CN103184951A - 一种中型重载柴油机用活塞及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种中型重载柴油机用高性能活塞及其制造方法，其特征在于活塞顶环槽镶嵌奥氏体铸铁耐磨镶圈，显著改善了活塞环槽-活塞环之间的磨损，防止了活塞环槽-活塞环摩擦副的粘着，改善了各气环、油环的工作条件，降低了机油消耗，同时活塞头部内设置薄壁不锈钢管以形成环状内冷油道，再用三根不锈钢条作支架，把薄壁不锈钢管与耐磨镶圈焊接在一起，形成一个整体，在浇铸活塞时，将它们一同渗铝，铸入活塞头部，这样柴油机在高速运转时，可以通过活塞内冷油道中运动的冷却和润滑油液带走，从而解决热负荷较高造成的活塞性能下降的问题，同时减少因高温造成活塞环密封性能下降从而进入曲轴箱内的废气，改善柴油机排放性能，提高活塞使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种高性能活塞及其制造方法，具体讲是一种缸径为110～120mm的中型重载柴油机用带薄壁不锈钢内冷油道及耐磨镶圈的活塞和制造该活塞的方法。
背景技术
活塞是柴油关键零部件，其性能的好坏直接决定着柴油机的性能。随着人们对柴油机功率、扭矩、油耗、噪声、排放等方面的要求逐渐提高，对活塞耐高温、耐磨损性能等综合指标也提出了越来越高的要求。目前，我国国产活塞产品档次较低，中高端产品基本依靠进口。如何提升活塞的耐高温、耐磨和耐蚀等综合性能，已成为业界共同的命题。
柴油机工作过程中活塞头部温度较高，活塞顶环槽磨损过快，从而导致活塞环密封性能下降，使活塞报废。同时，活塞冷却问题也未能得到有效解决。目前活塞头部冷却方式有内腔顶喷油、蛇形管、内冷油道等，内冷油道较内腔顶喷油冷却有着非常明显的冷却效果，相同环境下采用内冷油道的活塞顶面比内腔顶喷油冷却活塞顶面能够降低10℃，热量散发的方式也有较大改变。内冷油道国内大多采用盐芯方法，盐芯的放置、定位困难，稍不小心盐芯就会断裂或出现位置偏差问题；有的采用紫铜管作内冷油道，但成本高、生产效率低、腐蚀过程中产生的废水废气污染环境。
发明内容
鉴于上述存在的问题，本发明提供一种高性能活塞及其制造方法，活塞带薄壁不锈钢内冷油道及耐磨镶圈。这种新型活塞可显著提高柴油机寿命及活塞本身的性能、强度、承载、高温性能。
本发明的技术方案是，提供一种具有以下结构的活塞，所述活塞的直径为110～120mm，所述活塞包括活塞本体，本体上设有活塞头部和活塞裙部，活塞头部具有活塞顶环槽，其特征在于：活塞头部内设置薄壁不锈钢管以形成环状内冷油道，薄壁不锈钢管的截面呈不规则椭圆形，活塞顶环槽内镶嵌楔形耐磨镶圈，耐磨镶圈上具有环形楔槽，环形楔槽的截面呈大致梯形，耐磨镶圈与所述薄壁不锈钢管焊接形成一个整体。
本发明还提供了一种制造上述活塞的方法，首先把镍基奥氏体铸铁楔形耐磨镶圈加工成品，接着用三根不锈钢条作支架，把薄壁不锈钢管与耐磨镶圈焊接在一起，形成一个整体，再进行渗铝处理，然后将其定位、合模到铸造模具中，最后进行浇铸。其中渗铝、定位、合模、浇铸几道工序必须是连续的，确保在活塞本体铝合金溶液覆盖镶圈表面之前，耐磨镶圈表层的渗铝层仍然处于熔融状态。
