N。
[0019] 0-SiC和皿N均具有耐熱、耐磨、耐腐蝕、導(dǎo)熱性能好和低膨脹系數(shù)等特點(diǎn)，在加 熱和冷卻過(guò)程中受到的熱應(yīng)力很小；并且均具有較低的比重，P-SiC和皿N在侶合金陶瓷 多孔材料中形成P-SiC-HBN復(fù)合相，P-SiC-HBN復(fù)合相W細(xì)顆粒相均勻分布于侶合金相 中，侶合金W連續(xù)的薄膜狀態(tài)存在，將陶瓷顆粒包圍。由于P-SiC與皿N的熱膨脹系數(shù)存 在一定的差別，致使皿N晶粒發(fā)生晶內(nèi)脫層作用，在0 -SiC-HBN復(fù)合相內(nèi)產(chǎn)生許多微孔，運(yùn) 些微孔的存在可W有效緩解由于高溫引起的熱膨脹，因而極大地改善了材料整體的抗熱震 性。另外，由于P-SiC表面有一層薄氧化膜，因此很難燒結(jié)，而侶合金中的碳、侶等能夠促 進(jìn)P-SiC的燒結(jié)，使得本發(fā)明中的侶合金陶瓷多孔材料得W燒結(jié)成型。
[0020] 作為優(yōu)選，所述致孔劑為致孔劑I、致孔劑II和致孔劑III的混合物，其中，在致孔 劑I、致孔劑II和致孔劑III的混合物中，所述致孔劑I的含量占混合物總質(zhì)量的10-15%， 致孔劑II的含量占混合物總質(zhì)量的35-55 %，余量為致孔劑III。所述的致孔劑I為T(mén)iHz、 ZrH2、NiH2中的一種或幾種，致孔劑II為SrC0 3、CaC03、MgC03、CaMg(C03)2中的一種或幾種， 致孔劑III為偶氮二甲酯胺。
[002。 本發(fā)明將性質(zhì)不同的致孔劑配合使用，其中，致孔劑I、致孔劑II為吸熱型致孔 劑，致孔劑III為放熱性致孔劑，混合可W抵消其對(duì)多孔材料致孔化過(guò)程的影響，使氣孔均勻 生長(zhǎng)，致孔劑I、致孔劑II和致孔劑III的反應(yīng)溫度不同，可W在燒結(jié)的不同時(shí)間持續(xù)均勻釋 放氣體，使生成孔桐均勻且致密。
[0022] 作為優(yōu)選，所述致孔劑的外層包覆有一層網(wǎng)絡(luò)狀的Al2〇3涂層。
[0023] 由于致孔劑在300-400°C時(shí)就開(kāi)始反應(yīng)放出氣體，在燒結(jié)所用的較高的溫度小會(huì) 劇烈反應(yīng)，短時(shí)間內(nèi)釋放大量氣體，導(dǎo)致所形成的孔桐難W達(dá)到滿(mǎn)意的效果，影響最終產(chǎn)品 的性能，因此本發(fā)明在致孔劑的外層包覆有一層網(wǎng)絡(luò)狀的Alz化涂層，Al2化的抗高溫性能較 好，可W使致孔劑緩慢釋放氣體，得到均一細(xì)密的孔桐。
[0024] 作為優(yōu)選，所述發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的頭部的頂部還涂覆有一層陶瓷隔熱層，所述的陶瓷 隔熱層為厚度為0. 8-10Jim的空屯、ZrA層。
[0025] 在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，活塞要承受很高的溫度，且溫度分布不均勻，而活塞的工作溫度 不能過(guò)高，整體溫差應(yīng)盡