专利名称：一种铝活塞制造方法
技术领域：
本发明涉及一种铝活塞制备方法，该铝活塞主要应用于重型载重卡车、发电机组等高强化柴油机领域。
背景技术：
目前，高强化柴油机都在向大功率、高负荷发展，而铝活塞作为内燃机的重要往复运动部件，其性能直接影响高强化柴油机的性能和可靠性。铝活塞在厚大部位通常设有内冷油腔对活塞进行冷却，在活塞的第一环槽部位采用镶铸高镍铸铁耐磨镶圈，以提高第一环槽部位的耐磨性。高强化发动机用整体活塞对铸造质量要求非常高，不允许出现任何铸造缺陷。采用常规的金属型重力铸造和砂型铸造铝活塞，很容易产生气孔、缩松、裂纹、夹渣等铸造缺陷，微观组织密度差，力学性能不能满足使用要求，不仅如此，常规铸造方法，生产 效率低、劳动强度大。由此，高强化发动机用活塞在制造技术上作了诸多改进，见专利号为ZL02135972.5的中国发明专利《一种活塞用铝基复合材料及其制备方法》(授权公告号CN1257299C)，该专利中的复合材料由基体合金和增强相组成，基体合金中各组分的质量百分比为硅扩16%，铜O. 5^2. 5，镍O. 5^2. O,镁O. 2^1. 5，钛O. tTI. O,其余为铝；增强相为原位反应生成的Al2O3和TiC粒子，所得产品强度比较大。又见专利号为ZL200710015700. 8的中国发明专利《活塞用复合铝合金及其生产工艺》(授权公告号CN100467644C)，该专利通过使用旧活塞作为铝合金主料，优先组分配比和生产工艺，达到了节省成本的目的。类似的，还可以参见申请号为200710049894. 3的中国发明专利申请公开《高性能铝硅活塞合金材料及其活塞的热处理工艺》(公开号为CN101117679A)。国内现有的柴油机用活塞通常在第一环槽部位采用高镍铸铁镶圈增强，采用重力铸造工艺成型，活塞存在重量重、高镍铸铁镶环与铝基体结合强度低，顶部燃烧室抗烧蚀性差等缺陷，从而导致活塞使用寿命短、使用可靠性差。国外在复合材料活塞的研制方面已取得进展，日本丰田汽车公司研制的复合材料活塞使得丰田汽车大修里程由十万公里延长到三十万公里，发动机的输出功率提高5%，而且燃油和润滑油的消耗均得到改善。美国康明斯公司、英国AE公司以及法国、俄罗斯、保加利亚等国家都开展了复合材料活塞的研究工作，并开始大量使用。国外采用的制造工艺是将活塞的增强部位先制成复合材料，再通过金属型重力铸造或挤压铸造工艺成型，该工艺主要存在工序周期长，复合材料与基体材料结合强度不够高等缺点，采用挤压铸造工艺成型时，不能制造顶部带内冷油腔的大功率发动机活塞的局限性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述的技术现状而提供一种第一环槽部位镶环与铝基体结合强度高及活塞顶抗烧蚀能力佳的铝活塞制备方法。本发明所要解决的又一个技术问题是针对上述的技术现状而提供一种可靠性好、重量轻的铝活塞的制备方法。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为一种铝活塞制造方法，其特征在于包括如下制备工艺步骤①配制活塞用铝合金，该合金由如下组分及其质量百分数为
Si 11.0% -13.0%；
Mg 0.6%~1.2%；
Cu 2.6% 4.0%; Ni 1.8% 2.8%;
Fe 0.1%~0.3%
Ti 0.1%-0.2%
Mn 0.01%-0.3%；
Zn 0.01% -0.3%；
Cr 0.001 %-0.05%；
Pb 0.001% 0.05%；
