CN105522156A - 一种粉末冶金高硅铝合金压缩机活塞的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种粉末冶金高硅铝合金压缩机活塞的制造方法,其材质为硅:14~32%、铜:0~5.0%,镁:0.8~2.0%,铁≤0.3%,其它杂质含量≤2.0%,其余为铝,按照活塞合金成分,取纯铝粉及铝合金粉进行配料,并加入0.8~2.0%的有机蜡类粘接剂或润滑剂进行混料,然后经过成形、脱蜡、烧结、热处理、整形、机加工、刷毛刺、真空浸树脂、清洗、固化、氧化等一系列步骤加工而成。本发明制备工艺简单,配料合理,具有加工量少、材料利用高的特点,活塞的材质组分配比合理,降低了生产成本,提高生产效率,制造成型的活塞显微组织中初晶硅为细小颗粒状,且分布均匀,可有效提高活塞的总体强度及摩擦磨损性能。
Description
技术领域
本发明属于粉末冶金技术领域,具体是一种粉末冶金高硅铝合金压缩机活塞的制造方法。
背景技术
目前压缩机活塞的材料主要有三大类:铝硅合金、灰铸铁及铁基粉末冶金。有文献对比研究了这三种材料的耐磨性,结果表明:在给定的滑动摩擦条件下,铝硅合金的耐磨性最高,其次是铁基粉末冶金,灰口铸铁的耐磨性最差[周晓霞,朱伟明,伍冬晓.铝硅合金、铁基粉末冶金、灰口铸铁耐磨性能对比.理化检验-物理分册[J].2000(36),No1:13-15]。为了提高灰铸铁力学性能及耐磨性,通常需要添加较多的Cr、Ni、Mo等合金元素,制造成本将大大提高,同时,铸铁的材料利用率低,也造成了铸铁活塞成本的增加。相比而言,粉末冶金钢活塞制造工序简单,成本较低,在压缩机中大量使用,但铸铁与粉末冶金钢活塞重量为铝合金的2.5~3倍,不利于压缩机性能的优化。
为了提高压缩机性能,需要减少活塞重量,减少输入功率,铝硅合金则是制造活塞的优质材料,尤其是过共晶铝硅合金。过共晶铝硅合金的热膨胀系数小、密度小,耐磨和耐蚀的特性,正成为传统共晶铝硅活塞的更新换代材料。铸造过共晶铝硅合金存在初晶硅呈粗大板片状、五星瓣状的问题,严重降低了材料的力学性能和切削性能。目前控制硅相形态主要有物理法、化学法。常用的物理法主要为机械搅拌、电磁搅拌等半固态成形来控制硅相的技术,虽然硅相的组织形态得到极大的改善,但是由于其设备昂贵,工艺复杂,效率低下,并不适合工业上的量产化。而化学法多为化学变质细化法,但变质细化效果仅限于单一初晶硅相或者共晶硅相,无法兼顾两者的形态。随着快速凝固技术的发展,可以制备得到高硅含量的铝硅合金粉,再通过粉末冶金的制造工艺,可以得到生产工艺简单,耐磨性能及力学性能较佳的过共晶铝硅合金活塞。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种加工工艺简单、加工量少、材料利用率高的粉末冶金高硅铝合金活塞的制造方法,制得的活塞具有较佳的耐磨性能及力学性能。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为:一种粉末冶金高硅铝合金压缩机活塞的制造方法,其特征在于依次包括以下步骤:
1)按照活塞合金成分进行配料,将硅、铝、铁、铜、镁按以下质量百分比混合成混合粉,配比为硅:14~32%、铜:0~5.0%,镁:0.8~2.0%,铁≤0.3%,不超过2%的不可避免的杂质,铝:余量,并加入0.8~2.0%的润滑剂进行混料;
2)将上述混合粉在室温或60~130℃下进行模压成形得到粉末冶金生坯,压制压强为150~600MPa,成形密度为2.30~2.60g/cm3;
3)将生坯快速加热至320~480℃,保温10~120min进行脱蜡,保护气氛为纯氮气,氮气露点≤-30℃,脱蜡后残碳量≤0.05%;
4)将脱蜡完的产品加热至540~650℃进行烧结,保温10~200min,保护气氛为纯氮气,氮气露点≤-45℃,烧结密度为2.40~2.70g/cm3;
5)热处理:固溶温度450~550℃,保温10~120min,人工时效温度100~220℃,时间2~50小时;
