CN102392158B - 一种发动机铝合金活塞模锻件的制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种发动机铝合金活塞模锻件的制造方法，它涉及一种活塞模锻件的制造方法。本发明要解决现有技术制备的发动机活塞存在耐磨性和抗腐蚀性较差，热膨胀系数大，或者重量沉的问题。方法：首先制备铝合金铸锭；然后挤压成毛坯，经模压得到模锻件，然后采用自动车床制备成活塞胚体，最后一次经过淬火处理和时效处理，即得到发动机铝合金活塞模锻件。优点：一、耐磨性和抗腐蚀性均得到了提高；而且热膨胀系数小；二、最终性能方面稳定；三、重量降低15kg～19kg。本发明主要用于制备发动机铝合金活塞模锻件。
Description
技术领域
本发明涉及一种活塞模锻件的制造方法。
背景技术
随着我国铁路运输业和航运业的发展，以内燃机车取代蒸汽机车的更新换代业已完成，作为内燃机的关键部件------发动机活塞，过去一直采用球墨铸铁和型号为4A11或2A70的合金，然而4A11或2A70合金的耐磨性和抗腐蚀性较差，热膨胀系数大，影响了活塞的使用寿命；而铸铁的比重比铝合金大，铸铁的活塞重量沉，也不利于内燃机车的工作。所以现有技术制备的发动机活塞存在耐磨性和抗腐蚀性较差，热膨胀系数大，或者重量沉的问题。
发明内容
本发明要解决现有技术制备的发动机活塞存在耐磨性和抗腐蚀性较差，热膨胀系数大，或者重量沉的问题，而提供一种发动机铝合金活塞模锻件的制造方法。
一种发动机铝合金活塞模锻件的制造方法，具体是按以下步骤完成的：一、首先按质量分数Si为11.5％～13.5％、Cu为0.5％～1.3％、Ni为0.5％～1.3％、Mg为0.8％～1.3％、Fe为x、Mn为y、Zn为z、Cr为m、Ti为n、杂质为H和余量为Al的配比材料，然后在温度为700℃～800℃下熔炼，并在温度为380℃～420℃下采用半连续铸造方法制备成尺寸为Φ968mm±5mm×1200mm±20mm的圆柱形铸锭，即为铝合金铸锭；二、首先将步骤一制备的铝合金铸锭进行的表面清理干净，然后在温度为350℃～500℃下预热3h～8h，得到预热后的铝合金铸锭，采用反向挤压方法，在挤压速度为2.5mm/s～5.0mm/s将预热后的铝合金铸锭挤压成直径为Φ482mm±3mm的棒材，将直径为Φ482mm±3mm的棒材在温度为350℃～500℃下预热3h～8h，然后采用反向挤压方法进行二次挤压，在挤压速度为2.5mm/s～5.0mm/s将预热后直径为Φ482mm±3mm的棒材挤压成直径为Φ210mm～Φ220mm的棒材，即为毛料，最后将毛料分割成长度为长度为300mm～400mm，并采用自动车床对表面进行处理至直径为Φ200mm±3mm，即得到毛坯；三、首先将步骤二制备的毛坯在温度为450℃～480℃下预热1h～3h，然后采用自由锻工艺锻造成长度为350mm～400mm、直径为Φ190mm～Φ200mm的模压毛坯，将采用自由锻工艺得到的模压毛坯在3000吨水压机上采用毛坯模进行制坯，毛坯模的温度为350℃～380℃，然后在5000吨水压机上进行润滑模压，模具温度为380℃～420℃，在5000吨水压机上共进行1～3次润滑模压，即得到高度为306mm±2mm、外部直径为Φ310mm±10mm，内部直径为Φ254mm±5mm的模锻件；四、将步骤三制备的模压后铸件放到自动车床上，采用两次粗车、一次精车的方法制备成活塞胚体；五、将步骤四制备的活塞胚体在温度500℃～530℃下预热150min～300min，然后淬火转移时间为5s～15s在温度为30℃～80℃的水中往复升降15～20次进行淬火处理，在进行最后一次往复升降时在水中停留10min～20min，最后在温度为165℃～170℃下时效处理8h～12h，即得到发动机铝合金活塞模锻件；步骤一中所述的Fe为x中：0＜x≤0.10％，所述的Mn为y中：0＜y≤0.20％，所述的Zn为z中：0＜z≤0.25％，所述的Cr为m中：0＜m≤0.10％，所述的Ti为n中：0＜n≤0.15％，所述的杂质为H中：0＜H≤0.15％；步骤一中所述的材料为纯铝锭、Al-Si中间合金、铜板、Al-Ni中间合金、钛丝、纯镁锭、Fe2O3、Al-Mn中间合金、Al-Zn中间合金和Al-Cr中间合金。
