CN101480700B - 铝活塞底冒口补缩浇铸工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝活塞底冒口补缩浇铸工艺，具有铝活塞浇铸金属型，金属型内有相互联通的铝液侧浇道及与铝活塞形状匹配的模腔，模腔底部对应的铸浇体为铝活塞的环槽区，其特征在于在铝活塞浇铸模具的模腔底部设置补缩用冒口，所述的冒口处安装保温透气的冒口套，大气能通过所述的冒口套进入模腔内；然后，将金属型进行预热至150℃-250℃，在金属型的工作面喷刷涂料；再通过铝液侧浇道向模腔内浇铸700℃-730℃铝液，同时向对金属型环壁进行水冷，水冷温度控制在40℃-60℃；当冒口处铝液基本凝固完毕，即可脱型。使铝活塞的组织致密，抗拉强度大大提高。
Description
技术领域
本发明属于一种铝活塞浇铸工艺。
发明内容
汽车活塞被称为发动机的心脏，它是发动机中最重要的零件之一，其功用是承受气体压力，并通过活塞销传给连杆驱使曲轴旋转。汽车活塞是个圆桶状，沿纵向分成3个区：裙部、环槽和顶部，其中裙部仅起导向作用，所以壁厚极其细薄；环槽区要切深度为壁厚1/3-1/2的3-4道环槽，其壁厚设计得较厚，通常是裙部壁厚的3-6倍；顶部与销孔座之间是承受高的热负荷和机械负荷的主要部位是活塞壁厚最厚的位置，通常是裙部壁厚的10-15倍。图1是SQR372轿车活塞的结构简图，从中可看出活塞壁厚极不均匀，外形很特殊：带有2个凹面，其中各有一个销孔，顶部有铸造成型的椭圆盆型燃烧室和4个气门坑，因而需要采用1个垂直分型面和2个水平分型面。
在发动机工作时，活塞直接与瞬时温度2200摄氏度的高温气体接触，其顶部温度达300℃-400℃，且温度分布不均匀；在做功行程时活塞顶部承受着很大的气体压力，汽油机达4MPa-5MPa，柴油机高8MPa-9MPa，甚至更高；此外，活塞在气缸内往复运动线速度可达11m/s-16m/s；在这种恶劣的条件下工作，活塞承受着高温、高压的热负荷和机械负荷。因此活塞作为汽车发动机中传递能量的一个非常重要的构件，对其具有特殊的要求：密度小、质量轻、热传导性好、热膨胀系数小；并具有足够的高温强度、耐磨和耐蚀性能、尺寸稳定性好。
由金属型重力铸造发展到低压铸造、挤压铸造，活塞的宏观组织和抗拉强度虽然得到很好改善，但不适用于内腔结构复杂、镶钢片(奥氏体铸铁圈)、内冷油道等高技术含量汽车发动机活塞，于是不得不在金属型重力铸造工艺上进行了一系列的改进：由最早的双侧冒口补缩工艺发展到单侧冒口补缩工艺；由活塞顶部向下的侧冒口补缩工艺发展到活塞顶部向上的顶冒口补缩机械下抽芯铸造工艺。经过这一系列的演变活塞的宏观组织得到很大提高，但需要投入大量资金购置下抽芯铝活塞铸造机、模具制造难度也增加了许多、对顶部铸造成型的活塞不易保证尺寸精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种铝活塞底冒口补缩浇铸工艺，通过在铝活塞的底部增加冒口，使铝活塞的组织致密，抗拉强度大大提高。
本发明的技术方案如下：
铝活塞底冒口补缩浇铸工艺，具有铝活塞浇铸金属型，金属型内有相互联通的铝液侧浇道及与铝活塞形状匹配的模腔，模腔底部对应的铸浇体为铝活塞的环槽区，其特征在于在铝活塞浇铸模具的模腔底部设置补缩用冒口，所述的冒口处安装保温透气的冒口套，大气能通过所述的冒口套进入模腔内；然后，将金属型进行预热至150℃-250℃，在金属型的工作面喷刷涂料；再通过铝液侧浇道向模腔内浇铸700℃-730℃铝液，同时向对金属型环壁进行水冷，水冷温度控制在40℃-60℃；当冒口处铝液基本凝固完毕，即可脱型。
