CN105081316B - 伪合金预制件专用模具及应用该模具的伪合金预制件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种伪合金预制件专用模具，其特征在于包括底模、下模、内模、垫块、外模及上模，下模中空并设于前述底模上端面，内模位于前述下模的中部并向上伸出前述下模，垫块设于前述底模的上端面；外模位于前述垫块的上方并套设于前述下模的外周且向上伸出前述下模；上模中空并套设于前述内模外周且位于下模上方，前述下模上端面与内模外侧面、外模内侧面及上模的下端面构成预制件的成型腔体，该成型腔体呈环形。本发明还公开了一种伪合金预制件制备方法。与现有技术相比，本发明的优点在于：整体制造工艺简便、材料利用率高、制作效率高、成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于制作伪合金预制件的模具，涉及的伪合金预制件预作为活塞第一环槽增强耐磨环使用，本发明还涉及伪合金预制件的制备方法。
背景技术
目前，高功率密度发动机的转速和最高燃烧压力的大幅度提高，使得活塞第一环槽部位所受的机械载荷急剧增加，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或Al2O3短纤维复合材料增强，高镍铸铁镶环与铝基体结合强度低，只有20～40MPa，从而导致活塞使用寿命短、使用可靠性差。
高镍铸铁镶圈通常采用离心铸造成筒状毛坯，再通过机械加工的方式加工成，材料的利用率比较低。
Al2O3短纤维预制件采用抽真空压滤成型预制件，如申请号为200910099094.1的中国发明专利申请公开《一种Al2O3短纤维预制件的制备方法》(公开号为CN101575687B)，该方法制作的预制件前处理工序繁琐，效率较低，制作的纤维预制件上下面容易聚集硅溶胶，影响后续的挤压渗透过程，挤压铸造后形成的复合材料与铝合金界面容易存在渗透不良的界面效应。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述的技术现状而提供一种强度大且制作简单伪合金预制件专用模具。
本发明所要解决的又一个技术问题是提供一种强度大且制作简单伪合金预制件制备方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种伪合金预制件专用模具，其特征在于包括
底模；
下模，中空并设于前述底模上端面；
内模，设于前述底模的上端面，该内模位于前述下模的中部并向上伸出前述下模；
垫块，设于前述底模的上端面；
外模，位于前述垫块的上方并套设于前述下模的外周且向上伸出前述下模；以及
上模：中空并套设于前述内模外周且位于下模上方，
前述下模上端面与内模外侧面、外模内侧面及上模的下端面构成预制件的成型腔体，该成型腔体呈环形。
所述下模包括上段环及由上段环向下延伸的下段环，前述上段环的内侧面和外侧面分别与内模的外侧面和外模的内侧面紧配合，前述下段环的内侧面和外侧面分别与内模的外侧面和外模的内侧面之间形成间隙。
所述上模包括下环及由下环向上延伸的上环，前述下环的内侧面和外侧面分别与内模的外侧面和外模的内侧面紧配合，前述上环的内侧面和外侧面分别与内模的外侧面和外模的内侧面之间形成间隙。
上模和下模采用“凸”字结构设计，减少了成型腔体配合面的面积，加压和试样的取出过程较为便利，同时也为了降低模具的磨损。
一种伪合金预制件的制备方法，包括如下步骤：
①配制伪合金粉末颗粒，该合金化学成分组分及重量百分数为：
Cr：16％～18％；
Ni：10％～14％；
Mo：2％～3％；
C：0.01％～0.06％；
其余为Fe；
②添加粘结剂，伪合金粉末颗粒加入硬质酸锌，伪合金粉末颗粒与硬质酸锌的加入比例为质量比9：1～11:1；
