CN101569926A - 一种带镶圈和冷却盘管的铝活塞铸造方法 - Google Patents
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Abstract
一种带镶圈和冷却盘管的铝活塞铸造方法，包括如下步骤：①配制活塞用铝合金；②熔炼；③冷却盘管装模；④镶圈装铸型；⑤合模浇注；⑥开模，热处理，开模取出铸件，进行低温固熔处理和时效热处理，得到活塞毛坯件；⑦后续处理，对活塞毛坯件进行机械加工和表面处理，得到铝活塞成品。本发明还公开了带镶圈和冷却盘管的铝活塞铸造方法。与现有技术相比，本发明的优点在于：活塞本体组织致密，耐磨镶圈与活塞本体经超声波检测结合良好，冷却盘管位置准确，抗拉强度大。
Description
技术领域
本发明涉及一种活塞用铝合金，本发明还涉及一种带镶圈和冷却盘管的铝活塞铸造方法，该铝活塞可以应用于大型船、铁路机车等领域。
背景技术
目前，铁路机车和船用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机械部件直接影响到机械设备的性能，铝活塞作为一个整体，常见的都带有高镍铸铁耐磨镶圈和冷却盘管，对铸造质量要求较高。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，技术人作了诸多改进，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9～16％，铜0.5～2.5，镍0.5～2.0，镁0.2～1.5，钛0.2～2.0，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)。
镶圈和冷却盘管是铝活塞的附件，现有技术中存在镶圈与活塞本体结合性差、冷却盘管定位不准确的问题，导致活塞的产品率低，制造成本居高不下，严重制约了铝活塞的应用。如何在不影响强度的情况下，提高镶圈、冷却盘管和铝活塞的成型装配结合工艺，一直是本领域技术人员需要研究的内容。
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活塞本体组织致密、镶圈和活塞本体结合性良好、冷却盘管定位准确的带镶圈和冷却盘管的铝活塞铸造方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种带镶圈和冷却盘管的铝活塞铸造方法，其特征在于包括如下步骤：
①配制活塞用铝合金，该合金如下组分及重量百分比组成：
Si 11.0％～13.0％；
Mg 0.8％～1.3％；
Cu 0.5％～1.5％；
Ni 0.8％～1.5％；
Fe 0.1％～0.4％；
Ti 0.01％～0.2％；
Mn 0.01％～0.2％；
Zn 0.01％～0.2％；
Cr 0.001％～0.05％；
Pb 0.001％～0.05％；
Sn 0.001％～0.01％；
其余为AL；
②熔炼，将配制好的铝合金熔炼，铝液温度控制为760～780℃，添加变质剂，将铝液温度控制为740～760℃，采用细化剂处理，将铝液温度控制为720～740℃，采用精炼剂处理，撇渣后，将铝液转入低压铸造机保温炉中，并将铝液温度控制为700～720℃，待浇；
③冷却盘管装模，将除去锈蚀和油污的冷却盘管固定于砂芯上，预热至250～300℃，将预热后的冷却盘管和砂芯装入模具；
④镶圈装铸型，将除去油污的镶圈，然后在ZL102铝硅合金中进行渗铝，温度控制为740～760℃，渗铝后镶圈取出，刮除表面氧化皮并迅速装入铸型，转移时间控制不超过15秒；
⑤合模浇注，设定低压铸造工艺参数，依次完成升液、充型、增压、保压、留模、卸压；
⑥开模，热处理，开模取出铸件，进行低温固熔处理和时效热处理，得到活塞毛坯件；
