铝合金活塞的制造方法与流程

本发明涉及一种车辆用铝合金活塞的制造方法，更详细地，涉及形成具有弹性、耐久性、热特性及成型性优秀的铝合金活塞的制造方法。

背景技术

随着汽车产业的发展，活塞作为车辆内的关键部件之一。过去主要使用如汽缸体的具有耐磨性和机械强度的高级铸铁或者铬镍铸铁，且利用可均匀形成组织的圆心铸造法制造了活塞。

但是，利用铸铁制造的活塞因重量重，所以在高速直线往返运动的过程中的惯性增加、运动性降低，且由此具有发动机输出降低，燃料利用率减少的缺点。

因此，为了提高活塞的运动性和维持活塞的机械强度，并减少活塞的重量，对活塞的材料进行了研发。即，代表性地用于车辆发动机的活塞从之前的铸铁到如今的比铸铁轻，且强度和耐蚀性等优秀的铜化y合金，或者铝硅合金、科比塔留姆耐热铝合金等的普通铝合金。

如图1所示，活塞10在与头部11接近的外周面，以规定的间隔形成多个环槽13、14、15，且通常从上部依次地设置由顶环(topring)和第二环(secondring)构成的压缩环16、17和一个油环18。压缩环16、17在活塞被压缩时，防止在活塞和气缸壁之间的混合器漏出，同时防止在爆炸行程的燃烧气体漏出。油环18为了防止在高温、高压状态下摩擦的压缩环与气缸直接金属接触，在气缸壁提供可维持适当油膜的油，且将暴露在高温的活塞热传达到气缸壁，防止活塞的过热。

但是，最近用于减少燃料费的消除发动机怠速成为焦点，为了防止根据低排量的车辆性能的低下，结合燃料直喷方式或涡轮增压技术，在低排量的发动机也可发挥高输出性能。但是，使用如上述的燃料直喷方式，发动机燃烧室内部的压力和温度大大增加，导致相当的热、机械及化学负载作用于活塞。

特别地，在设置活塞环的环槽的情况，由与气缸壁接触的活塞环，相当的运行负载传达至活塞，使得铝合金活塞的环槽容易被磨损。

因此，为了强化活塞环槽的磨损特性，开发了通过等离子氮化强化环槽的表面层的技术。

技术实现要素：

本发明是为了解决上述的现有技术的问题，其目的是利用铝合金的特性，提供减少活塞的重量和摩擦，而提高环槽磨损特性的同时提高生产性并减少原料成本，增加活塞的热特性、弹性及使用寿命的铝合金活塞的制造方法。

为了解决现有技术的问题，本发明提供一种铝合金活塞的制造方法，其特征在于，它通过下述步骤实现：一、把圆柱状的合金铸锭加热至450～470℃，所述合金铸锭的重量百分比中si为11.6％～13.1％，fe为0.01～0.10％，cu为0.6％～1.2％，mn为0.01～0.15％，mg为0.85％～1.2％，ni为0.6％～1.2％，zn为0.01～0.23％，cr为0.01～0.09％，ti为1.5～2.6％，b为0.5～1.3％，单个杂质≤0.05％，合计杂质≤0.15％，其余为al；二、通过挤压后进行切断，制成锻造毛坯；三、毛坯经自由锻造和模锻后进行淬火；四、进行二级式时效处理，一级时效温度为140～145℃，保温时间为3.5～4.5小时；二级时效温度为165～170℃，保温时间为2.5～3小时，且所述锻造毛坯的制造方法包括：第一步骤，加热铝合金材料之后，在外表面涂润滑剂，投入到第一模具的第一成型槽；第二步骤，在位于所述第一模具的第一成型槽上部的插入槽，投入由铸钢形成的插入环，将所述插入环嵌在所述材料上部；第三步骤，将嵌入所述插入环的材料上部，由第一冲压机加压成型，形成活塞头部，使得插入环的平面和底面一部分及内周面固定在所述材料成为一体；第四步骤，在所述第一模具形成活塞头部，由排出手段排出插入环被部分固定的材料；第五步骤，再次加热从所述第一模具排出的材料之后，以在所述材料外表面涂润滑剂的状态倒过来，投入到第二模具的第二成型槽；第六步骤，将投入到所述第二模具的材料由第二冲压机加压成型，形成活塞裙部，使得除了插入环外周面的所有面完全固定在所述材料成为一体；及第七步骤，由排出手段排出在所述第二模具成型的材料，其中，ti：b：cu的组成比为2.3:1:1。

