專利名稱：局部顆粒增強(qiáng)活塞及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸部件，特別是一種局部顆粒增強(qiáng)活塞及其制造 方法。
背景技術(shù)：
活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)重要部件，活塞的機(jī)械性能和熱性能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率、使 用壽命以及工作狀態(tài)有重要的影響。隨著節(jié)能環(huán)保意識(shí)的進(jìn)一步，發(fā)動(dòng)機(jī)活塞 在強(qiáng)度、耐磨性、高精度、低膨脹和重量輕等方面都有了較高的要求，隨之出 現(xiàn)了密度較小的鋁合金等材料制造的活塞，為了增加密度較小的鋁活塞的強(qiáng)度 和耐熱性，活塞的結(jié)構(gòu)向復(fù)合組合化方向發(fā)展。
為很好的解決活塞的耐磨性、高溫性能等問題，普遍采用在活塞基體上局 部增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)各種活塞的不同要求，使用增強(qiáng)顆粒重點(diǎn)增強(qiáng)活塞環(huán) 槽、活塞頂、銷孔等部位。現(xiàn)有成形技術(shù)中，主要包括增強(qiáng)顆粒預(yù)制件與活塞 基體的擠壓鑄造浸滲復(fù)合法和增強(qiáng)顆粒與活塞鋁合金基體的鑲鑄復(fù)合法。以上 局部增強(qiáng)活塞需要預(yù)先制備出局部增強(qiáng)區(qū)域的預(yù)制塊或復(fù)合材料的活塞組件， 整個(gè)工藝過程復(fù)雜，成本較高，局部增強(qiáng)區(qū)域與基體結(jié)合過渡變化劇烈，容易 產(chǎn)生性能的急劇變化，而且還存在局部增強(qiáng)部位脫落的可能，造成安全隱患。
因此，需要一種局部增強(qiáng)活塞，傳熱性能和耐磨性好、高溫強(qiáng)度好、熱膨 脹系數(shù)低，局部增強(qiáng)區(qū)域與基體結(jié)合過渡均勻平緩，無性能上的急劇變化，消 除存在局部增強(qiáng)部位脫落的可能，并且活塞的局部增強(qiáng)方法工藝過程簡單，成 本低。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種局部顆粒增強(qiáng)活塞及其制造方法，該 活塞不僅導(dǎo)熱性和耐磨性好、高溫強(qiáng)度好、熱膨脹系數(shù)低，而且局部增強(qiáng)區(qū)域 與未增強(qiáng)基體合金區(qū)域結(jié)合過渡均勻平緩，使活塞材料的性能無急劇變化，消 除現(xiàn)有活塞局部增強(qiáng)技術(shù)存在的局部增強(qiáng)部位脫落的可能。并且活塞的局部增 強(qiáng)方法工藝過程簡單，成本低，提高活塞性能。
本發(fā)明的局部顆粒增強(qiáng)活塞，包括頭部、裙部和銷座，所述頭部包括活塞 頂和環(huán)槽部分，所述活塞頂和環(huán)槽部分為增強(qiáng)顆粒分布在活塞基體材料內(nèi)形成 的增強(qiáng)區(qū)域，裙部為非增強(qiáng)區(qū)域，所述增強(qiáng)區(qū)域與非增強(qiáng)區(qū)域之間通過冶金結(jié) 合的方式進(jìn)行結(jié)合。
進(jìn)一步，增強(qiáng)區(qū)域內(nèi)由活塞頂至環(huán)槽部分增強(qiáng)顆粒按體積百分含量由高到 低逐漸過渡，所述增強(qiáng)區(qū)域與非增強(qiáng)區(qū)域之間通過冶金結(jié)合的過渡層進(jìn)行結(jié)合，
所述過渡層的增強(qiáng)顆粒從增強(qiáng)區(qū)域至非增強(qiáng)區(qū)域逐漸降為零；
進(jìn)一步，所述增強(qiáng)區(qū)域與過渡層界面的增強(qiáng)顆粒按體積百分含量大于等于
跳
進(jìn)一步，所述增強(qiáng)區(qū)域與過渡層界面的增強(qiáng)顆粒按體積百分含量為20—
30%;
進(jìn)一步，所述增強(qiáng)區(qū)域與過渡層界面的增強(qiáng)顆粒按體積百分含量為25%;
進(jìn)一步，所述增強(qiáng)顆粒為SiC或/和A:U03陶瓷增強(qiáng)顆粒，粒徑為10 50pm; 進(jìn)一步，所述活塞基體材料為鋁或鋁基合金；
進(jìn)一步，所述增強(qiáng)區(qū)域與非增強(qiáng)區(qū)域之間的界面在活塞的縱向剖面上為圓 弧頂朝向活塞頂部的圓弧形；
