CN101966586B

CN101966586B - 内燃机活塞毛坯制造方法

Info

Publication number: CN101966586B
Application number: CN2010105217079A
Authority: CN
Inventors: 杨茜; 虞跨海; 杨永顺; 宋志真; 文九巴
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2010-10-27
Filing date: 2010-10-27
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2030-10-27
Also published as: CN101966586A

Abstract

本发明涉及一种内燃机活塞毛坯制造方法，所述的制造方法包括以下步骤：配置活塞材料，制作与活塞油道形状吻合的合金型芯，所述合金型芯的熔点低于活塞材料的熔点：将所述合金型芯对应放置于冷压模具型腔，然后放入活塞材料，冷压成形形成活塞坯料：将所述的活塞坯料顶部朝下烧结形成烧结毛坯；将所述的烧结毛坯放入对应模具中，挤压形成活塞精坯；进行固熔处理及时效处理，固熔处理时将所述活塞精坯顶部向上放置，使合金芯熔化后流出，形成活塞的冷却油道；用作为油道型芯的熔点低合金在挤压温度下可保持形状不变，因此可采用挤压的方式来将活塞毛坯成形，实现了活塞毛坯的塑性成形。

Description

内燃机活塞毛坯制造方法

技术领域

本发明涉及材料成形技术领域，尤其是一种内燃机活塞毛坯制造方法。

背景技术

活塞被称作是内燃机的“心脏”，它不仅与内燃机的性能、排放、和经济性息息相关，而且直接关系到内燃机的可靠性；现有的活塞结构大都如图1所示，由顶部11、冷却油道12、环岸13活塞销孔及裙部14四部分组成，内燃机活塞在高温、高压、高速和润滑不良的恶劣条件下工作，直接与高温气体接触，瞬时温度可达2500K以上，受热严重并且散热条件很差，所以活塞工作时的温度很高，尤其是其顶部可达600～700K；另外由于活塞顶部承受气体的压力很大，因此活塞在工作时其顶部必须承受很强的冲击。综合以上两点不难看出，耐高温性能及强度是活塞顶部最主要的性能因素；由于活塞周向上承受的压力较小，温度也相对较低，因此活塞环岸及裙部相对于活塞顶部来说，其耐高温性能及强度可稍弱，但是活塞在运动的过程中，活塞环岸处的环槽及设置于所述环槽内的活塞环之间具有高频摩擦和挤压作用力的存在，因此活塞环岸的耐磨性及强度成为其关键因素，活塞裙部与内燃发动机汽缸之间也会产生很强的摩擦，因此活裙部的耐磨性能尤为重要。另外，由于活塞工作时是在汽缸内以很高的速度做往复运动的，其速度在不断的变化，这就产生的较大的惯性力，众所周知，物体惯性的强弱直接取决于其质量，因此，为了减小活塞的惯性力，活塞正在向轻型化发展。目前，大部分内燃机活塞采用高含硅铝合金（如ZL107、ZL108、ZL109、ZL110等）材料，常规工艺为铸造成形，加工成本较低，为了尽量的提高活塞工作过程中的散热效率，目前常用的方法是在活塞壁上设置环形的冷却油通道，通过冷却油的循环流动来带走活塞工作过程中产生的部分热量，制造时具体是这样实现的：活塞开始铸造之前，首先在模具里放入成形的硫酸钠、氯化钠等无机盐制成的型芯，待活塞坯浇注成形后，从活塞冷却油孔加入水等溶液将事先填装的无机盐融化并流处，从而形成冷却油道；但是由于铸造工艺的技术局限性，无法根据需要在活塞的各个部位加入具有不同特性（如高强度、耐高温、耐磨）的材料，并且活塞的整体含硅量难以达到25%，因而使活塞的耐磨性较低，膨胀系数较大；产品存在微缩孔、小气泡等内部缺陷，降低了活塞的机械强度；为加强铸造活塞的机械强度，就要将活塞壁加厚，从而使重量增加，严重影响了活塞的性能，内燃机性能的提高也因此受到制约；而如果采用锻造手段时，由于上述成形的无机盐等脆性材料制成的型芯难以承受锻造时的巨大压力，在活塞的锻造成形过程中必然会发生碎裂等问题，这样直接导致活塞冷却油道的堵塞，因此采用塑性成形方法制造活塞时无法形成冷却油腔，从而使得活塞的塑性成形无法实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种内燃机活塞的制造方法，以解决活塞因为采用塑性成形手段时无法形成油腔而无法实现塑性成形的问题，同时能够根据活塞工作环境对不同部位的要求灵活改变其材料成分。