本发明的优点：一、本发明采用挤压和模压方法使材料基体中的强化合金元素尽可能多的析出，材料析出相在基体中较为细小，且组织分布均匀，因此采用本发明制备的活塞模锻件制成的发动机活塞的耐磨性和抗腐蚀性均得到了提高；而且本发明制备的活塞模锻件的热膨胀系数小；二、本发明制备的活塞模锻件的抗拉强度提高了30MPa～50MPa、规定非比例延伸强度提高了25MPa～45MPa、延伸率提高了1.5％～3％，所以本发明制备的活塞模锻件最终性能方面稳定，采用本发明制备的活塞使用到内燃机上，由原来的30万公里大修，延长为50万公里以上大修；三、采用本发明制备的活塞模锻件制成的活塞成品与铸铁制成的同规格活塞相比重量降低15kg～19kg，采用本发明制备的活塞模锻件制成的活塞成品可应用到火车及轮船上。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种发动机铝合金活塞模锻件的制造方法，具体是按以下步骤完成的：
一、首先按质量分数Si为11.5％～13.5％、Cu为0.5％～1.3％、Ni为0.5％～1.3％、Mg为0.8％～1.3％、Fe为x、Mn为y、Zn为z、Cr为m、Ti为n、杂质为H和余量为Al的配比材料，然后在温度为700℃～800℃下熔炼，并在温度为380℃～420℃下采用半连续铸造方法制备成尺寸为Φ968mm±5mm×1200mm±20mm的圆柱形铸锭，即为铝合金铸锭；二、首先将步骤一制备的铝合金铸锭进行的表面清理干净，然后在温度为350℃～500℃下预热3h～8h，得到预热后的铝合金铸锭，采用反向挤压方法，在挤压速度为2.5mm/s～5.0mm/s将预热后的铝合金铸锭挤压成直径为Φ482mm±3mm的棒材，将直径为Φ482mm±3mm的棒材在温度为350℃～500℃下预热3h～8h，然后采用反向挤压方法进行二次挤压，在挤压速度为2.5mm/s～5.0mm/s将预热后直径为Φ482mm±3mm的棒材挤压成直径为Φ210mm～Φ220mm的棒材，即为毛料，最后将毛料分割成长度为长度为300mm～400mm，并采用自动车床对表面进行处理至直径为Φ200mm±3mm，即得到毛坯；三、首先将步骤二制备的毛坯在温度为450℃～480℃下预热1h～3h，然后采用自由锻工艺锻造成长度为350mm～400mm、直径为Φ190mm～Φ200mm的模压毛坯，将采用自由锻工艺得到的模压毛坯在3000吨水压机上采用毛坯模进行制坯，毛坯模的温度为350℃～380℃，然后在5000吨水压机上进行润滑模压，模具温度为380℃～420℃，在5000吨水压机上共进行1～3次润滑模压，即得到高度为306mm±2mm、外部直径为Φ310mm±10mm，内部直径为Φ254mm±5mm的模锻件；四、将步骤三制备的模压后铸件放到自动车床上，采用两次粗车、一次精车的方法制备成活塞胚体；五、将步骤四制备的活塞胚体在温度500℃～530℃下预热150min～300min，然后淬火转移时间为5s～15s在温度为30℃～80℃的水中往复升降15～20次进行淬火处理，在进行最后一次往复升降时在水中停留10min～20min，最后在温度为165℃～170℃下时效处理8h～12h，即得到发动机铝合金活塞模锻件。
