專利名稱：局部顆粒增強活塞及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種發動機汽缸部件，特別是一種局部顆粒增強活塞及其制造 方法。
背景技術：
活塞是發動機重要部件，活塞的機械性能和熱性能對發動機工作效率、使 用壽命以及工作狀態有重要的影響。隨著節能環保意識的進一步，發動機活塞 在強度、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度 和耐熱性，活塞的結構向復合組合化方向發展。
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 部增強的結構形式，根據各種活塞的不同要求，使用增強顆粒重點增強活塞環 槽、活塞頂、銷孔等部位。現有成形技術中，主要包括增強顆粒預制件與活塞 基體的擠壓鑄造浸滲復合法和增強顆粒與活塞鋁合金基體的鑲鑄復合法。以上 局部增強活塞需要預先制備出局部增強區域的預制塊或復合材料的活塞組件， 整個工藝過程復雜，成本較高，局部增強區域與基體結合過渡變化劇烈，容易 產生性能的急劇變化，而且還存在局部增強部位脫落的可能，造成安全隱患。
因此，需要一種局部增強活塞，傳熱性能和耐磨性好、高溫強度好、熱膨 脹系數低，局部增強區域與基體結合過渡均勻平緩，無性能上的急劇變化，消 除存在局部增強部位脫落的可能，并且活塞的局部增強方法工藝過程簡單，成 本低。

發明內容
有鑒于此，本發明的目的是提供一種局部顆粒增強活塞及其制造方法，該 活塞不僅導熱性和耐磨性好、高溫強度好、熱膨脹系數低，而且局部增強區域 與未增強基體合金區域結合過渡均勻平緩，使活塞材料的性能無急劇變化，消 除現有活塞局部增強技術存在的局部增強部位脫落的可能。并且活塞的局部增 強方法工藝過程簡單，成本低，提高活塞性能。
本發明的局部顆粒增強活塞，包括頭部、裙部和銷座，所述頭部包括活塞 頂和環槽部分，所述活塞頂和環槽部分為增強顆粒分布在活塞基體材料內形成 的增強區域，裙部為非增強區域，所述增強區域與非增強區域之間通過冶金結 合的方式進行結合。
進一步，增強區域內由活塞頂至環槽部分增強顆粒按體積百分含量由高到 低逐漸過渡，所述增強區域與非增強區域之間通過冶金結合的過渡層進行結合，
所述過渡層的增強顆粒從增強區域至非增強區域逐漸降為零；
進一步，所述增強區域與過渡層界面的增強顆粒按體積百分含量大于等于
跳
進一步，所述增強區域與過渡層界面的增強顆粒按體積百分含量為20—
30%;
進一步，所述增強區域與過渡層界面的增強顆粒按體積百分含量為25%;
進一步，所述增強顆粒為SiC或/和A:U03陶瓷增強顆粒，粒徑為10 50pm; 進一步，所述活塞基體材料為鋁或鋁基合金；
進一步，所述增強區域與非增強區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；
本發明還公開了局部顆粒增強活塞的制造方法，包括熔融態復合材料的制 備、鑄造和后續加工，所述增強顆粒與活塞基體材料之間存在密度差，通過離 心鑄造的方式實現增強顆粒在活塞內向活塞頂部偏聚，致使活塞分為位于活塞
頂和環槽部分的增強區域和位于裙部的非增強區域。
進一步，離心鑄造的模具為水平對開式模具，包括上模具、下模具和模具 的澆注口，所述模具的澆注口設置在模具的旋轉中心，活塞鑄件成型型腔沿徑
向分布于旋轉中心的四周；離心鑄造過程中，離心轉速為400—1200rpm，模具 溫度為250 700°C。
本發明的有益效果是本發明的局部顆粒增強活塞，采用通過冶金結合的 方式進行結合的增強區域與非增強區域結構，局部增強區域與非增強區域結合 過渡均勻平緩，實現局部增強區域與非增強區域的連續過渡，無性能上的急劇 變化，局部增強區域的活塞頭部熱膨脹系數低，活塞環槽部分耐磨性好，使得 發動機的有效功率提高，活塞使用壽命增長，增強顆粒在非增強區域內的含量 為零，在增加增強區域的耐磨性的同時，并不影響活塞整體的抗拉強度等機械 性能；增強區域內由活塞頂至環槽部分增強顆粒按體積百分含量由高到低逐漸 過渡，可以保證頂部增強顆粒的百分含量，提高頂部的耐熱疲勞性能、增強環 槽部分的耐磨性，同時保證環槽部分的良好的機械性能；利用增強顆粒與活塞 基體材料之間的密度差，根據活塞各個部分的工作情況，運用離心鑄造方法對 陶瓷顆粒進行了重新分配，實現顆粒的局部偏聚，該方法工藝簡單，制造成本 低；本發明對于替代進口，促進國內高檔發動機的發展，促進整個活塞行業的 技術提高都具有重要意義。


下面結合附圖和實施例對本發明作進一步描述。
圖1為本發明的結構示意圖2為本發明離心鑄造模具示意圖。
具體實施例方式