所述的冒口为倒锥形凸台形状，高度15-25mm，底部外径为20-30mm。
铝活塞铸件的快速凝固和底冒口的有效保温是本发明的两大核心技术：铸件从外(与金属型接触面)向内凝固结壳和外界大气隔绝才能在铸件厚大部位内产生真空。本发明对特别厚大的部位采取局部通水强冷，从而保证了整个铸件实现从上到下的顺序凝固。位于铝活塞铸件下方的冒口采用多孔海绵状耐火材料制成的，具有保温性能好、透气性强的特点，保证了冒口内的铝液和大气的连通，是底冒口补缩的动力源。冒口补缩距离要小于15mm、冒口高度要小于25mm。
本发明冒口位于铝活塞要补缩的厚大部位下面，冒口补缩距离很短，对铝活塞铸件实现快速冷却，对冒口采取有效的保温，人为造成温度梯度很大的温度场，先凝固的铸件由于收缩而在未凝固的冒口颈周围产生局部真空，大气压的作用使下面冒口中未凝固的铝液通过冒口颈压入铸件，从而实现对铸件的类似于低压铸造的加压(大气压)补缩，使铝活塞的组织致密，抗拉强度大大提高。
本发明金属型的排气系统设计主要是通过：冒口排气、分型面排气、以及在复杂的型腔和低凹处开设排气孔。
金属型的壁厚对铸件的凝固速度、铸型的寿命及铸造生产率都有直接的影响。本发明是根据经验数据来确定的，如下表：
铝活塞铸件金属型的壁厚mm
| 活塞铸件的平均壁厚mm | 3-5 | 5-6 | 6-8 |
| 金属型的最小壁厚mm | 15-20 | 20-25 | 25-30 |
金属型材料的选择
选用铸铁、铸钢作为铝合金金属型外型的模具材料，平均寿命10000～50000次左右；型芯和底模采用美国钢铁学会(AISI)分类的H-13，相当于国内4Cr5MoSiV1钢。这种钢具有较高的热强度和硬度，还具有较高的耐磨性和韧性，用它作模具，其铸件尺寸稳定、模具寿命长，一般大于100000次。
表1：不同冒口补缩方法之间铝活塞出品率的对比情况表
表2：不同冒口补缩方法之间铝活塞宏观组织的对比情况表
表3：不同冒口补缩方法之间铝活塞抗拉强度的对比情况表
从以上的对比分析表中可以发现本发明补缩工艺的先进性表现在如下几方面：
(1)、制造SQR372铝活塞毛坯采用的底冒口补缩工艺方法能使铝水工艺出品率由30％-50％提高到90％以上，节约了能源，降底了生产成本，具有显著的经济效益和社会效益；
(2)、消除了国产活塞普遍在销孔座或顶部出现宏观缩松或显微缩松的缺陷，缩短了国产活塞与国外活塞在宏观组织上的差距；
(3)、常温抗拉强度和高温抗拉强度在国内处于领先水平。
附图说明
图1为本发明铝活塞结构示意图。
图2为本发明铝活塞铸件结构示意图。
图3为金属型模具结构示意图。
具体实施方式
参见图1，轿车铝活塞包括有环槽区1、顶面区2、裙部区3。
参见图2，在铝活塞模具的侧面有浇道4，铝液从浇道4进入模具。
参见图3，为金属型模具结构；其中，包括有上金属型5、下金属型6，上金属型5、下金属型6之间有中金属型7，所述的中金属型7下端有底模8，所述的底模8中央有保温透气材料的底冒口9，下金属型6下端有开孔，使得底冒口9通过该开孔与大气联通。中金属型7周围有冷却水道系统11；所述的上金属型5中间有开孔，开孔内插入有型芯10。金属型中间的空腔为型腔。
1、金属型的预热
为避免合金液冷却速度太快，造成气孔、冷隔、浇不足、缩孔等缺陷；保护金属型避免急冷急热而剧烈收缩和膨胀；减轻铸件包紧力，便于脱型，金属型需先预热至150℃-200℃后喷刷涂料，再将外型、型芯、销芯、底模加热到200℃-300℃，才能进行浇铸。
