专利名称：活塞环毛坯铸造工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于内燃机及其零部件制造技术领域，特别是一种活塞环毛坯的铸造工艺。
背景技术：
内燃机是一种动力机械，它是通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的热能直接转换为动力的热力发动机。内燃机是一种用途广泛的机械设备，活塞环是内燃机发动机中最为关键的零部件之一。活塞环按作用分主要包括气环和油环；气环主要用来防止气体泄漏，一般是由2至3道环组成，气环按照断面形状可分为平环、锥形环、扭曲环等；油环具有回油孔或等效结构，能从缸壁上刮下机油，一般油环采用普通油环、钢带组合油环或螺旋撑簧组合油环中的一种。活塞环在柴油发动机中有三大作用，它将燃烧室和曲轴箱密封，将活塞上的热能传到气缸壁上，控制机油耗。其中，螺旋撑簧组合油环的主要作用是布油(防止活塞环与缸套之间干摩擦)和控制机油耗。活塞环是柴油发动机中唯一作三个方向运动的零件，其工作条件相当恶劣，既要承受高温、高压的作用，又要承受剧烈的磨损和较大的冲击负荷力。发动机的使用寿命、燃油经济性和废气排放要符合环保法规要求，很多方面都取决于活塞环的结构、材料和制造品质。材料的品质取决于活塞环毛坯的质量，现有活塞环毛坯的制造是叠型砂型铸造，用于制造砂型的型板有一个直浇口，根据模型环的大小又连着2个，4个或6个内浇口，然后一个内浇口再与一个模型环连接，用这样的型板造型获得的砂型，经铁水浇注后获得的毛坯数量为一个内浇口只能生产一个活塞环毛坯，这种铸造方法的缺点是，冒口占得比重比较大，铸造工艺出品率低，成本大，工作效率低下。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种能够提高活塞环毛坯出品率以及工作人员工作效率，并能够降低生产成本的活塞环毛坯铸造工艺。为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是。活塞环毛坯铸造工艺，主要包括制作型板、混砂、造型、浇注以及出品工艺过程，各工艺过程按以下方法操作
A.制作型板根据活塞环缸径以及活塞模型环断面系数，设计造型所需要的套环型板；所述套环型板包括底板，底板上设置有一个直浇口以及通过内浇口与直浇口连通的气环模型环，所述气环模型环内嵌套设置有直径小于气环模型环、断面系数与气环模型环相匹配的油环模型环，气环模型环与油环模型环之间设置有过渡浇口，所述气环模型环与油环模型环上均设置有冒口；
B.混砂用石英砂和膨润土混合制成型砂；
C.造型将步骤A制作的套环型板安装在造型机上，采用步骤B混合后的型砂制造砂
型；
D.熔炼将制作活塞环毛坯的原材料放置在熔炼炉内进行熔炼，形成铁水；活塞环毛坯的化学成分按重量百分含量计为C:3. 45 3. 9%, Si:2. 25 2. 65%, Mn:0. 70 0· 95%, P :0. 30 0· 50%, S 彡 0. 05%, Cr :0. 20 0· 40%, Cu :0. 20 0· 50%，其余为 Fe 和不可避免的杂质；
E.浇注在浇包中加入浇包所容纳铁水总重量0.3、.6%的孕育剂，当熔炼炉内的铁水温度达到152(TlM0°C时，将铁水倒入浇包内使铁水与孕育剂充分混合，所述浇注的温度控制为138(Tl44(TC，出炉到浇注完毕的时间控制在5min以内；
F.落砂待砂型内的铸件冷却到室温时，将砂型和毛坯一起放置在震动落砂机中，使砂型与铸件分开，并取出铸件；
