CN104074622A - 钢顶铁裙整体活塞及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钢顶铁裙整体活塞及其制造方法，活塞包括锻造调质钢的活塞顶和球墨铸铁的活塞裙，活塞顶具有直径较小的第一内支撑圈和直径较大的第一外支撑圈，活塞裙具有直径较小的第二内支撑圈和直径较大的第二外支撑圈，第一内支撑圈与第二内支撑圈之间置有钎料并通过真空钎焊联接，第一内支撑圈与第二内支撑圈之间还插有定位销，第一外支撑圈与第二外支撑圈之间置有钎料并通过真空钎焊联接。方法包括：预组装活塞顶、活塞裙和定位销，在第一内支撑圈与第二内支撑圈之间及第一外支撑圈与第二外支撑圈之间预置钎料，并装入高温真空钎焊炉中进行真空钎焊，以及调质处理，精加工等步骤。本发明易于工程化，可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及一种内燃机上的活塞，尤其是一种整体活塞。
背景技术
活塞是大缸径中速柴油机的关键部件，长期处于高温、高负荷和润滑不良的情况下工作，承受着周期交变的机械负荷和热负荷，是柴油机中故障发生较多的零部件之一。最高燃烧压力和活塞比功率两个指标分别表征活塞承受机械负荷和热负荷的能力。
随着大缸径中速柴油机强化系数的提高，活塞的结构型式逐渐由整体铸铝活塞、整体铸铁活塞，过渡到钢顶铝裙组合活塞，再到钢顶铁裙组合活塞，并开发了新一代的钢顶钢裙组合活塞。但是，现在新开发的大缸径中高速柴油机活塞的主流仍是钢顶铁裙组合活塞。
现有技术的钢顶铁裙组合活塞的主体是活塞顶和活塞裙，两部分通过高精密高强度螺栓联接而成。钢材具有良好的高温和常温性能，是抗活塞顶机械负荷和热负荷的理想材料，同时铸铁具有良好的摩擦学性能和较高的力学性能，膨胀系数也与缸套基本一致能有效减小配缸间隙，是做活塞裙的理想材料。但是，螺纹联接是有很大应力集中的联接，材料、加工或装配过程中的细小瑕疵都可能导致螺纹联接疲劳强度降低，引起螺纹联接失效，进而导致活塞失效，造成严重的事故。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种结构简单、安全可靠性高的钢顶铁裙整体活塞。
本发明的第二目的是提供一种适用于整体活塞生产的钢顶铁裙整体活塞制造方法。
为了实现上述第一目的，本发明的技术方案是：一种钢顶铁裙整体活塞，包括锻造调质钢的活塞顶和球墨铸铁的活塞裙，所述活塞顶具有直径较小的第一内支撑圈和直径较大的第一外支撑圈， 所述活塞裙具有直径较小的第二内支撑圈和直径较大的第二外支撑圈，所述第一内支撑圈与第二内支撑圈之间置有钎料并通过真空钎焊联接，第一内支撑圈与第二内支撑圈之间还插有定位销，所述第一外支撑圈与第二外支撑圈之间置有钎料并通过真空钎焊联接。
所述第一内支撑圈上开有第一定位销孔，所述第二内支撑圈上开有相应的第二定位销孔，所述定位销的两端分别插入第一定位销孔和第二定位销孔中。
所述钎料为箔状紫铜钎料。
为了实现上述第二目的，本发明的技术方案是：一种钢顶铁裙整体活塞的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
a、用42CrMoA热轧棒料模锻活塞顶的毛坯，进行回火处理，其回火温度为580±10℃，保温2±0.5小时；
b、铸造活塞裙的毛坯，并进行正火处理，其正火温度为920±10℃，保温2±0.5小时，空冷，然后回火处理，其回火温度为560±10℃，保温2±0.5小时；然后喷丸处理；
c、对活塞顶进行粗加工，然后调质处理，其淬火温度为880±10℃，保温2±0.5小时，油冷，回火温度为560±10℃，然后，半精车活塞顶；
d、对活塞裙进行粗加工；
e、精车活塞顶的第一内支撑圈和第一外支撑圈，精车活塞裙的第二内支撑圈和第二外支撑圈，并在第一内支撑圈上和第二内支撑圈上钻相应的定位销孔；
f、对活塞顶的第一内支撑圈和第一外支撑圈、活塞裙的第二内支撑圈和第二外支撑圈表面喷刚玉砂，粗化钎焊面，并去除钎焊面的游离石墨；
g、将活塞顶、活塞裙、定位销和钎料放入超声波清洗机内，加热至50±10℃℃，用超声波清洗机清洗1±0.5小时；取出这些零件，待干燥后，用丙酮擦洗活塞顶的第一内支撑圈和第一外支撑圈、活塞裙的第二内支撑圈和第二外支撑圈、定位销和钎料；