本發(fā)明還公開了局部顆粒增強(qiáng)活塞的制造方法，包括熔融態(tài)復(fù)合材料的制 備、鑄造和后續(xù)加工，所述增強(qiáng)顆粒與活塞基體材料之間存在密度差，通過離 心鑄造的方式實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)顆粒在活塞內(nèi)向活塞頂部偏聚，致使活塞分為位于活塞
頂和環(huán)槽部分的增強(qiáng)區(qū)域和位于裙部的非增強(qiáng)區(qū)域。
進(jìn)一步，離心鑄造的模具為水平對(duì)開式模具，包括上模具、下模具和模具 的澆注口，所述模具的澆注口設(shè)置在模具的旋轉(zhuǎn)中心，活塞鑄件成型型腔沿徑
向分布于旋轉(zhuǎn)中心的四周；離心鑄造過程中，離心轉(zhuǎn)速為400—1200rpm，模具 溫度為250 700°C。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明的局部顆粒增強(qiáng)活塞，采用通過冶金結(jié)合的 方式進(jìn)行結(jié)合的增強(qiáng)區(qū)域與非增強(qiáng)區(qū)域結(jié)構(gòu)，局部增強(qiáng)區(qū)域與非增強(qiáng)區(qū)域結(jié)合 過渡均勻平緩，實(shí)現(xiàn)局部增強(qiáng)區(qū)域與非增強(qiáng)區(qū)域的連續(xù)過渡，無性能上的急劇 變化，局部增強(qiáng)區(qū)域的活塞頭部熱膨脹系數(shù)低，活塞環(huán)槽部分耐磨性好，使得 發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率提高，活塞使用壽命增長，增強(qiáng)顆粒在非增強(qiáng)區(qū)域內(nèi)的含量 為零，在增加增強(qiáng)區(qū)域的耐磨性的同時(shí)，并不影響活塞整體的抗拉強(qiáng)度等機(jī)械 性能；增強(qiáng)區(qū)域內(nèi)由活塞頂至環(huán)槽部分增強(qiáng)顆粒按體積百分含量由高到低逐漸 過渡，可以保證頂部增強(qiáng)顆粒的百分含量，提高頂部的耐熱疲勞性能、增強(qiáng)環(huán) 槽部分的耐磨性，同時(shí)保證環(huán)槽部分的良好的機(jī)械性能；利用增強(qiáng)顆粒與活塞 基體材料之間的密度差，根據(jù)活塞各個(gè)部分的工作情況，運(yùn)用離心鑄造方法對(duì) 陶瓷顆粒進(jìn)行了重新分配，實(shí)現(xiàn)顆粒的局部偏聚，該方法工藝簡單，制造成本 低；本發(fā)明對(duì)于替代進(jìn)口，促進(jìn)國內(nèi)高檔發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，促進(jìn)整個(gè)活塞行業(yè)的 技術(shù)提高都具有重要意義。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明離心鑄造模具示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示本實(shí)施例的局部顆粒增強(qiáng)活塞，包括頭部、裙部3和銷座4，所述頭部包括活塞頂1和環(huán)槽部分2，活塞頂l和 環(huán)槽部分2為增強(qiáng)顆粒分布在活塞基體材料內(nèi)形成的增強(qiáng)區(qū)域，裙部3為非增 強(qiáng)區(qū)域，增強(qiáng)區(qū)域內(nèi)由活塞頂1至環(huán)槽部分2增強(qiáng)顆粒按體積百分含量由高到 低逐漸過渡，所述增強(qiáng)區(qū)域與非增強(qiáng)區(qū)域之間通過冶金結(jié)合的過渡層5進(jìn)行結(jié) 合，過渡層的增強(qiáng)顆粒從增強(qiáng)區(qū)域至非增強(qiáng)區(qū)域逐漸降為零，增強(qiáng)區(qū)域與非增 強(qiáng)區(qū)域之間的界面在活塞的縱向剖面上為圓弧頂朝向活塞頂部的圓弧形。
以下為活塞增強(qiáng)區(qū)域與過渡層界面的增強(qiáng)顆粒按體積百分含量的實(shí)施例 實(shí)施例一
增強(qiáng)區(qū)域與過渡層界面的增強(qiáng)顆粒按體積百分含量大于等于10%;增強(qiáng)顆粒 為SiC陶瓷增強(qiáng)顆粒，粒徑為10 50pim，活塞基體材料為鋁或鋁基合金。 實(shí)施例二
增強(qiáng)區(qū)域與過渡層界面的增強(qiáng)顆粒按體積百分含量為20%;增強(qiáng)顆粒為SiC 陶瓷增強(qiáng)顆粒，粒徑為10 50pim，本實(shí)施例增強(qiáng)區(qū)域與過渡層界面的增強(qiáng)顆粒 體積百分含量使活塞的增強(qiáng)區(qū)域的熱膨脹性能，耐磨性和活塞整體的抗拉性能 等性能優(yōu)于實(shí)施例一。
