CN107904453A - 一种发动机杆件 - Google Patents
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Abstract
本发明设计一种发动机杆件，属于汽车零部件技术领域。发动机杆件包括铝合金基体以及基体表面的富镁涂层，所述铝合金基体包括如下质量份数的原料组分：硅粉6‑8份，铁粉0.1‑0.3份，铜粉0.01‑0.03份，锌粉0.02‑0.05份，锰粉0.008‑0.03份，TiB2颗粒0.5‑2份，CeO2粉末0.1‑0.3份，Y2O5粉末0.1‑0.3份，铝粉85‑95份。本发明发动机杆件采用铝合金基体以及涂覆在基基体表面的富镁涂层，合理配比铝合金基体的金属粉末，再配合热压成型、表面离子束轰击处理富镁涂层以及较低温度的热处理，进一步提高发动机杆件的硬度、强度、耐磨性和耐腐蚀性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种发动机杆件，具体涉及一种汽车发动机杆件，属于汽车零部件技术领域。
背景技术
杆件的大头与曲轴的曲柄销相连，大头一般作剖分式，被分开的部分称为连杆盖，接特制的连杆螺栓紧固在杆件的大头上。大头孔表面有很高的光洁度，以便与连杆轴瓦紧密贴和。杆件大头还铣有定位坑，杆件的大端还有孔。杆件作为传递力的主要部件广泛应用于各类动力机车上，是各类柴油机或汽油机的重要部件。发动机杆件在传递力的过程中，承受着很高的周期性冲击力、惯性力和弯曲力。这就要求发动机杆件应具有很高的强度、耐磨性和耐蚀性。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提出了一种高硬度、高耐磨、高耐蚀的发动机杆件。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种发动机杆件，其特征在于，所述的发动机杆件包括铝合金基体以及基体表面的富镁涂层，所述铝合金基体包括如下质量份数的原料组分：硅粉6-8份，铁粉0.1-0.3份，铜粉0.01-0.03份，锌粉0.02-0.05份，锰粉0.008-0.03份，TiB2颗粒0.5-2份，CeO2粉末0.1-0.3份，Y2O5粉末0.1-0.3份，铝粉85-95份。
本发明发动机杆件合理配比基体铝合金的成分，在基础金属粉中加入适量的TiB2颗粒、CeO2粉末、Y2O5粉末，TiB2颗粒的存在不仅可以起到良好的强化作用，还可以有效抑制平衡相Al13Fe4的析出，并细化晶粒，大幅度提高发动机杆件基体的硬度和强度。现有技术中有在铝合金熔炼时加入稀土氧化物，然而本发明中是将TiB2颗粒、CeO2粉末、Y2O5粉末以粉末的形式直接与金属粉混合，再配合后面的压制成型，制得密度大、硬度高、耐磨损的发动机杆件的基体。且本发明铝合金基体中同时加入CeO2粉末与Y2O5粉末，不能起除气作用还可以大幅度降低针孔率，其原因在于，这主要与稀土氢化物REHr的形成及(RESiAl)等稀土化合物在表面及内层有明显的氢富集有关，同时稀土细化晶粒对针孔率的减少也有一定的贡献。CeO2粉末与Y2O5粉末的加入可以细化铸态晶粒，也可以明显细化枝晶组织，对铸态组织起变质作用和强化作用，其中强化作用主要表现为有限固溶强化、细晶强化及稀土化合物的第二相强化。CeO2粉末与Y2O5粉末能改善力学性能，提高硬度、提高耐热性能，稀土的合金化作用及与晶体缺陷的交互作用，可以提高材料的再结晶温度；呈弥散分布的高熔点稀土化合物与基体牢固结合，消除了分布在晶界的微量杂质的有害作用；微量元素可以改善金属表面氧化膜和基体的结合力,从而使氧化膜成为牢固的保护层，进一步铝合金基体的抗氧化和抗腐蚀能力。