为了解决上述问题，本发明的内燃机活塞毛坯制造方法采用以下技术方案：内燃机活塞毛坯制造方法，所述的制造方法包括以下步骤：

1）配置活塞材料，制作与活塞油道形状吻合的合金型芯，所述合金型芯的熔点低于活塞材料的固熔处理温度；

2)首先将所述合金型芯对应放置于冷压模具型腔，然后放入活塞材料，冷压成形形成活塞坯料；

3）将所述的活塞坯料顶部朝下烧结形成烧结毛坯；

4）将所述的烧结毛坯放入对应模具中，等温挤压形成活塞精坯；

5）进行固熔处理及时效处理，固熔处理时将所述活塞精坯顶部向上放置，使合金芯材料熔化后流出，形成活塞的冷却油道。

步骤1）所述的活塞材料包括根据活塞不同部位对温度、强度及耐磨性的要求配制的顶部复合材料、环岸及裙部的复合材料及基体材料。

所述的基体材料为高硅铝合金粉末，顶部复合材料由基体材料与耐高温颗粒增强材料混合而成，用于活塞环岸及裙部的复合材料由基体材料与耐磨短纤维增强材料混合而成。

所述的基体材料为高硅铝合金粉末，顶部复合材料由基体材料与耐高温短纤维增强材料混合而成，用于活塞环岸及裙部的复合材料由基体材料与耐磨颗粒增强材料混合而成。

所述的颗粒增强材料为碳化硅颗粒，短纤维增强材料为短碳纤维。

步骤2）中的放料顺序为：在冷压模具型腔内加入按从下至上顺序依次分层加入裙部的复合材料、基体材料、环岸复合材料和顶部复合材料；压制过程中所述顶部复合材料对应被压置于活塞坯料顶部，用于活塞环岸及裙部的复合材料对应被压置于活塞坯料环岸和裙部，基体材料被压置于活塞坯料的裙部及环岸之间的部位。

步骤3）中先将所述活塞坯料顶部朝下放入烧结炉中，加热到活塞材料的熔点温度后保温，最后形成烧结毛坯。

步骤4）中先将所述烧结毛坯预热并涂润滑剂，然后顶部朝下加热至成形温度后保温，同时将相应挤压模具加热至与所述成形温度一致的温度；然后将加热好的烧结毛坯放入所述模具中，使所述烧结毛坯产生一定量塑性流动充满模腔，顶出后形成所述的活塞精坯。

所述的成形温度为380～480℃。

由于本发明的内燃机活塞毛坯制造方法采用熔点低于活塞材料固熔处理温度的合金型芯来作为活塞制造时活塞油道的填充料，该合金型芯在活塞的冷压成形时可承受一定的挤压力而保持形状不变，并且可以在活塞的后续热处理强化过程中依靠其熔点较低的特点使合金型芯熔化后流出，从而形成活塞的冷却油道。采用粉末冶金方法制坯，再经挤压方法实现活塞精坯的塑性成形，提高了活塞材料的致密性，解决了传统铸造工艺生产的活塞存在疏松、气孔等铸造缺陷。活塞材料强度的提高，可在保证使用性能的同时减小活塞壁的厚度或活塞的长度，从而实现了活塞的进一步轻量化，减小了活塞的惯性力。

更进一步的，基体材料采用铝合金粉末，可保留现有活塞的材料轻质等优点，并可提高铝合金中硅的含量，以增加材料的耐磨性和降低热胀系数，同时根据需要在活塞的不同部位加入不同的增强材料使得活塞的各部分材料能够因需而置，如活塞工作时，其顶部主要承受巨大的压力及高温，其环岸及裙部主要承受碰击及摩擦，可在活塞的顶部采用由颗粒增强材料（如碳化硅材料）与基体材料混合而成的顶部复合材料，以此来增强活塞顶部的强度及耐高温性能；在活塞的裙部及环岸采用由短纤维增强材料（如短碳纤维）及基体材料混合而成的用于活塞裙部及环岸的复合材料，以此来保证活塞环岸及裙部的强度及耐磨减摩性能。在活塞的不同部位采用不同材料提高了活塞的整体性能，增加了活塞的使用寿命。