實(shí)施例三
增強(qiáng)區(qū)域與過渡層界面的增強(qiáng)顆粒按體積百分含量為25%;增強(qiáng)顆粒為SiC 陶瓷增強(qiáng)顆粒，粒徑為10 50pm，本實(shí)施例增強(qiáng)區(qū)域與過渡層界面的增強(qiáng)顆粒 體積百分含量使活塞的增強(qiáng)區(qū)域的熱膨脹性能，耐磨性和活塞整體的抗拉性能 等性能優(yōu)于實(shí)施例二。
實(shí)施例四
增強(qiáng)區(qū)域與過渡層界面的增強(qiáng)顆粒按體積百分含量為30%;增強(qiáng)顆粒為SiC 陶瓷增強(qiáng)顆粒，粒徑為10 50pm，本實(shí)施例增強(qiáng)區(qū)域與過渡層界面的增強(qiáng)顆粒 體積百分含量使活塞的增強(qiáng)區(qū)域的熱膨脹性能，耐磨性和活塞整體的抗拉性能 等性能優(yōu)于實(shí)施例一。
實(shí)施例五
增強(qiáng)區(qū)域與過渡層界面的增強(qiáng)顆粒按體積百分含量為20%;增強(qiáng)顆粒為A1203 陶瓷增強(qiáng)顆粒，粒徑為10 50pm。 實(shí)施例六
增強(qiáng)區(qū)域與過渡層界面的增強(qiáng)顆粒按體積百分含量為25%;增強(qiáng)顆粒為SiC 和A1A混合陶瓷增強(qiáng)顆粒，粒徑為10 5(Vm，本實(shí)施例增強(qiáng)區(qū)域與過渡層界 面的增強(qiáng)顆粒體積百分含量使活塞的增強(qiáng)區(qū)域的熱膨脹性能，耐磨性和活塞整 體的抗拉性能等優(yōu)于以上實(shí)施例，并且由于Al203的密度較大，通過離心鑄造， 由于AU)3對(duì)SiC的后推作用，使SiC快速偏聚于活塞頂部，活塞的增強(qiáng)區(qū)域和 非增強(qiáng)區(qū)域界限明顯。
實(shí)施例七
增強(qiáng)區(qū)域與過渡層界面的增強(qiáng)顆粒按體積百分含量為30%;增強(qiáng)顆粒為SiC 和A1A混合陶瓷增強(qiáng)顆粒，粒徑為10 50pm。
圖2為本發(fā)明離心鑄造模具示意圖，如圖所示離心鑄造的模具為水平對(duì) 開式模具，包括上模具6、下模具8和模具的澆注口 9，模具的澆注口 9設(shè)置在 模具的旋轉(zhuǎn)中心，活塞鑄件成型型腔7沿徑向分布于旋轉(zhuǎn)中心的四周，本實(shí)施 例中活塞鑄件成型型腔7為四個(gè)均布在旋轉(zhuǎn)中心的四周。
本發(fā)明在鑄造過程中，先根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特征和離心成形特征設(shè)計(jì)好成型模 具；再將一定體積分?jǐn)?shù)的均勻分布的顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料加熱到熔融狀態(tài)待用， 同時(shí)將預(yù)熱好的下模具8固定在離心機(jī)上，安置好砂芯10，合好模具；然后啟 動(dòng)離心機(jī)將熔融復(fù)合材料澆注到成型模具的型腔中并在一定轉(zhuǎn)速條件下成形活 塞零件；在離心力作用下成形具有局部顆粒增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料活塞。所成形 的活塞分為位于活塞頂1和環(huán)槽部分2的增強(qiáng)區(qū)域和位于裙部3的非增強(qiáng)區(qū)域， 實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)區(qū)域與非增強(qiáng)區(qū)域之間通過冶金結(jié)合的過渡層5進(jìn)行結(jié)合。
具體實(shí)施例如下
制造實(shí)施例一
本發(fā)明的局部顆粒增強(qiáng)活塞的制造方法，增強(qiáng)顆粒為SiC陶瓷顆粒，密度 大于活塞基體材料鋁基合金，通過離心鑄造的方式實(shí)現(xiàn)SiC陶瓷顆粒在活塞內(nèi) 向活塞頂部偏聚，致使活塞分為位于活塞頂1和環(huán)槽部分2的增強(qiáng)區(qū)域和位于 裙部3的非增強(qiáng)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)區(qū)域與非增強(qiáng)區(qū)域之間通過冶金結(jié)合的過渡層5 進(jìn)行結(jié)合，因?yàn)殡x心鑄造的特點(diǎn)，過渡層的增強(qiáng)顆粒從增強(qiáng)區(qū)域至非增強(qiáng)區(qū)域 逐漸降為零；宏觀上觀察，增強(qiáng)區(qū)域與非增強(qiáng)區(qū)域之間界限明顯；
離心鑄造過程中，離心轉(zhuǎn)速為400rpm，模具溫度控制在500-700'C。