本发明的铝合金活塞的制造方法具备减少活塞的重量和摩擦，提高环槽磨损特性的同时提高生产性并减少原料成本，增加活塞的热特性、弹性及使用寿命。

附图说明

图1是示出现有内燃机活塞的立体图。

图2是示出根据本发明的铝合金活塞制造方法的实施例的活塞制造过程图。

图3是示出根据本发明的实施例制造的活塞凹部断面图。

图4是示出根据本发明的实施例制造的活塞凹部断面图。

具体实施方式

以下，根据附图对本发明的铝合金活塞进行详细地说明。

具体实施方式一：本实施方式通过下述步骤实现：一、把圆柱状的合金铸锭加热至450～470℃，所述合金铸锭的重量百分比中si为11.6％～13.1％，fe为0.01～0.10％，cu为0.6％～1.2％，mn为0.01～0.15％，mg为0.85％～1.2％，ni为0.6％～1.2％，zn为0.01～0.23％，cr为0.01～0.09％，ti为1.5～2.6％，b为0.5～1.3％，单个杂质≤0.05％，合计杂质≤0.15％，其余为al，其中，ti：b：cu的组成比为2.3:1:1；二、通过挤压后进行切断，制成锻造毛坯；三、毛坯经自由锻造和模锻后进行淬火；四、进行时效处理。

具体实施方式二：本实施方式中，步骤一中合金铸锭加热至452℃，所述合金铸锭的重量百分比中si为11.7％，fe为0.02％，cu为0.7％，mn为0.05％，mg为0.9％，ni为0.7％，zn为0.02，cr为0.02％，ti为1.61％，b为0.7％，单个杂质≤0.05％，合计杂质≤0.15％，其余为al；步骤三中淬火温度为520～525℃，淬火的保温时间是230～250分钟，淬火所用水的温度是50～60℃；步骤四中一级时效温度为140～145℃，保温时间为3.5～4.5小时；二级时效温度为165～170℃，保温时间为2.5～3小时。

具体实施方式三：本实施方式中，步骤一中合金铸锭加热至452℃，所述合金铸锭的重量百分比中si为12.5％，fe为0.02，cu为1.0％，mn为0.10％，mg为1.0％，ni为1.0％，zn为0.1％，cr为0.05％，ti为2.3，b为1.0％，单个杂质≤0.05％，合计杂质≤0.15％，其余为al；步骤三中淬火温度为522℃，淬火的保温时间是235分钟，淬火所用水的温度是52℃；步骤四中一级时效温度为142℃，保温时间为3.8小时；二级时效温度为166℃，保温时间为2.6小时。

具体实施方式四：本实施方式中，步骤一中合金铸锭加热至452℃，所述合金铸锭的重量百分比中si为13％，fe为0.05％，cu为1.1％，mn为0.02，mg为1.1％，ni为1.1％，zn为0.2，cr为0.02，ti为2.53％，b为1.1，单个杂质≤0.05％，合计杂质≤0.15％，其余为al；步骤三中淬火温度为524℃，淬火的保温时间是245分钟，淬火所用水的温度是58℃；步骤四中一级时效温度为144℃，保温时间为4.2小时；二级时效温度为168℃，保温时间为2.8小时。