G.出品对从砂型中取出的铸件按直径大小进行区分，即可产出大直径的气环毛坯和小直径的油环毛坯。本发明所述步骤B中型砂的性能要求采用单一型砂，湿压强度为1. 5-1. 8Kg/cm2, 湿拉强度为160-200g/cm2，热湿拉强度为10-12g/cm2，紧实率为25_40%，透气性彡50，含水量3. 5-4. 5%，含泥量彡13% ；所述的石英砂中Si02彡98%，石英砂的粒度为100 200目，耐火度彡170(TC，含泥量< 洲；膨润土的粒度要求95%过200目筛，吸蓝量每100克大于30克。本发明步骤C中制造砂型后将每组砂型层叠设置成叠型浇注形式。本发明步骤D中所述的活塞环毛坯成分按模型环的断面系数分为两类
当模型环的断面系数大于1.0且小于1.2时属于II类活塞环，其毛坯成分为 C :3. 45 3. 8%, Si :2. 45 2. 65%, Mn :0. 75、. 95%, P :0. 3(Γθ. 50%, S^O. 05%, Cr :0. 2(Γθ. 40%, Cu :0. 20- 0. 50%，其余为！^和不可避免的杂质；
当模型环的断面系数大于1. 2时属于I类活塞环，其毛坯成分为C:3. 45-3. 70%, Si :2. 4-2. 6%, Mn :0. 70-0. 90%, P :0. 30-0. 50%, S 彡 0. 05%, Cr :0. 20-0. 40%, Cu :0. 20-0. 5%, 其余为Fe和不可避免的杂质。上述步骤D中熔炼过程的成分含量具体控制方式为步骤D中所述的熔炼过程采用炉前化验手段控制各成分的含量；并在原材料配比时按照1%的烧损量增加C含量；炉内铁水中C含量控制为3. 55、. 0%，当C含量小于3. 55%时加入碳粉调整至3. 55%以上，当C 含量大于4. 0%时加入废钢调整至4. 0%以下；
炉内铁水中Si含量控制在2. 25-2. 65%，当Si含量小于2. 25%时向炉内补加结晶硅或 75号硅铁，使Si含量大于2. 25%，当Si含量大于2. 65%时向炉内补加QlO生铁或废钢，使 Si含量小于2. 65%。本发明所述步骤G包括以下工序
a.毛坯分选将步骤F中分离的铸件，按照直径大小进行区分，分为大直径的气环毛坯和小直径的油环毛坯；
b.清理将步骤a中产出的气环毛坯和油环毛坯放入抛丸清理机中，将毛坯表面的砂子清理干净；
c.毛整检测毛坯的外观，将外观不合格的活塞环毛坯剔除。由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是。本发明中造型工序中使用的型板采用嵌套式的大环套小环结构，毛坯原材料在熔炼过程中分段控制成分含量，可以使浇注后获得的毛坯数量比改进前增加了一倍，大大提高了铸造工艺出品率，降低了生产成本。型板中采用断面系数相接近的气环模型环与油环模型环进行嵌套，是为了浇注时用同一种铸造参数的铁水，以获得金相组织和机械性能合格的毛坯。采用本发明生产的活塞环毛坯金相组织符合QC/T 555-2000《摩托车、汽车发动机单体铸造活塞环金相检验》标准，其机械性能均能达到GBT1149. 3-2010《内燃机活塞环材料规范》，采用发明生产的毛坯制作活塞环产品质量稳定，满足内燃机活塞环的各种性能指标。