制造實(shí)施例二
本發(fā)明的局部顆粒增強(qiáng)活塞的制造方法，增強(qiáng)顆粒為A]U03陶瓷顆粒，密度 大于活塞基體材料鋁基合金，通過離心鑄造的方式實(shí)現(xiàn)八1203陶瓷顆粒在活塞內(nèi) 向活塞頂部偏聚，致使活塞分為位于活塞頂1和環(huán)槽部分2的增強(qiáng)區(qū)域和位于 裙部3的非增強(qiáng)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)區(qū)域與非增強(qiáng)區(qū)域之間通過冶金結(jié)合的過渡層5 進(jìn)行結(jié)合，因?yàn)殡x心鑄造的特點(diǎn)，過渡層的增強(qiáng)顆粒從增強(qiáng)區(qū)域至非增強(qiáng)區(qū)域 逐漸降為零；宏觀上觀察，增強(qiáng)區(qū)域與非增強(qiáng)區(qū)域之間界限明顯；
離心鑄造過程中，離心轉(zhuǎn)速為1200rpm，模具溫度控制在250 350°C。
制造實(shí)施例三
本發(fā)明的局部顆粒增強(qiáng)活塞的制造方法，增強(qiáng)顆粒為SiC和A1A混合物陶 瓷顆粒，密度大于活塞基體材料鋁基合金，通過離心鑄造的方式實(shí)現(xiàn)SiC和A1203 陶瓷顆粒在活塞內(nèi)向活塞頂部偏聚，致使活塞分為位于活塞頂1和環(huán)槽部分2 的增強(qiáng)區(qū)域和位于裙部3的非增強(qiáng)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)區(qū)域與非增強(qiáng)區(qū)域之間通過 冶金結(jié)合的過渡層5進(jìn)行結(jié)合，因?yàn)殡x心鑄造的特點(diǎn)，過渡層的增強(qiáng)顆粒從增 強(qiáng)區(qū)域至非增強(qiáng)區(qū)域逐漸降為零；宏觀上觀察，增強(qiáng)區(qū)域與非增強(qiáng)區(qū)域之間界 限明顯；
離心鑄造過程中，離心轉(zhuǎn)速為800rpm，模具溫度控制在350 500°C 。 本發(fā)明中通過調(diào)整鋁合金中SiC或八1203或二者的混合物的含量與離心成形
9
工藝(如澆溫、模具溫度、離心轉(zhuǎn)速等工藝條件)，可以把增強(qiáng)區(qū)域設(shè)計(jì)與控制
成驟變梯度分布狀態(tài)；通過定量鋁水與調(diào)整離心鑄造工藝，可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)區(qū)域 厚度的設(shè)計(jì)與控制；通過調(diào)整離心轉(zhuǎn)速與合金中SiC或AlA的含量，可以實(shí)現(xiàn) 增強(qiáng)顆粒體積分?jǐn)?shù)的可設(shè)計(jì)性與可控制性；通過控制增強(qiáng)顆粒的體積分?jǐn)?shù)與粒 徑大小，可以設(shè)計(jì)與控制增強(qiáng)的耐磨性能、拉伸強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹性能 等性能。
因此，可以通過簡單的工藝調(diào)整，可以大大增強(qiáng)活塞的機(jī)械性能和熱性能， 提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率，并且制造工藝過程簡單，生產(chǎn)效率高。
最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管 參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解， 可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的 宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種局部顆粒增強(qiáng)活塞，包括頭部、裙部(3)和銷座(4)，所述頭部包括活塞頂(1)和環(huán)槽部分(2)，其特征在于所述活塞頂(1)和環(huán)槽部分(2)為增強(qiáng)顆粒分布在活塞基體材料內(nèi)形成的增強(qiáng)區(qū)域，裙部(3)為非增強(qiáng)區(qū)域，所述增強(qiáng)區(qū)域與非增強(qiáng)區(qū)域之間通過冶金結(jié)合的方式進(jìn)行結(jié)合。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的局部顆粒增強(qiáng)活塞，其特征在于增強(qiáng)區(qū)域內(nèi)由活塞頂(1)至環(huán)槽部分(2)增強(qiáng)顆粒按體積百分含量由高到低逐漸過渡，所 述增強(qiáng)區(qū)域與非增強(qiáng)區(qū)域之間通過冶金結(jié)合的過渡層(5)進(jìn)行結(jié)合，所述過渡 層的增強(qiáng)顆粒從增強(qiáng)區(qū)域至非增強(qiáng)區(qū)域逐漸降為零。