Sn 0.001%-0.01%； 其佘为Al;②熔炼处理，将配制的活塞合金，放入熔化炉中进行熔化，熔化后对合金液进行精炼、变质、细化、精炼处理，将铝液温度控制为72(T740°C，采用精炼剂进行处理，铝液温度控制为76(T780°C，采用变质剂进行处理，将铝液温度控制为74(T760°C，采用细化剂进行处理，将铝液温度控制为73(T740°C，采用精炼剂处进行理，静止15 30分钟后，并将铝液温度控制为71(T720°C，进行浇注；③氧化铝陶瓷短纤维预制件制作，将氧化铝陶瓷短纤维用液体纤维粉碎装置进行粉碎，去除渣球等非纤维化杂质，制作活塞第一环槽氧化铝陶瓷短纤维预制件和顶部燃烧室氧化铝陶瓷短纤维预制件；④氧化铝陶瓷短纤维预制件预热，将已制备的第一环槽氧化铝陶瓷短纤维预制件和顶部燃烧室氧化铝陶瓷短纤维预制件放入690°C 710°C温度的电热炉中进行预热；⑤模具预热，挤压铸造前对模具型腔预热到200°C ^250°C ；⑥挤压铸造，将预热好的氧化铝陶瓷短纤维预制件固定在模具的相应部位上，预制件转移时间< 30秒，往模具型腔中浇入已处理好的铝合金液，铝合金液浇注温度为710。。 720°C，合模加压；⑦凝固取件，铝合金液在IOOMPa 120MPa的机械压强作用下，渗透到第一环槽氧化铝陶瓷短纤维预制件2和顶部燃烧室氧化铝陶瓷短纤维预制件3的孔隙中，保压60S10S，待铝合金液完全凝固后，卸压取出，即可得到环槽、燃烧室采用陶瓷纤维增强的复合材料活塞毛坯；⑧对活塞毛坯I进行热处理，固溶处理温度为49(T500°C，保温6h，在60°C 100°C水中进行淬火处理，活塞毛坯从铝合金淬火炉至水槽的转移时间小于30s，活塞毛坯固溶处理至时效处理的停置时间小于2h，时效处理温度为205±5°C，保温8h，出炉后空冷；
⑨对活塞毛坯件I进行机械加工和表面处理，得到铝活塞成品。作为优选，步骤②所述的变质剂为磷铜合金，(或者四川兰德高科技产业有限公司生产的型号ZSABP的磷盐变质剂)，添加质量为铝合金质量的O. 29ΓΟ. 4%，所述的细化剂为铝钛硼细化剂，添加质量为铝合金质量的O. 19Γ0. 2%，所述的精炼剂为四川兰德高科技产业有限公司生产的型号为JA04C铝合金精炼剂，添加质量为铝合金质量的O. 39ΓΟ. 5% ；作为优选，所述氧化铝陶瓷短纤维预制件中氧化铝陶瓷短纤维的体积分数为10% 12%，即孔隙率为88 90%。与现有技术相比，本发明的优点在于首先，在活塞第一环槽部位采用氧化铝陶瓷纤维增强铝基复合材料取代传统的高镍铸铁镶圈，提高了材料的高温强度和抗热疲劳性能，耐磨性优于高镍铸铁镶圈，活塞减重约5 10%，与活塞基体的结合强度比高镍铸铁镶圈高出5倍以上，活塞增强部位的导热率与活塞基体铝合金非常接近，有效防止第一环槽增强部位的冷热交替应力的作用下导致增强部位镶圈的脱开；其次，活塞第一环槽、活塞顶燃烧室部位的采用氧化铝陶瓷短纤维增强材料，制备成带有一定孔隙率的纤维预制件，在活塞挤压铸造成形工艺的同时，铝合金液在机械压力的作用下向氧化铝陶瓷短纤维预制件的渗透扩散、凝固、结晶，局部增强了活塞第一环槽部位和顶部燃烧室，力学性能显著提高；再次，在活塞顶部燃烧室部位采用氧化铝陶瓷短纤维增强，有效提高了该部位的高温力学性能以及抗烧蚀性能；再其次，采用氧化铝陶瓷短纤维Al2O3增强铝基复合材料与普通铝活塞材料相比，线膨胀系数低，高温强度、耐磨性和耐热疲劳性能高，可增强活塞环槽、岸部、顶部燃烧室等部位；最后，通过挤压铸造工艺一次成型的整体活塞毛坯，材料内部组织致密，无铸造缺陷，力学性能显著提高，且工艺效率高，制造成本低。
图I为实施例I中第一环槽氧化铝陶瓷短纤维预制件结构示意图。图2为实施例I中顶部燃烧室氧化铝陶瓷短纤维预制件结构示意图。图3为实施例I中成型后铝活塞的结构示意图。
具体实施例方式以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。实施例I :铝活塞制备过程如下①配制新型活塞合金成分，其材料由如下组分及质量百分比组成Si 11. 0% ；Mg
