CN113996790B - 一种整体式钢活塞的注射成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种整体式钢活塞的注射成型方法，包括以下步骤：S1、制作熔炼剂；S2、制备合金块；S3、将合金块置于研磨机中进行研磨操作，得到合金粉末；S4、制作粘黏剂A；S5、将粘黏剂A、合金粉末按比例混合得到注射料；S6、注射成型得到活塞坯件；S7、将活塞坯件置于压力容器中，进行加压，然后进行初步烧结，得到活塞萃取件；S8、制作粘黏剂B；S9、将粘黏剂B与金属表面粉末混合制成表面喷涂料；S10、通过喷涂设备对活塞萃取件表面以及内壁进行喷涂操作，得到活塞预成品；S11、将活塞预成品进行烧结，冷却后即得到所制备钢活塞。
Description
技术领域
本发明涉及活塞生产领域，尤其涉及一种整体式钢活塞的注射成型方法。
背景技术
当前欧美绝大部分重型柴油机都已经使用钢活塞。2016年欧盟开始实施苛刻低碳排放标准，发动机行业汽油机活塞小型化趋势明显，柴油机活塞则向钢质化发展。在我国，钢质活塞用于内燃机行业才刚开始。根据发动机发展趋势，在国Ⅴ、国Ⅵ排放标准实施时，钢质活塞将会得到极大的应用。
为加强活塞头部的冷却效果，钢质活塞一般都设计有复杂的内冷油道，为保证钢质活塞的高可靠性，钢质活塞主流制造工艺采用活塞头部与裙部分别锻造加工，然后再将两者焊接形成内冷油道；该生产方式在焊接时容易存在痕接缺陷或焊接颗粒，降低了钢活塞的生产质量；同时整个工艺操作工序较多、生产耗时较久，严重影响了钢活塞的生产效率，从而制约了钢质活塞的高速发展。
发明内容
本发明目的是针对上述问题，提供一种提高活塞生产效率的整体式钢活塞的注射成型方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种整体式钢活塞的注射成型方法，包括以下步骤：
S1、制作熔炼剂；
S2、按比例称取金属原料并将其置于熔炉中，加入步骤S1制作的熔炼剂后制备得到合金块；
S3、将合金块置于研磨机中进行研磨操作，得到合金粉末；
S4、制作粘黏剂A；
S5、将粘黏剂A、合金粉末按比例加入到容器中，将容器加热到200～300℃后恒温搅拌1～2小时，得到注射料；
S6、将注射料置于注射机内，通过注射机向预先设置的模具内进行注射成型操作，注射完成后，静置20～30小时，得到活塞坯件；
S7、将活塞坯件置于压力容器中，以每分钟增加0.1MPa的加压速率进行增压操作，直至增压至300MPa；然后以每分钟升高10℃的加热速率对压力容器进行加热，加热至300℃后迅速将活塞坯件取出并快速冷却至室温，得到活塞萃取件；
S8、制作粘黏剂B；
S9、将粘黏剂B置于加热容器中加热至80～150℃，按比例称取金属表面粉末并依次加入到加热容器中，搅拌均匀后得到表面喷涂料；
S10、将活塞萃取件加热到180～200℃，然后将表面喷涂料加热至150～180℃后置于喷涂设备中，通过喷涂设备对活塞萃取件表面以及内壁进行喷涂操作，得到活塞预成品；
S11、将活塞预成品放入加热容器中，接着以每小时升温100～180℃的升温速率进行升温操作，达到1100～1200℃后恒温保持5～8小时；将活塞预成品从加热容器中取出后置于水中快速冷却至常温，即得到所制备钢活塞。
