一种带内冷油腔的伪合金增强复合材料活塞制造方法技术

本发明专利技术涉及一种带内冷油腔的伪合金增强复合材料活塞制造方法，包括步骤：①配制活塞用铝合金、②制作伪合金预制件、③制作内冷油腔陶瓷盐芯预制件、④熔炼处理、⑤预制件预热、⑥模具预热、⑦挤压铸造、⑧清理内冷油腔、⑨对活塞毛坯进行热处理及⑩对活塞毛坯件进行机械加工和表面处理，本发明专利技术活塞基体合金采用纳米变质细化技术，变质效果远远好于普通的磷盐变质剂，变质后的初晶硅尺寸小于35μm，与背景技术中提到的50～70μm相比大大减小，活塞的力学性能得到显著提高；活塞的内冷油腔采用陶瓷盐芯一次挤压铸造成型，该陶瓷盐芯具有极高的承压能力，从而可以配合挤压铸造工艺获得结构满足要求的活塞，直接用高压热水冲洗即可去除从而得到内有冷腔。

【技术实现步骤摘要】
一种带内冷油腔的伪合金增强复合材料活塞制造方法
本专利技术涉及一种带内冷油腔的伪合金增强复合材料活塞制造方法。
技术介绍
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。我国汽车发动机活塞普遍采用ZL108、ZL109铸造铝合金，材料力学性能为抗拉强度(Rm)为220～240MPa、伸长率(A)为0.5～1.0％，300℃下的抗拉强度为60～80MPa。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。国内外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，厚大部位通常设有冷却油腔对活塞进行冷却，采用重力铸造工艺成型，这样制备的活塞存在重量重、高镍铸铁镶环与铝基体结合强度低等缺陷，导致活塞使用寿命短、使用可靠性差。在液压循环疲劳仿真考核试验时上述活塞易出现高镍铸铁镶圈脱开的现象，这是由于高强化发动机的转速和最高燃烧压力的大幅度提高，使得活塞第一环槽部位所受的机械载荷急剧增加，采用Al-Fin法镶铸的高镍铸铁镶圈与铝基体之间20～40MPa的结合强度已经不能满足使用要求，提高镶圈结合强度是活塞能否满足使用要求的关键。授权公告号为CN103042195B的中国专利技术专利《一种伪合金增强环槽活塞的挤压铸造制造方法》(申请号：201210574362.2)披露了一种采用挤压铸造方法制备活塞的技术，其采用伪合金镶圈增强材料，制备成带有较高孔隙率的预制件，并在活塞挤压铸造成型的同时，使铝合金液在机械压力的作用下向预制件的空隙中渗透扩散、凝固、结晶，形成复合材料，从而增强了活塞的环槽部位。但是，上述挤压铸造方法采用的是常规活塞合金和变质工艺，采用普通的磷盐变质剂，活塞合金经过变质后形成的初晶硅尺寸比较粗大，初晶硅平均尺寸为50～70μm，导致活塞合金的力学性能比较差；并且，上述方案中挤压铸造成型活塞时无法得到带有内油冷强的活塞。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种活塞基体铝合金变质效果及力学性能好的带内冷油腔的伪合金增强复合材料活塞制造方法。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种带内冷油腔的伪合金增强复合材料活塞制造方法，其特征在于包括以下步骤：①配制活塞用铝合金，按百分比计，该合金包括下述质量组分：Cr、V、Pb和Ca杂质元素总量不超过0.5％，其余为Al；②制作伪合金预制件，将伪合金粉末颗粒混杂均匀后，经过模具压制、烧结，形成伪合金镶圈预制件1；按百分比计，上述伪合金粉末颗粒包括以下质量组分：C、O、S和P杂质元素总量不超过1.0％，其余为Fe；③制作内冷油腔陶瓷盐芯预制件，该陶瓷盐芯预制件先采用冷等静压工艺进行致密化，然后经过高温焙烧去除内应力得到；④熔炼处理，将配制的活塞用铝合金放入熔化炉中进行熔化，对熔化后的合金液依次进行精炼、变质细化、精炼处理；将铝液温度控制为720℃～740℃，采用精炼剂进行精炼处理；将铝液温度控制为740℃～750℃，采用纳米变质细化工艺进行变质细化处理；将铝液温度控制为730℃～740℃，采用精炼剂进行精炼处理，静置15～30分钟；并将铝液温度控制为720℃～730℃，待浇注；⑤预制件预热，将已制备的伪合金镶圈预制件放入280℃～300℃的电热