CN103846409A

CN103846409A - 一种带冷却油腔的船用纤维增强复合材料活塞的制备方法

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Publication number: CN103846409A
Application number: CN201210525760.5A
Authority: CN
Inventors: 彭银江; 周灵展; 张广明; 高明灯; 朱秀荣; 侯林冲; 费良军; 徐英; 杨亚琛; 王秀玲
Original assignee: No 52 Institute of China North Industries Group Corp
Current assignee: Chinese Academy of Ordnance Science Ningbo Branch; No 52 Institute of China North Industries Group Corp
Priority date: 2012-12-04
Filing date: 2012-12-04
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2032-12-04
Also published as: CN103846409B

Abstract

一种带冷却油腔的船用纤维增强复合材料活塞的制备方法，其特征在于：按照以下合金组分及质量比配制活塞用铝合金：Si12.0%~14.0%；Mg 0.8%~1.5%；Cu 2.6%~4.0%；Ni1.8%~2.8%；Fe0.2%~0.4%；Ti 0.1%~0.2%；余量为Al和不超过0.5%的杂质；将上述材料进行熔化，熔化后进行精炼、变质、细化、再精炼处理；制作第一环槽氧化铝短纤维预制件；将预热的第一环槽氧化铝短纤维预制件和高强度耐压可溶盐芯固定在模具上，进行挤压铸造，然后卸压取出，清除高强度耐压可溶盐芯，即得到所需活塞毛坯；对活塞毛坯进行热处理，最后机械加工和表面处理，得到成品。本发明在挤压铸造工艺条件下，采用陶瓷纤维增强活塞环槽部位的整体挤压铸造活塞方法，活塞顶部的冷却油腔采用高强度可溶盐芯一次成形，制造成本低、工序周期短。

Description

一种带冷却油腔的船用纤维增强复合材料活塞的制备方法

技术领域

本发明涉及一种活塞挤压铸造方法，尤其涉及一种170型带冷却油腔的船用纤维增强复合材料活塞的制备方法，该活塞主要应用于大型船舶高强化柴油机领域。

背景技术

目前，高强化柴油机都在向大功率、高负荷发展，而铝活塞作为内燃机的重要往复运动部件，其性能直接影响高强化柴油机的性能和可靠性。铝活塞在厚大部位通常设有冷却油腔对活塞进行冷却，在活塞的第一环槽部位采用镶铸高镍铸铁耐磨镶圈，以提高第一环槽部位的耐磨性。高强化发动机用整体活塞对铸造质量要求非常高，不允许出现任何铸造缺陷。采用常规的金属型重力铸造和砂型铸造铝活塞，很容易产生气孔、缩松、裂纹、夹渣等铸造缺陷，微观组织密度差，力学性能不能满足使用要求，不仅如此，常规铸造方法，生产效率低、劳动强度大。

由此，高强化发动机用活塞在制造技术上作了诸多改进，见专利号为ZL02135972.5的中国发明专利《一种活塞用铝基复合材料及其制备方法》(授权公告号：CN1257299C)，该专利中的复合材料由基体合金和增强相组成,基体合金中各组分的质量百分比为硅9～16%，铜0.5～2.5，镍0.5～2.0，镁0.2～1.5，钛0.2～2.0，其余为铝；增强相为原位反应生成的Al₂O₃和TiC粒子，所得产品强度比较大。又见专利号为ZL200710015700.8的中国发明专利《活塞用复合铝合金及其生产工艺》(授权公告号：CN100467644C)，该专利通过使用旧活塞作为铝合金主料，优先组分配比和生产工艺，达到了节省成本的目的。类似的，还可以参见申请号为200710049894.3的中国发明专利申请公开《高性能铝硅活塞合金材料及其活塞的热处理工艺》(公开号为CN101117679A)。

国内现有的柴油机用活塞通常在第一环槽部位采用高镍铸铁镶圈增强，厚大部位通常设有冷却油腔对活塞进行冷却，采用重力铸造工艺成型，活塞存在重量重、高镍铸铁镶环与铝基体结合强度低，顶部燃烧室抗烧蚀性差等缺陷，从而导致活塞使用寿命短、使用可靠性差。