6)将烧结完毕的活塞进行整形,并根据活塞图纸尺寸要求,进行精加工,达到图纸要求;
7)进行真空浸树脂处理,温度为室温~100℃,压力小于0.1MPa,浸渍时间10~30min,真空浸树脂处理是为了达到活塞气密性要求,使树脂填充至孔隙内,达到封孔的目的;
8)浸渍完毕后,进行清洗、固化处理;
9)最后通过氧化或阳极氧化在活塞表面增加氧化物涂层,提升表面硬度。
作为改进,所述步骤1)的铜、硅、铝、镁采用元素粉末或采用中间合金粉末形式加入,中间合金粉为Al-Si,Al-Mg,Al-Cu,Al-Si-Cu-Mg合金,粉末的粒度为100~300目。
作为改进,所述步骤3)、步骤4)可合并为一道工序,即在烧结之前增加保温即可。
作为改进,所述步骤5)可调整到步骤6)之后进行,并且所述步骤5)在活塞的力学性能满足要求的前提下可作为选项。
作为改进,所述步骤5)的热处理不局限于人工时效,还可采用自然时效,即时效温度为室温,时效时间为12~100小时。
再改进,所述步骤6)的整形是在整形模具中进行挤压变形,修正烧结产生的变形,变形量0.5~5%,提高活塞的尺寸及形位公差。
再改进,所述步骤7)使用的树脂为丙烯酸脂类树脂,其耐热老化温度≥160℃。
再改进,所述步骤7)、步骤8)在活塞的气密性满足要求的前提下作为选项。
进一步改进,所述步骤8)中的清洗是指用冷水清洗去除活塞表面的多余树脂,清洗4~6次,每次1.5~2.5min,固化是指在90~150℃保温10~45min,使孔隙内的树脂固化。
进一步改进,所述步骤9)在活塞表面硬度或耐磨性满足要求的前提下作为选项。
与现有技术相比,本发明的优点在于:本发明的活塞的材质组分配比科学合理,制备工艺简单,具有加工量少、材料利用高的特点,降低了生产成本,提高生产效率,制得的活塞显微组织中初晶硅为细小颗粒状,分布均匀,可有效提高活塞的总体强度及摩擦磨损性能。
附图说明
图1a-1b是本发明实施例1所制备的压缩机活塞的结构示意图;
图2为实施例1所用的纯铝粉显微形貌图;
图3为实施例1所用的Al-Si合金粉显微形貌图;
图4为实施例1活塞的金相组织图;
图5为实施例1活塞的断口显微形貌图;
图6为实施例2活塞的金相组织图;
图7为实施例3活塞的金相组织图。
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:
1、混料:活塞的化学成分为:Al-14%Si-2.5%Cu-1%Mg(质量分数),配料为48.8%的100目铝粉(如图2所示)、50%的100目Al-28%Si-5%Cu-2%Mg合金粉(如图3所示),添加1.2%的有机蜡作为润滑剂。
2、成形:将混好的粉料在室温模压成形,压制压强为450MPa,成形密度为2.40g/cm3。
3、脱蜡:将生坯快速加热至420℃,保温30min,保护气氛为纯氮气,氮气露点≤-30℃,脱蜡后残碳量≤0.05%。
4、烧结:将脱蜡完的产品加热至550℃,保温30min,保护气氛为纯氮气,氮气露点≤-45℃,烧结密度为2.60g/cm3。
5、热处理:固溶温度510℃,保温110min,人工时效温度150℃,时间8小时。
6、整形:将烧结完毕的活塞在整形模具中进行挤压变形,修正烧结产生的变形,变形量0.5~5%,提高活塞的尺寸及形位公差。
7、机加工:根据活塞图纸尺寸要求,进行精加工,达到图纸要求。
8、真空浸树脂:为了达到活塞气密性要求,对其进行真空浸渍树脂,使树脂填充至孔隙内,达到封孔的目的。真空浸树脂温度为80℃,压力0.09MPa,浸渍时间20min。所使用树脂为丙烯酸脂类树脂,其耐热老化温度≥160℃。
9、清洗:浸渍完毕后,冷水清洗去除活塞表面的多余树脂,清洗5次,每次2min。
10、固化:100℃保温30min,使孔隙内的树脂固化。
11、将产品进行阳极氧化处理,在活塞表面形成氧化膜。
活塞的金相组织如图4所示,初晶硅为细小颗粒状,分布均匀,可有效提高活塞的总体强度及摩擦磨损性能。断口显微形貌如图5所示,铝硅合金烧结良好,断口为铝合金的撕裂及初晶硅脆断的混合断裂形貌。