进一步的，所述步骤S1中的熔炼剂由氟化钛钾、氟硼酸钾、草木灰、石墨混合制成；氟化钛钾、氟硼酸钾、草木灰、石墨的体积比为1～2:1～2:2～3:1～3。
进一步的，所述步骤S2中的金属原料包括TiC、Si、Mn、Cr、Ni、Fe；TiC、Si、Mn、Cr、Ni、Fe的体积比为：2～3:1～2:2～3:1:1:22～25；所述金属原料与熔炼剂的体积比为10：1～2。
进一步的，所述步骤S2具体包括以下步骤：
S21、将Fe置于熔炉中，将熔炉加热至1500～1600℃；
S22、在熔炉中加入熔炼剂并搅拌均匀；
S23、依次按比例加入TiC、Si、Mn、Cr、Ni，待金属原料全部熔化后，以100～200r/min的转速搅拌20～30分钟，冷却后得到合金块。
进一步的，所述步骤S3中，合金粉末的粒径为0.8～15μm。
进一步的，所述步骤S4中，粘黏剂A由正丁醇、亚乙基二次氮基四乙酸、共聚甲醛、六偏磷酸钠、环己烷二甲醇混合制成，正丁醇、亚乙基二次氮基四乙酸、共聚甲醛、六偏磷酸钠、环己烷二甲醇的体积比为：3～5:1～2:2～3:1:5～8。
进一步的，所述步骤S5中，粘黏剂A与合金粉末的体积比为2～3:1。
进一步的，所述步骤S8中，粘黏剂B由VAE乳液、丙烯酸辛酯、十二烷基硫酸钠、甘油、羟苯乙酯混合制成，VAE乳液、丙烯酸辛酯、十二烷基硫酸钠、甘油、羟苯乙酯的体积比为:5～6:1～2:1～2:3～5:1～2。
进一步的，所述步骤S9中，金属表面粉末由石墨烯粉末、氮化硅粉末、氮化硅粉末、碳粉末、氧化铝粉末；石墨烯粉末、氮化硅粉末、氮化硅粉末、碳粉末、氧化铝粉末的体积比为：3～5:2～5:1～3:1:2～3；所述石墨烯粉末、氮化硅粉末、氮化硅粉末、碳粉末、氧化铝粉末的粒径为0.5～1μm。
进一步的，所述步骤S9中，粘黏剂B与金属表面粉末的体积比为3～4:1。
与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：
本发明通过采用将合金粉末与粘黏剂A混合构成注射料的设计，使得人们可以通过注射机进行注射成型操作来生产钢活塞，其在生产时一次成型，不需要活塞头部与裙部进行焊接的工序，避免了钢活塞内出现焊接缺陷、焊接颗粒的状况，有效提高了钢活塞的生产质量以及生产效率；并且本发明通过将金属原料进行熔化制备成合金粉末后进行注射成型操作，有效提高了钢活塞的结构强度，避免了直接使用金属颗粒进行注射成型导致钢活塞结构强度低，无法满足钢活塞强度要求的状况发生，提高了钢活塞的生产质量；同时本发明在金属粉末中添加了熔炼剂，其可以加快各种金属原料的熔融速率，提高了合金块的结构稳固性，进一步提高了钢活塞的生产质量；
另一方面，本发明通过增压操作将活塞坯件中的粘黏剂A排出后对活塞坯件进行初步烧结，得到活塞预成品，然后在其表面喷涂表面喷涂料，其可以在保证钢活塞结构强度的同时有效提高钢活塞的表面光滑度，从而进一步提高了钢活塞的生产质量，给钢活塞的发展做出了一定的贡献。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
实施例1、本实施例公开了一种整体式钢活塞的注射成型方法，包括以下步骤：
S1、制作熔炼剂；
所述熔炼剂由氟化钛钾、氟硼酸钾、草木灰、石墨混合制成；氟化钛钾、氟硼酸钾、草木灰、石墨的体积比为1:1:2:1；
S2、按比例称取金属原料并将其置于熔炉中，加入步骤S1制作的熔炼剂后制备得到合金块；