国外在复合材料活塞的研制方面已取得进展，日本丰田汽车公司研制的复合材料活塞使得丰田汽车大修里程由十万公里延长到三十万公里，发动机的输出功率提高5%，而且燃油和润滑油的消耗均得到改善。美国康明斯公司、英国AE公司以及法国、俄罗斯、保加利亚等国家都开展了复合材料活塞的研究工作，并开始大量使用。国外采用的制造工艺是将活塞的增强部位先制成复合材料，再通过金属型重力铸造或挤压铸造工艺成型，该工艺主要存在工序周期长，复合材料与基体材料结合强度不够高等缺点，采用挤压铸造工艺成型时，不能制造顶部带冷却油腔的大功率发动机活塞的局限性。

在挤压铸造制造工艺条件下，采用陶瓷纤维增强活塞环槽部位的整体挤压铸造活塞方法，活塞顶部厚大部位的冷却油腔采用高强度可溶盐芯一次成形，制造成本低、制作工序周期短在国内外均未见详细报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种带冷却油腔的船用纤维增强复合材料活塞的制造方法，具有制造工序周期短、重量轻、第一环槽复合材料增强部位与基体材料结合强度高的特点，克服了现有技术中存在的制造工序周期长、活塞第一环槽部位高镍铸铁镶环与铝基体结合强度低、采用挤压铸造工艺成型时，不能制造顶部带冷却油腔的大型船舶高功率发动机活塞的局限性。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种带冷却油腔的船用纤维增强复合材料活塞的制备方法，其特征在于步骤为：

1）按照以下合金组分及质量百分数配制活塞用铝合金：

Mn、Zn、Cr、Pb和Sn杂质元素总量不超过0.5%，其余为Al；

2）熔炼处理：将上述配制的活塞合金放入熔化炉中进行熔化，熔化后对铝合金液进行精炼、变质、细化、再精炼处理；

3）第一环槽氧化铝短纤维预制件制作：将氧化铝短纤维采用液体纤维粉碎装置进行粉碎，去除非纤维化杂质，制作活塞的第一环槽氧化铝短纤维预制件；

4）挤压铸造：将第一环槽氧化铝短纤维预制件和高强度耐压可溶盐芯分别进行预热，然后固定在预热好的模具的相应部位上，第一环槽氧化铝短纤维预制件的转移时间小于30s，往模具型腔中浇入步骤2）处理好的铝合金液进行浇注，浇注温度为720℃～730℃，合模加压，加压压强80MPa～90MPa，保压时间200s～300s；待铝合金液完全凝固后，卸压取出，采用0.3Mpa~0.5MPa压力的高压水清除高强度耐压可溶盐芯，即可得到170型带冷却油腔的船用纤维增强复合材料活塞毛坯；

5)对活塞毛坯进行热处理，最后进行机械加工和表面处理，得到铝活塞成品。

作为改进，所述步骤2）中的精炼、变质、细化、再精炼处理具体过程为：将铝合金液温度控制为720℃~740℃，采用精炼剂处理如JA04C铝合金精炼剂，铝合金液温度控制为780℃~800℃，采用变质剂处理如ZS-ABP复合磷盐变质剂，将铝合金液温度控制为740℃~760℃，采用细化剂处理如铝钛硼细化剂，将铝合金液温度控制为730℃~740℃，采用精炼剂处理如JA04C铝合金精炼剂，静止15~30分钟后，并将铝合金液温度控制为720~730℃，待浇注。

作为优选，所述的变质剂为复合磷盐合金，添加量为铝合金质量的0.3%～0.5%，所述的细化剂为铝钛硼细化剂，添加量为铝合金质量的0.1%~0.2%，所述的精炼剂的每次添加量为铝合金质量的0.3%~0.5%。

再优选，所述步骤3）中的第一环槽氧化铝短纤维预制件中氧化铝短纤维的体积分数为13％~15％。

再改进，所述步骤4）中的第一环槽氧化铝短纤维预制件的预热是放在690℃~710℃温度的电热炉中进行预热；高强度耐压可溶盐芯是预热到600℃~650℃，模具是将模具型腔预热到200℃~250℃。