⑦后续处理，对活塞毛坯件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中所述的变质剂为复合磷盐，添加质量为铝合金的0.2％～0.4％。所述的细化剂为铝钛硼细化剂，添加重量为铝合金的0.1％～0.2％。所述的精炼剂为六氯乙烷或上海虹光金属熔剂厂生产的型号为HGJ-1A铝合金无公害精炼剂，添加质量为铝合金的0.3％～0.5％。
作为优选，步骤⑤中所述的低压铸造工艺参数如下：升液压力为0.3～0.5Kg/cm2，升液时间为40～100秒，升液速率为50～100mm/s，充型压力为0.4～0.8Kg/cm2，充型时间为200～250秒，充型速率为50～100mm/s，增压压力为0.8～1.2Kg/cm2，增压时间为500～600s，留模时间为40～60秒，保压时间为1600～1800秒。
作为优选，步骤⑥所述的低温固熔处理条件如下：温度控制为495～505℃，保温时间为6～8小时，在30秒内浸入水中，水温控制为60℃以上。
作为优选，步骤⑥所述的时效热处理条件如下：时效温度控制为200～210℃，保温时间为8～10小时。
与现有技术相比，本发明的优点在于：采用低压铸造工艺生产大型船用整体铝活塞，由于低压铸造工艺铝合金液充型平稳，速度易于控制，液流方向与铸型内气流方向一致，排气畅通，可获得内部组织致密的铸件。低压铸造工艺浇注系统简单，金属液利用率高，能够显著降低制造成本。铝合金液在压力下结晶凝固，活塞本体组织致密，耐磨镶圈与活塞本体经超声波检测结合良好，冷却盘管位置准确，抗拉强度高。
附图说明
图1为实施例1中成型后产品的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：铝活塞制备过程如下：
①配制ZL109活塞用铝合金，其材料由如下组分及重量百分比组成：Si：11.5％；Mg：0.8％；Cu：0.5％；Ni：1.0％；Fe：0.1％；Ti：0.01％；Mn：0.01％；Zn：0.01％；Cr：0.001％；Pb：0.001％；Sn：0.001％；其余为AL；
②将配制好的铝合金，在熔化炉中加热熔化，待铝合金完全熔化为铝液，将铝液温度调整到760℃，采用复合磷盐变质剂进行变质处理，加入重量为熔炼铝合金重量的0.2％；将铝液温度降到740℃，采用铝钛硼细化剂进行细化处理，加入的重量为熔炼铝合金重量的0.10％；将铝液温度降到720℃，采用精炼剂进行精炼处理，加入的重量为熔炼铝合金重量的0.3％；最后撇渣，并将铝液转入低压铸造机保温炉中，将铝液温度调到700℃，待浇；
③对冷却盘管的进行预处理，对其表面进行喷丸，采用三氯乙烯或丙酮溶液清洗，除去表面的锈蚀和油污，将清理后的冷却盘管固定在砂芯上，放入烘箱进行预热，预热温度为250℃，预热时间为20分钟，预热后的砂芯和冷却盘管装入模具；
④对高镍铸铁耐磨镶圈进行预处理，先将其浸入三氯乙烯或丙酮溶液清洗，再放入740℃的ZL102铝液中进行渗铝，渗铝时间为3分钟，然后将渗铝后的镶圈取出，刮除镶圈表面的氧化皮并迅速装入铸型中待浇注，转移时间为8秒；
⑤合模，并锁紧模具，设定低压铸造工艺参数：具体如下：升液压力位0.3Kg/cm2，升液时间为40秒，升液速率为50mm/s，充型压力为0.4Kg/cm2，充型时间为200秒，充型速率为50mm/s，增压压力为0.8Kg/cm2，增压时间为500s，留模时间为40秒，保压时间为1600秒，依次完成升液、充型、留模、保压、卸压整个浇注；
⑥开模，取出铸件，得到活塞毛坯件，然后进行低温固熔处理和完全人工时效热处理工艺，具体如下：将活塞毛坯件放入铝合金固熔处理设备中，加热到490～500℃，保温时间为6小时，在30秒内浸入水中，水温控制为60℃以上，然后将活塞毛坯件转入铝合金时效处理设备中，时效温度为200～210℃，保温时间为8小时，空冷；
⑦对活塞毛坯件进行机械加工和表面处理即为铝活塞成品。
本实施例中所得的铝活塞成品，具体结构见图1所示，活塞本体3组织致密，耐磨镶圈2与活塞本体3经超声波检测结合良好，冷却盘管1位置准确，活塞本体3室温抗拉强度达到260Mpa。