③混粉，将伪合金粉末颗粒与硬质酸锌混合均匀；
④制作伪合金预制件，将混合均匀的伪合金粉末加入伪合金预制件专用模具的成型腔体中，上模加压，取出上模，再施加压力，外模向下移动脱离至底模上端面，取出伪合金预制件；
⑤预烧结，伪合金增强预制件放入烘箱中预烧结随炉冷却；
⑥高温烧结，将经过预烧结的伪合金预制件，放入真空或氮气氛围的烧结炉中进行高温烧结，随炉冷却。
作为优选，步骤③中混粉条件如下：将伪合金粉末颗粒与硬质酸锌加入混料筒中，加入钢球，混粉时间为6h～8h，混合后，采用筛子筛去钢球，获得混合均匀的粉末。
作为优选，步骤④所述模加压条件如下：加压压力p为100MPa～300MPa，保压时间30～60s。
作为优选，步骤⑤中所述的预烧结温度350℃～400℃，预烧结时间为1.5h～2h，步骤⑥中所述的高温烧结温度1150℃～1200℃，高温烧结时间为1.8h～2h。
作为优选，步骤①中所述的伪合金粉末颗粒平均尺寸小于80μm。
作为优选，步骤②中所述的伪合金粉末颗粒与硬质酸锌的加入比例为质量比10：1。
与现有技术相比，本发明的优点在于：预制件采用粉末挤压结合高温烧结成型，获得具有良好的耐热和耐磨性能及良好的结合强度的伪合金预制件，整体制造工艺简便、材料利用率高、制作效率高、成本低；采用硬脂酸锌作为固体粘结剂与伪合金粉末颗粒充分混合，压制后粘结效果好；在真空或氮气氛围下进行烧结，有效阻止伪合金粉末的氧化，在挤压铸造过程容易渗透，形成结合良好的复合材料。
附图说明
图1为实施例1中伪合金预制件的模具压制过程示意图。
图2为实施例1中伪合金预制件的模具开模过程示意图。
图3为实施例1中伪合金预制件的模具顶出取件过程示意图。
图4为图1中上模结构示意图。
图5为图1中下模结构示意图。
图6为实施例1中获得伪合金预制件的结构示意图。
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：本实施例中伪合金预制件的制备方法，包括如下步骤：
①配制伪合金粉末颗粒，该合金化学成分组分及质量百分数为：
Cr：16％；Ni：10％；Mo：2％；C：0.01％；其余为Fe；
②添加粘结剂，伪合金粉末颗粒加入硬质酸锌，伪合金粉末颗粒与硬质酸锌的加入比例为质量比10:1；
③混粉，将伪合金粉末颗粒与硬质酸锌加入混料筒中，加入钢球，混粉时间为6h，混合后，采用筛子筛去钢球，获得混合均匀的粉末；
④制作伪合金预制件，通过专用的模具来制作，伪合金预制件专用模具包括底模6、下模4、内模2、垫块5、外模3及上模1，下模4中空并设于底模6上端面，内模2设于底模6的上端面，内模2位于下模4的中部并向上伸出下模4，垫块5设于底模6的上端面；外模3位于垫块5的上方并套设于下模4的外周且向上伸出下模4。
上模1中空并套设于内模2外周且位于下模4上方，下模4上端面与内模2外侧面、外模3内侧面及上模1的下端面构成预制件的成型腔体，成型腔体呈环形。
如图4所示，上模1包括下环12及由下环12向上延伸的上环11，下环12的内侧面和外侧面分别与内模2的外侧面和外模3的内侧面紧配合，上环11的内侧面和外侧面分别与内模2的外侧面和外模3的内侧面之间形成间隙。
如图5所示，下模4包括上段环41及由上段环41向下延伸的下段环42，上段环41的内侧面和外侧面分别与内模2的外侧面和外模3的内侧面紧配合，下段环42的内侧面和外侧面分别与内模2的外侧面和外模3的内侧面之间形成间隙。
上模1和下模4采用“凸”字结构设计，减少了成型腔体配合面的面积，加压和试样的取出过程较为便利，同时也为了降低模具的磨损。
结合图1、图2和图3所示将混合均匀的伪合金粉末加入成型腔体中，放入上模1进行缓慢加压，加压压力p为100MPa，保压时间30s，取出上模1，将垫块5取出放在外模3上，施加压力，取出伪合金预制件7。
