CN112459916B

CN112459916B - 内燃机活塞用随形可溶预制体及活塞制作方法

Info

Publication number: CN112459916B
Application number: CN202011192624.XA
Authority: CN
Inventors: 张国华; 范吉超; 高晓波; 孟现长; 邓志阳; 朱兆伟; 林东营
Original assignee: Binzhou Bohai Piston Co ltd
Current assignee: Binzhou Bohai Piston Co ltd
Priority date: 2020-10-30
Filing date: 2020-10-30
Publication date: 2022-03-04
Anticipated expiration: 2040-10-30
Also published as: CN112459916A

Abstract

本发明公开了内燃机活塞用随形可溶预制体及活塞制作方法，随形可溶预制体的质量组分为:Na₂CO₃：25％‑50％，莫来石粉：1％‑10％，钛酸铝粉：1％‑10％，氧化铝纤维：1％‑10％，余量为NaCl；制备方法包括以下步骤：1)将NaCl和Na₂CO₃按比例加入碳化硅防腐蚀坩埚中加热至熔化，温度控制在750‑950℃；2)按配比加入研磨好的莫来石粉和钛酸铝粉，保温10‑30min；3)加入氧化铝纤维，每次浇注前进行充分搅拌，搅拌后浇注到预热好的可溶预制体模具中，得到随形可溶预制体；4)将去除毛刺后的随形可溶预制体铸入活塞中，然后用水溶解预制体,得到带随形内冷油腔的内燃机活塞。本发明能够有效的降低整个活塞头部主要包括燃烧室和第一环槽的温度，简化可溶预制体的生产工艺，降低生产成本。

Description

内燃机活塞用随形可溶预制体及活塞制作方法

技术领域

本发明涉及内燃机制造技术领域，具体涉及一种内燃机活塞用随形可溶预制体及活塞制作方法。

背景技术

随着国家对于节能环保的逐步重视，内燃机尾气排放法规要求越来越严格。为提高内燃机的综合利用率，降低有害排放，内燃机的单位面积功率不断提高，活塞的热负荷机械负荷也随之不断升高，特别是柴油机用活塞。铝合金活塞是内燃机的核心部件，由于它直接接触高温燃气，承受了高温高压，工作环境非常恶劣,而铝合金材料随着温度的上升,机械性能不断的降低，当温度达到一定程度后，铝合金材料的强度显著降低，当铝合金温度超过350℃时，每增加10℃，活塞寿命降低一半。同时当第一环槽温度过高超过机油结焦温度时还易造成活塞环槽积碳，容易引起活塞环在活塞环槽中卡死，造成发动机失效。因此如何有效降低活塞温度，是内燃机行业专家急需解决的问题。

现有技术为了有效地降低活塞的工作温度以提高活塞工作的可靠性，在活塞头部通过把可溶性型芯(多使用纯盐制造)铸造到活塞头部后，用水溶解掉可溶芯形成内冷油腔。在发动机工作过程中，通过喷嘴向内部喷入机油通过振荡传热带走活塞头部的热量，来达到降低活塞温度的目的。但受制于活塞可溶芯的成型工艺，可溶芯只能制作较为简单的形状，且由于可溶芯属于多孔状，只适用于重力铸造，当浇铸过程中增加一定压力后，铝液容易进入可溶芯中，造成内冷油腔堵塞。而且适用于压力铸造的可溶芯，工艺设备复杂，成品率低，原材料昂贵，制作成本高，不利于大规模工业应用。

发明专利CN101869963B介绍了一种将卤化盐、补强剂、粘结剂烘干后混合，先压制成形，再进行烧结，最后车削成形，由于压制工艺限制，此方法只适用于可溶芯制作成简单形状。发明专利CN1365306介绍了一种无机盐与一种细硬粉结合的可溶芯，其中细硬粉为SiC或Si₃N₄晶须，高温熔融后，在芯模中冷却成形。该方法中陶瓷材料和晶须材料成本较高，并且晶须尺寸和分布不易控制。德国专利DE1020040066中提供了一种在高温和高压下压制成形可溶芯的制备方案，主要铸造材料为无机盐和磷酸盐粘结剂混合均匀后高温熔化，然后浇入模具中在高温和高压下成形。此方法对设备要求高，且工艺复杂。

