CN111790883A - 一种高强度防爆气压缸及其压铸方法 - Google Patents

一种高强度防爆气压缸及其压铸方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高强度防爆气压缸及其压铸方法，属于机械加工领域。本发明通过在基体表面添加一层防爆层，提高了气压缸的防爆性能和稳定性，本发明将塑性成形与表面处理结合起来，在气压缸成型过程中，直接对铸件进行表面处理，通过压铸参数的优化，使得到的防爆气压缸物理性能优异，而且制备成本低，耗时短，大大降低了生产成本。

Description

一种高强度防爆气压缸及其压铸方法
发明领域
本发明涉及一种高强度防爆气压缸及其压铸方法，属于机械加工领域。
背景技术
气压缸是将气压能转换为机械能的、作直线往复运动的气压执行元件。目前市场上的气压缸基本上是铝合金为主，铝合金的特点在于比重较轻、有一定的防腐蚀性、工艺简单成本低。缺点是耐腐蚀性着、机械强度不高易碎、压力较高时易变型，不适用于在高温高压高速的相对运动的场合。由于气压缸往往需要应用于各种振动腐蚀环境中，且需要承受较大的压力，需要气压缸具有较高的耐腐蚀性与抗压能力。
微弧氧化处理工艺是近几年发展起来的一种铝合金缸体表面的处理工艺，铝合金在高电压下，表面的微孔中也带有电弧，导致温度迅速上升并迅速发生氧化，生成具有陶瓷性质的氧化铝膜，熔覆于金属表面。微弧氧化技术能够在铝合金表面形成一层与基体结合牢固的陶瓷层，由于氧化铝陶瓷层具有耐高温和耐腐蚀性，因此特别适用于气压缸。现有的氧化铝陶瓷层的铝合金缸体，在经过表面微弧氧化处理工艺形成氧化铝陶瓷层后，经过清洗干燥、不再进行进一步的机械加工而使用，使得缸体内表面的粗糙度常常不符合缸体的技术和使用要求，而且在处理过程中容易因为电流密度大，导致氧化膜变得多孔出现裂纹，大大降低了气压缸的防爆性能和稳定性，而且需要专用设备，实际生产时，耗时长，成本高。
发明内容
针对上述防爆气压缸存在的现有问题，本发明提供一种高强度防爆气压缸及其制备方法，用于提高气压缸的防爆性能和稳定性。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：
一种高强度防爆气压缸，包括铝合金制成的基体以及基体表面的防爆层，所述防爆层原料成分及其质量百分比为：Mg：3-5％、Cu：4-6％、Zn：25-30％、CrO3：12-15％、SiO2：30-45％、膨润土：4-8％、羧甲基纤维素钠：5-8％。
CrO3作为一种强氧化剂，受热分解会释放氧气，当CrO3含量越高，防爆层厚度越大，当含量较高时，表面会产生凹陷等缺陷；SiO2在调节涂料性能作用以外，还可以使CrO3分散均匀，SiO2含量主要影响防爆层表面质量，含量较少时，表面粘砂严重，含量较高时，表面会出现明显刷痕。膨润土和羧甲基纤维素钠在其中主要起悬浮剂和粘结剂的作用，膨润土在胶体溶液中形成空间网络结构，使得膨润土浆具有良好的屈服性，和羧甲基纤维素钠配合可以使耐火颗粒不易下沉；Mg可以抑制晶间腐蚀，细化组织，增加硬度；Cu可以细化晶粒，增加防爆层的强度及硬度。各成分相互作用，相互影响，使得气压缸防爆层具有高硬度、高强度以及耐腐蚀性。
在上述的一种高强度防爆气压缸中，基体表面的防爆层厚度为10-15μm。
本发明还提供一种上述高强度防爆气压缸的压铸方法，所述方法包括如下步骤：
(1)将基体所用的铝合金加热熔融，搅拌均匀得基体合金液，然后依次进行精炼、搅拌、扒渣处理；
(2)称取上述的防爆层原料，先将防爆层中合金原料加热熔融形成均匀合金液，合金液通过喷雾法制得合金粉末；将SiO2、膨润土、羧甲基纤维素钠加入去离子水中搅拌均匀后，加入CrO3搅拌得涂料；
(3)将涂料均匀预涂在气压缸压铸模具型腔表面，再将合金粉末均匀粘附在涂料上，进行干燥处理；
(4)将扒渣后的基体合金液投入压铸机压铸处理，得到铸件坯体；
(5)铸件坯体放入冷却水中冷却后，进行均匀化退火处理，得到气压缸合金铸件。
在上述的一种高强度防爆气压缸的制备方法中，步骤(2)所述喷雾法制得的合金粉末粒径大小为5-9μm。
在上述的一种高强度防爆气压缸的制备方法中，步骤(3)所述干燥处理为在气压缸压铸模具型腔表面吹70-80℃的热风，时间为2-3小时。
在上述的一种高强度防爆气压缸的制备方法中，步骤(4)压铸时的比压为10-15Mpa，压射速度为15-25m/s，填充时间为1-2s。压铸前对基体合金进行降温是因为在后续浇注过程中，如果温度过高，收缩大铸件容易产生裂纹、晶粒粗大，甚至还会造成粘模；温度过低，容易产生冷隔、表面出现花纹、浇注不足等缺陷。压射冲头推动合金液绕过浇料口低压低速运行，防止金属液从浇料口溢出，有利于气体排出，然后随着压力上升，速度加快，金属液充满压室至内浇口处，由于内浇口处截面面积大幅缩小，流动阻力剧增，要保持足够的填充速度，需要更高的压射压力。当金属液完全充满型腔，填充结束，压射冲头停止运动，压射速度迅速减至零，压力剧增。其中，填充速度过大会引起铸件粘型并使铸件内部气孔率增加，从而导致力学性能下降；填充速度过小时，会使铸件轮廓不清楚，甚至不能成型。
