一种大功率发动机用活塞的制备模具以及活塞制备方法与流程

本发明属于铝合金材料成型领域，涉及一种大功率发动机用活塞的制备模具以及活塞制备方法。

背景技术

随着可变涡轮增压技术和高压共轨直喷技术的发展，发动机的密度功率、结构紧凑性和热负荷越来越高，发动机缸体内的爆发压由13mpa升至22mpa，活塞的工作温度由350℃升至425℃以上。为了满足使用要求，需要活塞具有更高强韧性、耐高温性、热稳定性和抗热疲劳性能，要求细化、均匀化、稳定化活塞组织，消除活塞缩孔缩松铸造缺陷，对活塞制造技术提出更高的要求。

现有的大功率发动机用活塞的制备模具包括顶模、侧模和芯模，活塞毛坯设置于顶模、侧模和芯模构成的腔体内，顶模内设置有压力气道和冒口结构，侧模和芯模上均设置有冷却水道，还设置有浇注系统。现有技术存在的问题是：1、毛坯在铸造过程中，冒口补缩能力不足，造成顶部中心缩松等铸造缺陷较多；2、液态金属凝固过程中析出的h气体难以溢出，致使活塞顶部厚大部位存在较多气孔缺陷；3、活塞结构复杂，顶部厚大部分相对裙部凝固速度缓慢，硅相和增强相粒子易团聚长大，导致活塞裙部和顶部性能差异较大。其整体铸造活塞解剖样品室温强度：283mpa，350℃抗拉强度：92mpa，425℃抗拉强度：41mpa，350℃旋弯疲劳强度：40mpa。

技术实现要素：

本发明要提供一种大功率发动机用活塞的制备模具以及活塞制备方法，以克服现有技术存在的缩松、气孔，整体性能一致性差的问题。

为了克服现有技术存在的问题，本发明提供一种大功率发动机用活塞的制备模具，包括顶模、侧模和芯模，顶模内设置有压力气道和冒口结构，侧模和芯模上均设置有冷却水道，其特殊之处在于：所述压力气道上连接有负压装置和加压装置，侧模上的冷却水道为波浪形，超声发生器的发射头设置于芯模内。

一种大功率发动机用活塞的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：前期准备

a.活塞用铝合金熔体及镶圈渗铝液的制备：分别将活塞用铝合金和渗铝液铸锭表面清理干净，采用石墨坩埚电阻炉在300℃时保温4小时后将其熔化，并进行熔体成分调整，以及变质、精炼和细化工艺过程。

b.盐芯保温及镶圈渗铝：在进行铝合金熔体和渗铝液制备的过程中用保温炉将盐芯在500℃保温，待渗铝液制备完成后，将镶圈挂于挂架上旋转烘烤5～10min，渗铝3～5min。

c.模具预热：预热至270～350℃。

步骤二：活塞毛坯制备

a.活塞铸造工艺控制：（1）将本发明提供的模具合模；（2）将浇注机倾斜45°；（3）浇注：待处理完的铝液温度达到730～760℃时，用工具安装好镶圈和盐芯，并开启芯模超声发生器后开始浇注，然后通过浇注系统进行浇注，并将装有本发明模具的铸造机打到水平位置，浇注时间控制在8～15s，浇注完成后3～5s后开启侧模的销孔水冷系统，9～12s后开启侧模水冷系统，冷却水通过侧模中波浪形的水冷通道加速活塞毛坯顺序凝固；（4）浇注完毕后，10～30s负压装置开启负压，通过压力气道后使腔体内的压力控制在60～100mbar，保压5～30s;（5）待负压保持结束后，顶模通气体加压，加压装置开启，压力控制在0.3～1.2mpa，保压50～150s；（6）出模：待活塞凝固冷却到450～500℃后开模，并将成型毛坯置于冷却水箱中，控制水位到销孔中心部以下，活塞毛坯顶部用压缩气体冷却，浇注到出模全部过程控制在3～6min内。以上步骤除盐芯、镶圈定位放置和浇注是人工进行，其它全部工序用控制程序自动控制。

b：活塞热处理：自然时效12～24h，180～250℃保温4～8h后空冷。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1.侧模使用波浪形水冷通道增大与模具的接触面积，可使毛坯尽快形成顺序凝固，加速活塞顺序凝固，减少或消除活塞燃烧室处缩松，强化活塞抗高温疲劳性能；