⑤预烧结，伪合金增强预制件放入烘箱中预烧结，烧结温度350℃，烧结时间为1.5h，随炉冷却；
⑥高温烧结，将进过预烧结的伪合金增强预制件，放入真空或氮气氛围的烧结炉中进行高温烧结，烧结温度1150℃，烧结时间为1.8h，随炉冷却，即得伪合金增强预制件。
挤压铸造成型法是将处于液态或半固态的熔体在压力作用下充满铸型、凝固和结晶的铸造工艺方法。其特点是在零件成型和凝固过程中，铸型加压部分或冲头处于可移动状态，使零件在压力下结晶并产生一定的变形，获得细小致密的组织和较高的力学性能。
采用挤压铸造成型法制备复合材料时，现将伪合金粉末预制成一定形状的伪合金增强预制件，将制作好的伪合金增强预制件预置在成型模具型腔中，再通过挤压铸造挤压力将熔融合金液加压渗入预制件的孔隙形成。
本实施例中所得到的伪合金预制件，具体结构见图6所示，预制件采用粉末挤压高温烧结成型，制造工艺简便、材料利用率高、制作效率高、成本低；该烧结工艺采用硬脂酸锌固体粘结剂与伪合金粉末颗粒充分混合，压制后粘结效果好；在真空或氮气氛围下进行烧结，有效阻止伪合金粉末的氧化，在挤压铸造过程容易渗透，形成结合良好的复合材料。该复合材料与铝合金基体的结合强度达到100MPa以上，复合材料350℃的高温强度达到150MPa，其耐热、耐磨性均优于高镍铸铁。
实施例2：本实施例中伪合金预制件的制备方法，包括如下步骤：
①配制伪合金粉末颗粒，该合金化学成分组分及质量百分数为：
Cr：17％；Ni：12％；Mo：2.5％；C：0.03％；其余为Fe；
②添加粘结剂，伪合金粉末颗粒加入硬质酸锌，伪合金粉末颗粒与硬质酸锌的加入比例为质量比10:1；
③混粉，将伪合金粉末颗粒与硬质酸锌加入混料筒中，加入钢球，混粉时间为7h，混合后，采用筛子筛去钢球，获得混合均匀的粉末；
④制作伪合金预制件，采用实施例1中的专用模具，将混合均匀的伪合金粉末加入模具的成型腔体中，放入上模进行缓慢加压，加压压力p为200MPa，保压时间45s，取出上模，将垫块取出放在外模上，施加压力，取出伪合金增强预制件；
⑤预烧结，伪合金增强预制件放入烘箱中预烧结，烧结温度380℃，烧结时间为1.8h，随炉冷却；
⑥高温烧结，将进过预烧结的伪合金增强预制件，放入真空或氮气氛围的烧结炉中进行高温烧结，烧结温度1180℃，烧结时间为1.9h，随炉冷却，即得伪合金预制件。
本实施例中所得到的伪合金预制件，具体结构见图6所示，预制件采用粉末挤压高温烧结成型，制造工艺简便、材料利用率高、制作效率高、成本低；该烧结工艺采用硬脂酸锌固体粘结剂与伪合金粉末颗粒充分混合，压制后粘结效果好；在真空或氮气氛围下进行烧结，有效阻止伪合金粉末的氧化，在挤压铸造过程容易渗透，形成结合良好的复合材料。该复合材料与铝合金基体的结合强度达到100MPa以上，复合材料350℃的高温强度达到150MPa，其耐热、耐磨性均优于高镍铸铁。
实施例3：本实施例中伪合金预制件的制备方法，包括如下步骤：
①配制伪合金粉末颗粒，该合金化学成分组分及质量百分数为：
Cr：18％；Ni：14％；Mo：3％；C：0.06％；其余为Fe；
②添加粘结剂，伪合金粉末颗粒加入硬质酸锌，伪合金粉末颗粒与硬质酸锌的加入比例为质量比10:1；
③混粉，将伪合金粉末颗粒与硬质酸锌加入混料筒中，加入钢球，混粉时间为6h～8h，混合后，采用筛子筛去钢球，获得混合均匀的粉末；
④制作伪合金预制件，采用实施例1中的专用模具，将混合均匀的伪合金粉末加入内模、外模和下模组成的成型腔体中，放入上模进行缓慢加压，加压压力p为300MPa，保压时间60s，取出上模，将垫块取出放在外模上，施加压力，取出伪合金预制件；
⑤预烧结，伪合金增强预制件放入烘箱中预烧结，烧结温度400℃，烧结时间为2h，随炉冷却；