在上述的一种高强度防爆气压缸的制备方法中，步骤(5)均匀化退火处理为将合金坯体加热至320-350℃，保温1-2h，水冷至室温。均匀化退火后合金组织更加均匀，减轻晶粒尺寸内化学成分的不均匀性，使得合金铸件延长率和塑性有所提高。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明通过在基体表面添加一层防爆层，提高了气压缸的防爆性能和稳定性，本发明将塑性成形与表面处理结合起来，在气压缸成型过程中，直接对铸件进行表面处理，通过压铸参数的优化，使得到的防爆气压缸物理性能优异，而且制备成本低，耗时短，大大降低了生产成本。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1：
(1)将防爆气压缸基体所用的铝合金加热熔融，搅拌均匀，通过常规处理在坩埚合金液中加精炼、搅拌、扒渣处理得基体合金液；防爆气压缸基体所用的铝合金成分及其质量百分比为：Si：2.0％、Cu：2.1％、Zn：1.0％、Mn：0.2％、Ti：0.2％、B：0.02％，余量为Al及其不可避免的杂质。
(2)称取防爆层原料，原料成分及其质量百分比为：Mg：3％、Cu：5％、Zn：22％、CrO3：15％、SiO2：42％、膨润土：8％、羧甲基纤维素钠：5％。先将防爆层中合金原料加热熔融形成均匀合金液，合金液通过喷雾法制得合金粉末；将SiO2、膨润土、羧甲基纤维素钠加入去离子水中搅拌均匀后，加入CrO3搅拌溶解得涂料。
(3)将涂料均匀预涂在气压缸压铸模具型腔表面，再将合金粉末均匀粘附在涂料上，进行干燥处理。
(4)将扒渣后的基体合金液投入压铸机压铸处理，得到铸件坯体，压铸时的比压为10Mpa，压射速度为15m/s，填充时间为2s。
(5)铸件坯体放入冷却水中冷却后，再加热至320℃，保温2h，水冷至室温，得到合金铸件。
实施例2：
(1)将防爆气压缸基体所用的铝合金加热熔融，搅拌均匀，通过常规处理在坩埚合金液中加精炼、搅拌、扒渣处理；防爆气压缸基体所用的铝合金成分及其质量百分比为：Si：2.5％、Cu：1.5％、Zn：1.0％、Mn：0.2％、Ti：0.2％、B：0.02％，余量为Al及其不可避免的杂质。
(2)称取防爆层原料，原料成分及其质量百分比为：Mg：5％、Cu：6％、Zn：30％、CrO3：15％、SiO2：32％、膨润土：4％、羧甲基纤维素钠：8％。先将防爆层中合金原料加热熔融形成均匀合金液，合金液通过喷雾法制得合金粉末；将SiO2、膨润土、羧甲基纤维素钠加入去离子水中搅拌均匀后，加入CrO3搅拌溶解得涂料。
(3)将涂料均匀预涂在气压缸压铸模具型腔表面，再将合金粉末均匀粘附在涂料上，进行干燥处理。
(4)将扒渣后的基体合金液投入压铸机压铸处理，得到铸件坯体，压铸时的比压为15Mpa，压射速度为25m/s，填充时间为1s。
(5)铸件坯体放入冷却水中冷却后，再加热至330℃，保温2h，水冷至室温，得到合金铸件。
对比例1：
与实施例1的区别，仅在于对比例1没有防爆层；
(1)将防爆气压缸基体所用的铝合金加热熔融，搅拌均匀，通过常规处理在坩埚合金液中加精炼、搅拌、扒渣处理得基体合金液；防爆气压缸基体所用的铝合金成分及其质量百分比为：Si：2.0％、Cu：2.1％、Zn：1.0％、Mn：0.2％、Ti：0.2％、B：0.02％，余量为Al及其不可避免的杂质。
(2)将扒渣后的基体合金液投入压铸机压铸处理，得到铸件坯体，压铸时的比压为10Mpa，压射速度为15m/s，填充时间为2s。
(3)铸件坯体放入冷却水中冷却后，再加热至320℃，保温2h，水冷至室温，得到合金铸件。
对比例2：
与实施例1的区别，仅在于对比例2的防爆层以微弧氧化处理获得。
对比例3：
与实施例1的区别，仅在于对比例3的防爆层原料没有Mg、Cu、Zn元素。
表1：防爆气压缸性能测试结果
实施例 抗拉强度(MPa) 伸长率(％) 硬度(HB)
实施例1 398 4.5 132
实施例2 392 4.3 130
对比例1 320 4.8 98
对比例2 360 3.8 122
对比例3 375 4.0 125
从上述结果，可以看出，本发明通过在气压缸基体表面添加一层防爆层，并对防爆层进行了成分含量限定，提高了气压缸的防爆性能和稳定性，在气压缸成型过程中，直接对铸件进行表面处理，通过压铸参数的优化，最大限度使得防爆气压缸拥有优异的物理性能。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。