O.6% ；Cu 2. 6% ；Ni 1. 8% ；Fe :0. 1% ；Ti :0. 1% ；Mn :0. 1% ；Zn :0. 1% ；Cr :0. 001% ；Pb :0. 001% ；Sn 0. 001% ;其余为 Al ；②将配制的新型活塞合金，放入熔化炉中进行熔化，熔化后将铝液温度控制为720°C，采用精炼剂精炼，添加质量为铝合金的O. 3%，铝液变质温度控制为760°C，采用磷铜合金变质剂处理，添加质量为铝合金质量的O. 2%，将铝液温度控制为740°C，采用铝钛硼细化剂处理，添加质量为铝合金质量的O. 1%，将铝液温度控制为730°C，采用JA04C精炼剂处理，添加质量为铝合金质量的O. 3%，静止15分钟后，并将铝液温度控制为710°C，待浇注；③氧化铝陶瓷短纤维预制件制作，将氧化铝陶瓷短纤维用液体纤维粉碎装置进行粉碎，去除渣球等非纤维化杂质，制作活塞I第一环槽氧化铝陶瓷短纤维预制件2和顶部燃烧室氧化铝陶瓷短纤维预制件3 ；④氧化铝陶瓷短纤维预制件预热，将已制备的第一环槽氧化铝陶瓷短纤维预制件2和顶部燃烧室氧化铝陶瓷短纤维预制件3放入690°C温度的电热炉中进行预热，其中，氧化铝陶瓷短纤维预制件中氧化铝陶瓷短纤维的体积分数控制在109Γ12% ；⑤模具预热，挤压铸造前对模具型腔预热到200°C ；
⑥挤压铸造，将预热好的氧化铝陶瓷短纤维预制件固定在模具的相应部位上，预制件转移时间15秒，往模具型腔中浇入已处理好的铝合金液，铝合金液浇注温度为710V，合模加压；⑦凝固取件，铝合金液在IOOMPa的机械压强作用下，渗透到第一环槽氧化铝陶瓷短纤维预制件2和顶部燃烧室氧化铝陶瓷短纤维预制件3的孔隙中，保压60S，待铝合金液完全凝固后，卸压取出，即可得到环槽、燃烧室采用陶瓷纤维增强的复合材料活塞毛坯；⑦对活塞毛坯进行热处理，固溶处理温度为495±5°C，保温6h，在60°C水中进行淬火处理，活塞毛坯从铝合金淬火炉至水槽的转移时间15s，活塞毛坯固溶处理至时效处理的停置时间小于2h，时效处理温度为205±5°C，保温8h，出炉后空冷⑧对活塞毛坯件进行机械加工和表面处理，得到铝活塞成品。本实施例中所得到的活塞，具体结构见图I所示，铝活塞内部组织致密，无铸造缺陷，活塞本体室温抗拉强度达到260MPa以上，第一环槽2、顶部燃烧室3采用陶瓷纤维增强部位经荧光渗透检测结合良好，结合强度大于llOMPa，耐热和耐磨性能优于高镍铸铁镶圈活塞。实施例2①配制新型活塞合金成分，其材料由如下组分及质量百分比组成Si 12. 0% ；Mg
O.9% ；Cu 3. 2% ；Ni 2. 3% ；Fe :0. 2% ；Ti :0. 15% ；Mn :0. 2% ；Zn :0. 2% ；Cr :0. 01% ；Pb :0. 01% ；Sn 0. 005% ;其余为 Al ；②将配制的新型活塞合金，放入熔化炉中进行熔化，熔化后将铝液温度控制为730°C，采用精炼剂添加JA04C精炼剂，添加质量为铝合金的O. 4%，铝液变质温度控制为770°C，采用磷铜合金变质剂处理，添加质量为铝合金质量的O. 3%，将铝液温度控制为750°C，采用铝钛硼细化剂处理，添加质量为铝合金质量的O. 15%，将铝液温度控制为7350C，采用JA04C精炼剂处理，添加质量为铝合金质量的O. 4%，静止20分钟后，并将铝液温度控制为715°C，待浇注；③氧化铝陶瓷短纤维预制件制作，将氧化铝陶瓷短纤维用液体纤维粉碎装置进行粉碎，去除渣球等非纤维化杂质，制作活塞I第一环槽氧化铝陶瓷短纤维预制件2和顶部燃烧室氧化铝陶瓷短纤维预制件3 ；④氧化铝陶瓷短纤维预制件预热，将已制备的第一环槽氧化铝陶瓷短纤维预制件2和顶部燃烧室氧化铝陶瓷短纤维预制件3放入700°C温度的电热炉中进行预热；其中，氧化铝陶瓷短纤维预制件中氧化铝陶瓷短纤维的体积分数控制在109Γ12% ；