本实施方式步骤一中所述的Fe为x中：0＜x≤0.10％，所述的Mn为y中：0＜y≤0.20％，所述的Zn为z中：0＜z≤0.25％，所述的Cr为m中：0＜m≤0.10％，所述的Ti为n中：0＜n≤0.15％，所述的杂质为H中：0＜H≤0.15％。
本实施方式步骤一中所述的材料为纯铝锭、Al-Si中间合金、铜板、Al-Ni中间合金、钛丝、纯镁锭、Fe2O3、Al-Mn中间合金、Al-Zn中间合金和Al-Cr中间合金。
本实施方式采用挤压和模压方法使材料基体中的强化合金元素尽可能多的析出，材料析出相在基体中较为细小，且组织分布均匀，因此采用本发明制备的活塞模锻件制成的发动机活塞的耐磨性和抗腐蚀性均得到了提高；而且本实施方式制备的活塞模锻件的热膨胀系数小。
本实施方式制备的活塞模锻件的抗拉强度提高了30MPa～50MPa、规定非比例延伸强度提高了25MPa～45MPa、延伸率提高了1.5％～3％，所以本实施方式制备的活塞模锻件最终性能方面稳定，采用本实施方式制备的活塞使用到内燃机上，由原来的30万公里大修，延长为50万公里以上大修。
采用本实施方式制备的活塞模锻件制成的活塞成品与铸铁制成的同规格活塞相比重量降低15kg～19kg，采用本实施方式制备的活塞模锻件制成的活塞成品可应用到火车及轮船上。
采用下述试验验证发明效果：
试验一：一种发动机铝合金活塞模锻件的制造方法，具体是按以下步骤完成的：
一、首先按质量分数Si为12.5％、Cu为0.9％、Ni为0.9％、Mg为1％、Fe为0.05％、Mn为0.1％、Zn为0.13％、Cr为0.05％、Ti为0.07％、杂质为0.02％和余量为Al的配比材料，然后在温度为750℃下熔炼，并在温度为400℃下采用半连续铸造方法制备成尺寸为Φ970×1200mm的圆柱形铸锭，即为铝合金铸锭；二、首先将步骤一制备的铝合金铸锭进行的表面清理干净，然后在温度为430℃下预热5h，得到预热后的铝合金铸锭，采用反向挤压方法，在挤压速度为3.5mm/s将预热后的铝合金铸锭挤压成直径为Φ485mm的棒材，将直径为Φ485mm的棒材在温度为430℃下预热5h，然后采用反向挤压方法进行二次挤压，在挤压速度为3.5mm/s将预热后直径为Φ485mm的棒材挤压成直径为Φ215mm的棒材，即为毛料，最后将毛料分割成长度为长度为350mm，并采用自动车床对表面进行处理至直径为Φ200mm，即得到毛坯；三、首先将步骤二制备的毛坯在温度为460℃下预热2h，然后采用自由锻工艺锻造成长度为370mm、直径为Φ195mm的模压毛坯，将采用自由锻工艺得到的模压毛坯在3000吨水压机上采用毛坯模进行制坯，毛坯模的温度为360℃，然后在5000吨水压机上进行润滑模压，模具温度为400℃，在5000吨水压机上共进行2次润滑模压，即得到高度为306mm、外部直径为Φ310mm，内部直径为Φ254mm的模锻件；四、将步骤三制备的模压后铸件放到自动车床上，采用两次粗车、一次精车的方法制备成活塞胚体；五、将步骤四制备的活塞胚体在温度515℃下预热200min，然后淬火转移时间为10s在温度为55℃的水中往复升降18次进行淬火处理，在进行最后一次往复升降时在水中停留15min，最后在温度为168℃下时效处理10h，即得到发动机铝合金活塞模锻件。
本实施方式步骤一中所述的材料为纯铝锭、AlSi20中间合金、铜板、AlNi10中间合金、钛丝、纯镁锭、Fe2O3、AlMn10中间合金、AlZn4中间合金、Al-Cr中间合金。
通过应力腐蚀试验检测采用本试验制备的发动机铝合金活塞模锻件制成的发动机活塞和现有的发动机活塞耐磨性和抗腐蚀性，在做抗应力腐蚀试验30天后，现有的发动机活塞已经全部腐蚀，采用本试验制备的发动机铝合金活塞模锻件制成的发动机活只是部分腐蚀，证明采用本试验制备的发动机铝合金活塞模锻件制成的发动机活塞的耐磨性和抗腐蚀性均得到了提高；采用热膨胀仪检测本试验制备的发动机铝合金活塞模锻件热膨胀系数为56×10-6K-1。