本实施例中的精炼剂还可以采用上海虹光金属熔剂厂生产的型号为HGJ-1A铝合金无公害精炼剂(黑色、块状)，市场上有售。
实施例2：
①配制ZL109活塞用铝合金，其材料由如下组分及重量百分比组成：Si：12.0％；Mg：1.0％；Cu：1.0％；Ni：1.2％；Fe：0.2％；Ti：0.1％；Mn：0.1％；Zn：0.1％；Cr：0.01％；Pb：0.01％；Sn：0.005％；其余为AL；
②将配制好的铝合金，在熔化炉中加热熔化，待铝合金完全熔化为铝液，将铝液温度调整到770℃，采用复合磷盐变质剂进行变质处理，加入重量为熔炼铝合金重量的0.3％；将铝液温度降到750℃，采用铝钛硼细化剂进行细化处理，加入的重量为熔炼铝合金重量的0.15％；将铝液温度降到730℃，采用精炼剂进行精炼处理，加入的重量为熔炼铝合金重量的0.4％；最后撇渣，并将铝液转入低压铸造机保温炉中，将铝液温度调到710℃，待浇；
③对冷却盘管的进行预处理，对其表面进行喷丸，采用三氯乙烯或丙酮溶液清洗，除去表面的锈蚀和油污，将清理后的冷却盘管固定在砂芯上，放入烘箱进行预热，预热温度为280℃，预热时间为25分钟，预热后的砂芯和冷却盘管装入模具；
④对高镍铸铁耐磨镶圈进行预处理，先将其浸入三氯乙烯或丙酮溶液清洗，再放入750℃的ZL102铝液中进行渗铝，渗铝时间为4分钟，然后将渗铝后的镶圈取出，刮除镶圈表面的氧化皮并迅速装入铸型中待浇注，转移时间为10秒；
⑤合模，并锁紧模具，设定低压铸造工艺参数：具体如下：升液压力位0.4Kg/cm2，升液时间为60秒，升液速率为70mm/s，充型压力为0.6Kg/cm2，充型时间为220秒，充型速率为80mm/s，增压压力为1.0Kg/cm2，增压时间为550s，留模时间为50秒，保压时间为1700秒，依次完成升液、充型、留模、保压、卸压整个浇注；
⑥开模，取出铸件，得到活塞毛坯件，然后进行低温固熔处理和完全人工时效热处理工艺，具体如下：将活塞毛坯件放入铝合金固熔处理设备中，加热到490～500℃，保温时间为7小时，在30秒内浸入水中，水温控制为60℃以上，然后将活塞毛坯件转入铝合金时效处理设备中，时效温度为200～210℃，保温时间为9小时，空冷；
⑦对活塞毛坯件进行机械加工和表面处理即为铝活塞成品。
本实施例中所得的铝活塞成品，活塞本体3组织致密，耐磨镶圈与活塞本体经超声波检测结合良好，冷却盘管位置准确，活塞本体3室温抗拉强度达到270Mpa。
实施例3：
①配制ZL109活塞用铝合金，其材料由如下组分及重量百分比组成：Si：13.0％；Mg：1.3％；Cu：1.5％；Ni：1.5％；Fe：0.4％；Ti：0.2％；Mn：0.2％；Zn：0.2％；Cr：0.05％；Pb：0.05％；Sn：0.01％；其余为AL；
②将配制好的铝合金，在熔化炉中加热熔化，待铝合金完全熔化为铝液，将铝液温度调整到780℃，采用复合磷盐变质剂进行变质处理，加入重量为熔炼铝合金重量的0.4％；将铝液温度降到760℃，采用铝钛硼细化剂进行细化处理，加入的重量为熔炼铝合金重量的0.2％；将铝液温度降到740℃，采用精炼剂进行精炼处理，加入的重量为熔炼铝合金重量的0.5％；最后撇渣，并将铝液转入低压铸造机保温炉中，将铝液温度调到700℃，待浇；
③对冷却盘管的进行预处理，对其表面进行喷丸，采用三氯乙烯或丙酮溶液清洗，除去表面的锈蚀和油污，将清理后的冷却盘管固定在砂芯上，放入烘箱进行预热，预热温度为300℃，预热时间为30分钟，预热后的砂芯和冷却盘管装入模具；
④对高镍铸铁耐磨镶圈进行预处理，先将其浸入三氯乙烯或丙酮溶液清洗，再放入760℃的ZL102铝液中进行渗铝，渗铝时间为5分钟，然后将渗铝后的镶圈取出，刮除镶圈表面的氧化皮并迅速装入铸型中待浇注，转移时间为15秒；
