CN105522156B

CN105522156B - 一种粉末冶金高硅铝合金压缩机活塞的制造方法

Info

Publication number: CN105522156B
Application number: CN201410571520.8A
Authority: CN
Inventors: 周国燕; 包崇玺; 柳睿; 赵万军
Original assignee: NBTM New Materials Group Co Ltd
Current assignee: NBTM New Materials Group Co Ltd
Priority date: 2014-10-23
Filing date: 2014-10-23
Publication date: 2018-01-09
Anticipated expiration: 2034-10-23
Also published as: CN105522156A

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

一种粉末冶金高硅铝合金压缩机活塞的制造方法

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。

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。

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。

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℃。

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。

7、将产品进行阳极氧化处理，在活塞表面形成氧化膜。

Claims

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，并加入含量为0.8％≤润滑剂＜1.5％的润滑剂进行混料；

3)将生坯快速加热至420～480℃，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％；

6)将热处理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、镁采用单质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)合并为一道工序，即在烧结之前增加保温。

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)之后或步骤7)之后进行。

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)的人工时效采用自然时效代替，自然时效温度为室温，自然时效时间为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。