CN102926886B - 一种钢顶铝活塞及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种钢顶铝活塞及其制备方法，其包括活塞顶和铝基体，其特征在于：所述活塞顶是由钢顶与多层互相成一定角度的过渡丝网组成，所述过渡丝网经真空扩散焊接在钢顶与铝基体的连接面上，所述活塞顶与铝基体是通过使铝液渗入过渡丝网中形成机械和冶金结合来连接的。活塞的钢顶采用厚度0.5～0.6mm的耐热不锈钢，使得活塞重量减轻，过渡丝网则使活塞顶与铝基体之间的结合强度增加，并通过在过渡丝网上形成陶瓷隔热层这一技术措施，又保证了活塞的耐热能力，因此，本发明的活塞其重量减轻，耐热性相当，活塞在使用过程中的可靠性增加。另外，本发明中所述活塞采用挤压铸造工艺成型，这种工艺不仅简单，还可有效提高铝合金的材料性能，从而使该活塞的整体性能比较高。

Description

一种钢顶铝活塞及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种钢顶铝活塞及其制备方法。
背景技术
活塞被誉为发动机的心脏，许多国家都对活塞进行深入的研究，均取得了不同程度的进展，先后研制出各种各样满足不同工况的活塞。就制造活塞用的材料而言，大多数为铝合金，少数为铸铁，近年来又出现了陶瓷材料。由于铝合金比重小，运动惯性小，可使发动机效率提高，同时容易制造，故迄今仍为直径在Φ400mm以下活塞的主要选材。只有直径＞400mm，且薄壁球墨铸铁的出现，才使铸铁活塞显示出了优越性，特别是耐热性。由于活塞顶部受高温燃气(瞬时最高温度约为1800～2600℃)的加热作用，表面温度高达350℃左右。随着平均有效压力的增加，即热应力与机械应力的交互作用，以及活塞运动中进排气过程冷热气流的冲刷，使得单一铝合金活塞顶部经常过早地出现疲劳裂纹，甚至发生局部过热而引起烧损，会严重影响发动机的正常使用。所以单一铝合金活塞的顶部温度一般不得超过350℃。为了弥补铝合金活塞耐热性的不足，某些机型的活塞采用钢顶铝裙活塞。
目前应用中的钢顶铝裙活塞其钢顶和铝裙为螺栓连接，钢顶都比较厚(约占活塞高度的1/5～1/3)，活塞的重量比较大。这种活塞在使用过程中，由于钢和铝的热膨胀系数不同，容易导致螺栓连接失效，造成钢顶脱落，另外，活塞重量比较大会使活塞在运动过程中的惯性增加，同样会导致活塞过早失效。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种钢顶铝活塞，这种钢顶铝活塞的钢顶与铝基体的结合强度显著提高，且在耐热能力相当的情况下，活塞重量减轻。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种上述钢顶铝活塞的制备方法，采用采用挤压铸造工艺成型，不仅工艺简单，还可有效提高铝合金的材料性能。
本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种钢顶铝活塞，包括活塞顶和铝基体，其特征在于：
所述活塞顶是由钢顶与多层互相成一定角度的过渡丝网及覆在过渡丝网上的陶瓷隔热层组成，所述过渡丝网经真空扩散焊接在钢顶的连接面上，所述活塞顶与铝基体是通过使铝液渗入过渡丝网中形成机械和冶金结合来连接的。
作为优选，所述钢顶与过渡丝网均采用耐热不锈钢制成，所述钢顶的厚度为0.5～0.6mm，所述过渡丝网为34～36目。
作为优选，所述过渡丝网采用3～5层，互相成40～50°角。
进一步优选，所述过渡丝网采用相同的4层，互相成45°角。
优选，所述过渡丝网上覆有一层ZrO2陶瓷隔热层。
最后，所述耐热不锈钢采用1Cr18Ni9Ti耐热不锈钢。
本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种钢顶铝活塞的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将耐热不锈钢板与多层相同材质的互相成一定角度的过渡丝网通过真空扩散焊连接在一起，作为活塞顶顶材；
2)对顶材进行液压变形，然后将变形后的顶材切割成活塞顶要求的尺寸和形状；
3)采用热喷涂的方法在过渡丝网上形成一层陶瓷隔热层，热喷涂完成后的活塞顶放入100～120℃的烘箱中保存、备用；
4)将活塞挤压铸造模具安装到油压机上，调试压机，使其工作正常；
5)熔炼好一炉铝合金，当合金液温度稳定在720～740℃准备浇注；
6)对模具进行预热，预热温度为150～280℃；
7)把活塞顶丝网面朝上的置入铸型中，浇入熔融铝液，合模加压，加压压力为50～110MPa，保压40～120s后开模取件。
作为优选，所述步骤1)中的真空扩散控制过程是在6×10-3～7×10-3Pa的真空条件下加热到900～1100℃温度，在5～10分钟内施加10～30MPa的压力下实现的。
再优选，所述步骤2)的液压变形过程为：将模具的上模升起，将顶材丝网面朝上放入模具中，上模下行，合模的同时将顶材压紧，用液压泵将液压油从下模上的通孔挤入模具中，使顶材变形为活塞燃烧室及顶面所要求的形状，液压油的压力为10～50MPa，液压泵的出油量为0.05～0.5L/min，保压时间为40～120s。
最后，所述钢顶与过渡丝网均采用1Cr18Ni9Ti耐热不锈钢制成，所述钢顶的厚度为0.5～0.6mm，所述过渡丝网为34～36目。过渡丝网采用3～5层(优选4层)，互相成40～50°角(优选45°角)。过渡丝网上覆有一层ZrO2陶瓷隔热层。
与现有技术相比，本发明的优点在于：活塞的钢顶采用厚度仅有0.5～0.6mm的耐热不锈钢，使得活塞重量减轻，过渡丝网则使活塞顶与铝基体之间的结合强度增加，并且通过在过渡丝网上形成陶瓷隔热层这一技术措施，又保证了活塞的耐热能力，因此，本发明所述活塞与普通钢顶活塞相比，其重量大为减轻，耐热性相当，活塞在使用过程中的可靠性增加。另外，本发明采用挤压铸造工艺成型，这种工艺不仅简单，还可有效提高铝合金的材料性能，从而使该活塞的整体性能比较高。
附图说明
图1为钢顶铝活塞的结构示意图；
图2为第一层丝网与钢顶结合示意图；
图3为四层丝网的叠放形成夹角示意图；
图4为液压变形示意图；
图5为铸型结构示意图。
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
以下以一种Φ100mm钢顶铝活塞的制备过程为例对本发明的技术方案进行详细描述。
①将0.5mm厚的1Cr18Ni9Ti耐热不锈钢顶11与相同材质的四层互相成45°角的过渡丝网12通过真空扩散焊连接在一起，扩散控制过程在6.7×10-3Pa的真空条件下加热到980℃，在5分钟内和施加20MPa的压力下实现的。其中第一层丝网与钢顶结合的示意图见附图2。
②对顶材进行液压变形，如图3所示，变形过程为：带排气孔31的上模3升起，将顶材丝网面朝上放入模具中，上模3下行，合模的同时将顶材压紧，用液压泵将液压油从下模4上的通孔41挤入模具中，使顶材变形为活塞燃烧室及顶面所要求的形状。液压油的压力为20MPa，液压泵的出油量为0.2L/min，保压时间为60s。
③将变形后的顶材切割成活塞顶要求的尺寸和形状。
④采用热喷涂的方法在过渡丝网12上形成一层ZrO2陶瓷隔热层，热喷涂完成后的活塞顶放入120℃的烘箱中保存、备用。
⑤将活塞挤压铸造模具安装到油压机上，调试压机，使其工作正常。
⑥熔炼好一炉铝合金，当合金液温度稳定在740℃准备浇注。
⑦对模具进行预热，预热温度为250℃。
⑧把活塞顶丝网面朝上的置入铸型中，浇入熔融铝液，合模加压，加压压力为100MPa，保压60s后开模取件，这样，活塞顶与铝基体2是通过使铝液渗入过渡丝网12中形成机械和冶金结合来连接固定在一起。

