CN103820752A - 铸铁镶圈活塞活化渗铝工艺及其活化处理设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铸铁镶圈活塞的活化渗铝工艺及其活化处理设备。其工艺包括表面渗铝前的活化处理，该活化处理是针对铸铁镶圈的表面清理，在弱碱性的活化处理液中浸泡一定时间后，清水冲洗风干；然后在730~740℃的温度条件下进行热渗铝3-4分钟。该设备包括机架、电控系统和安装于机架的机械手、自动进出料机构、活化处理槽及风干机构。本发明通过配制无机盐活化液，结合专用设备对铸铁镶圈表面活化处理，控制活化液浓度和活化时间，优化渗铝液成分、渗铝温度和渗铝时间，提高镶圈与活塞基体的界面结合强度，铸造缺陷小于3%。

Description

铸铁镶圈活塞活化渗铝工艺及其活化处理设备

技术领域

本发明属于铸铁活化渗铝处理工艺，涉及铸铁镶圈活塞的活化渗铝工艺及其活化处理设备。

背景技术

活塞是汽车发动机中一个重要的部件，为提高活塞的机械性能，目前广泛的采用铝合金与高镍铸铁结合在一起制造活塞，也就是镶嵌耐磨圈活塞，这种活塞采用铸造生产，工艺要求镶圈与铝合金之间必须形成紧密的结合层，以提高镶圈与活塞的结合强度，在现行生产工艺中，采用镶圈热渗铝工艺，铸铁镶圈渗铝就是把铸铁镶圈放在熔融的铝液中渗泡一定的时间，使铸铁圈表面形成一层足够厚的中间化合物，然后立即转移到铸模型腔中进行浇注。借助渗铝层使活塞本体的铝合金与镶圈能够更加牢固地结合在一起。

镶圈在渗铝前经过机加工、运输、存放等环节，造成镶圈表面存在氧化、油污、灰尘等，因此需要经过前处理。由于渗铝前的处理工艺不同，造成镶圈铝活塞常见的铸造缺陷是在铝活塞镶圈周围存在氧化夹渣、气孔以及渗铝不均匀或者镶圈未渗铝而与活塞基体分离等。

根据国家标准JBT 9762-2011 《内燃机 镶耐磨圈铝活塞 技术条件》都对镶圈与活塞基体的粘结质量和粘结强度提出要求，耐磨镶圈与铝活塞本体的粘结面积率：非增压发动机应大于或等于85%，增压发动机应大于或等于93%。耐磨镶圈与铝活塞本体粘结界面单个缺陷长度：非增压发动机应小于或等于圆周长的10%，增压发动机应小于或等于圆周长的5%。但经过处理的镶圈在渗铝过程中，受到渗铝温度、渗铝液成分、渗铝时间和温度的影响，这些工艺参数都会影响渗铝层的厚度，实践证明，渗铝层过厚或过薄都影响镶圈与活塞基体的粘结质量和粘结强度。

因此，镶圈渗铝前的表面清洗是不可忽视的重要环节，在网上公开的论文“工艺因素对铸铁热浸渗铝的影响”（曾大新）一文中曾经公开阐述了表面清洗的水溶剂配方，其中水溶剂按KC1 ：LiCl：AlF₃ ：KF=3：1：3：2的比例配制；通过采用该水溶剂，浸铝温度在720°左右，时间为120s左右。该水溶剂配方没有明确浓度，而且氟离子的用量过高，按照该论文中的配方对钢铁进行清洗，钢铁表面会在无机盐离子作用下，采取电化学腐蚀，金属腐蚀速度过快，清洗完的零件存放时间短，在相同浓度条件下，清洗的零件在干燥过程中容易二次氧化，形成铁锈，影响渗铝效果。通过实验验证，采用该论文的清洗液配方对零件清洗后，12个小时之内，在自然存放条件下，零件表面开始出现铁锈现象。