在上述的发动机杆件中，硅粉、铁粉、铜粉、锌粉、锰粉的粒径均为10-50μm，TiB2颗粒的粒径为50-100μm，CeO2粉末与Y2O5粉末的粒径均为30-200nm。经不断试验发现，本发明中加入适量的TiB2颗粒，可以明显提高粒径小于50μm粉末成型后的强度和硬度。若粉末的粒径大于70μm，压制成型后的铝合金基体的强度、硬度会大幅度降低。
在上述的发动机杆件中，所述的铝粉为细铝粉、中铝粉、粗铝粉的混合物，细铝粉、中铝粉、粗铝粉分别占铝粉总质量的10-20％、70-85％和5-10％。
在上述的发动机杆件中，细铝粉的粒径为3-10μm，中铝粉的粒径为20-50μm，粗铝粉的粒径为120-200μm。
本发明的铝合金基体采用三种不同粒径分布的铝粉做基体，再配合其他粉末，可进一步提高杆件铝合金基体的密度和强度。然而同样因为本发明中TiB2颗粒可明显提高粒径小于50μm粉末成型后的强度，所以本发明杆件铝合金基体的铝粉主要以20-50μm的粉末为主，配合加入适量的粗铝粉和细铝粉，进一步提高杆件的的密度和硬度。
本发明还提供一种发动机杆件的加工方法，所述的加工方法包括如下步骤：
(1)称取原料：称取硅粉6-8份，铁粉0.1-0.3份，铜粉0.01-0.03份，锌粉0.02-0.05份，锰粉0.008-0.03份，TiB2颗粒0.5-2份，CeO2粉末0.1-0.3份，Y2O5粉末0.1-0.3份，铝粉85-95份；
(2)粉末冶金：将金属粉末热压成型得发动机杆件的生坯，然后在650-700℃下烧结1-3h，得基体坯件；
(3)涂层：在基体坯件表面均匀覆盖一层镁粉，然后进行表面离子束轰击处理，得发动机杆件半成品；
(4)热处理：将发动机杆件半成品进行热处理，得发动机杆件成品。
本发明采用粉末成型先制得基体坯件，然后在基体坯件的表面覆盖镁粉，再进行氦离子束高速轰击，使铝合金表面的各种元素的原子与镁原子相互熔合，形成新的表面合金相，即形成合金保护膜，大大增强了铝合金的耐磨性和耐腐蚀性能。其中，富镁涂层使铝合金基体的开路电位发生明显的负移，并在较长时间保持稳定，显著延迟基体发生腐蚀的时间；点蚀的存在使得富镁涂层中的镁粉溶解速率加快，本发明基体表面的富镁涂层能够一定程度上抑制铝合金表面点蚀的生成及发展，能更有效地保护基体。且本发明采用离子束轰击处理，能更好地使镁原子与基体表面各元素相互融合。
在上述发动机杆件的加工方法中，热压成型的温度为220-240℃，压制压强为230-240MPa，保压时间为3-8min。本发明发动机杆件铝合金基体粉末中加入了TiB2颗粒、以及CeO2粉末和Y2O5粉末且大部分粉末粒径均小于50μm，所以本发明杆件在220-240℃、在230-240MPa压制成型能保证杆件的强度和耐磨性。
在上述发动机杆件的加工方法中，所述表面处理中离子束为氦离子束，离子束轰击速度为160-240m/s，轰击次数为3-5次。采用高速氦离子束进行轰击，带来巨大的能量，能在极短的时间内使得铝合金表面的各种原子与镁原子相融合，从而形成新的表面合金相，提升产品性能。
在上述发动机杆件的加工方法中，所述的热处理包括固溶处理和时效处理，固溶处理和时效处理之间还包括再次精整。
作为优选，所述固溶处理的温度为380-420℃，固溶保温的时间为1-3h，淬火为空冷，时效处理的温度为220-240℃，时效保温的时间为30-100min。一般铝合金的固溶处理的温度约为450-550℃，然而本发明发动机杆件是由粉末压制而成，且在铝合金基体表面涂覆镁粉通过离子束轰击处理，所以在本发明的热处理中温度需要降低至380-420℃，在本发明中若固溶温度超过430℃则会影响杆件表面的镁粉，进而影响杆件的耐磨性和耐腐蚀性能。
作为优选，淬火完成后的3小时内进行再次精整，再次精整完成后的3小时内进行时效处理。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明铝合金基体在基础金属粉中加入适量的TiB2颗粒、CeO2粉末、Y2O5粉末，TiB2颗粒的存在不仅可以起到良好的强化作用，还可以有效抑制平衡相Al13Fe4的析出，并细化晶粒，大幅度提高发动机杆件基体的强度。