现有技术的活塞用可溶芯工艺中，可溶芯只能制作成较为简单的形状，对燃烧室和第一环槽的冷却效果不好，易使发动机产生积碳，而且可溶芯在工业化生产中，主要应用于重力铸造，在用于压力铸造等特殊工艺时，可溶芯承受不住压力而使铝液容易进入，造成内冷油腔堵塞。亟需一种既能有效降低活塞燃烧室和第一环槽的温度又能适用于多种铸造工艺的新型可溶预制体。

另外，现有技术中内冷油道可溶芯为压制成形，该成形方法多为一侧通过模具成形另一侧加工，或两侧都为加工面。由于可溶芯毛坯强度低不适合复杂的车加工，且压制模具本身也不具备复杂形状产品的制作，该类型可溶芯及其成形内冷油道不能最大限度降低燃烧室及第一环槽温度。而本发明就克服了现有技术中存在的这些问题。

发明内容

本发明就是为了克服上述现有技术存在的缺点，提供一种可用于复杂燃烧室形状的内燃机活塞用随形可溶预制体。本发明的优点是：一是能够有效的降低整个活塞头部主要包括燃烧室和第一环槽的温度，提高可溶预制体的设计自由度；二是能够应用于除重力铸造外，还能适用于压力铸造等特殊活塞铸造工艺，同时简化可溶预制体的生产工艺，降低生产成本。本发明随形可溶预制体形状可随着内燃机燃烧室形状的变化而随形变化，可使活塞头部温度相比较传统的内冷油腔活塞降低10-30℃；第一环槽温度降低20-50℃。

本发明还提供一种活塞制作方法，采用普通重力铸造工艺浇注，致密度高，在压力铸造中可防止铝液进入预制体中，适用于规模化工业应用。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种内燃机活塞用随形可溶预制体，所述随形可溶预制体的质量组分为: Na₂CO₃：25％-50％，莫来石粉：1％-10％，钛酸铝粉：1％-10％，氧化铝纤维： 1％-10％，余量为NaCl。

所述莫来石粉采用高纯莫来石粉。

所述莫来石粉和钛酸铝粉均为300目及以下尺寸。

所述氧化铝纤维为锆含量1-3％的富锆氧化铝纤维。

所述富锆氧化铝纤维长度为20-60um，直径3-7um。

利用内燃机活塞用随形可溶预制体的活塞制作方法,包括以下步骤：

1)将NaCl和Na₂CO₃按比例加入碳化硅防腐蚀坩埚中加热至熔化，温度控制在750-950℃；

2)按配比加入研磨好的莫来石粉和钛酸铝粉，保温10-30min；

3)加入氧化铝纤维，每次浇注前进行充分搅拌，搅拌后浇注到预热好的可溶预制体模具中，得到随形可溶预制体；

4)将去除毛刺后的随形可溶预制体铸入活塞中，然后用水溶解预制体、得到带随形内冷油腔的内燃机活塞。

所述步骤3)的搅拌时间为1-3min。

所述步骤3)的可溶预制体模具的预热温度不低于450℃。

所述步骤3)的可溶预制体模具形状与活塞燃烧室形状一致。

所述步骤4)中的，所述可溶预制体铸入活塞工艺包括重力铸造、压力铸造、液态模锻工艺。

本发明的有益效果是：

1.本发明：1)能够有效的降低整个活塞头部主要包括燃烧室和第一环槽的温度，提高可溶预制体的设计自由度；2)能够应用于除重力铸造外，还能适用于压力铸造、液态模锻等特殊活塞铸造工艺，同时简化可溶预制体的生产工艺，降低生产成本，适用范围广，成本较低，适合工业化应用。3) 本发明的内燃机活塞用随形可溶预制体制备方法，采用普通重力铸造工艺浇注，致密度高，在压力铸造中可防止铝液进入预制体中，适用于规模化工业应用。

2.本发明随形可溶预制体形状可随着内燃机燃烧室形状的变化而随形变化，可使活塞头部温度相比较传统的内冷油腔活塞降低10-30℃；第一环槽温度降低20-50℃。

3.本发明中内冷油道可溶预制体随着内燃机活塞燃烧室形状而随形制造、直接成型，不再进行外形加工，该结构设计自由度大，内冷油腔的宽度W最小可做到1.5mm，高度可做到30mm以上，其宽高比可得到1：20，模具制作不需要太高的精度，成本低，制作周期短。