圖1為本發明的結構示意圖，如圖所示本實施例的局部顆粒增強活塞，包括頭部、裙部3和銷座4，所述頭部包括活塞頂1和環槽部分2，活塞頂l和 環槽部分2為增強顆粒分布在活塞基體材料內形成的增強區域，裙部3為非增 強區域，增強區域內由活塞頂1至環槽部分2增強顆粒按體積百分含量由高到 低逐漸過渡，所述增強區域與非增強區域之間通過冶金結合的過渡層5進行結 合，過渡層的增強顆粒從增強區域至非增強區域逐漸降為零，增強區域與非增 強區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。
以下為活塞增強區域與過渡層界面的增強顆粒按體積百分含量的實施例 實施例一
增強區域與過渡層界面的增強顆粒按體積百分含量大于等于10%;增強顆粒 為SiC陶瓷增強顆粒，粒徑為10 50pim，活塞基體材料為鋁或鋁基合金。 實施例二
增強區域與過渡層界面的增強顆粒按體積百分含量為20%;增強顆粒為SiC 陶瓷增強顆粒，粒徑為10 50pim，本實施例增強區域與過渡層界面的增強顆粒 體積百分含量使活塞的增強區域的熱膨脹性能，耐磨性和活塞整體的抗拉性能 等性能優于實施例一。
實施例三
增強區域與過渡層界面的增強顆粒按體積百分含量為25%;增強顆粒為SiC 陶瓷增強顆粒，粒徑為10 50pm，本實施例增強區域與過渡層界面的增強顆粒 體積百分含量使活塞的增強區域的熱膨脹性能，耐磨性和活塞整體的抗拉性能 等性能優于實施例二。
實施例四
增強區域與過渡層界面的增強顆粒按體積百分含量為30%;增強顆粒為SiC 陶瓷增強顆粒，粒徑為10 50pm，本實施例增強區域與過渡層界面的增強顆粒 體積百分含量使活塞的增強區域的熱膨脹性能，耐磨性和活塞整體的抗拉性能 等性能優于實施例一。
實施例五
增強區域與過渡層界面的增強顆粒按體積百分含量為20%;增強顆粒為A1203 陶瓷增強顆粒，粒徑為10 50pm。 實施例六
增強區域與過渡層界面的增強顆粒按體積百分含量為25%;增強顆粒為SiC 和A1A混合陶瓷增強顆粒，粒徑為10 5(Vm，本實施例增強區域與過渡層界 面的增強顆粒體積百分含量使活塞的增強區域的熱膨脹性能，耐磨性和活塞整 體的抗拉性能等優于以上實施例，并且由于Al203的密度較大，通過離心鑄造， 由于AU)3對SiC的后推作用，使SiC快速偏聚于活塞頂部，活塞的增強區域和 非增強區域界限明顯。
實施例七
增強區域與過渡層界面的增強顆粒按體積百分含量為30%;增強顆粒為SiC 和A1A混合陶瓷增強顆粒，粒徑為10 50pm。
圖2為本發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 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設置在 模具的旋轉中心，活塞鑄件成型型腔7沿徑向分布于旋轉中心的四周，本實施 例中活塞鑄件成型型腔7為四個均布在旋轉中心的四周。
本發明在鑄造過程中，先根據零件結構特征和離心成形特征設計好成型模 具；再將一定體積分數的均勻分布的顆粒增強復合材料加熱到熔融狀態待用， 同時將預熱好的下模具8固定在離心機上，安置好砂芯10，合好模具；然后啟 動離心機將熔融復合材料澆注到成型模具的型腔中并在一定轉速條件下成形活 塞零件；在離心力作用下成形具有局部顆粒增強的鋁基復合材料活塞。所成形 的活塞分為位于活塞頂1和環槽部分2的增強區域和位于裙部3的非增強區域， 實現增強區域與非增強區域之間通過冶金結合的過渡層5進行結合。
具體實施例如下
制造實施例一
本發明的局部顆粒增強活塞的制造方法，增強顆粒為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現SiC陶瓷顆粒在活塞內 向活塞頂部偏聚，致使活塞分為位于活塞頂1和環槽部分2的增強區域和位于 裙部3的非增強區域，實現增強區域與非增強區域之間通過冶金結合的過渡層5 進行結合，因為離心鑄造的特點，過渡層的增強顆粒從增強區域至非增強區域 逐漸降為零；宏觀上觀察，增強區域與非增強區域之間界限明顯；
離心鑄造過程中，離心轉速為400rpm，模具溫度控制在500-700'C。
制造實施例二
本發明的局部顆粒增強活塞的制造方法，增強顆粒為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現八1203陶瓷顆粒在活塞內 向活塞頂部偏聚，致使活塞分為位于活塞頂1和環槽部分2的增強區域和位于 裙部3的非增強區域，實現增強區域與非增強區域之間通過冶金結合的過渡層5 進行結合，因為離心鑄造的特點，過渡層的增強顆粒從增強區域至非增強區域 逐漸降為零；宏觀上觀察，增強區域與非增強區域之間界限明顯；
離心鑄造過程中，離心轉速為1200rpm，模具溫度控制在250 350°C。
制造實施例三
本發明的局部顆粒增強活塞的制造方法，增強顆粒為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現SiC和A1203 陶瓷顆粒在活塞內向活塞頂部偏聚，致使活塞分為位于活塞頂1和環槽部分2 的增強區域和位于裙部3的非增強區域，實現增強區域與非增強區域之間通過 冶金結合的過渡層5進行結合，因為離心鑄造的特點，過渡層的增強顆粒從增 強區域至非增強區域逐漸降為零；宏觀上觀察，增強區域與非增強區域之間界 限明顯；