炉中进行预热，预热时间不小于1h；将已制备的陶瓷盐芯预制件放入480℃～500℃的电热炉中进行预热，预热时间不小于1h；⑥模具预热，挤压铸造前将模具的冲头、内模、芯头预热到200℃～250℃；⑦挤压铸造，将预热好的伪合金镶圈预制件和陶瓷盐芯预制件分别固定在模具的内模上，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730℃～740℃，合上模具冲头，进行加压，加压压强130MPa～150MPa，铝合金液渗透到伪合金镶圈预制件的孔隙中，待铝合金液完全凝固后形成伪合金镶圈复合材料，卸压，顶出芯头，取出铸件；⑧清理内冷油腔，采用0.3MPa～0.5MPa、水温为40℃～50℃的高压水清除陶瓷盐芯预制件，形成活塞内冷油腔，即得到带冷却油腔的环槽增强伪合金镶圈复合材料活塞毛坯；⑨对活塞毛坯进行热处理，固溶处理温度为500±5℃，保温5.5～6.5h；在60℃～80℃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200±5℃，保温7.5～8.5h，出炉后空冷；⑩对活塞毛坯件进行机械加工和表面处理，得到带内冷油腔的伪合金增强复合材料活塞。作为改进，所述陶瓷盐芯预制件采用冷等静压工艺进行致密化的冷等静压压力为190～200MPa，保压时间为3min～5min。再改进，所述陶瓷盐芯预制件经过高温焙烧去除内应力时，加热到710℃～720℃，升温速度为90～100℃/h，保温1.8～2h后随炉冷却，炉温低于150℃出炉。进一步改进，步骤④中变质细化处理采用纳米细化剂，该纳米细化剂为SiC与AlN的混合物，所述SiC的加入量为铝合金质量的0.03～0.05％，所述AlN的加入量为铝合金质量的0.03～0.05％。优选地，步骤④中变质细化处理时将SiC及AlN用铝箔包好后压入铝合金熔体中，采用超声波搅拌或电磁搅拌进行变质细化处理。优选地，所述伪合金粉末颗粒的尺寸为200μm～630μm，是直接喷成的伪合金水喷粉颗粒，无需经过单质粉混合而成，制作工艺比现有的制备工艺更加简单、效率更高且成本更低。所述伪合金镶圈预制件的孔隙率为40％～50％。优选地，步骤④中所述的精炼剂为型号为JA04C的铝合金精炼剂，该精炼剂的添加质量为铝合金质量的0.3％～0.5％。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：1、本专利技术中的活塞基体合金采用纳米变质细化技术，变质效果远远好于普通的磷盐变质剂，变质后的初晶硅尺寸小于35μm，与
技术介绍
中提到的50～70μm相比大大减小，活塞的力学性能得到显著提高；2、本专利技术中活塞的内冷油腔采用陶瓷盐芯一次挤压铸造成型，该陶瓷盐芯采用冷等静压工艺进行致密化，并经过高温焙烧去除了内应力，具有极高的承压能力，从而可以配合挤压铸造工艺获得结构满足要求的活塞，陶瓷盐芯清理方便，直接用高压热水冲洗即可去除从而得到内有冷腔；且该陶瓷盐芯制造工艺简便、制作效率高、成本低；3、本专利技术中的活塞基体合金元素Cu、Ni的合金化程度较现有技术大大提高，从而提高了活塞的高温力学性能，同时，Zr的添加能够细化活塞铝合金的组织和晶粒，从而进一步提高活塞的力学性能；4、本专利技术的环槽部位采用伪合金镶圈增强材料，制备成带有较高孔隙率的预制件，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预制件的孔隙中渗透扩散、凝固、结晶形成复合材料，增强了活塞环槽部位的可靠性；5、本专利技术通过挤压铸造工艺一次成型的整体活塞毛坯，挤压压力可达到120MPa，材料内部组织致密，力学性能显著提高，且工艺效率高，制造成本低；附图说明图1为本专利技术的工艺技术流程图；图2为本专利技术实施例中伪合金镶圈预制件的结构示意图；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种带内冷油腔的伪合金增强复合材料活塞制造方法，其特征在于包括以下步骤：①配制活塞用铝合金，按百分比计，该合金包括下述质量组分：Cr、V、Pb和Ca杂质元素总量不超过0.5％，其余为Al；②制作伪合金预制件，将伪合金粉末颗粒混杂均匀后，经过模具压制、烧结，形成伪合金镶圈