4.本发明中内冷油道可溶预制体由于设在靠近燃烧室一侧，由可溶预制体形成的内冷油道与活塞燃烧室曲线相同，能够保证燃烧室各部位与内冷油道之间壁厚一致，使各部位冷却效果相同，从而实现整个燃烧室同时降温；在靠近第一环槽一侧，由于内冷油道上侧对活塞顶部的冷却，在降低活塞顶部温度的同时，能够避免顶部热量过多的传导至第一环槽，从而实现有效冷却第一环槽，避免第一环槽温度过高超过机油结焦温度时造成的活塞环槽积碳、引起的活塞环在活塞环槽中卡死，从而造成发动机失效的问题。

5.本发明随形内冷可溶预制体采用直接浇铸成形，不需要对外形加工，本发明可溶预制体的制备采用普通重力铸造工艺，工艺简单、成本较低，通过优化铸造模具、能够得到致密度高、硬度高的可溶预制体。另外，在预制体的应用方面，本发明随形内冷可溶预制体能够承受25MPa以上的铸造压力，在此压力下铸造活塞能够防止铝液进入预制体，避免内冷通道堵塞。本发明解决了现有技术中存在的：现有技术中内冷油道可溶芯为压制成形，该成形方法多为一侧通过模具成形另一侧加工，或两侧都为加工面存在的制造工艺复杂、成本高的问题，以及由于可溶芯毛坯强度低不适合复杂的车加工、且压制模具本身也不具备复杂形状产品的制作，而且该类型可溶芯及其成形内冷油道不能最大限度降低燃烧室及第一环槽温度的一系列的问题。

附图说明

图1为本发明中实施例的发动机活塞结构示意图；

图2为随形内冷预制体截面图；

图3为随形内冷活塞FEA分析图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1-3所示，一种内燃机活塞用随形可溶预制体，所述随形可溶预制体的质量组分为:Na₂CO₃：25％-50％，莫来石粉：1％-10％，钛酸铝粉：1％-10％，氧化铝纤维：1％-10％，余量为NaCl。

所述莫来石粉采用高纯莫来石粉，所述高纯莫来石粉采用市售 Al₂O₃-SiO₂二元化合物,其中Al₂O₃含量在65％-75％之间。

利用内燃机活塞用随形可溶预制体的活塞制作方法，内冷油道可溶预制体设在靠近燃烧室一侧，包括以下步骤：

(1)将NaCl和Na₂CO₃按比例加入碳化硅防腐蚀坩埚中加热至熔化，温度控制在750-950℃；

(2)按配比加入研磨好的莫来石粉和钛酸铝粉，保温10-30min；

(3)加入氧化铝纤维，搅拌后浇注到预热好的可溶预制体模具中，得到随形可溶预制体；

(4)将随形可溶预制体去除毛刺后,用于活塞铸造，然后用水溶解预制体，得到带有随形内冷油腔的活塞。

优选地，步骤(2)中，所述莫来石粉和钛酸铝粉均为300目及以下尺寸。

优选地，步骤(3)中，所述氧化铝纤维为锆含量1-3％的富锆氧化铝纤维。

优选地，所述富锆氧化铝纤维长度为20-60um，直径3-7um。

步骤(3)中的搅拌后浇注指的是每次浇注前要进行充分的机械搅拌。

优选地，所述搅拌时间为1-3min。

优选地，步骤(3)中，所述可溶预制体模具的预热温度不低于450℃。

优选地，步骤(3)中，所述可溶预制体模具形状与活塞燃烧室形状一致；

步骤(3)中通过可溶预制体模具预热来保证浇注过程中可以更好的成形和补缩、能够得到密度均匀的预制体。

步骤(4)中的将可溶预制体用于活塞铸造与普通可溶芯用于活塞铸造工艺一致；

优选地，步骤(4)中，所述活塞铸造工艺包括重力铸造、压力铸造、液态模锻等特殊活塞铸造工艺。

现有技术中内冷油道可溶芯为压制成形，该成形方法多为一侧通过模具成形另一侧加工，或两侧都为加工面。由于可溶芯毛坯强度低不适合复杂的车加工，且压制模具本身也不具备复杂形状产品的制作，该类型可溶芯及其成形内冷油道不能最大限度降低燃烧室及第一环槽温度。而本发明就克服了现有技术中存在的这些问题。

