CN101829763A

CN101829763A - 改善活塞头部金相组织及提高铸造生产效率的工艺方法

Info

Publication number: CN101829763A
Application number: CN 201010183805
Authority: CN
Inventors: 杨庆年; 彭明诚; 何光驰; 文均; 陈革
Original assignee: CHENGDU GALAXIE DYNAMIC CO LTD
Current assignee: CHENGDU GALAXY POWER CO LTD
Priority date: 2010-05-26
Filing date: 2010-05-26
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2030-05-26
Also published as: CN101829763B

Abstract

一种改善活塞头部金相组织及提高铸造生产效率的工艺方法，步骤如下：1)底模上取消排气孔及排气钉，同时减小底模与冷却水腔之间的壁厚，外模上浇冒口的长度和宽度分别减少10mm，该长度和宽度的规格为48mm～55mm以及48mm～54mm；同时，外模后部的长度L2增加10mm～12mm，外模后部的宽度D增加5mm～8mm，该长度L2和宽度D的规格分别为176mm～195mm以及78mm～85mm；2)工装模具加工；3)铝液熔炼准备；4)工作模具装配及调试；5)现场生产浇注；6)活塞毛坯热处理；7)活塞质量检测。本发明可细化活塞头部金相组织1-2级，提高铸造效率15％以上。

Description

改善活塞头部金相组织及提高铸造生产效率的工艺方法

技术领域

本工艺技术涉及铝合金铸造零部件的铸造工艺方法，特别是上抽芯铝合金活塞生产的铸造工艺方法。

背景技术

普通活塞铸造毛坯绝大部分采用上抽芯重力铸造，活塞成形外模可采用双侧冒口结构和单侧冒口结构这两种结构形状，由于使用双侧冒口结构生产的零件，其原材料成本较高，因而目前活塞成形外模普遍采用单侧冒口结构，其单侧冒口位置通常设计在活塞本体热节圆大的一边，以利于保温冒口对活塞毛坯的补缩；活塞成形底模采用带排气孔结构同时用水强制冷却，但其冷却距离比较长，达16～20mm，冷却效果相对较差。采用以上结构，活塞金相组织普遍在2-3级，头部初晶硅在20-30微米；补缩时间较长，工人停顿时间较多，生产效率普遍不高；活塞毛坯脱模后整体温度均匀性较差，采用铸淬后活塞整体硬度差较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种改善活塞头部金相组织及提高铸造生产效率的工艺方法，以提高活塞头毛坯头冷却效果，从而改善活塞头部金相组织和提高活塞冒口的补缩效率，缩短补缩时间，提高活塞铸造生产效率。

本发明的目的是这样实现的：一种改善活塞头部金相组织及提高铸造生产效率的工艺方法，按以下步骤进行：

1)、工装模具设计：

a)、改变以往活塞燃烧室长轴方向偏心在后的传统设计，将活塞燃烧室长轴方向偏心在前，使得活塞冒口方向的热节圆直径缩小5～7mm，对应于495T、YC6108G、LR105、N485、N485AW、RCB108、LR108-1系列发动机活塞，该直径在改前的尺寸分别为30mm、35mm、31mm、27.5mm、27.5mm、33.5mm、33.5mm；为减小保温冒口提供了可能，并缩短了补缩时间，同时改变以往单侧冒口结构活塞头部长轴方向前后温差较大，采用铸淬和时效后活塞头部前后硬度差较大的问题；

b)、上抽芯活塞铸造模具中活塞成形底模取消排气钉及排气孔，同时，将底模上冷却水腔传热部位减小至6mm壁厚，使得活塞成形底模冷却水腔可以更接近活塞头部，提高活塞毛坯头部冷却效果，改善头部金相组织和提高冒口的补缩效率，从而减小活塞冒口，提高材料利用率；

c)、改进活塞铸造模具中活塞成形外模的结构：外模上浇冒口的长度H和宽度B分别减少8～12mm，对应于495T、YC6108G、LR105、N485、N485AW、RCB108、LR108-1系列发动机活塞，该长度H和宽度B在改前的尺寸分别为50mm、55mm、53mm、48mm、55mm、55mm以及48mm、54mm、52mm、48mm、48mm、54mm、54mm；

外模后部无补缝冒口一侧的长度L2增加10～12mm，外模后部的宽度D增加5～8mm，对应于495T、YC6108G、LR105、N485、N485AW、RCB108、LR108-1系列发动机活塞，该长度L2在改前的尺寸分别为180mm、195mm、190mm、176mm、176mm、195mm、195mm，该宽度D在改前的尺寸分别为80mm、85mm、82mm、78mm、78mm、85mm、85mm；

