[发明专利]耐热稀土镁合金发动机活塞的挤压铸造制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种汽车制造技术领域的方法，具体是一种耐热稀土镁合金发动机活塞的挤压铸造制备方法。

背景技术

活塞是发动机中最重要的部件之一，因其在高温、高压、腐蚀、磨擦、高速运动的条件下工作，对材料的性能要求很高。根据活塞的工作环境，活塞材料应具备下列条件：具有较高的机械强度，尤其是应具有较高的高温强度和热稳定性；具有较小的热膨胀系数，使活塞和汽缸在工作过程中保持合适的间隙，以减少机械运行时的噪声，降低油耗；吸热性要差，导热性要好，能及时将工作过程中产生的热量传递出去；比强度要大，以减小活塞重量，提高工作效率；此外还应具有良好的耐磨性、耐蚀性，以延长活塞的使用寿命；最后还要容易加工，成本较低。铝硅多元合金是目前用于制备发动机活塞的主流材料，经检索发现，美国专利文献号US2004/0057865A1记载了一种Si含量介于10～21％wt范围的Al-Si-Mg-Ti-Cu-Fe-Ni-P多元合金活塞，通过成分优化可获得显著优于传统材料的抗热机疲劳性能。

随着全球石油资源的短缺，各国出台了日益严格的汽车尾气排放标准，生产出重量轻、油耗少、环保型的新型汽车，是汽车工业中日益严峻的话题。镁合金作为最轻的金属结构材料，在汽车工业中的应用越来越广泛。众所周知，发动机是汽车的心脏，而活塞则是发动机中最关键的部件。通常活塞在往复运动过程中会引起震动，并对曲轴施加较大的侧向力。在大功率发动机中，这些力通常要靠昂贵的平衡系统来平衡。因此，选用更轻的活塞除了可以减轻重量，降低油耗之外，还可以大幅减轻活塞运动过程中的震动，提高曲轴的寿命，降低噪声，增加乘坐的舒适性。与传统的铝合金活塞相比，镁合金活塞有望减轻30％的重量，因而开发镁合金活塞是世界汽车业亟待解决的课题。

然而，由于镁合金低的高温强度和抗蠕变性能制约了其在活塞(包括其它发动机和动力系统零件)上的应用。近年来，随着国内外对镁合金材料的开发和应用的不断深入，尤其是耐热镁合金和镁基复合材料的发展为镁合金在汽车活塞上的应用提供了可能性。

经检索发现，欧洲专利文献号EP499321-A1记载了复合材料局部增强镁合金活塞的一种制备工艺，首先选用氧化铝、碳化硅或者氮化硅陶瓷短纤维制成一定形状的预制件，安装在活塞顶、活塞环、销孔等需要增强的部位，然后通过压力浸渍工艺注入镁合金熔体，为改善其耐热性，上述镁合金基体中含有一定量与稀土金属的化合物。尽管该工艺使活塞的耐热性得到了明显改善，但所涉及的纤维预制件、活塞模具、与基体的复合等制备过程相对复杂，不可避免地带来了成本和性能稳定性方面的问题，因而制约了其应用。

另经检索发现，中国专利文献号CN1796024A记载了一种“镁合金发动机活塞及其制备方法”，其成分含量为：Al2～10wt％，Si 2～10wt％，其余为镁和添加元素，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；活塞的制备方法有下列步骤组成：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、镁合金铸锭的制备、压力成型、最终制成镁合金活塞。据报道，该工艺所制备的Mg-Al-Si镁合金活塞在280℃条件下，屈服强度高于200MPa。然而，该专利除工艺成本相对较高之外，还未考虑对活塞运行更为重要的蠕变性能和疲劳强度，事实上，过高含量Al元素的添加势必会导致镁合金蠕变性能和疲劳强度的显著下降。

随着发动机功率的提高，活塞顶部的温度可达到300℃，对活塞材料的要求也更为苛刻，因而如何利用耐热镁合金低成本，高效率的制备高性能的镁合金发动机活塞一直是汽车行业关注的焦点。但目前采用镁合金挤压铸造方法制备高性能的发动机活塞，在国内外还未见公开报道。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种耐热稀土镁合金发动机活塞的挤压铸造制备方法，通过选择合适的耐热稀土镁合金、选取合适的挤压铸造工艺参数以及调整相应的热处理工艺，从而制备出具备优异高温强度和抗蠕变性能的活塞。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

第一步、配取中间合金Mg-Y、Mg-Gd和Mg-Zr以及工业纯镁和工业纯锌，其中：Mg-Y为Mg-25wt％Y中间合金，用量12.31～18.46kg、Mg-Gd为Mg-25wt％Gd中间合金，用量42.11～50.5kg和Mg-Zr为Mg-30wt％Zr中间合金，用量3.33～10kg以及工业纯镁22.38～43.55kg和工业纯锌1～3kg；

第二步、熔炼合金，获得镁合金熔体，具体步骤如下：