CN102401129B - 一种镶铸活塞体及其镶铸方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于活塞体制造领域，具体地说涉及一种镶铸活塞体及其铸造方法。镶铸活塞体包括母材和预制圆棒，材质为球墨铸铁，预制圆棒的熔点低于母材，预制圆棒与浇铸母材的体积比应≤1/4。镶铸活塞体的表面组织为细珠光体＋铁素体，芯部金相组织为铁素体＋珠光体。其铸造方法为：预制圆棒制作、表面清洁和预热处理；在铸型目标部位固定预制圆棒后浇铸母材，浇铸温度1480~1500℃；活塞体作高温扩散退火处理，温度1120℃，大于16h；活塞体作正火处理，温度900℃，保温2h后空冷；活塞体作回火处理，温度580℃，保温2h后空冷。本发明能有效减少铸件球墨畸变、球化不良和石墨漂浮等缺陷，提高柴油锤上活塞的使用寿命。

Description

一种镶铸活塞体及其镶铸方法

技术领域

本发明属于活塞体制造领域，具体地说涉及一种镶铸活塞体及其铸造方法。

背景技术

近年来，随着海上石油平台、海上风电场工程和跨海大桥工程等趋于大型化，对大型柴油打桩锤的施工效率要求愈来愈高，这势必要求进一步提高柴油打桩锤上活塞的制造技术要求。作为筒式柴油打桩锤的关键性零件和主要冲击做功件，柴油打桩锤的上活塞长期在高速度、高频率与强烈冲击条件下工作，因此，上活塞必须具有很高的强韧性和抗冲击疲劳性，同时表面必须具有高硬度，并形成连续表面硬化层，便于柴油打桩锤的上活塞在高频率冲击做功过程中应力波的传递。此外，上活塞的冲击工作端还必须具有高硬度与高强韧性，以使上活塞在高频率强烈冲击过程中不蹋陷、不崩裂。目前柴油锤上活塞已经采用Ф800以上大截面球墨铸铁铸件，如果继续增加球墨铸铁铸件的直径和长度来提高筒式柴油打桩锤的打击能量，显然会造成球墨铸铁铸件的芯部强度和表面硬度达不到要求，而且铸件的铸造也超过现有熔炼设备的要求。所以，本发明提出的镶铸活塞体及其铸造方法，能满足制造大型柴油锤大截面上活塞材质的技术和性能要求。

所谓镶铸工艺是预先将具有良好性能的预制块放置在型腔指定部位，然后向型腔内浇注具有特定性能的母液，通过母液强烈的热作用，使预制块（即镶块）与母液接触的界面上在一定的时间内处于熔化状态并发生元素的相互扩散，冷凝后，镶块与母材牢固的熔焊为一体。镶铸工艺的优点是可根据实际零部件的使用要求采用不同的形状、厚度和材质等的预制块，母液可根据性能要求选用与镶块性能相匹配材料。另外，镶铸工艺过程简单，不需要增加新的设备。

20世纪90年代以来，我国材料工作者采用镶铸法对高铬白口铸铁－碳钢双金属材料进行了广泛的研究，沈阳铸造研究所朴东学等人采用镶铸工艺，获得兼具两种材质特性的整体复合件，满足了零件安全、可靠和耐久要求。研究结果表明：镶铸工艺生产质量稳定，双金属结合良好，结合部位的强度均高于白口铸铁，抗磨部位的白口铸铁和非抗磨部位的铸钢都保持自己的性能。另外，武汉汽车工业大学姚三九等人针对采用镶铸工艺生产复合铸件时研究了镶铸件在其结合部位产生气孔，夹杂及裂纹等缺陷的原因，分析了固态钢芯的直径、形状以及铁液化学成分中的硅和磷含量对白口铸铁内表面裂纹的影响。此外，50多家工厂现场实验表明：用镶铸法生产的复合锤头、板锤和大型球磨机衬板等易磨损件耐磨性能和寿命均比原来用单一高锰钢提高3倍以上，表明镶铸工艺方法为先进和经济合理的工艺路线。对于镶铸零部件而言，其质量主要与浇铸温度、铸型温度、液固重量比以及镶块材料与母材的匹配等。