外模前部的长度L1减少18～22mm，对应于495T、YC6108G、LR105、N485、N485AW、RCB108、LR108-1系列发动机活塞，该长度L1在改前的尺寸分别为95mm、105mm、102mm、92mm、92mm、105mm、105mm；

使得浇冒系统更加靠近活塞毛坯本体，减少活塞冲型时间，降低铝液在冲型过程中的热量损失；增大活塞成形外模后部无补缩冒口一侧的模具厚度(即长度)，以加强活塞成形外模后部的快速冷却，使得仍然满足活塞毛坯铸造成形过程符合顺序凝固的铸造工艺原理，保证活塞的内在质量；

2)、工装模具加工：

监控工装模具加工与图纸资料的符合性及其加工精度和配合精度；

3)、铝液熔炼准备：监控合金熔炼、加料熔炼、现场熔炼的工艺过程符合性及Al-Si合金溶液材料成分检测；

4)、工装模具装配及调试：监控工装模具清理、保温冒口涂料、与浇注机的装配过程及装配精度、工装模具的预热及成形部分的喷涂料、活塞毛坯检测；

5)、现场生产浇注：监控活塞现场生产过程中各工艺参数及活塞外观；在监控中发现：采用无排气孔活塞成形底模结构，没有出现由于没有气孔造成的燃烧室中心定位孔成型不好等情形；

6)、活塞毛坯热处理：监控热处理炉及其监测设备是否运行正常，监控活塞热处理工艺的符合性；

7)、活塞质量检测。

上述5步现场生产浇注中，在铝活塞浇注工艺参数不变的情况下，采用红外线测温仪对比活塞毛坯浇注过程中，改进后的活塞成形底模温度比改进前的活塞成形底模温度降低50度左右；改进后的活塞成形外模温度比改进前的活塞成形外模温度低15度左右；改进后的活塞成形内模温度比改进前的活塞成形内模温度低10度左右；同时，为了解决改进后活塞毛坯取模不畅的问题，采用的措施：缩短活塞毛坯铸造的补缩时间20～30秒；这样既保证活塞模具正常生产时的热平衡及活塞毛坯顺利取模，又提高了活塞铸造生产效率；

上述7步活塞质量检测中，进行活塞金相组织检测：改进后活塞头部和燃烧室部位金相明显细化，活塞头部金相达到1级标准，初晶硅细化到10个微米左右。

为了进一步降低成本，提高效率，改善治理，有必要对普通上抽芯活塞铸造工艺和工装模具进行优化改进。

经过多品种大批量验证，本工艺技术达到了预定目标，本发明的有益效果是：

1、改变以往活塞燃烧室长轴方向偏心在后的传统设计，将活塞燃烧室长轴方向偏心在前，使得活塞冒口方向的热节圆进一步缩小，为减小保温冒口提供了可能，并缩短了补缩时间，同时改变以往单侧冒口结构活塞头部长轴方向前后温差较大，采用铸淬和时效后活塞头部前后硬度差较大的问题；使之同一活塞头部前后硬度差减小到5个HB以内。

2、上抽芯活塞铸造模具中活塞成形底模取消排气钉及排气孔，使得活塞成形底模冷却水腔可以更接近活塞头部，提高活塞毛坯头部冷却效果，改善头部金相组织和提高冒口的补缩效率，从而减小活塞冒口，提高材料利用率。

3、改进活塞铸造模具中活塞成形外模的结构，使得浇冒系统更加靠近活塞毛坯本体，减少活塞冲型时间，降低铝液在冲型过程中的热量损失；同时增大活塞成形外模后部(无补缩冒口一侧)的模具厚度，以加强活塞成形外模后部的快速冷却，使得仍然满足活塞毛坯铸造成形过程符合顺序凝固的铸造工艺原理，保证活塞的内在质量。

4、产品质量得到提高

将本工艺技术运用到YC6108G活塞、LR105活塞、N485活塞、N485AW活塞、RCB108活塞、LR108-1活塞等活塞品种上，(见工艺工装模具设计数据表)，其效果均能达到：细化活塞金相组织，达到1-2级，头部初晶硅细化到10-20微米；采用铸淬工艺，同一活塞头部前后硬度差减小到5个HB以内。