Claims (7)

1.一种高强度防爆气压缸，其特征在于，包括铝合金制成的基体以及基体表面的防爆层，所述防爆层原料成分及其质量百分比为：Mg：3-5％、Cu：4-6％、Zn：25-30％、CrO3：12-15％、SiO2：30-45％、膨润土：4-8％、羧甲基纤维素钠：5-8％。
2.根据权利要求1所述的一种高强度防爆气压缸，其特征在于，基体表面的防爆层厚度为10-15μm。
3.一种根据权利要求1所述高强度防爆气压缸的压铸方法,其特征在于，所述的压铸方法包括如下步骤：
(1)将基体所用的铝合金加热熔融，搅拌均匀得基体合金液，然后依次进行精炼、搅拌、扒渣处理；
(2)称取如权利要求1中所述的防爆层原料，先将防爆层中合金原料加热熔融形成均匀合金液，合金液通过喷雾法制得合金粉末；将SiO2、膨润土、羧甲基纤维素钠加入去离子水中搅拌均匀后，加入CrO3搅拌溶解得涂料；
(3)将涂料均匀预涂在气压缸压铸模具型腔表面，再将合金粉末均匀粘附在涂料上，进行干燥处理；
(4)将扒渣后的基体合金液投入压铸机压铸处理，得到铸件坯体；
(5)铸件坯体放入冷却水中冷却后，进行均匀化退火处理，得到气压缸合金铸件。
4.根据权利要求3所述的一种高强度防爆气压缸的压铸方法，其特征在于，步骤(2)所述喷雾法制得的合金粉末粒径大小为5-9μm。
5.根据权利要求3所述的一种高强度防爆气压缸的压铸方法，其特征在于，步骤(3)干燥处理为在气压缸压铸模具型腔表面吹70-80℃的热风，时间为2-3小时。
6.根据权利要求3所述的一种高强度防爆气压缸的压铸方法，其特征在于，步骤(4)压铸时的比压为10-15Mpa，压射速度为15-25m/s，填充时间为1-2s。
7.根据权利要求4所述的一种高强度防爆气压缸的压铸方法，其特征在于，步骤(5)均匀化退火处理为将铸件坯体加热至320-350℃，保温1-2h，水冷至室温。
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