鉴于上述，有必要对现有工艺进一步完善。

发明内容

本发明为了解决现有铸铁镶圈活塞渗铝前的表面清洗不善而影响渗铝层厚度以至于渗铝质量不佳的问题，提出一种铸铁镶圈活塞的活化渗铝工艺及其活化设备，通过镶圈表面清洗活化处理及优化渗铝工艺，以期改善渗铝质量。

本发明是通过以下方案实现的：

上述的铸铁镶圈活塞的活化渗铝工艺，包括表面渗铝和表面渗铝前的活化处理，该活化处理是针对铸铁镶圈的表面清理，在弱碱性的活化处理液中浸泡一定时间后，清水冲洗风干；然后在730~740℃的温度条件下进行热渗铝3-4分钟。

所述的铸铁镶圈活塞的活化渗铝工艺，其中：该活化处理液为含氯化钾、氯化锂、氟化铝和氟化钾无机盐且KC1 ：LiCl：AlF₃ ：KF=3：1：2：2的比例配制的水溶剂，浓度为5g/l。该活化处理液为弱碱性，PH值接近7。

所述的铸铁镶圈活塞的活化渗铝工艺，其中：所述表面渗铝的渗铝液化学成分质量百分比为：Si10~13%，Cu≤0.3%，Mg≤0.2%，Ni≤0.2%，Mn≤0.2%，Ti≤0.2%，Fe≤0.35%，Zn≤0.2%，Al余量。

所述的铸铁镶圈活塞的活化渗铝工艺，其具体步骤为：

1)、在室温条件下配置弱碱性活化处理液，浓度为5g/l；

2)、铸铁镶圈在浓度为5g/L的活化液中浸泡10~15秒，然后用清水冲洗，采用风干方式干燥，干燥温度控制在50℃以下；

3)、将活化处理风干的镶圈，浸泡在740±10℃的渗铝液中3-4分钟，进行热渗铝；

4)、渗铝镶圈取出渗铝液后，移圈、装模、定位、浇注这几道工序延续时间保持在2分钟之内完成。

上述的活化处理设备，包括机架、电控系统和安装于所述机架的机械手、进料机构、活化处理槽、风干机构及出料机构；所述机架上设有导轨；所述机械手通过滑块与所述导轨滑动连接，由所述电控系统驱动；所述进料机构和出料机构分别设置于所述机架的两端，分别由所述电控系统驱动控制实现自动进料和出料；所述活化槽内置放活化处理液，与所述进料机构的位置相适应；所述清洗槽内置放清水，与所述活化槽相适应；所述风干机构与所述清洗槽相适应。

所述的活化处理设备，其中：所述进料机构包括进料支架、设于所述进料支架的进料驱动装置及进料输送链；所述进料输送链由所述进料驱动装置驱动，并设有进料检测传感器。所述出料机构包括出料支架、设于所述出料支架的出料驱动装置及出料输送链；所述出料输送链由所述出料驱动装置驱动，并设有出料检测传感器。所述风干机构包括通过工位支架装配固定的风干机和风干箱。

有益效果：

    本发明通过对铸铁镶圈表面渗铝前活化处理，控制活化液浓度和活化时间，优化渗铝液成分、渗铝温度和渗铝时间，提高镶圈与活塞基体的界面结合强度，铸造缺陷小于3%。由活化处理的镶圈金相可以看出，未活化处理的镶圈表面渗铝层缺陷很多，而活化后的镶圈渗铝层均匀，缺陷少。且采用本发明的活化处理工艺，热渗铝前的钢铁材料活化处理后的存放周期可以达到48小时表面保持活性。本发明的活化设备有效保证了镶圈和铝活塞在压铸时能完好的结合，提高了活塞项圈的质量，尤其该结构设计简单、合理，操作简单、方便且处理效率高，通过对铝活塞镶圈压铸前进行活化处理，适于推广与应用。