利用力学性能检测采用本试验制备的发动机铝合金活塞模锻件制成的发动机活塞，抗拉强度为365MPa、规定非比例延伸强度为295MPa、延伸率为4.5％。采用本试验制备的发动机铝合金活塞模锻最终制备的活塞使用到内燃机上，由原来的30万公里大修，延长为50万公里以上大修。
本试验制备的发动机铝合金活塞模锻的件制成的活塞成品后的重量为30kg，与铸铁制成的同规格活塞相比重量降低17kg。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤一中所述的在温度为720℃～780℃下熔炼，并在温度为390℃～410℃下采用半连续铸造方法制备成尺寸为Φ968±5×1200±20mm的圆柱形铸锭，即为铝合金铸锭。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一的不同点是：步骤二中在温度为370℃～450℃下预热4h～7h，得到预热后的铝合金铸锭，采用反向挤压方法，在挤压速度为3.0mm/s～4.0mm/s将预热后的铝合金铸锭挤压成直径为Φ482mm±3mm的棒材。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一的不同点是：步骤二中将直径为Φ482mm±3mm的棒材在温度为370℃～450℃下预热4h～7h，然后采用反向挤压方法进行二次挤压，在挤压速度为3.0mm/s～4.0mm/s将预热后直径为Φ482mm±3mm的棒材挤压成直径为Φ210mm～Φ220mm的棒材，即为毛料。其它与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一的不同点是：步骤三中首先将步骤二制备的毛坯在温度为460℃～470℃下预热1.5h～2.5h。其它与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一的不同点是：步骤五中将步骤四制备的活塞胚体在温度510℃～520℃下预热170min～250min，然后淬火转移时间为7s～13s在温度为40℃～70℃的水中往复升降17～19次进行淬火处理，在进行最后一次往复升降时在水中停留13min～17min，最后在温度为166℃～169℃下时效处理9h～11h，即得到发动机铝合金活塞模锻件。其它与具体实施方式一至五相同。
Claims (6)
1.一种发动机铝合金活塞模锻件的制造方法，其特征在于发动机铝合金活塞模锻件的制造方法是按以下步骤完成的：
一、首先按质量分数Si为11.5%～13.5%、Cu为0.5%～1.3%、Ni为0.5%～1.3%、Mg为0.8%～1.3%、Fe为x、Mn为y、Zn为z、Cr为m、Ti为n、杂质为H和余量为Al的配比材料，然后在温度为700℃～800℃下熔炼，并在温度为380℃～420℃下采用半连续铸造方法制备成尺寸为（Φ968mm±5mm）×（1200mm±20mm）的圆柱形铸锭，即为铝合金铸锭；二、首先将步骤一制备的铝合金铸锭表面清理干净，然后在温度为350℃～500℃下预热3h～8h，得到预热后的铝合金铸锭，采用反向挤压方法，在挤压速度为2.5mm/s～5.0mm/s将预热后的铝合金铸锭挤压成直径为Ф482mm±3mm的棒材，将直径为Ф482mm±3mm的棒材在温度为350℃～500℃下预热3h～8h，然后采用反向挤压方法进行二次挤压，在挤压速度为2.5mm/s～5.0mm/s将预热后直径为Ф482mm±3mm的棒材挤压成直径为Ф210mm～Ф220mm的棒材，即为毛料，最后将毛料分割成长度为300mm～400mm，并采用自动车床对表面进行处理至直径为Ф200mm±3mm，即得到毛坯；三、首先将步骤二制备的毛坯在温