附图说明

图1是现有活塞的结构示意图；

图2是本发明中活塞坯料的结构示意图；

图3是本发明中活塞精坯的结构示意图；

图4是本发明中经固熔处理后的活塞精坯的结构示意图。

具体实施方式

本发明的活塞毛坯制造方法的实施例1，如图2-4所示，所述的制造方法如下：首先根据活塞不同部位对温度、强度及耐磨性的要求配制基体材料、用于活塞的顶部复合材料、环岸及裙部的复合材料；其中所述的基体材料为高硅铝合金粉末，顶部复合材料由基体材料与颗粒增强材料混合而成，环岸及裙部的复合材料由基体材料与短纤维增强材料混合而成；所述的颗粒增强材料为碳化硅颗粒，短纤维增强材料为短碳纤维；制作与活塞油道形状吻合的合金型芯3，合金型芯3的熔点低于活塞材料的固熔温度，合金型芯3可采用铝镁合金、铝锌合金、锌合金等；然后将合金型芯3对应放置于冷压模具型腔，然后放入活塞材料，具体放置方法如下：按从下至上顺序依次分层加入裙部的复合材料、基体材料、环岸复合材料和顶部复合材料；经合模、压制，使所述顶部复合材料对应被压置于活塞顶部，用于活塞环岸及裙部的复合材料对应被压置于活塞环岸和裙部，基体材料被压置于活塞裙部与环岸部分之间，然后经保压步骤后形成活塞坯料。将活塞坯料1顶部朝下放入烧结炉中，加热到活塞材料的熔点温度后保温形成烧结毛坯；其中顶部朝下是为了防止合金型芯3熔化后流出；将所述烧结毛坯预热并涂润滑剂后，放入加热炉中加热至成形温度（380～480℃）后保温，同时将挤压模具加热至与所述成形温度一致的温度；将上述加热好的烧结毛坯放入对应模具中，使所述烧结毛坯产生塑形流动充满模腔，顶出后形成活塞精坯2；进行固熔处理及时效处理，固熔处理时将所述活塞精坯2顶部向上放置，使合金芯熔化后流出，形成活塞的冷却油道4。

上述实施例中，所述的活塞不同部位可以采用颗粒增强材料或短纤维增强材料，所述的颗粒增强材料还可以采用氧化铝、氮化硅、碳化钛、碳化硼等，短纤维增强材料还可以采用碳化硅纤维、氧化铝纤维、氮化硼纤维、硼纤维、碳纤维等。增强材料的选择原则是，在活塞的顶部的增强材料应具有较高的高温性能，在活塞的环岸及裙部的增强材料应具有良好的耐磨减摩性能且易切削加工，而高温性能可稍低。

Claims

1.内燃机活塞毛坯制造方法，其特征在于：所述的制造方法包括以下步骤：

2）将所述合金型芯对应放置于冷压模具型腔，然后放入活塞材料，冷压成形形成活塞坯料；

3）将所述的活塞坯料顶部朝下烧结形成烧结毛坯；

4）将所述的烧结毛坯放入对应模具中，挤压形成活塞精坯；

5）进行固熔处理及时效处理，固熔处理时将所述活塞精坯顶部向上放置，使合金型芯熔化后流出，形成活塞的冷却油道。

2.根据权利要求1所述的内燃机活塞毛坯制造方法，其特征在于：步骤1）所述的活塞材料包括根据活塞不同部位对温度、强度及耐磨性的要求配制的顶部复合材料、用于活塞环岸及裙部的复合材料及基体材料。

3.根据权利要求2所述的内燃机活塞毛坯制造方法，其特征在于：所述的基体材料为高硅铝合金粉末，顶部复合材料由基体材料与耐高温颗粒增强材料混合而成，用于活塞环岸及裙部的复合材料由基体材料与耐磨短纤维增强材料混合而成。

4.根据权利要求2所述的内燃机活塞毛坯制造方法，其特征在于：所述的基体材料为高硅铝合金粉末，顶部复合材料由基体材料与耐高温短纤维增强材料混合而成，用于活塞环岸及裙部的复合材料由基体材料与耐磨颗粒增强材料混合而成。

5.根据权利要求3所述的内燃机活塞毛坯制造方法，其特征在于：所述的颗粒增强材料为碳化硅颗粒。

6.根据权利要求3所述的内燃机活塞毛坯制造方法，其特征在于：短纤维增强材料为短碳纤维。

7.根据权利要求2所述的内燃机活塞毛坯制造方法，其特征在于：步骤2）中的放料顺序为：在冷压模具型腔内加入按从下至上顺序依次分层加入裙部的复合材料、基体材料、环岸复合材料和顶部复合材料；压制过程中所述顶部复合材料对应被压置于活塞坯料顶部，用于活塞环岸及裙部的复合材料对应被压置于活塞坯料环岸和裙部，基体材料被压置于活塞坯料的裙部及环岸之间的部位。

8.根据权利要求1所述的内燃机活塞毛坯制造方法，其特征在于：步骤3）中先将所述活塞坯料顶部朝下放入烧结炉中，加热到活塞材料的熔点温度后保温，最后形成烧结毛坯。

9.根据权利要求1所述的内燃机活塞毛坯制造方法，其特征在于：步骤4）中先将所述烧结毛坯预热并涂润滑剂，然后顶部朝下加热至成形温度后保温，同时将相应挤压模具加热至与所述成形温度一致的温度；然后将加热好的烧结毛坯放入所述模具中，进行等温挤压使所述烧结毛坯产生塑性流动充满模腔，顶出后形成所述的活塞精坯。

10.根据权利要求9所述的内燃机活塞毛坯制造方法，其特征在于：所述的成形温度为380～480℃。