附图说明

图1为本发明工艺活化处理后的铸铁表面活化形貌；

图2 为本发明工艺渗铝后的铸铁镶圈与活塞基体结合金相图；

图3为未经本发明工艺处理的渗铝金相图；

图4为经本发明工艺处理后的渗铝金相图；

图5为本发明活化设备结构示意图。

具体实施方式

本发明的铸铁镶圈活塞的活化渗铝工艺包括表面渗铝和表面渗铝前的活化处理，该活化处理是针对铸铁镶圈的表面清理，在弱碱性的活化处理液中浸泡一定时间后，清水冲洗风干；然后在730~740℃的温度条件下进行热渗铝3-4分钟。

其中，渗铝前活化处理液为含氯化钾、氯化锂、氟化铝和氟化钾无机盐且KC1 ：LiCl：AlF₃ ：KF=3：1：2：2的比例配制的水溶剂，浓度为5g/l。该活化处理液为弱碱性，PH值接近7。

表面渗铝的渗铝液的化学成分见表1，在实际生产中的渗铝液的成分为：Si5.5~7%，该成分的渗铝液粘度大，流动性差，容易在镶圈表面粘连，形成凸瘤，影响渗铝层和扩散层的均匀性。本发明通过调整渗铝液的硅含量，提高渗铝液的流动性，有利于铝原子的扩散，以避免在镶圈表面粘连，形成凸瘤，影响渗铝层和扩散层的均匀性。

 

表1  渗铝液化学成分

                                                 

  

本发明活化渗铝工艺的具体步骤为：

1、在室温条件下配置活化处理液，活化处理液含氯化钾、氯化锂、氟化铝和氟化钾无机盐且KC1 ：LiCl：AlF₃ ：KF=3：1：2：2，浓度为5g/l；

2、铸铁镶圈在浓度为5g/L的活化处理液中浸泡10~15秒，然后用清水冲洗，采用风干方式干燥，干燥温度控制在50℃以下；

 3、将活化处理风干的镶圈，浸泡在740±10℃的渗铝液中3-4分钟，进行热渗铝；

4、渗铝镶圈取出渗铝液后，移圈、装模、定位、浇注这几道工序延续时间保持在2分钟之内完成。

本发明采用的专用活化设备如图5所示，包括机架1、电控系统和安装于机架1的机械手2、进料机构3、活化处理槽4、风干机构6及出料机构5。

机架1上设有导轨11。

机械手2通过滑块21与导轨11滑动连接，包括由电控系统驱动的提升驱动机构22、横向驱动机构23及纵向驱动机构24，该提升驱动机构22、横向驱动机构23及纵向驱动机构24装设于机架1，分别驱动机械手2实现升降、前后及左右的移动。

进料机构3可根据需要设置于机架1的相应位置，由电控系统驱动控制实现自动进料，该进料机构3上设有进料检测传感器，用于检测并判断零件在进料机构3上的状态。

活化处理槽4内依次置放活化处理液和清水，与进料机构3的位置相适应，接收自进料机构3运送的零件进行活化处理。

风干机构5用于将活化处理槽4出来的零件进行风干处理，与活化处理槽4相适应，其由风干机和风干箱构成。

出料机构6可根据需要设置于机架1的相应位置，包括但不限于与进料机构3分设于机架1两端或二者并列设置，在本实施例中是与进料机构3并列设置。该出料机构6由电控系统驱动控制实现自动出料，设于出料检测传感器用于检测并判断零件在出料机构6上的状态。

该活化设备是由PC根据程序指令执行，完成整个工艺过程由PC通过程序控制，设备严格根据预先设定的程序自动完成工艺流程。

该设备的工作过程：

设备启动后，人工将零件放到进料机构3上，由进料机构3将零件输送到机架1内，再通过进料检测传感器检测并判断零件在进料机构3上的状态，当进料检测传感器检测到零件后，机械手2将零件抓起转移到活化处理槽4内，活化处理槽4根据设定程序完成活化工序，待完成活化工序后，机械手2再将将零件转移到风干机构5内风干，风干完成后，机械手2重复前面的零件转移动作，即将零件被摆放到出料机构6上，再出料检测传感器判断零件的状态位置并将零件输送到取料处，整个处理过程完成。