⑤合模，并锁紧模具，设定低压铸造工艺参数：具体如下：升液压力位0.5Kg/cm2，升液时间为100秒，升液速率为100mm/s，充型压力为0.8Kg/cm2，充型时间为250秒，充型速率为100mm/s，增压压力为1.2Kg/cm2，增压时间为600s，留模时间为60秒，保压时间为1800秒，依次完成升液、充型、留模、保压、卸压整个浇注；
⑥开模，取出铸件，得到活塞毛坯件，然后进行低温固熔处理和完全人工时效热处理工艺，具体如下：将活塞毛坯件放入铝合金固熔处理设备中，加热到490～500℃，保温时间为8小时，在30秒内浸入水中，水温控制为60℃以上，然后将活塞毛坯件转入铝合金时效处理设备中，时效温度为200～210℃，保温时间为10小时，空冷；
⑦对活塞毛坯件进行机械加工和表面处理即为铝活塞成品。
本实施例中所得的铝活塞成品，耐磨镶圈与活塞本体经超声波检测结合良好，冷却盘管位置准确，活塞本体3室温抗拉强度达到265Mpa。
Claims (7)
1、一种带镶圈和冷却盘管的铝活塞铸造方法，其特征在于包括如下步骤：
①配制活塞用铝合金，该合金如下组分及重量百分比组成：
Si 11.0％～13.0％；
Mg 0.8％～1.3％；
Cu 0.5％～1.5％；
Ni 0.8％～1.5％；
Fe 0.1％～0.4％；
Ti 0.01％～0.2％；
Mn 0.01％～0.2％；
Zn 0.01％～0.2％；
Cr 0.001％～0.05％；
Pb 0.001％～0.05％；
Sn 0.001％～0.01％；
其余为AL；
②熔炼，将配制好的铝合金熔炼，铝液温度控制为760～780℃，添加变质剂，将铝液温度控制为740～760℃，采用细化剂处理，将铝液温度控制为720～740℃，采用精炼剂处理，撇渣后，将铝液转入低压铸造机保温炉中，并将铝液温度控制为700～720℃，待浇；
③冷却盘管装模，将除去锈蚀和油污的冷却盘管固定于砂芯上，预热至250～300℃，将预热后的冷却盘管和砂芯装入模具；
④镶圈装铸型，将除去油污的镶圈，然后在ZL102铝硅合金中进行渗铝，温度控制为740～760℃，渗铝后镶圈取出，刮除表面氧化皮并迅速装入铸型，转移时间控制不超过15秒；
⑤合模浇注，设定低压铸造工艺参数，依次完成升液、充型、增压、保压、留模、卸压；
⑥开模，热处理，开模取出铸件，进行低温固熔处理和时效热处理，得到活塞毛坯件；
⑦后续处理，对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1所述的带镶圈和冷却盘管的铝活塞铸造方法，其特征在于步骤②中所述的变质剂为复合磷盐，添加重量为铝合金的0.2％～0.4％。
3、根据权利要求1所述的带镶圈和冷却盘管的铝活塞铸造方法，其特征在于步骤②中所述的细化剂为铝钛硼细化剂，添加重量为铝合金的0.1％～0.2％。
4、根据权利要求1所述的带镶圈和冷却盘管的铝活塞铸造方法，其特征在于步骤②中所述的精炼剂为六氯乙烷或上海虹光金属熔剂厂生产的型号为HGJ-1A铝合金无公害精炼剂，添加质量为铝合金的0.3％～0.5％。
5、根据权利要求1所述的带镶圈和冷却盘管的铝活塞铸造方法，其特征在于步骤⑤中所述的低压铸造工艺参数如下：升液压力为0.3～0.5Kg/cm2，升液时间为40～100秒，升液速率为50～100mm/s，充型压力为0.4～0.8Kg/cm2，充型时间为200～250秒，充型速率为50～100mm/s，增压压力为0.8～1.2Kg/cm2，增压时间为500～600s，留模时间为40～60秒，保压时间为1600～1800秒。
6、根据权利要求1所述的带镶圈和冷却盘管的铝活塞铸造方法，其特征在于步骤⑥所述的低温固熔处理条件如下：温度控制为495～505℃，保温时间为6～8小时，在30秒内浸入水中，水温控制为60℃以上。
7、根据权利要求1所述的带镶圈和冷却盘管的铝活塞铸造方法，其特征在于步骤⑥所述的时效热处理条件如下：时效温度控制为200～210℃，保温时间为8～10小时。
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