实施例2:
1、混料:活塞的化学成分为:Al-28%Si-2%Mg(质量分数),98.5%的100目Al-28%Si-2%Mg(质量分数)合金粉,1.5%的酰胺蜡作为润滑剂。
2、成形:将混好的粉料在室温模压成形,压制压强为450MPa,成形密度为2.40g/cm3。
3、脱蜡:生坯快速加热至420℃,保温30min,保护气氛为纯氮气,氮气露点≤-30℃,脱蜡后残碳量≤0.05%。
4、烧结:将脱蜡完的产品加热至585℃,保温30min,保护气氛为纯氮气,氮气露点≤-45℃,烧结密度为2.50g/cm3。
5、整形:将烧结完毕的活塞在整形模具中进行挤压变形,修正烧结产生的变形,变形量0.5~5%,提高活塞的尺寸及形位公差。
6、机加工:根据活塞图纸尺寸要求,进行精加工,达到图纸要求。
7、真空浸树脂:为了达到活塞气密性要求,对其进行真空浸渍树脂,使树脂填充至孔隙内,达到封孔的目的。真空浸树脂温度为80℃,压力0.09MPa,浸渍时间20min。所使用树脂为丙烯酸脂类树脂,其耐热老化温度≥160℃。
8、清洗:浸渍完毕后,冷水清洗去除活塞表面的多余树脂,清洗5次,每次2min。
9、固化:100℃保温30min,使孔隙内的树脂固化。
活塞的金相组织如图6所示,初晶硅为边角圆滑的不规则颗粒状,分布均匀。
实施例3:
1、混料:活塞的化学成分为:Al-32%Si-2%Cu-1%Mg(质量分数),配料为64%的100目Al-50%Si合金粉,2%的200目Al-50%Mg合金粉,2%的200目的铜粉,余量为200目铝粉,在合金粉中添加1.0%的酰胺蜡作为润滑剂。
2、成形:将混好的粉料、阴模加热至100℃成形,压制压强为600MPa,成形密度为2.30g/cm3。
3、脱蜡-烧结:将生坯快速加热至420℃,保温30min,再升温至550℃,保温30min,实现一次性脱蜡-烧结,保护气氛为纯氮气,氮气露点≤-45℃,烧结密度为2.60g/cm3。
5、热处理:固溶温度490℃,保温90min,人工时效温度160℃,时间8小时。
6、整形:将烧结完毕的活塞在整形模具中进行挤压变形,修正烧结产生的变形,变形量0.5~5%,提高活塞的尺寸及形位公差。
7、机加工:根据活塞图纸尺寸要求,进行精加工,达到图纸要求。
活塞的金相组织如图7所示,初晶硅细小弥散,有利于活塞强度及耐磨性能的提高。
实施例4:
1、混料:活塞的化学成分为:Al-15%Si-1.5%Mg(质量分数),配料为67.3%的100目铝粉、30%的200目Al-50Si合金粉,1.5%的300目镁粉,其中镁的含量>99.8%,添加1.2%的有机蜡作为润滑剂。
2、成形:将混好的粉料在室温模压成形,压制压强为300MPa,成形密度为2.50g/cm3。
3、脱蜡-烧结:将生坯快速加热至420℃,保温30min,升温至500℃,保温10min,再升温至560℃,保温30min,实现一次性脱蜡-烧结,保护气氛为纯氮气,氮气露点≤-45℃,烧结密度为2.65g/cm3。
4、热处理:固溶温度520℃,保温120min,人工时效温度180℃,时间6小时。
5、整形:将热处理完毕的活塞在整形模具中进行挤压变形,修正烧结及热处理产生的变形,变形量0.5~5%,提高活塞的尺寸及形位公差。
6、机加工:根据活塞图纸尺寸要求,进行精加工,达到图纸要求。
7、真空浸树脂:为了达到活塞气密性要求,对其进行真空浸渍树脂,使树脂填充至孔隙内,达到封孔的目的。真空浸树脂温度为80℃,压力90000Pa,浸渍时间20min。所使用树脂为丙烯酸脂类树脂,其耐热老化温度≥160℃。
8、清洗:浸渍完毕后,冷水清洗去除活塞表面的多余树脂,清洗5次,每次2min。
9、固化:100℃保温30min,使孔隙内的树脂固化。
10、将产品进行阳极氧化处理,在活塞表面形成氧化膜。
实施例5:
1、混料:活塞的化学成分为:Al-14%Si-4.5%Cu-0.8%Mg(质量分数),配料为46.8%的100目铝粉(如图2所示)、50%的100目Al-28Si-5Cu-2Mg合金粉(如图3所示),2%的-300目的铜粉,添加1.2%的有机蜡作为润滑剂。
2、成形:将混好的粉料在室温模压成形,压制压强为500MPa,成形密度为2.55g/cm3。
3、脱蜡-烧结:将生坯快速加热至420℃,保温30min,升温至500℃,保温10min,再升温至580℃,保温30min,实现一次性脱蜡-烧结,保护气氛为纯氮气,氮气露点≤-45℃,烧结密度为2.70g/cm3。
4、整形:将烧结完毕的活塞在整形模具中进行挤压变形,修正烧结产生的变形,变形量0.5~5%,提高活塞的尺寸及形位公差。
5、热处理:固溶温度515℃,保温180min,人工时效温度150℃,时间8小时。
6、机加工:根据活塞图纸尺寸要求,进行精加工,达到图纸要求。
7、将产品进行阳极氧化处理,在活塞表面形成氧化膜。
Claims (10)
1.一种粉末冶金高硅铝合金压缩机活塞的制造方法,其特征在于依次包括以下步骤:
1)按照活塞合金成分进行配料,将硅、铝、铁、铜、镁按以下质量百分比混合成混合粉,配比为硅:14~32%、铜:0~5.0%,镁:0.8~2.0%,铁≤0.3%,不超过2%的不可避免的杂质,铝:余量,并加入0.8~2.0%的润滑剂进行混料;
2)将上述混合粉在室温或60~130℃下进行模压成形得到粉末冶金生坯,压制压强为150~600MPa,成形密度为2.30~2.60g/cm3;
3)将生坯快速加热至320~480℃,保温10~120min进行脱蜡,保护气氛为纯氮气,氮气露点≤-30℃,脱蜡后残碳量≤0.05%;
4)将脱蜡完的产品加热至540~650℃进行烧结,保温10~200min,保护气氛为纯氮气,氮气露点≤-45℃,烧结密度为2.40~2.70g/cm3;
5)热处理:固溶温度450~550℃,保温10~120min,人工时效温度100~220℃,时间2~50小时;
6)将烧结完毕的活塞进行整形,并根据活塞图纸尺寸要求,进行精加工;
7)进行真空浸树脂处理,温度为室温~100℃,压力小于0.1MPa,浸渍时间10~30min;
8)浸渍完毕后,进行清洗、固化处理;
9)最后通过氧化或阳极氧化在活塞表面增加氧化物涂层。
2.根据权利要求1所述的制造方法,其特征在于:所述步骤1)的铜、硅、铝、镁采用元素粉末或采用中间合金粉末形式加入,中间合金粉为Al-Si,Al-Mg,Al-Cu,Al-Si-Cu-Mg合金,粉末的粒度为100~300目。
3.根据权利要求1所述的制造方法,其特征在于:所述步骤3)、步骤4)可合并为一道工序,即在烧结之前增加保温即可。
4.根据权利要求1所述的制造方法,其特征在于:所述步骤5)可调整到步骤6)或步骤7)之后进行,并且所述步骤5)在活塞的力学性能满足要求的前提下可作为选项。
5.根据权利要求1所述的制造方法,其特征在于:所述步骤5)的热处理不局限于人工时效,还可采用自然时效,即时效温度为室温,时效时间为12~100小时。
6.根据权利要求1所述的制造方法,其特征在于:所述步骤6)的整形是在整形模具中进行挤压变形,修正烧结产生的变形,变形量0.5~5%。
7.根据权利要求1所述的制造方法,其特征在于:所述步骤7)使用的树脂为丙烯酸脂类树脂,其耐热老化温度≥160℃。
8.根据权利要求1所述的制造方法,其特征在于:所述步骤7)、步骤8)在活塞的气密性满足要求的前提下作为选项。
9.根据权利要求1所述的制造方法,其特征在于:所述步骤8)中的清洗是指用冷水清洗去除活塞表面的多余树脂,清洗4~6次,每次1.5~2.5min,固化是指在90~150℃保温10~45min,使孔隙内的树脂固化。
10.根据权利要求1所述的制造方法,其特征在于:所述步骤9)在活塞表面硬度或耐磨性满足要求的前提下作为选项。
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