[发明专利]一种高性能摩擦焊接钢质活塞及其制备方法

说明书

本发明提供了一种高性能摩擦焊接钢质活塞及其制备方法，活塞以重量百分比计：C0.3～0.45％、Si0.5～1.0％、P0～0.025％、S0.02～0.1％、Mn1.2～2.0％、Cu0.1～1.0％、N0.03～0.05％、V0.08～0.2％、Ti0.01～0.05％，Al0.01～0.03％，Nb0.08～0.1％，余量Fe。钢质活塞通过加入氮、钒、钛、铌元素，在锻造过程中形成含碳化物氮化物等质点固溶强化，并细化晶粒，从而显著提升材料的强度、硬度。加入硫、锰形成硫化锰质点改善切削性能，无需进行额外的热处理即可达到高性能活塞要求的强度、硬度。活塞的工作面具有良好耐磨性、减磨性及抗热疲劳性能。

技术领域

本发明属于发动机配件技术领域，尤其涉及一种高性能摩擦焊接钢质活塞及其制备方法。

背景技术

活塞作为发动机的A级关键零部件，其作用是用来承受燃气压力，并通过活塞销让连杆驱使曲轴旋转提供动力，活塞顶部是燃烧室的组成部分，在工作时承受交变的机械负荷和热负荷，并长期处于高温、高压、高速、润滑不良的条件下，直接与高温燃气接触，瞬时温度可达2500K以上，受热严重，而散热条件又很差，导致活塞工作时温度很高，其顶部高达600～700K，且温度分布很不均匀，活塞顶部承受气体压力很大，特别是作功行程压力最大，柴油机高达6～9MPa，这就使得活塞产生冲击，并承受侧压力的作用，同时活塞在气缸内以很高的速度(8～12m/s)往复运动，且速度在不断地变化，这就产生了很大的惯性力，使活塞受到很大的附加载荷，活塞在这种恶劣的条件下工作，会产生变形并加速磨损，还会产生附加载荷和热应力，受到燃气的化学腐蚀作用，因此，如何使活塞具有较高的力学性能、较好的韧性、良好的导热性及抗腐蚀性、及抗热疲劳性，环槽及裙部磨损面具有良好的耐磨性、减磨性能，且活塞的成分组成及生产工艺简单、成本较低，从而明显减少活塞因高温而磨损、腐蚀、热疲劳等失效更换频次，进一步提高活塞、气缸套、活塞环乃至发动机的使用寿命，是各大主机厂及其配件生产企业亟待解决的问题。

然而现有技术中钢质活塞的摩擦性不能满足使用环境，急需开发一种具有良好耐磨性的活塞。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高性能摩擦焊接钢质活塞及其制备方法，该钢质活塞具有良好的可靠性、减磨性、耐磨性。

本发明提供了一种高性能摩擦焊接钢质活塞，以重量百分比计：C：0.3～0.45％、Si：0.5～1.0％、P：0～0.025％、S：0.02～0.1％、Mn：1.2～2.0％、Cu：0.1～1.0％、N：0.03～0.05％、V：0.08～0.2％、Ti：0.01～0.05％，Al：0.01～0.03％，Nb：0.08～0.1％，余量为Fe。

优选地，所述钢质活塞中V：0.08～0.12％和Ti：0.011～0.03％。

本发明提供了一种上述技术方案所述钢质活塞的制备方法，包括以下步骤：

1)配备原料，所述原料在1650～1800℃下熔炼得到钢水；所述钢水包括C：0.3～0.45％、Si：0.5～1.0％、P：0～0.025％、S：0.02～0.1％、Mn：1.2～2.0％、Cu：0.1～1.0％、N：0.03～0.05％、V：0.08～0.2％、Ti：0.01～0.05％，Al：0.01～0.03％，Nb：0.08～0.1％，余量为Fe；将所述钢水脱氧后采用铜模水冷形成钢坯，再热轧空冷，得到棒料；

2)将所述棒料加热锻造后阶梯式保温，空冷，分别得到活塞头部锻件和裙部锻件；

3)将所述活塞头部锻件和裙部锻件粗加工后，在氮气保护下二阶摩擦焊接和去应力退火，得到活塞毛坯；

4)将所述活塞毛坯精加工，锰磷共渗和印刷纳米涂层，得到钢质活塞。

优选地，所述步骤1)中铜模水冷的来水时间为1～3s，激水时间为80～100s，还原时间为100～120s；控制钢坯的温度为1200～1300℃；