離心鑄造過程中，離心轉速為800rpm，模具溫度控制在350 500°C 。 本發明中通過調整鋁合金中SiC或八1203或二者的混合物的含量與離心成形
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工藝(如澆溫、模具溫度、離心轉速等工藝條件)，可以把增強區域設計與控制
成驟變梯度分布狀態；通過定量鋁水與調整離心鑄造工藝，可以實現增強區域 厚度的設計與控制；通過調整離心轉速與合金中SiC或AlA的含量，可以實現 增強顆粒體積分數的可設計性與可控制性；通過控制增強顆粒的體積分數與粒 徑大小，可以設計與控制增強的耐磨性能、拉伸強度、導熱系數、熱膨脹性能 等性能。
因此，可以通過簡單的工藝調整，可以大大增強活塞的機械性能和熱性能， 提高發動機工作效率，并且制造工藝過程簡單，生產效率高。
最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管 參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解， 可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的 宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.一種局部顆粒增強活塞，包括頭部、裙部(3)和銷座(4)，所述頭部包括活塞頂(1)和環槽部分(2)，其特征在于所述活塞頂(1)和環槽部分(2)為增強顆粒分布在活塞基體材料內形成的增強區域，裙部(3)為非增強區域，所述增強區域與非增強區域之間通過冶金結合的方式進行結合。
2. 根據權利要求1所述的局部顆粒增強活塞，其特征在于增強區域內由活塞頂(1)至環槽部分(2)增強顆粒按體積百分含量由高到低逐漸過渡，所 述增強區域與非增強區域之間通過冶金結合的過渡層(5)進行結合，所述過渡 層的增強顆粒從增強區域至非增強區域逐漸降為零。
3. 根據權利要求2所述的局部顆粒增強活塞，其特征在于所述增強區域 與過渡層界面的增強顆粒按體積百分含量大于等于10%。
4. 根據權利要求3所述的局部顆粒增強活塞，其特征在于所述增強區域與過渡層界面的增強顆粒按體積百分含量為20—30%。
5. 根據權利要求4所述的局部顆粒增強活塞，其特征在于所述增強區域 與過渡層界面的增強顆粒按體積百分含量為25%。
6. 根據權利要求5所述的局部顆粒增強活塞，其特征在于所述增強顆粒 為SiC或/和八1203陶瓷增強顆粒，粒徑為10 5(^m。
7. 根據權利要求6所述的局部顆粒增強活塞，其特征在于所述活塞基體 材料為鋁或鋁基合金。
8. 根據權利要求7所述的局部顆粒增強活塞，其特征在于所述增強區域 與非增強區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. 一種權利要求1所述的局部顆粒增強活塞的制造方法，包括熔融態復合 材料的制備、鑄造和后續加工，其特征在于所述增強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現增強顆粒在活塞內向活塞頂部偏聚，致使活塞分為位于活塞頂(1)和環槽部分(2)的增強區域和位于裙部(3)的 非增強區域。
10.根據權利要求9所述的局部顆粒增強活塞的制造方法，其特征在于 離心鑄造的模具為水平對開式模具，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)設置在模具的旋轉中心，活塞鑄件成型型腔 (7)沿徑向分布于旋轉中心的四周；離心鑄造過程中，離心轉速為400— 1200rpm，模具溫度為250 700°C 。
全文摘要
本發明公開了一種局部顆粒增強活塞及其制造方法，包括頭部、裙部和銷座，頭部包括活塞頂和環槽部分，活塞頂和環槽部分為增強顆粒分布在活塞基體材料內形成的增強區域，裙部為非增強區域，增強區域與非增強區域之間通過冶金結合的方式進行結合，本發明在增加活塞頭部的耐磨性、降低熱膨脹系數的同時，保證了活塞裙部良好的機械性能，實現了局部增強區域與非增強區域組織結構和性能的連續過渡，發動機的有效功率提高，活塞使用壽命增長；為制得該活塞，本發明運用離心鑄造方法使熔制的均質復合材料中的增強顆粒在活塞頭部聚集，工藝簡單，制造成本低。
文檔編號B22D13/00GK101338708SQ20081007019
公開日2009年1月7日 申請日期2008年8月27日 優先權日2008年8月27日
發明者劉昌明, 李富強, 開 王, 鄒茂華 申請人:重慶大學