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的局部顆粒增強(qiáng)活塞，其特征在于所述增強(qiáng)區(qū)域 與過渡層界面的增強(qiáng)顆粒按體積百分含量大于等于10%。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的局部顆粒增強(qiáng)活塞，其特征在于所述增強(qiáng)區(qū)域與過渡層界面的增強(qiáng)顆粒按體積百分含量為20—30%。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的局部顆粒增強(qiáng)活塞，其特征在于所述增強(qiáng)區(qū)域 與過渡層界面的增強(qiáng)顆粒按體積百分含量為25%。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的局部顆粒增強(qiáng)活塞，其特征在于所述增強(qiáng)顆粒 為SiC或/和八1203陶瓷增強(qiáng)顆粒，粒徑為10 5(^m。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的局部顆粒增強(qiáng)活塞，其特征在于所述活塞基體 材料為鋁或鋁基合金。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的局部顆粒增強(qiáng)活塞，其特征在于所述增強(qiáng)區(qū)域 與非增強(qiáng)區(qū)域之間的界面在活塞的縱向剖面上為圓弧頂朝向活塞頂部的圓弧 形。
9. 一種權(quán)利要求1所述的局部顆粒增強(qiáng)活塞的制造方法，包括熔融態(tài)復(fù)合 材料的制備、鑄造和后續(xù)加工，其特征在于所述增強(qiáng)顆粒與活塞基體材料之間存在密度差，通過離心鑄造的方式實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)顆粒在活塞內(nèi)向活塞頂部偏聚，致使活塞分為位于活塞頂(1)和環(huán)槽部分(2)的增強(qiáng)區(qū)域和位于裙部(3)的 非增強(qiáng)區(qū)域。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的局部顆粒增強(qiáng)活塞的制造方法，其特征在于 離心鑄造的模具為水平對(duì)開式模具，包括上模具(6)、下模具(8)和模具的澆 注口 (9)，所述模具的澆注口 (9)設(shè)置在模具的旋轉(zhuǎn)中心，活塞鑄件成型型腔 (7)沿徑向分布于旋轉(zhuǎn)中心的四周；離心鑄造過程中，離心轉(zhuǎn)速為400— 1200rpm，模具溫度為250 700°C 。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種局部顆粒增強(qiáng)活塞及其制造方法，包括頭部、裙部和銷座，頭部包括活塞頂和環(huán)槽部分，活塞頂和環(huán)槽部分為增強(qiáng)顆粒分布在活塞基體材料內(nèi)形成的增強(qiáng)區(qū)域，裙部為非增強(qiáng)區(qū)域，增強(qiáng)區(qū)域與非增強(qiáng)區(qū)域之間通過冶金結(jié)合的方式進(jìn)行結(jié)合，本發(fā)明在增加活塞頭部的耐磨性、降低熱膨脹系數(shù)的同時(shí)，保證了活塞裙部良好的機(jī)械性能，實(shí)現(xiàn)了局部增強(qiáng)區(qū)域與非增強(qiáng)區(qū)域組織結(jié)構(gòu)和性能的連續(xù)過渡，發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率提高，活塞使用壽命增長；為制得該活塞，本發(fā)明運(yùn)用離心鑄造方法使熔制的均質(zhì)復(fù)合材料中的增強(qiáng)顆粒在活塞頭部聚集，工藝簡單，制造成本低。
文檔編號(hào)B22D13/00GK101338708SQ20081007019
公開日2009年1月7日 申請(qǐng)日期2008年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月27日
發(fā)明者劉昌明, 李富強(qiáng), 開 王, 鄒茂華 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)