度为450℃～480℃下预热1h～3h，然后采用自由锻工艺锻造成长度为350mm～400mm、直径为Ф190mm～Ф200mm的模压毛坯，将采用自由锻工艺得到的模压毛坯在3000吨水压机上采用毛坯模进行制坯，毛坯模的温度为350℃～380℃，然后在5000吨水压机上进行润滑模压，模具温度为380℃～420℃，在5000吨水压机上共进行1～3次润滑模压，即得到高度为306mm±2mm、外部直径为Ф310mm±10mm，内部直径为Ф254mm±5mm的模铸件；四、将步骤三制备的高度为306mm±2mm、外部直径为Ф310mm±10mm，内部直径为Ф254mm±5mm的模铸件放到自动车床上，采用两次粗车、一次精车的方法制备成活塞胚体；五、将步骤四制备的活塞胚体在温度500℃～530℃下预热150min～300min，然后淬火转移时间为5s～15s在温度为30℃～80℃的水中往复升降15～20次进行淬火处理，在进行最后一次往复升降时在水中停留10min～20min，最后在温度为165℃～170℃下时效处理8h～12h，即得到发动机铝合金活塞模锻件；步骤一中所述的Fe为x中：0＜x≤0.10%，所述的Mn为y中：0＜y≤0.20%，所述的Zn为z中：0＜z≤0.25%，所述的Cr为m中：0＜m≤0.10%，所述的Ti为n中：0＜n≤0.15%，所述的杂质为H中：0＜H≤0.15%；步骤一中所述的材料为纯铝锭、Al-Si中间合金、铜板、Al-Ni中间合金、钛丝、纯镁锭、Fe2O3、Al-Mn中间合金、Al-Zn中间合金和Al-Cr中间合金。
2.根据权利要求1所述的一种发动机铝合金活塞模锻件的制造方法，其特征在于步骤一中在温度为720℃～780℃下熔炼，并在温度为390℃～410℃下采用半连续铸造方法制备成尺寸为（Φ968±5）×（1200±20mm）的圆柱形铸锭，即为铝合金铸锭。
3.根据权利要求2所述的一种发动机铝合金活塞模锻件的制造方法，其特征在于步骤二中在温度为370℃～450℃下预热4h～7h，得到预热后的铝合金铸锭，采用反向挤压方法，在挤压速度为3.0mm/s～4.0mm/s将预热后的铝合金铸锭挤压成直径为Ф482mm±3mm的棒材。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种发动机铝合金活塞模锻件的制造方法，其特征在于步骤二中将直径为Ф482mm±3mm的棒材在温度为370℃～450℃下预热4h～7h，然后采用反向挤压方法进行二次挤压，在挤压速度为3.0mm/s～4.0mm/s将预热后直径为Ф482mm±3mm的棒材挤压成直径为Ф210mm～Ф220mm的棒材，即为毛料。
5.根据权利要求4所述的一种发动机铝合金活塞模锻件的制造方法，其特征在于步骤三中首先将步骤二制备的毛坯在温度为460℃～470℃下预热1.5h～2.5h。
6.根据权利要求5所述的一种发动机铝合金活塞模锻件的制造方法，其特征在于步骤五中将步骤四制备的活塞胚体在温度510℃～520℃下预热170min～250min，然后淬火转移时间为7s～13s在温度为40℃～70℃的水中往复升降17～19次进行淬火处理，在进行最后一次往复升降时在水中停留13min～17min，最后在温度为166℃～169℃下时效处理9h～11h，即得到发动机铝合金活塞模锻件。
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2011
- 2011-11-22 CN CN 201110373655 patent/CN102392158B/zh active Active
Patent Citations (3)
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