2、本发明采用粉末成型，并在基体表面覆盖一层镁粉，用然后进行表面离子束轰击处理，并通过较低温度的热处理，进一步提高发动机杆件的强度、耐磨性和耐腐蚀性能。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，并对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
一种发动机杆件，所述的发动机杆件包括铝合金基体以及基体表面的平均厚度为40μm富镁涂层，所述铝合金基体包括如下质量份数的原料组分：硅粉7份，铁粉0.2份，铜粉0.02份，锌粉0.04份，锰粉0.02份，TiB2颗粒1.2份，CeO2粉末0.2份，Y2O5粉末0.2份，铝粉90份。其中，硅粉、铁粉、铜粉、锌粉、锰粉的平均粒径均为30μm，TiB2颗粒的平均粒径为80μm，CeO2粉末与Y2O5粉末的平均粒径均为100nm；铝粉为细铝粉、中铝粉、粗铝粉的混合物，细铝粉、中铝粉、粗铝粉分别占铝粉总质量的15％、77％和8％，即分别为13.5份、69.3份和7.2份；细铝粉的平均粒径为6μm，中铝粉的平均粒径为30μm，粗铝粉的平均粒径为150μm。
实施例2
一种发动机杆件，所述的发动机杆件包括铝合金基体以及基体表面的平均厚度为50μm富镁涂层，所述铝合金基体包括如下质量份数的原料组分：硅粉7份，铁粉0.15份，铜粉0.025份，锌粉0.025份，锰粉0.01份，TiB2颗粒1.5份，CeO2粉末0.15份，Y2O5粉末0.25份，铝粉88份。其中，硅粉、铁粉、铜粉、锌粉、锰粉的粒径均为40μm，TiB2颗粒的粒径为90μm，CeO2粉末与Y2O5粉末的粒径均为150nm；铝粉为细铝粉、中铝粉、粗铝粉的混合物，细铝粉、中铝粉、粗铝粉分别为11份、72份、5份；细铝粉的粒径为8μm，中铝粉的粒径为40μm，粗铝粉的粒径为180μm。
实施例3
一种发动机杆件，所述的发动机杆件包括铝合金基体以及基体表面的平均厚度为30μm富镁涂层，所述铝合金基体包括如下质量份数的原料组分：硅粉8份，铁粉0.25份，铜粉0.015份，锌粉0.04份，锰粉0.02份，TiB2颗粒0.8份，CeO2粉末0.25份，Y2O5粉末0.15份，铝粉92份。其中，硅粉、铁粉、铜粉、锌粉、锰粉的粒径均为20μm，TiB2颗粒的粒径为60μm，CeO2粉末与Y2O5粉末的粒径均为60nm；铝粉为细铝粉、中铝粉、粗铝粉的混合物，细铝粉、中铝粉、粗铝粉分别为16份、69份和7份；细铝粉的粒径为3-10μm，中铝粉的粒径为20-50μm，粗铝粉的粒径为120-200μm。
实施例4
一种发动机杆件，所述的发动机杆件包括铝合金基体以及基体表面的平均厚度为60μm富镁涂层，所述铝合金基体包括如下质量份数的原料组分：硅粉8份，铁粉0.1份，铜粉0.03份，锌粉0.02份，锰粉0.03份，TiB2颗粒0.5份，CeO2粉末0.3份，Y2O5粉末0.1份，铝粉95份。其中，硅粉、铁粉、铜粉、锌粉、锰粉的平均粒径均为10μm，TiB2颗粒的平均粒径为50μm，CeO2粉末与Y2O5粉末的平均粒径均为30nm；铝粉为细铝粉、中铝粉、粗铝粉的混合物，细铝粉、中铝粉、粗铝粉分别份10份、80份、5份；细铝粉的平均粒径为10μm，中铝粉的平均粒径为50μm，粗铝粉的平均粒径为200μm。
实施例5
一种发动机杆件，所述的发动机杆件包括铝合金基体以及基体表面的平均厚度为20μm富镁涂层，所述铝合金基体包括如下质量份数的原料组分：硅粉6份，铁粉0.3份，铜粉0.01份，锌粉0.05份，锰粉0.008份，TiB2颗粒2份，CeO2粉末0.1份，Y2O5粉末0.3份，铝粉85份。其中，硅粉、铁粉、铜粉、锌粉、锰粉的粒径均为50μm，TiB2颗粒的粒径为100μm，CeO2粉末与Y2O5粉末的粒径均为200nm；铝粉为细铝粉、中铝粉、粗铝粉的混合物，细铝粉、中铝粉、粗铝粉分别占铝粉总质量的20％、70％和10％，也就是分别为17份、59.5份和8.5份；细铝粉的平均粒径为3-10μm，中铝粉的平均粒径为20-50μm，粗铝粉的平均粒径为120-200μm。