图1是本发明实施例1中套环型板的结构示意图； 图2为实施例1 Φ 160平环石墨的金相组织图3为实施例1 Φ 160平环基体的金相组织图； 图4为实施例1 Φ 102油环石墨的金相组织图； 图5为实施例1 Φ 102油环基体的金相组织图； 图6是本发明实施例2中套环型板的结构示意图； 图7为实施例2 Φ 130平环石墨的金相组织图； 图8为实施例2 Φ 130平环基体的金相组织图； 图9为实施例2 Φ 90油环石墨的金相组织图； 图10为实施例2 Φ 90油环基体的金相组织图。其中1.直浇口，2.过渡浇口，3.气环模型环，4.冒口，5.油环模型环，6.底板， 7.内浇口。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明做进一步详细说明。实施例1。本实施例用于生产缸径为160mm的活塞环毛坯和Φ 102油环毛坯，各工艺过程按以下方法操作。Α.制作型板根据活塞环缸径以及活塞模型环断面系数，设计造型所需要的套环型板，所述的断面系数为活塞环的断面面积与断面周长的比例。本实施例中因为要生产缸径为160mm的活塞环，且根据实施例的需求，本实施例的气环采用平环，因此须生产直径为 160mm的平环模型环毛坯，根据活塞模型环断面系数相匹配的原则，Φ 160平环模型环的断面系数为1. 14，而Φ 102油环模型环的断面系数为1. 08，与之较为匹配，因此在制作套环型板时，确定采用在直径为160mm的平环模型环毛坯嵌套直径为102mm的油环模型环。结合毛坯成分形成的铁水充型能力和凝固特点设计本实施例在造型过程中所需要的套环型板，并确定过渡浇口和冒口在套环型板中的布局位置，以保证浇注时铁水的合理充型。本实施例中的套环型板包括底板6，底板上设置有一个直浇口 1，以及通过内浇口 7与直浇口 1连通的两个平环模型环，每个平环模型环内均嵌套设置一个油环模型环5。平行模型环的直径比油环模型环的直径大58mm，每对平环模型环与油环模型环之间均设置一个过渡浇口 2，平环模型环与油环模型环上均设置有冒口 4。本发明中涉及的套环型板上以一个平环模型环中套装一个油环模型环为一组铸型单元，本实施例中共设置两组铸型单元，如图1所示。B.混砂用石英砂和膨润土混合制成型砂。本实施例中型砂的成分及其重量比例为。石英砂全部采用新石英砂，新石英砂取100份，膨润土取15份。其中石英砂中Si02 的含量彡98%，石英砂的粒度在ΚΚΓ200目之间，耐火度彡1700°C，含泥量< m ；膨润土的粒度要求95%过200目筛，吸蓝量每100克大于30克。将上述要求的型砂组分放入混砂机中进行混砂，首先干混广2分钟后，再加水湿混;Γ5分钟，然后根据型砂的性能及时调整膨润土及水分的加入量。使制得的型砂性能为 湿压强度为1. 6Kg/cm2 ；湿拉强度为160-200g/cm2 ；热湿拉强度为10-12g/cm2 ；紧实率为 25-40% ；透气性彡50 ；含水量为4. 0% ；含泥量为13%。当然本发明中所采用的型砂组分还可以采用旧石英砂与膨润土的组合，也可以是采用新石英砂、旧石英砂以及膨润土的组合。当采用旧石英砂与膨润土的组合时，旧石英砂取100份，膨润土取0. 5 1. 5份；当采用新石英砂、旧石英砂以及膨润土组合时，旧石英砂取 90^98份，新石英砂取2 10份，膨润土取1. 5、份。C.造型将步骤A制作的套环型板安装在造型机上，采用步骤B混合后的型砂制造砂型，制造完成一箱砂型后，将此箱砂型对应层叠放置在已经造好的砂型上，设置成叠型浇注形式。D.熔炼由于本实施例中Φ 160平环模型环的断面系数为1. 14，Φ 102油环模型环的断面系数为1. 08 ；其模型环的断面系数均大于1. 0且小于1. 2，因此模型环属于 II类活塞环，活塞环毛坯的成分控制为:C:3. 45 3. 