5、降低生产成本、提高活塞生产效率

缩短补缩时间，铸造效率提高15％以上；减小冒口，减少单个活塞毛坯铝液用量，提高铝液利用率，降低生产成本。

附图说明

图1-1和图1-2分别是改进前活塞毛坯结构的主视图和K向视图；

图2-1和图2-2分别是本发明活塞毛坯结构的主视图和K向视图；

图3是改进前常规活塞成形底模结构图；

图4是本发明的活塞成形底模结构图；

图5是改进前活塞成形外模结构图；

图6是本发明活塞成形外模结构图；

图7-1和图7-2分别是495T活塞改进前与改进后的活塞头部金相对比(100倍)图；

图8-1和图8-2分别是495T活塞改进前与改进后的燃烧室到内顶金相对比(100倍)图。

具体实施方式

本工艺技术具体在共晶Al-Si合金活塞上实施，具体品种为495T；

为了保证实验的准确性，需对设计及生产的各个环节进行监控，过程如下：

1、工装模具设计：根据本工艺技术内容、原理及效果分析进行工装模具设计。

c)、改进活塞铸造模具中活塞成形外模的结构：外模上浇冒口(2)的长度H和宽度B分别减少8～12mm，对应于495T、YC6108G、LR105、N485、N485AW、RCB108、LR108-1系列发动机活塞，该长度H和宽度B在改前的尺寸分别为50mm、55mm、53mm、48mm、55mm、55mm以及48mm、54mm、52mm、48mm、48mm、54mm、54mm；

2、工装模具加工：监控工装模具加工与图纸资料的符合性及其加工精度和配合精度。

3、铝液熔炼准备：监控合金熔炼、加料熔炼、现场熔炼的工艺过程符合性及Al-Si合金溶液材料成分检测。

4、工装模具装配及调试：监控工装模具清理、保温冒口涂料、与浇注机的装配过程及装配精度、工装模具的预热及成形部分的喷涂料、活塞毛坯检测等。

5、现场生产浇注：监控活塞现场生产过程中各工艺参数及活塞外观。在监控中发现：采用无排气孔(排气钉)活塞成形底模结构，没有出现由于没有气孔造成的燃烧室中心定位孔成型不好等情形；在铝活塞浇注工艺参数不变的情况下，采用红外线测温仪对比活塞毛坯浇注过程中(模具脱模时测温)改进后的活塞成形底模温度比改进前的活塞成形底模温度降低50度左右；改进后的活塞成形外模温度比改进前的活塞成形外模温度低15度左右；改进后的活塞成形内模温度比改进前的活塞成形内模温度低10度左右。这样改进后的模具冷却效果大大增强，打破了活塞模具正常生产时的热平衡，活塞毛坯冷却过度，使得不易从活塞成形底模上取下活塞毛坯件。为了解决改进后活塞毛坯取模不畅的问题，采用的措施：缩短活塞毛坯铸造的补缩时间20～30秒；这样既保证活塞模具正常生产时的热平衡及活塞毛坯顺利取模，又提高了活塞铸造生产效率。

6、活塞毛坯热处理：监控热处理炉及其监测设备是否运行正常，监控活塞热处理工艺的符合性。

7、活塞质量检测：

a)、活塞金相组织检测：改进后活塞头部和燃烧室部位金相明显细化，活塞头部金相达到1级标准，初晶硅细化到10个微米左右。具体见下图7和图8。

b)：活塞宏观组织检测：按JB/T6289标准检测判定为2-2级。

c)：活塞外部缺陷检测：活塞外圆、棱槽、头部、销孔等部位通过目测或放大镜检测无铸造缺陷。

d)：活塞硬度均匀性检测：同一活塞头部前后硬度差在5个HB以内。

8、本工艺技术批量效果验证：

a)：小批量效果验证：确定生产300只495T活塞毛坯进行质量效果验证，随机抽取活塞毛坯进行检测，其结果：活塞金相组织，为1-2级，头部初晶硅细化为10-20微米；活塞宏观组织为2-2级；试车活塞外圆、棱槽、头部、销孔等部位通过目测或放大镜检测无铸造缺陷；铸造效率提高15％以上；采用铸淬工艺，同一活塞头部前后硬度差减小到5个HB以内；活塞铸造废品率为3％，主要表现为活塞外圆夹渣缺陷；

b)：大批量效果验证：生产4000只495T活塞毛坯进行质量效果验证，随机抽取活塞毛坯进行检测，其结果：活塞金相组织，为1-2级，头部初晶硅细化为10-20微米；活塞宏观组织为2-2级；试车活塞外圆、棱槽、头部、销孔等部位通过目测或放大镜检测无铸造缺陷；铸造效率提高15％以上；采用铸淬工艺，同一活塞头部前后硬度差减小到5个HB以内；活塞铸造废品率为1.8％，主要表现为活塞外圆夹渣及活塞拉伤缺陷；