⑤模具预热，挤压铸造前对模具型腔预热到230°C ；⑥挤压铸造，将预热好的氧化铝陶瓷短纤维预制件固定在模具的相应部位上，预制件转移时间20秒，往模具型腔中浇入已处理好的铝合金液，铝合金液浇注温度为715°C，合模加压；⑦凝固取件，铝合金液在IlOMPa的机械压强作用下，渗透到第一环槽氧化铝陶瓷短纤维预制件2和顶部燃烧室氧化铝陶瓷短纤维预制件3的孔隙中，保压70S，待铝合金液完全凝固后，卸压取出，即可得到环槽、燃烧室采用陶瓷纤维增强的复合材料活塞毛坯；⑦对活塞毛坯进行热处理，固溶处理温度为495±5°C，保温6h，在60°C水中进行淬火处理，活塞毛坯从铝合金淬火炉至水槽的转移时间20s，活塞毛坯固溶处理至时效处理的停置时间小于2h，时效处理温度为205±5°C，保温8h，出炉后空冷；⑧对活塞毛坯件进行机械加工和表面处理，得到铝活塞成品。 本实施例中所得到的铝活塞内部组织致密，无铸造缺陷，活塞本体室温抗拉强度达到265MPa以上，环槽、燃烧室采用陶瓷纤维增强部位经荧光渗透检测结合良好，结合强度大于115MPa，耐热和耐磨性能优于高镍铸铁镶圈活塞。实施例3 ①配制新型活塞合金成分，其材料由如下组分及质量百分比组成Si 13. 0% ；Mg I. 2% ；Cu 4. 0% ；Ni 2. 8% ；Fe :0. 3% ；Ti :0. 2% ；Mn :0. 3% ；Zn :0. 3% ；Cr :0. 05% ；Pb :0. 05% ；Sn 0. 01% ;其余为 Al ；②将配制的新型活塞合金，放入熔化炉中进行熔化，熔化后将铝液温度控制为740°C，采用精炼剂添加JA04C精炼剂，添加质量为铝合金的O. 5%，铝液变质温度控制为780°C，采用磷铜合金变质剂处理，添加质量为铝合金质量的O. 4%，将铝液温度控制为760°C，采用铝钛硼细化剂处理，添加质量为铝合金质量的O. 2%，将铝液温度控制为740°C，采用JA04C精炼剂处理，添加质量为铝合金质量的O. 5%，静止20分钟后，并将铝液温度控制为720°C，待浇注；③氧化铝陶瓷短纤维预制件制作，将氧化铝陶瓷短纤维用液体纤维粉碎装置进行粉碎，去除渣球等非纤维化杂质，制作活塞I第一环槽氧化铝陶瓷短纤维预制件2和顶部燃烧室氧化铝陶瓷短纤维预制件3 ；④氧化铝陶瓷短纤维预制件预热，将已制备的第一环槽氧化铝陶瓷短纤维预制件
2和顶部燃烧室氧化铝陶瓷短纤维预制件3放入710°C温度的电热炉中进行预热；其中，氧化铝陶瓷短纤维预制件中氧化铝陶瓷短纤维的体积分数控制在109Γ12% ；⑤模具预热，挤压铸造前对模具型腔预热到250°C ；⑥挤压铸造，将预热好的氧化铝陶瓷短纤维预制件固定在模具的相应部位上，预制件转移时间20秒，往模具型腔中浇入已处理好的铝合金液，铝合金液浇注温度为720°C，合模加压；⑦凝固取件，铝合金液在120MPa的机械压强作用下，渗透到第一环槽氧化铝陶瓷短纤维预制件2和顶部燃烧室氧化铝陶瓷短纤维预制件3的孔隙中，保压90S，待铝合金液完全凝固后，卸压取出，即可得到环槽、燃烧室采用陶瓷纤维增强的复合材料活塞毛坯；⑦对活塞毛坯进行热处理，固溶处理温度为495±5°C，保温6h，在60°C水中进行淬火处理，活塞毛坯从铝合金淬火炉至水槽的转移时间30s，活塞毛坯固溶处理至时效处理的停置时间小于2h，时效处理温度为205±5°C，保温8h，出炉后空冷；⑧对活塞毛坯件进行机械加工和表面处理，得到铝活塞成品。本实施例中所得到的铝活塞内部组织致密，无铸造缺陷，活塞本体室温抗拉强度达到260MPa以上，环槽、燃烧室采用陶瓷纤维增强部位经荧光渗透检测结合良好，结合强度大于105MPa，耐热和耐磨性能优于高镍铸铁镶圈活塞。·
权利要求