Claims (8)

1.一种钢顶铝活塞，包括活塞顶和铝基体，其特征在于：
所述活塞顶是由钢顶与多层互相成一定角度的过渡丝网及覆在过渡丝网上的陶瓷隔热层组成，所述过渡丝网经真空扩散焊接在钢顶的连接面上，所述活塞顶与铝基体是通过挤压铸造使铝液渗入过渡丝网中形成机械和冶金结合来连接的；
所述钢顶与过渡丝网均采用耐热不锈钢制成，所述钢顶的厚度为0.5～0.6mm，所述过渡丝网为34～36目。
2.根据权利要求1所述的钢顶铝活塞，其特征在于所述过渡丝网采用3～5层，互相成40～50°角。
3.根据权利要求2所述的钢顶铝活塞，其特征在于所述过渡丝网采用相同的4层，互相成45°角。
4.根据权利要求1所述的钢顶铝活塞，其特征在于所述过渡丝网上覆有一层ZrO2陶瓷隔热层。
5.根据权利要求1所述的钢顶铝活塞，其特征在于所述耐热不锈钢采用1Cr18Ni9Ti耐热不锈钢。
6.一种权利要求1～5的任一钢顶铝活塞的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将耐热不锈钢板与多层相同材质的互相成一定角度的过渡丝网通过真空扩散焊连接在一起，作为活塞顶顶材；
2)对顶材进行液压变形，然后将变形后的顶材切割成活塞顶要求的尺寸和形状；
3)采用热喷涂的方法在过渡丝网上形成一层陶瓷隔热层，热喷涂完成后的活塞顶放入100～120℃的烘箱中保存、备用；
4)将活塞挤压铸造模具安装到油压机上，调试压机，使其工作正常；
5)熔炼好一炉铝合金，当合金液温度稳定在720～740℃准备浇注；
6)对模具进行预热，预热温度为150～280℃；
7)把活塞顶丝网面朝上的置入铸型中，浇入熔融铝液，合模加压，加压压力为50～110MPa，保压40～120s后开模取件。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于所述步骤1)中的真空扩散控制过程是在6×10-3～7×10-3Pa的真空条件下加热到900～1100℃温度，在5～10分钟内施加10～30MPa的压力下实现的。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于所述步骤2)的液压变形过程为：将模具的上模升起，将顶材丝网面朝上放入模具中，上模下行，合模的同时将顶材压紧，用液压泵将液压油从下模上的通孔挤入模具中，使顶材变形为活塞燃烧室及顶面所要求的形状，液压油的压力为10～50MPa，液压泵的出油量为0.05～0.5L/min，保压时间为40～120s。
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