8%，Si :2. 45 2. 65%，Mn:0. 75 0. 95%， P :0. 30 0· 50%, S^O. 05%, Cr :0. 20 0· 40%, Cu :0. 20- 0. 50%，其余为 Fe 和不可避免的杂质。按照上述化学成分的重量比例配制原料，其中C、Si含量的控制设置在进入熔炼炉前，并在原材料配比时按照1%的烧损量增加C含量；将原料放置在熔炼炉内进行熔炼，形成铁水。熔炼过程采用炉前化验手段控制各成分的含量；炉内铁水中C含量控制为 3. 55 3. 9%，当C含量小于3. 55%时加入碳粉调整至3. 55%以上，当C含量大于3. 9%时加入废钢调整至3. 9%以下。炉内铁水中Si含量控制在2. 45-2. 65%，当Si含量小于2. 45%时向炉内补加结晶硅或75硅铁，使Si含量大于2. 45%，当Si含量大于2. 65%时向炉内补加QlO 生铁或废钢，使Si含量小于2. 65%。在调节Si含量需往熔炼炉中补加QlO生铁或废钢时， 必须先对QlO生铁或废钢进行预热，以满足熔炼炉的熔炼要求。E.浇注在浇包中加入浇包所容纳铁水总重量0. 4%的孕育剂，当熔炼炉内的铁水温度达到152(TlM0°C时，将铁水倒入浇包内，使铁水与孕育剂充分混合后浇入叠放的砂型中进行浇注，浇注温度为138(T144(TC，出炉到浇注完毕的时间控制在5min以内，即在5min 内浇注完毕，否则将使活塞环的金相组织和性能达不到要求。本实施例中采用的孕育剂为硅锶孕育剂，粒度为广3mm。F.落砂待砂型内的铸件冷却到室温时，将砂型和毛坯一起放置在震动落砂机中，使砂型与铸件分开，并取出铸件。G.出品包括以下工序。a.毛坯分选对从砂型中取出的铸件按直径大小进行区分，即可产出直径为160mm的平环毛坯和直径为102mm的油环毛坯。b.清理将步骤a中产出的平环毛坯和油环毛坯放入抛丸清理机中，将毛坯表面的砂子清理干净。c.毛整检测毛坯的外观，将外观不合格的活塞环毛坯剔除。本实施例所产出的Φ 160mm的平环毛坯和Φ 102mm的油环毛坯，其石墨和基体的金相组织如图2 图5所示，其性能如表1所示。表 权利要求
1.活塞环毛坯铸造工艺，主要包括制作型板、混砂、造型、浇注以及出品工艺过程，其特征在于各工艺过程按以下方法操作A.制作型板根据活塞环缸径以及活塞模型环断面系数，设计造型所需要的套环型板；所述套环型板包括底板(6 )，底板上设置有一个直浇口(1)以及通过内浇口(7)与直浇口(1)连通的气环模型环(3)，所述气环模型环(3)内嵌套设置有直径小于气环模型环、断面系数与气环模型环相匹配的油环模型环(5)，气环模型环与油环模型环之间设置有过渡浇口( 2 )，所述气环模型环与油环模型环上均设置有冒口( 4 )；B.混砂用石英砂和膨润土混合制成型砂；C.造型将步骤A制作的套环型板安装在造型机上，采用步骤B混合后的型砂制造砂型；D.熔炼将制作活塞环毛坯的原材料放置在熔炼炉内进行熔炼，形成铁水；活塞环毛坯的化学成分按重量百分含量计为C:3. 45 3. 9%，Si:2. 25 2. 65%，Mn:0. 70 0· 95%， P :0. 30 0· 50%, S 彡 0. 05%, Cr :0. 20 0· 40%, Cu :0. 20 0· 50%，其余为 Fe 和不可避免的杂质；E.浇注在浇包中加入浇包所容纳铁水总重量0.3、. 6%的孕育剂，当熔炼炉内的铁水温度达到152(TlM0°C时，将铁水倒入浇包内使铁水与孕育剂充分混合，所述浇注的温度控制为138(Tl44(TC，出炉到浇注完毕的时间控制在5min以内；F.落砂待砂型内的铸件冷却到室温时，将砂型和毛坯一起放置在震动落砂机中，使砂型与铸件分开，并取出铸件；G.出品对从砂型中取出的铸件按直径大小进行区分，即可产出大直径的气环毛坯和小直径的油环毛坯。