最后，所述步骤5）中的热处理具体过程为：固溶处理温度为500±5℃，保温5.5~6.5h；在60℃~100℃水中进行淬火处理，活塞毛坯从铝合金淬火炉至水槽的转移时间小于30s，活塞毛坯固溶处理至时效处理的停置时间小于2h，时效处理温度为205±5℃，保温7.5~8h，出炉后空冷。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、活塞环槽采用氧化铝陶瓷短纤维增强材料，制备成带有一定孔隙率的纤维预制件，在活塞挤压铸造成形工艺的同时，铝合金液在机械压力的作用下向氧化铝短纤维预制件的渗透扩散、凝固、结晶，形成氧化铝陶瓷纤维增强铝基复合材料，增强了活塞环槽部位；环槽部位采用取代传统的高镍铸铁镶圈，耐磨性优于高镍铸铁镶圈，活塞减重约5～10%，与活塞基体铝合金的结合强度比高镍铸铁镶圈高出5倍以上，活塞增强部位的导热率与活塞基体铝合金非常接近，能够有效防止环槽增强部位的冷热交替应力的作用下导致增强部位镶圈的脱开，活塞使用可靠性显著增强；

2、活塞冷却油腔在挤压铸造条件下，采用高强度耐压可溶盐芯，能够承受80~90MPa的机械压强，铸件中的高强度盐芯在水中即可溶解清除，在高压下成形的活塞冷却油腔光滑、无变形，制造周期缩短，制造成本显著降低。

3、采用新研制的活塞用铝合金配方，高温强度、耐磨性和耐热性能显著提高；

4、通过挤压铸造工艺一次成型的整体活塞毛坯，材料内部组织致密，力学性能显著提高，且工艺效率高，制造成本低。

附图说明

图1为实施例中成型后产品的结构示意图；

图2为实施例中第一环槽氧化铝短纤维预制件结构示意图；

图3为实施例中高强度耐压可溶盐芯结构示意图；

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1：一种带冷却油腔的船用纤维增强复合材料活塞制备过程如下：

①配制新型活塞用铝合金，该合金组分及质量百分数为：Si：12.0%；Mg：0.8%；Cu：2.6%；Ni：1.8%；Fe：0.2%；Ti：0.1%；Mn、Zn、Cr、Pb和Sn杂质元素总量不超过0.5%，其余为Al；

②熔炼处理，将配制的新型高强耐磨活塞合金，放入熔化炉中进行熔化，熔化后对合金液进行精炼、变质、细化、精炼处理，将铝液温度控制为720℃，采用四川兰德高科技产业有限公司生产的型号为JA04C铝合金精炼剂，添加质量为铝合金的0.3%；铝液温度控制为780℃，采用ZS-ABP复合磷盐变质剂进行变质处理，添加质量为铝合金质量的0.3%；将铝液温度控制为740℃，采用铝钛硼细化剂进行细化处理，添加质量为铝合金质量的0.1%；将铝液温度控制为730℃，采用JA04C铝合金精炼剂处理，添加质量为铝合金质量的0.3％；静止15分钟后，并将铝液温度控制为720℃，待浇注；

③氧化铝短纤维预制件制作，将氧化铝短纤维采用液体纤维粉碎装置进行粉碎，去除渣球等非纤维化杂质，制作活塞1的第一环槽氧化铝短纤维预制件2；

④第一环槽氧化铝短纤维预制件2预热，将已制备的第一环槽氧化铝短纤维预制件2放入690℃温度的电热炉中进行预热；

⑤模具预热，挤压铸造前对模具型腔预热到200℃；预热高强度耐压可溶盐芯3到600℃；

⑥挤压铸造，将预热好的第一环槽氧化铝短纤维预制件2和高强度耐压可溶盐芯3固定在模具的相应部位上，第一环槽氧化铝短纤维预制件2转移时间＜30s，往模具型腔中浇入已处理好的铝合金液，铝合金液浇注温度为720℃，合模加压，加压压强80MPa，保压时间200s；

⑦凝固取件，铝合金液在机械压强作用下，渗透到第一环槽氧化铝短纤维预制件2的孔隙中，待铝合金液完全凝固后，卸压取出，采用0.3MPa压力的高压水清除高强度耐压可溶盐芯3，能够即可得到170型带冷却油腔的船用纤维增强复合材料活塞毛坯；