9、本工艺技术推广运用：将本工艺技术推广运用到YC6108G活塞、LR105活塞、N485活塞、N485AW活塞、RCB108活塞、LR108-1活塞等活塞品种上，(见工艺工装模具设计数据表)，其效果均能达到：细化活塞金相组织，达到1-2级，头部初晶硅细化到10-20微米；缩短补缩时间，铸造效率提高15％以上；减小冒口，减少单个活塞毛坯铝液用量，提高铝液利用率，降低生产成本；采用铸淬工艺，同一活塞头部前后硬度差减小到5个HB以内的这些目标。

本工艺技术工艺工装模具设计数据表：(单位：mm)

本工艺技术的目的是按以下三个方面来实现的：

a)、改变以往活塞燃烧室长轴方向偏心在后的传统设计，将活塞燃烧室长轴方向偏心放在冒口侧。图1-1中直径Ф的圆以及图1-2中直径Ф-10的圆均为活塞热节圆，图1-1中的B和图1-2中的B-10均指冒口宽度。

b)、上抽芯活塞铸造模具中活塞成形底模取消排气孔(排气钉)结构，图3中底模中部Ф7.7孔(钻孔后打入直纹气钉)为排气孔。

c)、改进活塞铸造模具中活塞成形外模的模具结构。

本工艺技术原理及效果分析：

a)、改变以往活塞燃烧室长轴方向偏心在后的传统设计，将活塞燃烧室长轴方向偏心放在冒口侧，减小活塞毛坯冒口方向的热节圆大小，为减小冒口提供了可能，并缩短了补缩时间，提高活塞毛坯生产的劳动生产率；降低活塞头部长轴方向前后的温度异差，使得采用铸淬和时效后活塞头部前后硬度差较小(参见图1-1、图1-2和图2-1、图2-2)。

b)、上抽芯活塞铸造模具中活塞成形底模取消排气孔(排气钉)结构，燃烧室中心靠近活塞模具进铝水一侧(及冒口部位)，在铝水形成活塞毛坯中心座时有一定坡度的缓冲地带，使燃烧室中心座内的气体易于排出，保证燃烧室中心座的成形，(若燃烧室中心远离活塞模具进铝水一侧时，在铝水形成活塞毛坯中心座时坡度陡峭，易在燃烧室中心座内卷如气体，无法保证燃烧室中心座的成形)，在同时使得活塞成形底模冷却水腔可以更接近活塞头部，提高活塞毛坯头部冷却效果，从而改善头部金相组织和提高活塞冒口的补缩效率，缩短补缩时间，提高活塞铸造生产率(参见图3和图4)。

c)、改进活塞铸造模具中活塞成形外模的结构，使得浇冒系统(图5中冒口长度H、宽度B，图6中冒口长度H-10，宽度B-10)更加靠近活塞毛坯本体，减少活塞冲型时间，降低铝液在冲型过程中的热量损失；同时增大活塞成形外模后部(无补缩冒口一侧)的模具厚度，以加强活塞成形外模后部的快速冷却，使得仍然满足活塞毛坯铸造成形过程符合顺序凝固的铸造工艺原理，保证活塞的内在质量(参见见图5和图6)。

改善活塞头部金相组织、提高铸造生产效率的工艺方法工艺参数：

Claims

1.一种改善活塞头部金相组织及提高铸造生产效率的工艺方法，其特征是：按以下步骤进行：

1)、工装模具设计：

使得浇冒系统更加靠近活塞毛坯本体，减少活塞冲型时间，降低铝液在冲型过程中的热量损失；增大活塞成形外模后部无补缩冒口一侧的模具厚度，以加强活塞成形外模后部的快速冷却，使得仍然满足活塞毛坯铸造成形过程符合顺序凝固的铸造工艺原理，保证活塞的内在质量；

2)、工装模具加工：

5)、现场生产浇注：监控活塞现场生产过程中各工艺参数及活塞外观；

7)、活塞质量检测。

2.根据权利要求1所述改善活塞头部金相组织及提高铸造生产效率的工艺方法，其特征是：所述5步现场生产浇注中，在铝活塞浇注工艺参数不变的情况下，采用红外线测温仪对比活塞毛坯浇注过程中，改进后的活塞成形底模温度比改进前的活塞成形底模温度降低50度；改进后的活塞成形外模温度比改进前的活塞成形外模温度低15～20度；改进后的活塞成形内模温度比改进前的活塞成形内模温度低10度；同时，为了解决改进后活塞毛坯取模不畅的问题，采用的措施：缩短活塞毛坯铸造的补缩时间20～30秒；这样既保证活塞模具正常生产时的热平衡及活塞毛坯顺利取模，又提高了活塞铸造生产效率；所述7步活塞质量检测中，进行活塞金相组织检测：改进后活塞头部和燃烧室部位金相明显细化，活塞头部金相达到1级标准，初晶硅细化到10个微米左右。