2.根据权利要求1所述的活塞环毛坯铸造工艺，其特征在于所述步骤B中型砂的性能要求采用单一型砂，湿压强度为1.5-1.8Kg/cm2，湿拉强度为160-200g/cm2，热湿拉强度为10-12g/cm2，紧实率为25-40%，透气性彡50，含水量3. 5-4. 5%，含泥量彡13% ；所述的石英砂中Si02彡98%，石英砂的粒度为100 200目，耐火度彡1700°C，含泥量彡m ；膨润土的粒度要求95%过200目筛，吸蓝量每100克大于30克。
3.根据权利要求1所述的活塞环毛坯铸造工艺，其特征在于步骤C中制造砂型后将每组砂型层叠设置成叠型浇注形式。
4.根据权利要求1所述的活塞环毛坯铸造工艺，其特征在于步骤D中所述活塞环毛坯的成分按模型环的断面系数分为两类当模型环的断面系数大于1.0且小于1.2时属于II类活塞环，其毛坯成分为 C :3. 45 3. 8%, Si :2. 45 2. 65%, Mn :0. 75、. 95%, P :0. 3(Γθ. 50%, S ^ 0. 05%, Cr :0. 2(Γθ. 40%, Cu :0. 20- 0. 50%，其余为！^和不可避免的杂质；当模型环的断面系数大于1. 2时属于I类活塞环，其毛坯成分为C:3. 45-3. 70%, Si :2. 4-2. 6%, Mn :0. 70-0. 90%, P :0. 30-0. 50%, S 彡 0. 05%, Cr :0. 20-0. 40%, Cu :0. 20-0. 5%, 其余为Fe和不可避免的杂质。
5.根据权利要求1或4所述的活塞环毛坯铸造工艺，其特征在于步骤D中所述的熔炼过程采用炉前化验手段控制各成分的含量；并在原材料配比时按照1%的烧损量增加C含量；炉内铁水中C含量控制为3. 55、. 0%，当C含量小于3. 55%时加入碳粉调整至3. 55%以上，当C含量大于4. 0%时加入废钢调整至4. 0%以下；炉内铁水中Si含量控制在2. 25-2. 65%，当Si含量小于2. 25%时向炉内补加结晶硅或 75号硅铁，使Si含量大于2. 25%，当Si含量大于2. 65%时向炉内补加QlO生铁或废钢，使 Si含量小于2. 65%。
6.根据权利要求1所述的活塞环毛坯铸造工艺，其特征在于所述步骤G包括以下工序a.毛坯分选将步骤F中分离的铸件，按照直径大小进行区分，分为大直径的气环毛坯和小直径的油环毛坯；b.清理将步骤a中产出的气环毛坯和油环毛坯放入抛丸清理机中，将毛坯表面的砂子清理干净；c.毛整检测毛坯的外观，将外观不合格的活塞环毛坯剔除。
全文摘要
本发明公开了一种活塞环毛坯铸造工艺，主要包括制作型板、混砂、造型、熔炼、浇注、落砂、毛坯分选、清理、毛整工艺过程，所述造型工序中使用的型板采用了套环结构形式，选择毛坯断面系数相接近的气环模型环和油环模型环粘接在一块底板中进行铸造，在保证产品质量稳定的基础上，可显著提高活塞环毛坯的铸造工艺出品率及工作效率，降低生产成本。
文档编号C22C37/10GK102407292SQ201110402488
公开日2012年4月11日 申请日期2011年12月7日 优先权日2011年12月7日
发明者张彩霞, 王季明, 王焕平, 贾改丽, 雷敬茂 申请人:石家庄金刚内燃机零部件集团有限公司