实施例6
(1)称取如实施例1中所述的铝合金基体原料；
(2)粉末冶金：将金属粉末在230℃及235MPa下保压5min得发动机杆件的生坯，然后在680℃下烧结2h，得基体坯件；
(3)表面处理：在基体坯件表面均匀覆盖一层镁粉，然后进行表面离子束轰击处理，得发动机杆件半成品；离子束为氦离子束，离子束轰击速度为200m/s，轰击次数为4次；
(4)热处理：将发动机杆件半成品先在400℃下保温2h，空冷完成后第2个小时进行再次精整，再次精整完成后的第2个小时进行时效处理，时效处理的温度为230℃，时效保温的时间为60min，得发动机杆件成品。
实施例7
(1)称取如实施例2中所述的铝合金基体原料；
(2)粉末冶金：将金属粉末在225℃及232MPa下保压7min得发动机杆件的生坯，然后在670℃下烧结2.5h，得基体坯件；
(3)表面处理：在基体坯件表面均匀覆盖一层镁粉，然后进行表面离子束轰击处理，得发动机杆件半成品；离子束为氦离子束，离子束轰击速度为220m/s，轰击次数为3次；
(4)热处理：将发动机杆件半成品先在390℃下保温2h，空冷后的3小时内进行再次精整，再次精整完成后的3小时内进行时效处理，时效处理的温度为225℃，时效保温的时间为80min，得发动机杆件成品。
实施例8
(1)称取如实施例3中所述的铝合金基体原料；
(2)粉末冶金：将金属粉末在235℃及238MPa下保压4min得发动机杆件的生坯，然后在660℃下烧结1.5h，得基体坯件；
(3)表面处理：在基体坯件表面均匀覆盖一层镁粉，然后进行表面离子束轰击处理，得发动机杆件半成品；离子束为氦离子束，离子束轰击速度为180m/s，轰击次数为5次；
(4)热处理：将发动机杆件半成品先在410℃下保温1h，空冷后的3小时内进行再次精整，再次精整完成后的3小时内进行时效处理，时效处理的温度为235℃，时效保温的时间为30-100min，得发动机杆件成品。
实施例9
(1)称取如实施例4中所述的铝合金基体原料；
(2)粉末冶金：将金属粉末在240℃及240MPa下保压3min得发动机杆件的生坯，然后在700℃下烧结1h，得基体坯件；
(3)表面处理：在基体坯件表面均匀覆盖一层镁粉，然后进行表面离子束轰击处理，得发动机杆件半成品；离子束为氦离子束，离子束轰击速度为240m/s，轰击次数为3次；
(4)热处理：将发动机杆件半成品先在420℃下保温3h，空冷完成后3小时内进行再次精整，再次精整完成后的3小时内进行时效处理，时效处理的温度为240℃，时效保温的时间为30min，得发动机杆件成品。
实施例10
(1)称取如实施例5中所述的铝合金基体原料；
(2)粉末冶金：将金属粉末在220℃及230MPa下保压8min得发动机杆件的生坯，然后在650℃下烧结3h，得基体坯件；
(3)表面处理：在基体坯件表面均匀覆盖一层镁粉，然后进行表面离子束轰击处理，得发动机杆件半成品；离子束为氦离子束，离子束轰击速度为160m/s，轰击次数为5次；
(4)热处理：将发动机杆件半成品先在380℃下保温3h，空冷完毕后3小时内进行再次精整，再次精整完成后的2小时进行时效处理，时效处理的温度为220℃，时效保温的时间为100min，得发动机杆件成品。
对比例1
现有技术中普通市售的发动机杆件。
对比例2
该对比例2为采用实施例1中的原料粉末通过实施例6中的成型工艺制得发动机杆件，即对比例2中只有铝合金基体，基体表面没有镁粉保护涂层。
对比例3
与实施例6的区别仅在于，该对比例3的金属粉末中不含有TiB2颗粒。