预制件1；按百分比计，上述伪合金粉末颗粒包括以下质量组分：C、O、S和P杂质元素总量不超过1.0％，其余为Fe；③制作内冷油腔陶瓷盐芯预制件，该陶瓷盐芯预制件先采用冷等静压工艺进行致密化，然后经过高温焙烧去除内应力得到；④熔炼处理，将配制的活塞用铝合金放入熔化炉中进行熔化，对熔化后的合金液依次进行精炼、变质细化、精炼处理；将铝液温度控制为720℃～740℃，采用精炼剂进行精炼处理；将铝液温度控制为740℃～750℃，采用纳米变质细化工艺进行变质细化处理；将铝液温度控制为730℃～740℃，采用精炼剂进行精炼处理，静止15～30分钟；并将铝液温度控制为720℃～730℃，待浇注；⑤预制件预热，将已制备的伪合金镶圈预制件放入280℃～300℃的电热炉中进行预热，预热时间不小于1h；将已制备的陶瓷盐芯预制件放入480℃～500℃的电热炉中进行预热，预热时间不小于1h；⑥模具预热，挤压铸造前将模具的冲头、内模、芯头预热到200℃～250℃；⑦挤压铸造，将预热好的伪合金镶圈预制件和陶瓷盐芯预制件分别固定在模具的内模上，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730℃～740℃，合上模具冲头，进行加压，加压压强130MPa～150MPa，铝合金液渗透到伪合金镶圈预制件的孔隙中，待铝合金液完全凝固后形成伪合金镶圈复合材料，卸压，顶出芯头，取出铸件；⑧清理内冷油腔，采用0.3MPa～0.5MPa、水温为40℃～50℃的高压水清除陶瓷盐芯预制件，形成活塞内冷油腔，即得到带冷却油腔的环槽增强伪合金镶圈复合材料活塞毛坯；⑨对活塞毛坯进行热处理，固溶处理温度为500±5℃，保温5.5～6.5h；在60℃～80℃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200±5℃，保温7.5～8.5h，出炉后空冷；⑩对活塞毛坯件进行机械加工和表面处理，得到铝活塞成品。...

【技术特征摘要】
1.一种带内冷油腔的伪合金增强复合材料活塞制造方法，其特征在于包括以下步骤：①配制活塞用铝合金，按百分比计，该合金包括下述质量组分：Cr、V、Pb和Ca杂质元素总量不超过0.5％，其余为Al；②制作伪合金预制件，将伪合金粉末颗粒混杂均匀后，经过模具压制、烧结，形成伪合金镶圈预制件(1)；按百分比计，上述伪合金粉末颗粒包括以下质量组分：C、O、S和P杂质元素总量不超过1.0％，其余为Fe；③制作内冷油腔陶瓷盐芯预制件，该陶瓷盐芯预制件先采用冷等静压工艺进行致密化，然后经过高温焙烧去除内应力得到；④熔炼处理，将配制的活塞用铝合金放入熔化炉中进行熔化，对熔化后的合金液依次进行精炼、变质细化、精炼处理；将铝液温度控制为720℃～740℃，采用精炼剂进行精炼处理；将铝液温度控制为740℃～750℃，采用纳米变质细化工艺进行变质细化处理；将铝液温度控制为730℃～740℃，采用精炼剂进行精炼处理，静置15～30分钟；并将铝液温度控制为720℃～730℃，待浇注；⑤预制件预热，将已制备的伪合金镶圈预制件放入280℃～300℃的电热炉中进行预热，预热时间不小于1h；将已制备的陶瓷盐芯预制件放入480℃～500℃的电热炉中进行预热，预热时间不小于1h；⑥模具预热，挤压铸造前将模具的冲头、内模、芯头预热到200℃～250℃；⑦挤压铸造，将预热好的伪合金镶圈预制件和陶瓷盐芯预制件分别固定在模具的内模上，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730℃～740℃，合上模具冲头，进行加压，加压压强130MPa～150MPa，铝合金液渗透到伪合金镶圈预制件的孔隙中，待铝合金液完全凝固后形成伪合金镶圈复合材料，卸压，顶出芯头，取出铸件；⑧清理内冷油腔，采用0.3MPa～0.5MPa、水温为40℃～50℃的高压水清除陶瓷盐芯预制件，形成活塞内冷油腔，即得到带冷却油腔的环槽增强伪合金镶圈复...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭银江，周灵展，朱秀荣，费良军，侯林冲，雷燕，徐英，付文清，
申请(专利权)人：中国兵器科学研究院宁波分院，中国兵器工业第五二研究所，
类型：发明
国别省市：浙江;33