2、金属型涂料的使用
金属型涂刷涂料是为了：减轻铝合金液对金属型的“热击”作用，减小型壁内应力；根据工艺要求，对金属型的表面不同部位喷刷不同成分和厚度的涂料，促使铸件按规定方向顺序凝固；利用涂料的保温作用，降底型壁对金属液的吸热速度，相对提高其流动性。喷刷涂料前，清理金属型工作面与排气塞，然后预热到所要求的温度。喷刷涂料时，金属型不同部位喷涂按表4规定的涂料种类及厚度。
表4活塞铸件金属型铸造常用涂料及用法
| 涂料种类 | 使用位置 | 涂料厚度 | 使用方法 |
| 10％氧化锌+15％石棉粉+5％水玻璃+水 | 浇冒口 | 0.5-1mm | 刷涂 |
| 15％石墨粉+3％水玻璃+水 | 裙部型腔 | 0.2-0.5mm | 喷涂 |
| 20％锆英粉+12％膨润士+5％纸浆液+水 | 环槽型腔 | 0.05-0.2mm | 喷涂 |
| 15％石墨粉+5％工业磷酸3％水玻璃+水 | 型芯、销芯 | / | 浸涂料水 |
| 20％锆英粉+12％膨润士+5％纸浆液+水 | 底模 | 0.05-0.2mm | 喷涂 |
3、金属型工作温度
金属型工作温度和各部分的温差对铸件的冷却温度场有着重要的作用。对金属型局部过热区域强制水冷和风冷是为了保证该区域保持正常的工作温度，提高生产效率，同时消除过热。金属型工作温度控制的有效手段是控制冷却水出口温度，出口温度靠冷却循环水循环速度调节，水温设置在40℃-60℃。
4、浇铸温度及工艺
浇铸温度要选择合适：过高则铸件冷却缓慢，晶粒粗大，降底力学性能，易形成针孔、气孔等缺陷；过低则易导致浇不足、冷隔等缺陷。铝硅合金活塞底冒口补缩工艺的浇铸温度一般控制在700℃-730℃，由电阻保温度自动控制，形状复杂的薄壁活塞取上限，形状简单的厚壁活塞偏下限。浇铸时浇包嘴尽可能接近浇口杯先慢后快、浇铸平稳、液流连续、并使合金液沿浇道壁流入型腔。
5、铸件脱型时间
当冒口基本凝固完毕，即可抽芯脱型。脱型太晚，铸件包紧力相应增加，造成金属型外型分不开和型芯抽拨困难。
6、使用效果对比分析
SQR372活塞顶部四个气门坑铸造成型，在采用底冒口补缩工艺时，为使冒口能够位于铸件厚大的销座下方，将冒口设计成圆台型，高度15-25mm，底部外径为20-30mm。
经批量生产统计结果如下：铝活塞铸件平均每只重398克，冒口平均每只11.3克，铸造工艺出品率为90.3％；抽查了10只活塞的宏观组织都在1-2级之间，没有大于2级的情况出现；常温抗拉强度都在330MPa以上、高温抗拉强度都在130MPa以上。
Claims (1)
1.铝活塞底冒口补缩浇铸工艺，具有铝活塞浇铸金属型，金属型内有相互联通的铝液侧浇道及与铝活塞形状匹配的模腔，模腔底部对应的铸浇体为铝活塞的环槽区，其特征在于在铝活塞浇铸模具的模腔底部设置补缩用冒口，所述冒口采用多孔海绵状耐火材料制成，所述冒口为倒锥形凸台形状，高度为15-25mm，底部外径为20-30mm；所述的冒口处安装保温透气的冒口套，大气能通过所述的冒口套进入模腔内，冒口补缩距离小于15mm；然后，将金属型进行预热至150℃-250℃，在金属型的工作面喷刷涂料；再通过铝液侧浇道向模腔内浇铸700℃-730℃铝液，同时向对金属型环壁进行水冷，水冷温度控制在40℃-60℃；当冒口处铝液基本凝固完毕，即可脱型。
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