⑧对活塞毛坯进行热处理，固溶处理温度为495℃，保温5.5h，在60℃水中进行淬火处理，活塞毛坯从铝合金淬火炉至水槽的转移时间小于30s，活塞毛坯固溶处理至时效处理的停置时间小于2h，时效处理温度为200℃，保温7.5h，出炉后空冷；

⑨对活塞毛坯件进行机械加工和表面处理，得到铝活塞成品。

本实施例中所得到的170型带冷却油腔的船用纤维增强复合材料活塞，具体结构见图1所示，活塞内部组织致密，无铸造缺陷；高强度耐压可溶盐芯成形的冷却油腔光滑、无变形、位置准确；采用高压水可直接清除可溶盐芯，制造周期短、成本低。测试活塞本体室温抗拉强度达260MPa以上，陶瓷纤维增强环槽部位经荧光渗透检测结合良好，结合强度大于105MPa，耐热和耐磨性能优于高镍铸铁镶圈活塞。

实施例2

①配制新型活塞用铝合金，该合金组分及质量百分数为：Si：13.0%；Mg：1.2%；Cu：3.2%；Ni：2.2%；Fe：0.3%；Ti：0.15%；Mn、Zn、Cr、Pb和Sn杂质元素总量不超过0.5%，其余为Al；

②熔炼处理，将配制的新型高强耐磨活塞合金，放入熔化炉中进行熔化，熔化后对合金液进行精炼、变质、细化、精炼处理，将铝液温度控制为730℃，采用四川兰德高科技产业有限公司生产的型号为JA04C铝合金精炼剂，添加质量为铝合金的0.4%；铝液温度控制为790℃，采用ZS-ABP复合磷盐变质剂进行变质处理，添加质量为铝合金质量的0.4%；将铝液温度控制为750℃，采用铝钛硼细化剂进行细化处理，添加质量为铝合金质量的0.2%；将铝液温度控制为735℃，采用JA04C铝合金精炼剂处理，添加质量为铝合金质量的0.4%；静止20分钟后，并将铝液温度控制为725℃，待浇注；

④第一环槽氧化铝短纤维预制件2预热，将已制备的第一环槽氧化铝短纤维预制件2放入700℃温度的电热炉中进行预热；

⑤模具预热，挤压铸造前对模具型腔预热到230℃；预热高强度耐压可溶盐芯3到630℃；

⑥挤压铸造，将预热好的第一环槽氧化铝短纤维预制件2和高强度耐压可溶盐芯3固定在模具的相应部位上，预制件转移时间＜30s，往模具型腔中浇入已处理好的铝合金液，铝合金液浇注温度为725℃，合模加压，加压压强85MPa，保压时间250s；

⑦凝固取件，铝合金液在机械压强作用下，渗透到第一环槽氧化铝短纤维预制件2的孔隙中，待铝合金液完全凝固后，卸压取出，采用0.4MPa压力的高压水清除高强度耐压可溶盐芯3，即可得到170型带冷却油腔的船用纤维增强复合材料活塞毛坯；

⑧对活塞毛坯进行热处理，固溶处理温度为500℃，保温6h，在70℃水中进行淬火处理，活塞毛坯从铝合金淬火炉至水槽的转移时间小于30s，活塞毛坯固溶处理至时效处理的停置时间小于2h，时效处理温度为205℃，保温8h，出炉后空冷；

实施例3：

①配制新型活塞用铝合金，该合金组分及质量百分数为：Si：14.0%；Mg：1.5%；Cu：4.0%；Ni：2.8%；Fe：0.4%；Ti：0.2%；Mn、Zn、Cr、Pb和Sn杂质元素总量不超过0.5%，其余为Al；