2.通过顶模施加负压，可以加快未凝固铝合金金液中气体，消除活塞顶部气孔缺陷；然后通过顶模施加气体压力，可以提升冒口补缩能力，同时使得顶部厚大部位金属液在压力下结晶，促进厚大部位致密度与组织细化，减少缩松缺陷；安装在芯模的超声波发生器产生的纵波通过击碎和分散活塞顶部液态中析出粗大的硅相和增强相粒子，从而细化和弥散活塞顶部厚大部分硅相和增强相粒子，提高活塞性能。

3.采用本发明后，整体铸造活塞样品解剖后室温强度：≥340mpa；350℃抗拉强度：≥105mpa；425℃抗拉强度：≥55mpa；350℃旋弯疲劳强度：≥50mpa；台架考核（爆发压13mpa，工作温度350℃）使用寿命比现有技术提高40%以上。

4、本发明活塞制备方法适用于近共晶和过共晶al-si系活塞合金。

附图说明：

图1是本发明模具的结构示意图；

图2是侧模上冷却水道的剖视图；

图3是普通重力铸造和本发明铸造活塞解剖图，图3（a）为普通重力铸造活塞解剖图，图3（b）为本发明铸造活塞解剖图；

图4是普通重力铸造和本发明铸造活塞顶部金相组织，图4（a）为普通重力铸造活塞顶部金相组织，图4（b）为本发明铸造活塞顶部金相组织。

图中，1-芯模、2-活塞毛坯、3-冷却水道、4-顶模、5-压力气道、6-加压装置、7-冒口结构、8-浇注系统、9-侧模、10-超声发生器、11-负压装置。

具体实施方式：

下面将结合附图和实施例对本发明进行详细地描述。

参见图1和图2，一种大功率发动机用活塞的制备模具，包括顶模4、侧模9和芯模1，顶模4内设置有压力气道5和冒口结构7，侧模9和芯模1上均设置有冷却水道3，所述压力气道5上连接有负压装置11和加压装置6，侧模9上的冷却水道3为波浪形，超声发生器10的发射头设置于芯模1内。

该结构中，1.自超声芯模细化活塞组织，抑制活塞合金成分偏析，分散活塞顶部厚大部分硅相和增强相粒子，提高活塞性能均匀性；2.顶模负压和加压保温冒口，可以有效排除铝合金金属液中气体，增加活塞头部厚大部位致密度与组织细化；3．金属型整体重力铸造，侧模波浪形水冷系统增大循环水与模具的接触面积，加速活塞顺序凝固，强化活塞抗高温疲劳性能。

下面将以目前公知的共晶al-si系合金为例进行制备方法的详细说明，其化学成分包括铝、硅、铜、镍、镁、锰、锆、钛、钒，其化学成分按重量百分比分别为：

si：11.0～13%；cu：2.5～4.5%；ni：1.5～3.0%；mg：0.2～1.0%；mn≤0.5%；fe：≤0.3%；zr：≤0.3%；ti：≤0.3%；v≤0.2；其余为铝；活塞制备过程中用镶圈渗铝液的化学成分包括铝、硅、镁，其化学成分按重量百分比分别为：si：5.0～9.0%，mg：0.1～0.5%；其余为铝。

实施例1：

共晶al-si系合金的化学成分按重量百分比为：

si：12.5%；cu：3%；ni：2%；mg：1.0%；mn≤0.5%；fe：≤0.3%；zr：≤0.3%；ti：≤0.3%；v≤0.2；其余为铝；活塞制备过程中用镶圈渗铝液的化学成分包括铝、硅、镁，其化学成分按重量百分比分别为：si：7%，mg：0.3%；其余为铝。

一种大功率发动机用活塞的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：前期准备

a.活塞用铝合金熔体及镶圈渗铝液的制备：分别将活塞用铝合金和渗铝液铸锭表面清理干净，采用石墨坩埚电阻炉在300℃时保温4小时后将其熔化，并进行熔体成分调整，以及变质、精炼和细化工艺过程。