1.一种铝活塞制备方法，其特征在于包括如下步骤 ①配制活塞用铝合金，该合金由如下组分及其质量百分数为 Si 11.09Γ13.0%;Mg O. 6% 1· 2% ；Cu 2. 6% 4. 0% ；Ni I. 8% 2. 8% ；Fe O. 1% 0· 3% ；Ti O. 1% 0· 2% ；Mn O. 019Π). 3% ；Zn O. ΟΡ/ΓΟ. 3% ； Cr O.001% 0· 05% ； Pb O.001% 0· 05% ；Sn O. 00 Ρ/ΓΟ. 01% ； 其余为Al ； ②熔炼处理，将配制的活塞合金，放入熔化炉中进行熔化，熔化后对铝合金液进行一次精炼、变质、细化、二次精炼处理，待浇注； ③氧化铝陶瓷短纤维预制件制作，氧化铝陶瓷短纤维预制件包括第一环槽氧化铝陶瓷短纤维预制件和顶部燃烧室氧化铝陶瓷短纤维预制件，将氧化铝陶瓷短纤维用液体纤维粉碎装置进行粉碎，去除非纤维化杂质，制作活塞第一环槽氧化铝陶瓷短纤维预制件和顶部燃烧室氧化铝陶瓷短纤维预制件； ④氧化铝陶瓷短纤维预制件预热，将已制备的氧化铝陶瓷短纤维预制件放入6900C 710°C温度的电热炉中进行预热； ⑤模具预热，挤压铸造前对模具型腔预热到200°C^250°C ； ⑥挤压铸造，将预热好的氧化铝陶瓷短纤维预制件固定在模具的相应部位上，往模具型腔中浇入已处理好的铝合金液，铝合金液浇注温度为710V 720°C，合模加压； ⑦凝固取件，铝合金液在100MPa 120MPa的机械压强作用下，渗透到第一环槽氧化铝陶瓷短纤维预制件和顶部燃烧室氧化铝陶瓷短纤维预制件的孔隙中，保压60S10S，待铝合金液完全凝固后，卸压取出，即得铝活塞毛坯； ⑧对铝活塞毛坯进行热处理； ⑨对铝活塞毛坯件进行机械加工和表面处理，得到铝活塞成品。
2.根据权利要求I所述的铝活塞制备方法，其特征在于步骤②熔炼处理如下将铝合金液温度控制为72(T740°C，采用精炼剂进行一次精炼处理；铝液温度控制为76(T780°C，采用变质剂进行变质处理；将铝合金液温度控制为74(T760°C，采用细化剂进行细化处理；将铝合金液温度控制为73(T740°C，采用精炼剂处进行二次精炼处理，静止15 30分钟后，并将铝合金液温度控制为71(T720°C，待浇注。
3.根据权利要求2所述的铝活塞制备方法，其特征在于所述的变质剂为磷铜合金，变质剂添加量为铝合金质量的0. 2^0. 4%。
4.根据权利要求2所述的铝活塞制备方法，其特征在于所述的细化剂为铝钛硼细化齐U，细化剂添加量为铝合金质量的0. Γ0. 2%。
5.根据权利要求2所述的铝活塞制备方法，其特征在于所述的精炼剂为四川兰德高科技产业有限公司生产的型号为JA04C铝合金精炼剂，精炼剂添加量为铝合金质量的O.3 O. 5%。
6.根据权利要求I所述的铝活塞制备方法，其特征在于所述氧化铝陶瓷短纤维预制件中氧化铝陶瓷短纤维的体积分数为109Γ12%。
7.根据权利要求I所述的铝活塞制备方法，其特征在于步骤⑧中热处理条件如下固溶处理温度为49(T500°C，保温5. 5-6. 5h，在60°C 100°C水中进行淬火处理，活塞毛坯从铝合金淬火炉至水槽的转移时间小于30s，活塞毛坯固溶处理至时效处理的停置时间小于2h，时效处理温度为20(T210°C，保温7. 5-8. 5h，出炉后空冷。
全文摘要
一种铝活塞制备方法，其特征在于包括如下步骤①配制活塞用铝合金；②熔炼处理，将配制的活塞合金，放入熔化炉中进行熔化，熔化后对铝合金液进行一次精炼、变质、细化、二次精炼处理，待浇注；③氧化铝陶瓷短纤维预制件制作；④氧化铝陶瓷短纤维预制件预热；⑤模具预热；⑥挤压铸造；⑦凝固取件；⑧对铝活塞毛坯进行热处理；⑨对铝活塞毛坯件进行机械加工和表面处理，得到铝活塞成品。与现有技术相比，具有强度高及抗烧蚀能力佳的优点。
文档编号B22D19/14GK102943192SQ20121042072
公开日2013年2月27日 申请日期2012年10月29日 优先权日2012年10月29日
发明者彭银江, 周灵展, 张广明, 高明灯, 朱秀荣, 侯林冲, 费良军, 徐英, 杨亚琛, 王秀玲 申请人:中国兵器工业第五二研究所