h、预组装活塞顶、活塞裙和定位销，并在第一内支撑圈与第二内支撑圈之间及第一外支撑圈与第二外支撑圈之间预置钎料；
i、将整个钢顶铁裙组装件装入高温真空钎焊炉中，关闭炉门，抽真空至2×10-3Pa-1×10-2Pa，升温至400±10℃，保温30±5min，再升温至750±10℃，保温30±5min，再升温至1050±10℃，保温30±5min，最后升温至1180±5℃，保温60±5min；随炉冷却至680±10℃，充氮冷却至100±5℃，出炉。
j、对活塞整体调质处理，其淬火温度为880±5℃，保温2±0.5小时，油冷，回火温度为560±5℃；
k、对活塞整体精加工；活塞第一环槽感应淬火和低温回火，整个活塞磷化，并在活塞裙面喷涂石墨。
优选地， 所述钎料采用箔状紫铜钎料。
采用上述技术方案后，本发明具有的有益效果如下：
相对于组合活塞，本发明的整体活塞，刚性更好，加工的精度更高；活塞环槽的精度和活塞顶与活塞裙的同轴度提高，能缩小配缸间隙，减小活塞环和环槽的磨损，降低油耗和机油耗；本发明的整体活塞没有应力集中严重、且抗疲劳性能差的螺纹联接，提高了可靠性，降低了全寿命周期成本。
相对于螺纹联接的组合活塞，钎焊整体活塞的联接面积远大于螺栓联接面积，因此，联接处安全系数更大，便于优化结构，使结构简单、减轻重量和惯性；同时钎焊联接的布置也比螺栓联接的布置容易得多。
相对于钢顶钢裙熔化焊联接的整体活塞，本发明的整体活塞的球墨铸铁活塞裙部在微观结构上有游离态的石墨，与缸套的摩擦学匹配性更好，缸套的磨损更小。
本发明的活塞顶、铁裙组装件采用高温真空钎焊，并较长时间保温，以使母材在熔融的钎料中充分溶解，并充分合金化，形成高性能的钎缝，其组织为:铁素体基体上分布长块状的铜相，铁素体基体和铜相上均有弥散分布的Fe3C，其抗拉强度大于600MPa，冲击功大于10J，综合力学性能完全能满足高强化柴油机活塞的要求；同时，采用箔状钎料，能使母材溶解相对均匀，不会出现熔蚀缺陷；
在钎料的选择上：箔状紫铜钎缝宽度对钎缝性能影响小，易于工程化，可靠性高；同时箔状紫铜钎料成本较低。
附图说明
以下结合附图给出的实施例对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明的钢顶铁裙整体活塞的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的钢顶铁裙整体活塞，包括锻造调质钢的活塞顶1和球墨铸铁的活塞裙2，所述活塞顶1具有直径较小的第一内支撑圈M和直径较大的第一外支撑圈N， 所述活塞裙2具有直径较小的第二内支撑圈m和直径较大的第二外支撑圈n，所述第一内支撑圈M与第二内支撑圈m之间置有钎料并通过真空钎焊联接，第一内支撑圈M与第二内支撑圈m之间还插有定位销3，所述第一外支撑圈N与第二外支撑圈n之间置有钎料并通过真空钎焊联接。
如图1所示，所述活塞顶1的第一内支撑圈M上开有第一定位销孔1-1，所述活塞裙2的第二内支撑圈m上开有相应的第二定位销孔2-1，所述定位销3的两端分别插入第一定位销孔1-1和第二定位销孔1-2中。
所述钎料为箔状紫铜钎料。
如图1所示，本发明的钢顶铁裙整体活塞的制造方法，包括以下步骤：
a、用42CrMoA热轧棒料模锻活塞顶1的毛坯，进行回火处理，其回火温度为580±10℃，保温2±0.5小时；
b、铸造活塞裙2的毛坯，并进行正火处理，其正火温度为920±10℃，保温2±0.5小时，空冷，然后回火处理，其回火温度为560±10℃，保温2±0.5小时；然后喷丸处理；
c、对活塞顶1进行粗加工，然后调质处理，其淬火温度为880±10℃，保温2±0.5小时，油冷，回火温度为560±10℃，然后，半精车活塞顶；
d、对活塞裙2进行粗加工；
e、精车活塞顶1的第一内支撑圈M和第一外支撑圈N，精车活塞裙2的第二内支撑圈m和第二外支撑圈n，并在第一内支撑圈M上和第二内支撑圈m上钻相应的定位销孔1-1、2-1；
f、对活塞顶1的第一内支撑圈M和第一外支撑圈N、活塞裙2的第二内支撑圈m和第二外支撑圈n表面喷刚玉砂，粗化钎焊面，并去除钎焊面的游离石墨；
g、将活塞顶1、活塞裙2、定位销3和钎料放入超声波清洗机内，加热至50±10℃℃，用超声波清洗机清洗1±0.5小时；取出这些零件，待干燥后，用丙酮擦洗活塞顶1的第一内支撑圈M和第一外支撑圈m、活塞裙2的第二内支撑圈m和第二外支撑圈n、定位销3和钎料；