本发明中内冷油道可溶预制体随着内燃机活塞燃烧室形状而随形制造，直接成型，不再进行外形加工，该结构设计自由度大，节省了制造成本。如图1，图2，内冷油腔的宽度W最小可做到1.5mm，高度H可做到30mm以上，其宽高比可得到1：20。

本发明中内冷油道可溶预制体关键在于在靠近燃烧室一侧，由可溶预制体形成的内冷油道与活塞燃烧室曲线相同，能够保证燃烧室各部位与内冷油道之间壁厚一致，使各部位冷却效果相同，从而实现整个燃烧室同时降温；在靠近第一环槽一侧，由于内冷油道上侧对活塞顶部的冷却，在降低活塞顶部温度的同时，能够避免顶部热量过多的传导至第一环槽，从而实现有效冷却第一环槽。

图1是内燃机活塞，其中部件1为活塞燃烧室形状，部件2为第一环槽，部件3为预制体水溶后形成内冷油腔。在内燃机活塞中，燃烧室是温度最高的部位，而位置A和B是内冷油腔中靠近燃烧室的一侧，其形状可随着燃烧室形状而变化，使内冷油道与燃烧室之间壁厚一致,从而达到较好的冷却效果。经FEA分析，整个活塞头部温度相比较传统内冷油腔活塞可降低 10-30℃，第一环槽温度可降低20-40℃，见附图3，有效的降低了活塞头部以及第一环槽的温度，从而能够延长活塞的使用寿命。

本发明随形内冷可溶预制体采用直接浇铸成形，不需要对外形进行加工，除了结构特征外,关键在于,本发明可溶预制体的制备方法是采用普通重力铸造工艺，工艺简单，成本较低，通过优化铸造模具，可得到致密度高、硬度高的可溶预制体。在预制体的应用方面，本发明随形内冷可溶预制体能够承受25MPa以上的铸造压力，在此压力下铸造活塞能够防止铝液进入预制体，避免内冷通道堵塞。本发明可溶预制体既能替代普通可溶芯用于重力铸造生产活塞，也能用于压力铸造、液态模锻等特种铸造工艺生产活塞，适用范围广，成本较低，适合工业化应用。