⑥高温烧结，将进过预烧结的伪合金增强预制件，放入真空或氮气氛围的烧结炉中进行高温烧结，烧结温度1200℃，烧结时间为2h，随炉冷却，即得伪合金预制件。
本实施例中所得到的伪合金预制件，具体结构见图6所示，预制件采用粉末挤压高温烧结成型，制造工艺简便、材料利用率高、制作效率高、成本低；该烧结工艺采用硬脂酸锌固体粘结剂与伪合金粉末颗粒充分混合，压制后粘结效果好；在真空或氮气氛围下进行烧结，有效阻止伪合金粉末的氧化，在挤压铸造过程容易渗透，形成结合良好的 复合材料。该复合材料与铝合金基体的结合强度达到100MPa以上，复合材料350℃的高温强度达到150MPa，其耐热、耐磨性均优于高镍铸铁。
Claims (8)
1.一种伪合金预制件的制备方法，包括如下步骤：
①配制伪合金粉末颗粒，该合金化学成分组分及重量百分数为：
Cr：16％～18％；
Ni：10％～14％；
Mo：2％～3％；
C：0.01％～0.06％；
其余为Fe；
②添加粘结剂，伪合金粉末颗粒加入硬质酸锌，伪合金粉末颗粒与硬质酸锌的加入比例为质量比9：1～11：1；
③混粉，将伪合金粉末颗粒与硬质酸锌混合均匀；
④制作伪合金预制件，将混合均匀的伪合金粉末加入伪合金预制件专用模具的成型腔体中，上模加压，取出上模，再施加压力，外模向下移动脱离至底模上端面，取出伪合金预制件；
⑤预烧结，伪合金增强预制件放入烘箱中预烧结随炉冷却；
⑥高温烧结，将经过预烧结的伪合金预制件，放入真空或氮气氛围的烧结炉中进行高温烧结，随炉冷却；
所述的伪合金预制件专用模具，包括
底模；
下模，中空并设于前述底模上端面；
内模，设于前述底模的上端面，该内模位于前述下模的中部并向上伸出前述下模；
垫块，设于前述底模的上端面；
外模，位于前述垫块的上方并套设于前述下模的外周且向上伸出前述下模；以及
上模：中空并套设于前述内模外周且位于下模上方，
前述下模上端面与内模外侧面、外模内侧面及上模的下端面构成预制件的成型腔体，该成型腔体呈环形。
2.根据权利要求1所述的伪合金预制件的制备方法，其特征在于所述下模包括上段环及由上段环向下延伸的下段环，前述上段环的内侧面和外侧面分别与内模的外侧面和外模的内侧面紧配合，前述下段环的内侧面和外侧面分别与内模的外侧面和外模的内侧面之间形成间隙。
3.根据权利要求1或2所述的伪合金预制件的制备方法，其特征在于所述上模包括下环及由下环向上延伸的上环，前述下环的内侧面和外侧面分别与内模的外侧面和外 模的内侧面紧配合，前述上环的内侧面和外侧面分别与内模的外侧面和外模的内侧面之间形成间隙。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤③中混粉条件如下：将伪合金粉末颗粒与硬质酸锌加入混料筒中，加入钢球，混粉时间为6h～8h，混合后，采用筛子筛去钢球，获得混合均匀的粉末。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤④所述模加压条件如下：加压压力p为100MPa～300MPa，保压时间30～60s。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤⑤中所述的预烧结温度350℃～400℃，预烧结时间为1.5h～2h，步骤⑥中所述的高温烧结温度1150℃～1200℃，高温烧结时间为1.8h～2h。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤①中所述的伪合金粉末颗粒平均尺寸小于80μm。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤②中所述的伪合金粉末颗粒与硬质酸锌的加入比例为质量比10：1。
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