采用以上结构后，本发明与现有技术相比，具有以下优点：活塞顶环槽镶嵌奥氏体铸铁耐磨镶圈，利用高镍镶圈较好的耐磨性、较低的膨胀系数来提高活塞的高温耐磨、耐蚀性能及密封性能，同时由于活塞顶环槽的温度大幅度降低，可有效防止活塞环槽-活塞环摩擦副的粘着，不但使高负荷柴油机活塞第一道气环可以采用价格便宜的矩形环，而且还改善了各气环、油环的工作条件，从而降低了机油消耗。高镍奥氏体铸铁镶圈每1000小时磨损率只为5～25um，显著提高了活塞的使用性能和使用寿命。用薄壁不锈钢管作内冷通道，在活塞头部形成一环状油道，由于不锈钢不变形，也不像盐芯一样易断裂，因此柴油机在高速运转时，由于气缸磨擦和燃烧室爆燃所产生的巨大热量，就可以通过活塞内冷油道中运动的冷却和润滑油液带走，从而改善热负荷造成的活塞性能与活塞环密封性能下降的问题，减少废气泄露，提高活塞使用寿命。
附图说明
图1为本发明活塞的俯视图；
图2为本发明活塞的主视A-A剖面图；
图3为本发明活塞的镶圈剖面图；
图4为本发明活塞的薄壁不锈钢管截面图；
图中：1、活塞本体 2、活塞环槽 3、活塞裙部 4、镶圈 5、内冷油道 6、薄壁不锈钢管
具体实施方式
如图1和图2所示，活塞的直径为110～120mm，活塞包括活塞本体1，活塞本体1上设有活塞头部和活塞裙部3，活塞头部具有活塞顶环槽，活塞头部内设置薄壁不锈钢管6以形成环状内冷油道5，薄壁不锈钢管6的截面呈不规则椭圆形，活塞顶环槽内镶嵌楔形耐磨镶圈4，耐磨镶圈4上具有环形楔槽，环形楔槽的截面呈大致梯形，耐磨镶圈4与薄壁不锈钢管6焊接形成一个整体。
镶圈材料要选用与铝基体合金热膨胀系数相近的镍、铬成份加入到奥氏体铸铁材料中，使铸铁镶圈的膨胀系数与活塞本体铝合金膨胀系数基本相近，最大限度地降低Al-Fin粘结层的热膨胀应力，同时镶圈铝活塞的镶铸过程中伴随两种金属材料的扩散反应，在镶圈上形成一定厚度的合金化扩散层，使镶圈与铝合金基体之间的结合区(简称Al-Fe结合区)具有良好的导热性和足够的粘结强度。虽然两者膨胀系数相近，但铝合金导热性却比铸铁高，从而使铝活塞基体比镶圈冷却得快。因此，镶圈设计成楔形，使铝基体冷却收缩时紧抱着镶圈。
镍基奥氏体铸铁合金的合金组分及其含量：C：2.0-3.0，Mn：0.5-1.5，Ni：14-17，Si：1.0-2.8，Cu：5.5-7.5，Cr：2-3，S：＜0.08，P：＜0.1，其余为铁。耐磨镶圈的合金成分相比于现有的高镍奥氏体耐磨镶圈而言，具有更好的耐磨性、耐热性和切削加工性能，同时又能与铝基体形成良好的冶金结合。铸铁合金的主要机械性能为：抗拉强度：180～220MPa；硬度：150～190HB；平均线膨胀系数：18.9～19.5x10-6·C-1；弹性模数：85GPa；1000h磨损率/um：5～25。
如图3所示，耐磨镶圈的内部基圆直径D1为100～105mm，环形楔槽的头部基圆直径D2为110～120mm，耐磨镶圈的底部基圆直径D3为112～122mm，环形楔槽的底部基圆直径D4为95～105mm，耐磨镶圈的高度H1为8～10mm，中间面高度H2为2～3mm，环形楔槽的大致梯形截面的楔角α＝β＝5～10°，耐磨镶圈的顶面到活塞的顶面的距离为11～13mm。内冷油道的薄壁不锈钢管的壁厚取0.5～1.0mm，管壁太薄易变形，也易被高温铝水腐蚀，管壁太厚会增加活塞重量，对导热也不利，薄壁不锈钢管的内径取75～80mm，薄壁不锈钢管顶部距活塞顶部20～30mm，钢管截面呈不规则椭圆形，主要截面参数如图4所示：a＝12～18mm，Rb＝2～6mm，Rc＝4～8mm，Rd＝4～8mm，Re＝2～4mm。