实施例1

随形内冷可溶预制体材料成分:Na₂CO₃：25％，莫来石粉：2％，钛酸铝粉： 2％，氧化铝纤维：2％，余量为NaCl。

主要通过以下步骤实现：

(1)将NaCl和Na₂CO₃按配比加入碳化硅防腐蚀坩埚中加热至熔化，温度控制在800℃；

(2)按配比加入研磨好的莫来石粉和钛酸铝粉，保温10min；

(3)加入含量1％的富锆氧化铝纤维，机械搅拌1min，然后浇注到预热好的模具中，得到随形可溶预制体；

(4)去除毛刺后的随形可溶预制体通过重力铸造工艺铸入活塞中，然后用水溶解预制体，得到带有随形内冷油腔的内燃机活塞。

实施例2

随形内冷可溶预制体材料成分:Na₂CO₃：35％，莫来石粉：5％，钛酸铝粉： 6％，氧化铝纤维：3％，余量为NaCl。

主要通过以下步骤实现：

(1)将NaCl和Na₂CO₃按配比加入碳化硅防腐蚀坩埚中加热至熔化，温度控制在820℃；

(2)按配比加入研磨好的莫来石粉和钛酸铝粉，保温15min；

(3)加入含量2％的富锆氧化铝纤维，机械搅拌2min，然后浇注到预热好的模具中，得到随形可溶预制体；

(4)去除毛刺后的随形可溶预制体通过1MPa的压力铸造工艺铸入活塞中，然后用水溶解预制体，得到带有随形内冷油腔的内燃机活塞。

实施例3

随形内冷可溶预制体材料成分:Na₂CO₃：30％，莫来石粉：6％，钛酸铝粉： 10％，氧化铝纤维：6％，余量为NaCl。

主要通过以下步骤实现：

(1)将NaCl和Na₂CO₃按配比加入碳化硅防腐蚀坩埚中加热至熔化，温度控制在860℃；

(2)按配比加入研磨好的莫来石粉和钛酸铝粉，保温20min；

(3)加入含量3％的富锆氧化铝纤维，机械搅拌3min，然后浇注到预热好的模具中，得到随形可溶预制体；

(4)去除毛刺后的随形可溶预制体通过压力10MPa的压力铸造工艺铸入活塞中，然后用水溶解预制体，得到带有随形内冷油腔的内燃机活塞。

实施例4

随形内冷可溶预制体材料成分:Na₂CO₃：50％，莫来石粉：10％，钛酸铝粉：7％，氧化铝纤维：8％，余量为NaCl。

主要通过以下步骤实现：

(1)将NaCl和Na₂CO₃按配比加入碳化硅防腐蚀坩埚中加热至熔化，温度控制在900℃；

(2)按配比加入研磨好的莫来石粉和钛酸铝粉，保温30min；

(4)去除毛刺后的随形可溶预制体通过压力25MPa的液态模锻铸造工艺铸入活塞中，然后用水溶解预制体，得到带有随形内冷油腔的内燃机活塞。

实施例5

随形内冷可溶预制体材料成分:Na₂CO₃：46％，莫来石粉：3％，钛酸铝粉： 9％，氧化铝纤维：10％，余量为NaCl。

主要通过以下步骤实现：

(1)将NaCl和Na₂CO₃按配比加入碳化硅防腐蚀坩埚中加热至熔化，温度控制在950℃；

(2)按配比加入研磨好的莫来石粉和钛酸铝粉，保温25min；

(3)加入含量2.5％的富锆氧化铝纤维，机械搅拌3min，然后浇注到预热好的模具中，得到随形可溶预制体；

(4)去除毛刺后的随形可溶预制体通过压力20MPa的液态模锻铸造工艺铸入活塞中，然后用水溶解预制体，得到带有随形内冷油腔的内燃机活塞。

本发明的描述中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造或操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中的“相连”“连接”应作广义理解，例如，可以是连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接连接，也可以是通过中间部件间接连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语的具体含义。

以上所述为本发明的优选实施方式，具体实施例的说明仅用于更好的理解本发明的思想。对于本技术领域的普通技术人员来说，依照本发明原理还可以做出若干改进或者同等替换，这些改进或同等替换也视为落在本发明的保护范围。

Claims

1.一种内燃机活塞用随形可溶预制体的活塞制作方法，所述随形可溶预制体的质量组分为:Na₂CO₃：25％-50％，莫来石粉：1％-10％，钛酸铝粉：1％-10％，氧化铝纤维：1％-10％，余量为NaCl；其特征是，内冷油道可溶预制体设在靠近燃烧室一侧，由可溶预制体形成的内冷油道与活塞燃烧室曲线相同，包括以下步骤：

2)按配比加入研磨好的莫来石粉和钛酸铝粉，保温10-30min；

4)将去除毛刺后的随形可溶预制体铸入活塞中，然后用水溶解预制体、得到带随形内冷油腔的内燃机活塞；

所述步骤3)的可溶预制体模具形状与活塞燃烧室形状一致；

所述步骤3)的可溶预制体浇注工艺为重力铸造。

2.如权利要求1所述的内燃机活塞用随形可溶预制体的活塞制作方法，其特征是，所述莫来石粉采用高纯莫来石粉。

3.如权利要求1所述的内燃机活塞用随形可溶预制体的活塞制作方法，其特征是，所述莫来石粉和钛酸铝粉均为300目及以下尺寸。

4.如权利要求1所述的内燃机活塞用随形可溶预制体的活塞制作方法，其特征是，所述氧化铝纤维为锆含量1-3％的富锆氧化铝纤维。

5.如权利要求4所述的内燃机活塞用随形可溶预制体的活塞制作方法，其特征是，所述富锆氧化铝纤维长度为20-60um，直径3-7um。

6.如权利要求1所述的内燃机活塞用随形可溶预制体的活塞制作方法，其特征是，所述步骤3)的搅拌时间为1-3min。

7.如权利要求1所述的内燃机活塞用随形可溶预制体的活塞制作方法，其特征是，所述步骤3)的可溶预制体模具的预热温度不低于450℃。

8.如权利要求1所述的内燃机活塞用随形可溶预制体的活塞制作方法，其特征是，所述步骤4)中的，所述可溶预制体铸入活塞工艺包括重力铸造、压力铸造、液态模锻工艺。