在上述四个实施例的铝合金添加ti和b时，可生成tib2、al3ti和alb2，其中，tib2、al3ti和alb2有助于对材料的弹性。但ti：b：cu的组合比不是2.3:1:1时，即，ti组合超过2.3时，可过度的生成不利于成型性和冲击特性的al3ti；b组合超过1时，有利于材料的弹性及成型性，但过度的生成不利于热传导性等热特性的alb2，因此，材料的热特性降低；cu组合小于1时，材料的弹性降低，且大于1时，提高热稳定性但随着热传导性降低，热传导损失增大。因此，ti：b：cu的组合比优选为2.3:1:1。

进一步的，铝合金锻造毛坯的制造方法包括：第一步骤，加热铝合金材料之后，在外表面涂润滑剂，投入到第一模具的第一成型槽；第二步骤，在位于所述第一模具的第一成型槽上部的插入槽，投入由铸钢形成的插入环，将所述插入环嵌在所述材料上部；第三步骤，将嵌入所述插入环的材料上部，由第一冲压机加压成型，形成活塞头部，使得插入环的平面和底面一部分及内周面固定在所述材料成为一体；第四步骤，在所述第一模具形成活塞头部，由排出手段排出插入环被部分固定的材料；第五步骤，再次加热从所述第一模具排出的材料之后，以在所述材料外表面涂润滑剂的状态倒过来，投入到第二模具的第二成型槽；第六步骤，将投入到所述第二模具的材料由第二冲压机加压成型，形成活塞裙部，使得除了插入环外周面的所有面完全固定在所述材料成为一体；及第七步骤，由排出手段排出在所述第二模具成型的材料。

在步骤1中，在第一模具300内投入的铝合金材料100可使用比铸钢轻，同时强度和耐蚀性等优秀的铜化y合金，或者铝硅合金、科比塔留姆耐热铝合金等的普通铝合金。

在步骤1中，为了提高材料100的塑性变形，在加热炉以500-550℃的温度加热之后，以在从加热炉排出的材料100外表面涂润滑剂的状态，投入到第一模具300的第一成型槽301。

这时，润滑剂的作用是材料100在连续锻造成型过程中，防止模具在急剧的温度上升中发生的裂痕损伤，同时防止在锻造成型过程中材料100粘在模具内部。

第一成型槽301形成对应于利用铝合金材料100制作的活塞头部11的形状和规格，优选地，考虑到锻造成形之后的活塞切割加工步骤，第一成型槽300的内径大于成品活塞的外经设计基准。

在步骤二中，插入环200放置在位于第一模具300的第一成型槽301上部的插入安装槽302，使得插入环200嵌在材料100的上部。

这时，插入环200的外径和安装槽302的内径相同，从而在材料100的锻造成形过程中，抑制插入环200的移动，且在材料100的锻造成形过程中，维持与材料100成为一体的插入环200的位置。

作为插入环200材料100的铸钢，可从碳素铸钢、镍锰铸钢、硅铸钢、铬钢铸钢、含镍铸钢、镍铬钢铸钢、镍铬钼钢、不锈钢铸钢中选择任何一个进行使用。

在步骤3，将嵌入插入环200的材料100上部，由第一冲压机400加压成型为铝合金，使得在第一步骤的材料100的整体高度降低且外径扩大成为活塞头部11。同时，插入环200的一部分，即插入环200的平面、底面一部分和内周面，由第一冲压机400被压缩，与变形为第一模具300的第一成型槽301形态的铝合金材料100成为一体。

在步骤4，利用排出手段将在步骤3形成的与插入环200成为一体的材料100，从第一模具300的第一成型槽301内部排出。

排出手段通常设置在锻造模具内部，通常使用排出成型材料100的如喷射冲的通常排出手段。

在步骤5，将从步骤4取出的材料100再次在500-550℃温度的加热炉进行加热之后，在从加热炉排出的材料100外表面涂润滑剂的状态，倒立地投入到第二模具500的第二成型槽501。