根据上述，结合具体实施例进一步说明本发明：

实施例一

室温条件下按KC1 ：LiCl：AlF₃ ：KF=3：1：2：2的比例配制成浓度为5g/l的活化处理液，该活化处理液PH值接近7；

按如下配比制备渗铝液：Si10kg，Cu0.25 kg，Mg0.2 kg，Ni0.18 kg，Mn0.2 kg，Ti0.17 kg，Fe0.3 kg，Zn0.1kg，Al88.6 kg。

采用本发明的活化设备，铸铁镶圈该活化处理液中浸泡12秒后清水冲洗，温度控制在50℃以下风干，浸泡在740℃的渗铝液中4分钟，进行热渗铝；渗铝镶圈取出渗铝液后，移圈、装模、定位、浇注这几道工序延续时间保持在2分钟之内完成。

上述活化后的铸铁表面活化形貌见图1所示，通过对活化后的高强钢板表面进行形貌分析可以看出，结果在基底金属上生成孔径为20μm～30μm 小蚀坑，蚀孔内的金属表面处于活化状态，电位较负，蚀孔外的金属表面处于钝化状态，电位较正，于是孔内和孔外构成一个电位差，促进了渗铝过程的进行，增强与铝合金的界面结合强度。

经上述活化处理后再热渗铝后的铸铁镶圈与活塞基体结合质量见图2，铝原子扩散到镶圈的表面，形成均匀的扩散层。

参考图3的未采用本发明活化处理后的渗铝金相图，与图4的采用本发明活化处理后的渗铝金相图对比，可以明显看出：未活化处理的镶圈表面渗铝层缺陷很多，而活化后的镶圈渗铝层均匀，缺陷少。镶圈与活塞基体的界面结合强度，铸造缺陷小于3%。

实施例二

同实施例一配制活化处理液；

按如下配比制备渗铝液：Si11kg，Cu0.28 kg，Mg0.17 kg，Ni0.2 kg，Mn0.15 kg，Ti0.1 kg，Fe0.2 kg，Zn0.1kg，Al87.8kg；

采用本发明的活化设备，铸铁镶圈该活化处理液中浸泡15秒后清水冲洗，温度控制在50℃以下风干，浸泡在745℃的渗铝液中3分钟，进行热渗铝；渗铝镶圈取出渗铝液后，移圈、装模、定位、浇注这几道工序延续时间保持在2分钟之内完成。

本实施例的渗铝铸铁镶圈与活塞基体的界面结合强度，铸造缺陷小于3%。

实施例三

同实施例一配制活化处理液；

按如下配比制备渗铝液：Si13kg，Cu0.3 kg，Mg0.12 kg，Ni0.08 kg，Mn0.1 kg，Ti0.05kg，Fe0.35 kg，Zn0.2kg，Al85.8kg；

采用本发明的活化设备，铸铁镶圈该活化液中浸泡15秒后清水冲洗，温度控制在50℃以下风干，浸泡在750℃的渗铝液中3分钟，进行热渗铝；渗铝镶圈取出渗铝液后，移圈、装模、定位、浇注这几道工序延续时间保持在2分钟之内完成。

本实施例的渗铝铸铁镶圈与活塞基体的界面结合强度，铸造缺陷小于3%。

实施例四

同实施例一配制活化处理液；

如下配比制备渗铝液：Si12kg，Cu0.12kg，Mg0.2 kg，Ni0.1 kg，Mn0.08 kg，Ti0.2 kg，Fe0.1 kg，Zn0.2kg，Al87kg；

采用本发明的活化设备，铸铁镶圈该活化液中浸泡12秒后清水冲洗，温度控制在50℃以下风干，浸泡在730℃的渗铝液中4分钟，进行热渗铝；渗铝镶圈取出渗铝液后，移圈、装模、定位、浇注这几道工序延续时间保持在2分钟之内完成。

本实施例的渗铝铸铁镶圈与活塞基体的界面结合强度，铸造缺陷小于3%。

实施例五

同实施例一配制活化处理液；

Si10~13%，Cu≤0.3%，Mg≤0.2%，Ni≤0.2%，Mn≤0.2%，Ti≤0.2%，Fe≤0.35%，Zn≤0.2%，Al余量按

按如下配比制备渗铝液：Si10kg，Cu0.3 kg，Mg0.2 kg，Ni0.1kg，Mn0.2 kg，Ti0.1kg，Fe0.12 kg，Zn0.08kg，Al88.9 kg