对于大型柴油锤上活塞需要采用的大截面球墨铸铁的镶铸工艺和方法而言，目前还未发现相关的报道和专利。

发明内容

本发明的目的是针对目前大型柴油锤上活塞采用的大截面球墨铸铁铸件铸造导致其力学性能不能满足要求，特别是由于截面大，凝固速度缓慢而引起球墨畸变、球化不良和石墨漂浮等铸造缺陷，提供一种可以有效地减少上述铸造缺陷、改善大型柴油打桩锤大截面上活塞使用寿命的镶铸活塞体及其铸造方法。

基于此目的，本发明的技术方案是：

一种镶铸活塞体，包括母材和预制圆棒，其特征在于预制圆棒位于活塞体芯部，材质为球墨铸铁，按重量百分比计，其成分为：C3.0-3.5%，Si3.5-3.9%，Mn0.27-0.3%，P0.048-0.052%，S0.018-0.022%，Mg0.037-0.043%，Cu0.08-0.10%，其余为Fe；母材的材质为球墨铸铁，按重量百分比计，其成分为：C2.9～3.6%，Si2.3～2.9%，Mn0.3～0.5%；P≤0.11%，S0.028～0.037%，Mg0.042～0.052%，残存稀土氧化物0.038～0.052%，Cu0.33～0.40%，其余为Fe；所述预制圆棒的熔点低于母材；所述预制圆棒与浇铸母材的体积比应≤1/4，所述预制圆棒2外层在高温球墨铸铁铁水的冲刷下，其表面层约有20-30mm的厚度层被再次熔化并混合，最终凝固后复合界面达到冶金熔合，并且预制圆棒的硬度为HB180-220，延伸率不低于7%；所述母材的硬度为HB210-250，延伸率不低于2.5。

上述镶铸活塞体，其特征在于预制圆棒材质的金相组织为铁素体＋珠光体，石墨组织为球状，球化级别不低于4级；所述母材的表面金相组织为细珠光体＋铁素体。

上述镶铸活塞体，其铸造方法包括以下步骤：

1）根据镶铸活塞体的外形尺寸确定并制作预制圆棒；

2）对预制圆棒进行表面清洁处理，采用酸洗或喷丸处理，清除表面残存的油污、氧化物和锈蚀物；

3）对预制圆棒进行表面预热处理，在保护性气体中加热至480-535℃；

4）将经过加热的预制圆棒固定于铸型的目标部位，然后用液态成型方法向铸型中注入球墨铸铁铁水，进行母材浇铸，浇铸温度为1480~1500℃；

5）对镶铸活塞体进行整体高温扩散退火处理，退火温度为1120℃，退火时间应大于16h；

6）对镶铸活塞体进行整体正火处理，正火温度为900℃，保温2h后作空冷处理；

7）对镶铸活塞体进行整体回火处理，回火温度为580℃，；保温2h后作空冷处理。

本发明的有益效果是：

1）有效提高大截面球墨铸铁铸件上活塞的表面强度，并具有较高的硬度和延伸率，铸件芯部也不会出现明显强度不足以及石墨化不够的缺陷；

2）由于镶铸的预制圆棒有较高的预热温度，同时，活塞体的母材浇铸温度1480~1500℃，高于预制圆棒的熔化温度，能有效保证预制圆棒与母材复合过程中液固界面产生一定的熔化，从而使两者能形成有效的冶金结合，进一步提高复合界面的结合强度；

3）由于镶铸预制圆棒和母块均为成分接近的球墨铸铁材质，所以复合界面的润湿性较好，而且两者之间的膨胀系数、导热系数及弹性模量相差很小，因此，在复合界面处不容易出现较大的气孔和明显疏松，有利于改善镶铸活塞体的整体质量；