h、预组装活塞顶1、活塞裙2和定位销3，并在第一内支撑圈M与第二内支撑圈m之间及第一外支撑圈N与第二外支撑圈n之间预置钎料；
i、将整个钢顶铁裙组装件装入高温真空钎焊炉中，关闭炉门，抽真空至2×10-3Pa-1×10-2Pa，升温至400±10℃，保温30±5min，再升温至750±10℃，保温30±5min，再升温至1050±10℃，保温30±5min，最后升温至1180±5℃，保温60±5min；随炉冷却至680±10℃，充氮冷却至100±5℃，出炉。
j、对活塞整体调质处理，其淬火温度为880±5℃，保温2±0.5小时，油冷，回火温度为560±5℃；
k、对活塞整体精加工；活塞第一环槽感应淬火和低温回火，整个活塞磷化，并在活塞裙面喷涂石墨。
优选地， 所述钎料采用箔状紫铜钎料。
活塞顶的材料也可以为调质钢38MnVS6，并省去初加工后的调质处理。
Claims (5)
1.一种钢顶铁裙整体活塞，包括锻造调质钢的活塞顶（1）和球墨铸铁的活塞裙（2），所述活塞顶（1）具有直径较小的第一内支撑圈（M）和直径较大的第一外支撑圈（N）， 所述活塞裙（2）具有直径较小的第二内支撑圈（m）和直径较大的第二外支撑圈（n）， 其特征在于：所述第一内支撑圈（M）与第二内支撑圈（m）之间置有钎料并通过真空钎焊联接，第一内支撑圈（M）与第二内支撑圈（m）之间还插有定位销（3），所述第一外支撑圈（N）与第二外支撑圈（n）之间置有钎料并通过真空钎焊联接。
2.根据权利要求1所述的钢顶铁裙整体活塞，其特征在于：所述第一内支撑圈（M）上开有第一定位销孔（1-1），所述第二内支撑圈（m）上开有相应的第二定位销孔（2-1），所述定位销（3）的两端分别插入第一定位销孔（1-1）和第二定位销孔（1-2）中。
3.根据权利要求1所述的钢顶铁裙整体活塞，其特征在于：所述钎料为箔状紫铜钎料。
4.一种钢顶铁裙整体活塞的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
a、用42CrMoA热轧棒料模锻活塞顶（1）的毛坯，进行回火处理，其回火温度为580±10℃，保温2±0.5小时；
b、铸造活塞裙（2）的毛坯，并进行正火处理，其正火温度为920±10℃，保温2±0.5小时，空冷，然后回火处理，其回火温度为560±10℃，保温2±0.5小时；然后喷丸处理；
c、对活塞顶（1）进行粗加工，然后调质处理，其淬火温度为880±10℃，保温2±0.5小时，油冷，回火温度为560±10℃，然后，半精车活塞顶；
d、对活塞裙（2）进行粗加工；
e、精车活塞顶（1）的第一内支撑圈（M）和第一外支撑圈（N），精车活塞裙（2）的第二内支撑圈（m）和第二外支撑圈（n），并在第一内支撑圈（M）上和第二内支撑圈（m）上钻相应的定位销孔（1-1、2-1）；
f、对活塞顶（1）的第一内支撑圈（M）和第一外支撑圈（N）、活塞裙（2）的第二内支撑圈（m）和第二外支撑圈（n）表面喷刚玉砂，粗化钎焊面，并去除钎焊面的游离石墨；
g、将活塞顶（1）、活塞裙（2）、定位销（3）和钎料放入超声波清洗机内，加热至50±10℃℃，用超声波清洗机清洗1±0.5小时；取出这些零件，待干燥后，用丙酮擦洗活塞顶（1）的第一内支撑圈（M）和第一外支撑圈（m）、活塞裙（2）的第二内支撑圈（m）和第二外支撑圈（n）、定位销（3）和钎料；
h、预组装活塞顶（1）、活塞裙（2）和定位销（3），并在第一内支撑圈（M）与第二内支撑圈（m）之间及第一外支撑圈（N）与第二外支撑圈（n）之间预置钎料；
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j、对活塞整体调质处理，其淬火温度为880±5℃，保温2±0.5小时，油冷，回火温度为560±5℃；
k、对活塞整体精加工；活塞第一环槽感应淬火和低温回火，整个活塞磷化，并在活塞裙面喷涂石墨。
5. 根据权利要求4所述的钢顶铁裙钎焊整体活塞的制造方法，其特征在于：所述钎料采用箔状紫铜钎料。
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