采用本发明的活化设备，铸铁镶圈该活化液中浸泡10秒后清水冲洗，温度控制在50℃以下风干，浸泡在740℃的渗铝液中3.5分钟，进行热渗铝；渗铝镶圈取出渗铝液后，移圈、装模、定位、浇注这几道工序延续时间保持在2分钟之内完成。

本实施例的渗铝铸铁镶圈与活塞基体的界面结合强度，铸造缺陷小于3%。

由上述可知，采用本发明工艺，对铸铁镶圈表面活化处理，控制活化液浓度和活化时间，通过优化渗铝液成分、渗铝温度和渗铝时间，提高了镶圈与活塞基体的界面结合强度，铸造缺陷小于3%。通过结合本发明的活化设备有效保证了镶圈和铝活塞在压铸时能完好的结合，提高了活塞项圈的质量，尤其该结构设计简单、合理，操作简单、方便且处理效率高，通过对铝活塞镶圈压铸前进行活化处理，适于推广与应用。

Claims (9)

1.一种铸铁镶圈活塞的活化渗铝工艺，包括表面渗铝和表面渗铝前的活化处理，该活化处理是针对铸铁镶圈的表面清理，在弱碱性的活化处理液中浸泡一定时间后，清水冲洗风干；然后在730~740℃的温度条件下进行热渗铝3-4分钟。

2.如权利要求1所述的铸铁镶圈活塞的活化渗铝工艺，其特征在于：该活化处理液为含氯化钾、氯化锂、氟化铝和氟化钾无机盐且KC1 ：LiCl：AlF₃ ：KF=3：1：2：2的比例配制的水溶剂，浓度为5g/l。

3.如权利要求2所述的铸铁镶圈活塞的活化渗铝工艺，其特征在于：该活化处理液为弱碱性，PH值接近7。

4.如权利要求1~3任一所述的铸铁镶圈活塞的活化渗铝工艺，其特征在于：所述表面渗铝的渗铝液化学成分质量百分比为：Si10~13%，Cu≤0.3%，Mg≤0.2%，Ni≤0.2%，Mn≤0.2%，Ti≤0.2%，Fe≤0.35%，Zn≤0.2%，Al余量。

5.如权利要求4所述的铸铁镶圈活塞的活化渗铝工艺，其具体步骤为：

1)、在室温条件下配置弱碱性活化处理液，浓度为5g/l；

2)、铸铁镶圈在浓度为5g/L的活化液中浸泡10~15秒，然后用清水冲洗，采用风干方式干燥，干燥温度控制在50℃以下；

3)、将活化处理风干的镶圈，浸泡在740±10℃的渗铝液中3-4分钟，进行热渗铝；

4)、渗铝镶圈取出渗铝液后，移圈、装模、定位、浇注这几道工序延续时间保持在2分钟之内完成。

6.一种活化处理设备，其特征在于：所述设备包括机架、电控系统和安装于所述机架的机械手、进料机构、活化处理槽、风干机构及出料机构；

所述机架上设有导轨；

所述机械手通过滑块与所述导轨滑动连接，包括装设于所述机架并由所述电控系统驱动的提升驱动机构、横向驱动机构及纵向驱动机构； 

所述进料机构和出料机构分别设置于所述机架的两端，分别由所述电控系统驱动控制实现自动进料和出料；

所述活化处理槽内置放活化处理液，与所述进料机构的位置相适应； 

所述风干机构与所述活化处理槽相适应。

7.如权利要求6所述的活化处理设备，其特征在于：所述进料机构设有进料检测传感器。

8.如权利要求6所述的活化处理设备，其特征在于：所述出料机构设有出料检测传感器。

9.如权利要求6所述的活化处理设备，其特征在于：所述风干机构包括通过风干机和风干箱。

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