内冷油道镶圈活塞的铸造工艺过程如下：首先把镍基奥氏体铸铁楔形耐磨镶圈加工成品，接着用三根不锈钢条作支架，把薄壁不锈钢管与耐磨镶圈焊接在一起，形成一个整体，再进行渗铝处理，然后将其定位、合模到铸造模具中，最后进行浇铸。由于铸铁镶圈与铝活塞本体膨胀系数的差异，铸铁与铝合金粘接层在使用过程中极易脱落，所以渗铝、定位、合模、浇铸几道工序必须是连续的，在这一过程中，一定要保证在活塞本体铝合金溶液覆盖镶圈表面之前，耐磨镶圈表层的渗铝层仍然处于熔融状态，才能浇铸出铝铁粘结良好的镶圈活塞，这一工艺延续时间极短，必须严格控制在25～30s以内，时间越短粘接质量越好，否则就会影响活塞本体的铝合金层与镶圈铸铁层之间的粘合质量。一旦粘合质量出现问题，那么活塞在工作时受到交变的冷热负荷的共同作用，铸铁的耐磨镶圈与铝活塞本体之间会产生松动甚至脱离。
Claims (8)
1.一种适用于中型重载柴油机的活塞，所述活塞的直径为110～120mm，所述活塞包括活塞本体(1)，所述活塞本体(1)上设有活塞头部和活塞裙部，所述活塞头部具有活塞顶环槽，其特征在于：所述活塞头部内设置薄壁不锈钢管(6)以形成环状内冷油道(5)，所述薄壁不锈钢管(6)的截面呈不规则椭圆形，所述活塞顶环槽内镶嵌楔形耐磨镶圈(4)，所述耐磨镶圈(4)上具有环形楔槽，所述环形楔槽的截面呈大致梯形，所述耐磨镶圈(4)与所述薄壁不锈钢管(6)焊接形成一个整体。
2.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于：所述耐磨镶圈(4)的内部基圆直径D1为100～105mm，所述耐磨镶圈(4)的底部基圆直径D3为112～122mm，所述耐磨镶圈(4)的高度H1为8～10mm，中间面高度H2为2～3mm，所述耐磨镶圈(4)的顶面到活塞的顶面的距离为11～13mm。
3.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于：所述环形楔槽的头部基圆直径D2为110～120mm，所述环形楔槽的底部基圆直径D4为95～105mm，所述环形楔槽的大致梯形截面的楔角α＝β＝5～10°。
4.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于：所述薄壁不锈钢管(6)的内径为75～80mm，所述薄壁不锈钢管(6)的壁厚为0.5～1.0mm，所述薄壁不锈钢管(6)的顶部距所述活塞的顶部的距离为20～30mm。
5.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于：所述薄壁不锈钢管(6)的不规则椭圆形的截面主要参数为：a＝12～18mm，Rb＝2～6mm，Rc＝4～8mm，Rd＝4～8mm，Re＝2～4mm。
6.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于：所述耐磨镶圈(4)选用镍基奥氏体铸铁合金，所述镍基奥氏体铸铁合金的合金组分及其含量为：C：2.03.0，Mn：0.5-1.5，Ni：14-17，Si：1.0-2.8，Cu：5.5-7.5，Cr：2-3，S：＜0.08，P：＜0.1，其余为铁。
7.一种制造根据权利要求1至6之一中所述活塞的方法，其特征在于：首先把镍基奥氏体铸铁楔形耐磨镶圈加工成品，接着用三根不锈钢条作支架，把薄壁不锈钢管与耐磨镶圈焊接在一起，形成一个整体，再进行渗铝处理，然后将其定位、合模到铸造模具中，最后进行浇铸。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于：其中渗铝、定位、合模、浇铸几道工序必须是连续的，并确保在活塞本体铝合金溶液覆盖镶圈表面之前，耐磨镶圈表层的渗铝层仍然处于熔融状态。
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