4）由于镶铸时预制圆棒的预热温度较高，减少了母材浇铸时的冷却凝固温度，从而进一步减少复合界面内侧产生的微裂纹；

5) 采用活塞体整体高温扩散退火工艺，能进一步促进预制圆棒与母材复合界面的冶金结合。

附图说明

图1是镶铸活塞体铸造的结构示意图；

其中：1-母材，2-预制圆棒。

具体实施方式

实施例1

参照附图1，一种镶铸活塞体，包括母材1和预制圆棒2，预制圆棒2位于活塞体芯部，材质为球墨铸铁，按重量百分比计，其成分为：C3. 2%，Si3.6%，Mn0.275%，P0.048-0.052%，S0.018-0.022%，Mg0.037-0.043%，Cu0.085%，其余为Fe；母材1的材质为球墨铸铁，按重量百分比计，其成分为：C3.1%，Si2. 5%，Mn0.35%；P≤0.11%，S0.028～0.037%，Mg0.042～0.052%，残存稀土氧化物0.038～0.052%，Cu0.35%，其余为Fe；预制圆棒2的熔点低于母材1；预制圆棒2材质的金相组织为铁素体＋珠光体，石墨组织为球状，球化级别不低于4级；预制圆棒2与浇铸母材1的体积比应≤1/4；母材1的表面金相组织为细珠光体＋铁素体；预制圆棒2的硬度为HB180-200，延伸率不低于8.2%；所述母材1的硬度为HB210-225，延伸率不低于3.7%。

实施例2

参照附图1，一种镶铸活塞体，包括母材1和预制圆棒2，预制圆棒2位于活塞体芯部，材质为球墨铸铁，按重量百分比计，其成分为：C3. 3%，Si3.7%，Mn0.28%，P0.048-0.052%，S0.018-0.022%，Mg0.037-0.043%，Cu0.09%，其余为Fe；母材1的材质为球墨铸铁，按重量百分比计，其成分为：C3.2%，Si2.6%，Mn0.40%，P≤0.11%，S0.028～0.037%，Mg0.042～0.052%，残存稀土氧化物0.038～0.052%，Cu0.365%，其余为Fe；预制圆棒2的熔点低于母材1；预制圆棒2材质的金相组织为铁素体＋珠光体，石墨组织为球状，球化级别不低于4级；预制圆棒2与浇铸母材1的体积比应≤1/4；母材1的表面金相组织为细珠光体＋铁素体；预制圆棒2的硬度为HB190-210，延伸率不低于7.7%；所述母材1的硬度为HB215-230，延伸率不低于3.2%。

实施例3

参照附图1，一种镶铸活塞体，包括母材1和预制圆棒2，预制圆棒2位于活塞体芯部，材质为球墨铸铁，按重量百分比计，其成分为：C3. 4%，Si3.8%，Mn0.285%，P0.048-0.052%，S0.018-0.022%，Mg0.037-0.043%，Cu0.095%，其余为Fe；母材1的材质为球墨铸铁，按重量百分比计，其成分为：C3.3%，Si2.7%，Mn0.45%， P≤0.11%，S0.028～0.037%，Mg0.042～0.052%，残存稀土氧化物0.038～0.052%，Cu0.38%，其余为Fe；预制圆棒2的熔点低于母材1；预制圆棒2材质的金相组织为铁素体＋珠光体，石墨组织为球状，球化级别不低于4级；预制圆棒2与浇铸母材1的体积比应≤1/4；母材1的表面金相组织为细珠光体＋铁素体；预制圆棒2的硬度为HB200-210，延伸率不低于7.2%；所述母材1的硬度为HB225-240，延伸率不低于2.7%。

该镶铸活塞体的铸造方法包括以下步骤：

1）根据镶铸活塞体的外形尺寸确定预制圆棒2的尺寸，镶铸预制圆棒2和母材1的体积可以通过直径和高度进行适当调整，但镶铸预制圆棒2与母材1的体积比应小于1/4，同时，预制圆棒2的外形尺寸和定位高度H可根据活塞体的具体尺寸作适当调整。