②熔炼处理，将配制的新型高强耐磨活塞合金，放入熔化炉中进行熔化，熔化后对合金液进行精炼、变质、细化、精炼处理，将铝液温度控制为740℃，采用四川兰德高科技产业有限公司生产的型号为JA04C铝合金精炼剂，添加质量为铝合金的0.5%；铝液温度控制为800℃，采用ZS-ABP复合磷盐变质剂进行变质处理，添加质量为铝合金质量的0.5%；将铝液温度控制为760℃，采用铝钛硼细化剂进行细化处理，添加质量为铝合金质量的0.3%；将铝液温度控制为740℃，采用JA04C铝合金精炼剂处理，添加质量为铝合金质量的0.5％；静止30分钟后，并将铝液温度控制为730℃，待浇注；

③第一环槽氧化铝短纤维预制件2制作，将氧化铝短纤维采用液体纤维粉碎装置进行粉碎，去除渣球等非纤维化杂质，制作活塞1的第一环槽氧化铝短纤维预制件2；

⑤模具预热，挤压铸造前对模具型腔预热到250℃；预热高强度耐压可溶盐芯3到650℃；

⑥挤压铸造，将预热好的第一环槽氧化铝短纤维预制件2和高强度耐压可溶盐芯3固定在模具的相应部位上，预制件转移时间＜30s，往模具型腔中浇入已处理好的铝合金液，铝合金液浇注温度为730℃，合模加压，加压压强90MPa，保压时间300s；

⑦凝固取件，铝合金液在机械压强作用下，渗透到第一环槽氧化铝短纤维预制件2的孔隙中，待铝合金液完全凝固后，卸压取出，采用0.5MPa压力的高压水清除高强度耐压可溶盐芯3，即可得到170型带冷却油腔的船用纤维增强复合材料活塞毛坯；

⑧对活塞毛坯进行热处理，固溶处理温度为505℃，保温6.5h，在80℃水中进行淬火处理，活塞毛坯从铝合金淬火炉至水槽的转移时间小于30s，活塞毛坯固溶处理至时效处理的停置时间小于2h，时效处理温度为210℃，保温8h，出炉后空冷；

Claims

1.一种带冷却油腔的船用纤维增强复合材料活塞的制备方法，其特征在于步骤为：

1）按照以下合金组分及质量百分数配制活塞用铝合金：

Mn、Zn、Cr、Pb和Sn杂质元素总量不超过0.5%，其余为Al；

4）挤压铸造：将第一环槽氧化铝短纤维预制件和高强度耐压可溶盐芯分别进行预热，然后固定在预热好的模具的相应部位上，第一环槽氧化铝短纤维预制件的转移时间小于30s，往模具型腔中浇入步骤2）处理好的铝合金液进行浇注，浇注温度为720℃～730℃，合模加压，加压压强80MPa～90MPa，保压时间200s～300s；待铝合金液完全凝固后，卸压取出，采用0.3Mpa~0.5MPa压力的高压水清除高强度耐压可溶盐芯，即可得到带冷却油腔的船用纤维增强复合材料活塞毛坯；

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述步骤2）中的精炼、变质、细化、再精炼处理具体过程为：将铝合金液温度控制为720℃~740℃，采用精炼剂处理，铝合金液温度控制为780℃~800℃，采用变质剂处理，将铝合金液温度控制为740℃~760℃，采用细化剂处理，将铝合金液温度控制为730℃~740℃，采用精炼剂处理，静止15~30分钟后，并将铝合金液温度控制为720~730℃，待浇注。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述的变质剂为复合磷盐合金，添加量为铝合金质量的0.3%～0.5%，所述的细化剂为铝钛硼细化剂，添加量为铝合金质量的0.1%~0.2%，所述的精炼剂的每次添加量为铝合金质量的0.3%~0.5%。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述步骤3）中的第一环槽氧化铝短纤维预制件中氧化铝短纤维的体积分数为13％~15％。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述步骤4）中的第一环槽氧化铝短纤维预制件的预热是放在690℃~710℃温度的电热炉中进行预热；高强度耐压可溶盐芯是预热到600℃~650℃，模具是将模具型腔预热到200℃~250℃。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述步骤5）中的热处理具体过程为：固溶处理温度为500±5℃，保温5.5~6.5h；在60℃~100℃水中进行淬火处理，活塞毛坯从铝合金淬火炉至水槽的转移时间小于30s，活塞毛坯固溶处理至时效处理的停置时间小于2h，时效处理温度为205±5℃，保温7.5~8h，出炉后空冷。