[发明专利]一种离心铸造外加颗粒增强活塞的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铸造方法，特别涉及一种离心铸造外加颗粒增强活塞的方法。

背景技术

活塞是内燃机的关键零部件，它和气缸套一起组成内燃机的燃烧室，是内燃机中工作环境最苛刻的零部件。常见活塞结构如图5所示，包括活塞头、活塞裙13和活塞销座14，其中活塞头包括活塞顶端17和活塞环槽16两部分。

目前，铸造共晶或过共晶铝合金活塞在乘用车上应用广泛。这种活塞的生产工艺成熟，成本低，但也存在以下问题：首先，常规铝合金热稳定性低（300℃，共晶型铝硅合金的线膨胀系数为21X10^-6/℃），活塞顶端17及活塞环槽16工作时易产生热疲劳失效；其次，普通铝合金强度和耐磨性低，与钢质活塞环反复摩擦的过程中磨损严重，易出现漏油漏气现象，影响活塞使用寿命。

针对上述问题，出现了以下几种改进的活塞：

1、顶部镶铸钢质耐磨块的共晶Al-Si合金活塞：这种活塞的顶端与环槽部分均为钢质耐磨材料，裙部为共晶Al-Si合金，两者通过镶铸连接。这种活塞，可以比较有效的解决上述问题。但是，这种活塞的生产方法工艺复杂，工作时耐磨镶块容易脱落。

2、离心铸造自生颗粒增强铝梯度复合材料活塞：这种活塞以过共晶Al-Si-Mg系合金为基体，合金在凝固过程中析出的初晶Si、初晶Mg₂Si颗粒为增强体，利用离心浮力将密度小于铝熔体的增强颗粒（Si的密度为2.33g/cm³，Mg₂Si的密度为1.83g/cm³，铝液的密度为2.37g/cm³）偏聚在活塞头部，形成头部增强的铝梯度复合材料活塞。这种方法工艺简单，效率高，零件报废后可回收利用。这种活塞的不足之处在于：初晶颗粒在向活塞头部偏聚的过程中容易粘结，随着初晶颗粒含量的上升，这种粘结的问题越突出；高含量增强颗粒熔浆铸造成型是，初晶颗粒迅速团聚长大，最终导致初晶颗粒在头部严重偏析，引起严重的应力集中。

3、离心铸造外加颗粒增强铝梯度复合材料活塞：这种活塞以共晶或亚共晶Al-Si合金为基体，以SiC或Al₂O₃颗粒为增强体，采用离心铸造的方式将增强颗粒聚集在活塞头部，形成头部增强的铝梯度复合材料活塞。这种方法所获得的活塞头部具有高硬度、高耐磨性与低线膨胀系数，工艺简单的优点。这种活塞也存在以下不足：首先，在单一离心力的作用下，颗粒在向活塞头部偏聚的过程中容易粘连，形成颗粒团，导致颗粒分布不均。其次，浆料的制备工艺复杂，对外加颗粒尺寸及纯度要求高；若增强颗粒粒径过小，浆料在铝基体中分散困难，成型时更易团聚；若颗粒纯度过低，容易引入大量气泡夹杂，严重影响活塞的性能。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种离心铸造外加颗粒增强活塞的方法，该方法铸造的活塞的增强颗粒不团聚，与基体结合良好，性能稳定。

本发明离心铸造外加颗粒增强活塞的方法，包括熔浆制备，铸型预热，浇注充型，离心成型和脱模冷却步骤，所述铸型预热步骤中的铸型由不导磁材料构成，所述离心成型步骤在磁场下进行，所述磁场方向与离心铸型轴线方向垂直或者平行。

进一步，所述磁场的强度为0.01～0.6T。

进一步，所述铸型预热步骤中预热温度为200-400℃。

进一步，所述浇注充型步骤中熔浆浇筑温度为700-780℃。

进一步，所述离心成型步骤中离心转速为600～3000r/min。

进一步，所述制备熔浆步骤中基体材料为Al-Si系合金，外加颗粒为SiC颗粒、Al₂O₃颗粒或SiC、Al₂O₃混合颗粒。

本发明的有益效果在于：本发明的离心铸造方法，由于增强颗粒的密度小于铝熔浆基体，离心过程中受到指向活塞顶端的离心浮力，不断向活塞顶端聚集，最终形成顶端具有高体积分数增强颗粒的活塞。另外，本发明离心成型时有外加磁场，熔浆在旋转的过程中受到与铸型旋转方向相反的电磁力，这种电磁力使凝固前沿处熔浆与已凝固部分产生转速差，从而产生相对运动。这种相对运动一方面可以打散凝固前沿处团聚的增强颗粒，有效避免增强颗粒的团聚与粘连，提高颗粒与基体的结合强度；另一方面，这种相对运动也可以细化基体中的共晶组织，避免板条状和团簇状的共晶组织出现，进一步提高活塞的力学和热学性能。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述；