2）对预制圆棒2进行表面清洁处理，采用酸洗或喷丸处理，清除表面残存的油污、氧化物和锈蚀物，使其表面清洁。

3）对预制圆棒2进行表面预热处理，在保护性气体中加热至480-535℃，以避免预制圆棒2因表面氧化对其界面结合强度的不利影响。同时，应注意控制预制圆棒2从加热炉中取出到浇铸的时间，要尽量减少其表面氧化时间，以保证预制圆棒2与母材1复合界面的质量，从而增强镶铸活塞体的使用寿命。

4）将经过加热的预制圆棒2固定于铸型的目标部位，然后用液态成型方法向铸型中注入球墨铸铁铁水，进行母材1浇铸，浇铸温度为1480~1500℃；由于由于镶铸预制圆棒2的熔化温度低于母材1，因此，当向铸型中浇铸球墨铸铁铁水时，其较高的浇铸温度足以使预制圆棒2在浇铸后相当长一段时间里处于高温，而温度对扩散速度的影响呈指数变化，使扩散速率大大提高，从而使其有一定量的相互扩散而形成结合良好的扩散结合。另外，预制圆棒2外层在高温球墨铸铁铁水的冲刷下，其表面层约有20-30mm的厚度层被再次熔化并混合，最终凝固后复合界面达到冶金熔合，有利于界面冶金熔合。

5）对镶铸活塞体进行整体高温扩散退火处理，退火温度为1120℃，退火时间应大于16h；退火时间可根据镶铸工艺制造的活塞直径适当增加，这样，有利于进一步改善镶铸预制圆棒2复合界面的结合强度。

6）对镶铸活塞体进行整体正火处理，正火温度为900℃，保温2h后作空冷处理，使镶铸活塞体的表面金相组织为细珠光体＋铁素体，芯部金相组织为铁素体＋珠光体。

7）对镶铸活塞体进行整体回火处理，回火温度为580℃，；保温2h后作空冷处理，进一步消除正火带来的内应力。

Claims (3)

1.一种镶铸活塞体，包括母材和预制圆棒，其特征在于，预制圆棒位于活塞体芯部，材质为球墨铸铁，按重量百分比计，其成分为：C3.0-3.5%，Si3.5-3.9%，Mn0.27-0.3%，P0.048-0.052%，S0.018-0.022%，Mg0.037-0.043%，Cu0.08-0.10%，其余为Fe；母材的材质为球墨铸铁，按重量百分比计，其成分为：C2.9～3.6%，Si2.3～2.9%，Mn0.3～0.5%；P≤0.11%，S0.028～0.037%，Mg0.042～0.052%，残存稀土氧化物0.038～0.052%，Cu0.33～0.40%,其余为Fe；所述预制圆棒的熔点低于母材；所述预制圆棒与浇铸母材的体积比应≤1/4，所述预制圆棒外层在高温球墨铸铁铁水的冲刷下，其表面层有20-30mm的厚度层被再次熔化并混合，最终凝固后复合界面达到冶金熔合，并且预制圆棒的硬度为HB180-220，延伸率不低于7%；所述母材的硬度为HB210-250，延伸率不低于2.5%。

2.根据权利要求1所述的镶铸活塞体，其特征在于，预制圆棒材质的金相组织为铁素体＋珠光体，石墨组织为球状，球化级别不低于4级；所述母材的表面组织为细珠光体＋铁素体。

3.一种镶铸活塞体的镶铸方法，其特征在于，铸造方法包括以下步骤：1）根据镶铸活塞体的外形尺寸确定并制作预制圆棒；2）对预制圆棒进行表面清洁处理，采用酸洗或喷丸处理，清除表面残存的油污、氧化物和锈蚀物；3）对预制圆棒进行表面预热处理，在保护性气体中加热至480-535℃；4）将经过加热的预制圆棒固定于铸型的目标部位，然后用液态成型方法向铸型中注入球墨铸铁铁水，进行母材浇铸，浇铸温度为1480~1500℃；5）对镶铸活塞体进行整体高温扩散退火处理，退火温度为1120℃，退火时间应大于16h；6）对镶铸活塞体进行整体正火处理，正火温度为900℃，保温2h后作空冷处理；7）对镶铸活塞体进行整体回火处理，回火温度为580℃，保温2h后作空冷处理。