第二成型槽501形成对应于利用铝合金材料100制作的活塞外形的形状和规格，优选地，考虑到锻造成形之后的活塞切割加工步骤，第二成型槽500的内径大于成品活塞的外经设计基准。

在步骤6，将投入到第二模具500的材料以第二冲压机600加压成型，形成活塞裙部12，并将除插入环200外周面的所有面，完全地固定在材料100成为一体，最终形成活塞裙部12的活塞外形。

由此，插入环200的外径与活塞形状的锻造成型材料100的外径完全一致，同时最小化两种金属间的接合不良及因热膨胀系数差异的接合性低下，可维持坚固的一体结构。

第二冲压机600的形状在加压成型材料100的过程中，形成为在材料100设置活塞销的活塞裙部12成型可能的形状。

在步骤7，利用排出手段将在第二模具500与插入环200成为一体的材料100，从第二模具500的第二成型槽501内部排出。排出手段通常设置在锻造模具内部，使用排出成型材料100的如喷射冲的普通排出手段。

利用如上述适用本发明技术的铝合金活塞制造方法，制造内燃机用铝合金活塞的整个过程的说明如下。

图2是示出根据本发明的内燃机用铝合金活塞的制造过程。如图所示，在第一模具300投入铝合金材料100，并将在第一模具300由铸钢形成的插入环200嵌入在材料100上部之后，由第一冲压机400加压材料100，则形成材料100和插入环200的部分一体化。

接着，将插入环200被部分一体化的材料100投入到第二模具500之后，由第二冲压机600加压成型，使得材料100和插入环200完全成为一体化的同时具有活塞外形，由此完成本发明的铝合金活塞的外形成型。

完成由锻造成型的活塞外形之后，在活塞头部的外周面以一定的间隔形成多个规定深度的环槽，同时在活塞裙部12形成销结合孔。根据需要，在活塞头部11可执行形成阀套的切割加工步骤。

这时，环槽形成嵌入顶环的顶环槽13、嵌入第二环的第二活塞环槽14和嵌入油环的油环槽15。将对与活塞周面成为一体的插入环200的外周面进行切割加工形成顶环槽13。即，嵌入顶环的顶环槽13形成在由铸钢与铝合金活塞成功为一体的插入环200的外周面，且第二活塞环槽14和油环槽15形成在由铝合金材料100的活塞10的周面。

如上述，在设置于内燃机的活塞10的运行过程中，大大提高受到内燃机燃烧室内部的高温及高压的设置顶环16的顶环槽13表面硬度和耐蚀性，并延长顶环槽13的磨损寿命。由此，可提高活塞的耐久性和使用寿命，且可防止因环槽的磨损的漏气现象发生。

同时，只在受到高温和高压的顶环槽13的部分限定性的使用铸钢插入环200，使得活塞头部11和活塞裙部12的本体大部分由轻的铝合模具成。因此，最小化活塞的重量增加达到轻量化的目的，且可期待活塞轻量化的运动性提高和根据此的内燃机的性能提高及减少燃料的效果。

此外，完成如上述的环槽和销结合孔的成型之后，将活塞放进充满氨气的密封处理炉，进行氮化热处理方法，选择性地执行硬化活塞外表面的热处理步骤。由此，可强化包括顶环槽13、第二活塞环槽14、油环槽15的活塞表面硬度和耐蚀性。

选择性地执行上述的热处理步骤之后，执行精整加工研磨步骤，稳定化活塞外表面的机械强度，完成硬度和耐蚀性均匀的高质量的铝合金活塞的制作。

综上所述，对本发明的优选实施例进行了说明，但本发明不限定于上述的特定实施例，且在不脱离本发明要点的范围内，所属领域的技术人员可进行多种变形或应用，并且应该理解为这些变形或应用也属于本发明的权利要求保护范围。