对比例4
与实施例6的区别仅在于，该对比例4的金属粉末中不含有CeO2粉末。
对比例5
与实施例6的区别仅在于，该对比例5的金属粉末中不含有Y2O5粉末。
对比例6
与实施例6的区别仅在于，该对比例6是通过将镁粉溶于环氧树脂中，加入固化剂先制成涂料，再涂覆到基体表面，即对比例6中不通过离子束轰击处理。
对比例7
与实施例6的区别仅在于，该对比例7的固溶处理温度为550℃。
将实施例6-10以及对比例1-7中制得的发动机杆件进行性能测试，以对比例1中市购得到的普通发动机杆件的性能为基准，测试其他发动机杆件性能的提高或者降低率，测试结果如表1所示。
表1：
综上所述，本发明发动机杆件采用铝合金基体以及涂覆在基基体表面的富镁涂层，合理配比铝合金基体的金属粉末，再配合热压成型、表面离子束轰击处理富镁涂层以及较低温度的热处理，进一步提高发动机杆件的硬度、强度、耐磨性和耐腐蚀性能。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。
Claims (10)
1.一种发动机杆件，其特征在于，所述的发动机杆件包括铝合金基体以及基体表面的富镁涂层，所述铝合金基体包括如下质量份数的原料组分：硅粉6-8份，铁粉0.1-0.3份，铜粉0.01-0.03份，锌粉0.02-0.05份，锰粉0.008-0.03份，TiB2颗粒0.5-2份，CeO2粉末0.1-0.3份，Y2O5粉末0.1-0.3份，铝粉85-95份。
2.根据权利要求1所述的发动机杆件，其特征在于，硅粉、铁粉、铜粉、锌粉、锰粉的平均粒径均为10-50μm，TiB2颗粒的平均粒径为50-100μm，CeO2粉末与Y2O5粉末的平均粒径均为30-200nm。
3.根据权利要求1所述的发动机杆件，其特征在于，所述的铝粉为细铝粉、中铝粉、粗铝粉的混合物，细铝粉、中铝粉、粗铝粉分别占铝粉总质量的10-20％、70-85％和5-10％。
4.根据权利要求3所述的发动机杆件，其特征在于，细铝粉的平均粒径为3-10μm，中铝粉的平均粒径为20-50μm，粗铝粉的平均粒径为120-200μm。
5.一种发动机杆件的加工方法，其特征在于，所述的加工方法包括如下步骤：
(1)称取原料：称取硅粉6-8份，铁粉0.1-0.3份，铜粉0.01-0.03份，锌粉0.02-0.05份，锰粉0.008-0.03份，钛粉0.1-0.3份，TiB2颗粒0.5-2份，CeO2粉末0.1-0.3份，Y2O5粉末0.1-0.3份，铝粉89-94份；
(2)粉末冶金：将金属粉末热压成型得发动机杆件的生坯，然后在650-700℃下烧结1-3h，得基体坯件；
(3)表面处理：在基体坯件表面均匀覆盖一层镁粉，然后进行表面离子束轰击处理，得发动机杆件半成品；
(4)热处理：将发动机杆件半成品进行热处理，得发动机杆件成品。
6.根据权利要求5所述的发动机杆件的加工方法，其特征在于，热压成型的温度为220-240℃，压制压强为230-240MPa，保压时间为3-8min。
7.根据权利要求5所述的发动机杆件的加工方法，其特征在于，所述表面处理中离子束为氦离子束，离子束轰击速度为160-240m/s，轰击次数为3-5次。
8.根据权利要求5所述的发动机杆件的加工方法，其特征在于，所述的热处理包括固溶处理和时效处理，固溶处理和时效处理之间还包括再次精整。
9.根据权利要求8所述的发动机杆件的加工方法，其特征在于，所述固溶处理的温度为380-420℃，固溶保温的时间为1-3h，淬火为空冷，时效处理的温度为220-240℃，时效保温的时间为30-100min。
10.根据权利要求8所述的发动机杆件的加工方法，其特征在于，淬火完成后的3小时内进行再次精整，再次精整完成后的3小时内进行时效处理。
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