b.盐芯保温及镶圈渗铝：在进行铝合金熔体和渗铝液制备的过程中用保温炉将盐芯在500℃保温，待渗铝液制备完成后，将镶圈挂于挂架上旋转烘烤3min，渗铝5min。

c.模具预热：预热至270～350℃。

步骤二：活塞毛坯制备

a.活塞铸造工艺控制：（1）将本发明提供的模具合模；（2）将浇注机倾斜45°；（3）浇注：待处理完的铝液温度达到730～760℃时，用工具安装好镶圈和盐芯，并开启芯模超声发生器10后开始浇注，然后通过浇注系统8进行浇注，并将装有本发明模具的铸造机打到水平位置，浇注时间控制在9s，浇注完成后5s后开启侧模的销孔水冷系统，9s后开启侧模水冷系统，冷却水通过侧模9中波浪形的水冷通道3加速活塞毛坯顺序凝固，（4）浇注完毕后，30s负压装置11开启负压，通过压力气道5后使腔体内的压力控制在60～100mbar，保压20s;（5）待负压保持结束后，顶模通气体加压，加压装置6开启，压力控制在0.8mpa，保压100s；（6）出模：待活塞凝固冷却到450～500℃后开模，并将成型毛坯置于冷却水箱中，控制水位到销孔中心部以下，活塞毛坯顶部用压缩气体冷却，浇注到出模全部过程控制在3～6min内。以上步骤除盐芯、镶圈定位放置和浇注是人工进行，其它全部工序用控制程序自动控制。

b：活塞热处理：自然时效24h，215℃保温6h后空冷。

整体铸造活塞解剖样品室温强度：347mpa；350℃抗拉强度：107mpa；425℃抗拉强度：55mpa；350℃旋弯疲劳强度：53mpa；台架考核（爆发压13mpa，工作温度350℃）使用寿命比现有技术提高40%。

实施例2：

共晶al-si系合金的化学成分按重量百分比为：

si：11%；cu：3.8%；ni：2.5%；mg：0.7%；mn≤0.5%；fe：≤0.3%；zr：≤0.3%；ti：≤0.3%；v≤0.2；其余为铝；活塞制备过程中用镶圈渗铝液的化学成分包括铝、硅、镁，其化学成分按重量百分比分别为：si：8%，mg：0.5%；其余为铝。

一种大功率发动机用活塞的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：前期准备

a.活塞用铝合金熔体及镶圈渗铝液的制备：分别将活塞用铝合金和渗铝液铸锭表面清理干净，采用石墨坩埚电阻炉在300℃时保温4小时后将其熔化，并进行熔体成分调整，以及变质、精炼和细化工艺过程。

b.盐芯保温及镶圈渗铝：在进行铝合金熔体和渗铝液制备的过程中用保温炉将盐芯在500℃保温，待渗铝液制备完成后，将镶圈挂于挂架上旋转烘烤8min，渗铝3min。

c.模具预热：预热至270～350℃。

步骤二：活塞毛坯制备

a.活塞铸造工艺控制：（1）将本发明提供的模具合模；（2）将浇注机倾斜45°；（3）浇注：待处理完的铝液温度达到730～760℃时，用工具安装好镶圈和盐芯，并开启芯模超声发生器10后开始浇注，然后通过浇注系统8进行浇注，并将装有本发明模具的铸造机打到水平位置，浇注时间控制在12s，浇注完成后3s后开启侧模的销孔水冷系统，12s后开启侧模水冷系统，冷却水通过侧模9中波浪形的水冷通道3加速活塞毛坯顺序凝固，（4）浇注完毕后，20s负压装置11开启负压，通过压力气道5后使腔体内的压力控制在60～100mbar，保压30s;（5）待负压保持结束后，顶模通气体加压，加压装置6开启，压力控制在1.2mpa，保压140s；（6）出模：待活塞凝固冷却到450～500℃后开模，并将成型毛坯置于冷却水箱中，控制水位到销孔中心部以下，活塞毛坯顶部用压缩气体冷却，浇注到出模全部过程控制在3～6min内。以上步骤除盐芯、镶圈定位放置和浇注是人工进行，其它全部工序用控制程序自动控制。

b：活塞热处理：自然时效24h，230℃保温6h后空冷。

整体铸造活塞解剖样品室温强度：378mpa；350℃抗拉强度：116mpa；425℃抗拉强度：63mpa；350℃旋弯疲劳强度：55mpa；台架考核（爆发压13mpa，工作温度350℃）使用寿命比现有技术提高45%。

参见图3，可以看到图3（b）为用该发明制备的活塞，有效减少了缩松和气孔缺陷，组织更致密。

参见图4，可以看到图4（b）为用该发明制备的活塞，α-al和si晶粒细小。