金属原料包括TiC、Si、Mn、Cr、Ni、Fe；TiC、Si、Mn、Cr、Ni、Fe的体积比为：2:1:2:1:1:22；所述金属原料与熔炼剂的体积比为10:1。
所述步骤S2具体包括以下步骤：
S21、将Fe置于熔炉中，将熔炉加热至1500℃；
S22、在熔炉中加入熔炼剂并搅拌均匀；
S23、依次按比例加入TiC、Si、Mn、Cr、Ni，待金属原料全部熔化后，以100r/min的转速搅拌20分钟，冷却后得到合金块；
S3、将合金块置于研磨机中进行研磨操作，得到合金粉末；合金粉末的粒径为0.8μm；
S4、制作粘黏剂A；
所述粘黏剂A由正丁醇、亚乙基二次氮基四乙酸、共聚甲醛、六偏磷酸钠、环己烷二甲醇混合制成，正丁醇、亚乙基二次氮基四乙酸、共聚甲醛、六偏磷酸钠、环己烷二甲醇的体积比为：3:1:2:1:5；
S5、将粘黏剂A、合金粉末按比例加入到容器中，粘黏剂A与合金粉末的体积比为2:1；将容器加热到200℃后恒温搅拌1小时，得到注射料；
S6、将注射料置于注射机内，通过注射机向预先设置的模具内进行注射成型操作，注射完成后，静置20小时，得到活塞坯件；
S7、将活塞坯件置于压力容器中，以每分钟增加0.1MPa的加压速率进行增压操作，直至增压至300MPa；然后以每分钟升高10℃的加热速率对压力容器进行加热，加热至300℃后迅速将活塞坯件取出并快速冷却至室温，得到活塞萃取件；
S8、制作粘黏剂B；
所述粘黏剂B由VAE乳液、丙烯酸辛酯、十二烷基硫酸钠、甘油、羟苯乙酯混合制成，VAE乳液、丙烯酸辛酯、十二烷基硫酸钠、甘油、羟苯乙酯的体积比为:5:1:1:3:1；
S9、将粘黏剂B置于加热容器中加热至80℃，按比例称取金属表面粉末并依次加入到加热容器中，搅拌均匀后得到表面喷涂料；
所述金属表面粉末由石墨烯粉末、氮化硅粉末、氮化硅粉末、碳粉末、氧化铝粉末；石墨烯粉末、氮化硅粉末、氮化硅粉末、碳粉末、氧化铝粉末的体积比为：3:2:1:1:2；
所述石墨烯粉末、氮化硅粉末、氮化硅粉末、碳粉末、氧化铝粉末的粒径为0.5μm；
所述粘黏剂B与金属表面粉末的体积比为3:1。
S10、将活塞萃取件加热到180℃，然后将表面喷涂料加热至150℃后置于喷涂设备中，通过喷涂设备对活塞萃取件表面以及内壁进行喷涂操作，得到活塞预成品；
S11、将活塞预成品放入加热容器中，接着以每小时升温100℃的升温速率进行升温操作，达到1100℃后恒温保持5小时；将活塞预成品从加热容器中取出后置于水中快速冷却至常温，即得到所制备钢活塞。
实施例2、本实施例公开了一种整体式钢活塞的注射成型方法，包括以下步骤：
S1、制作熔炼剂；
所述熔炼剂由氟化钛钾、氟硼酸钾、草木灰、石墨混合制成；氟化钛钾、氟硼酸钾、草木灰、石墨的体积比为2:2:2:2；
S2、按比例称取金属原料并将其置于熔炉中，加入步骤S1制作的熔炼剂后制备得到合金块；
金属原料包括TiC、Si、Mn、Cr、Ni、Fe；TiC、Si、Mn、Cr、Ni、Fe的体积比为：2:2:3:1:1:23；所述金属原料与熔炼剂的体积比为10:2。
所述步骤S2具体包括以下步骤：
S21、将Fe置于熔炉中，将熔炉加热至1550℃；
S22、在熔炉中加入熔炼剂并搅拌均匀；
S23、依次按比例加入TiC、Si、Mn、Cr、Ni，待金属原料全部熔化后，以150r/min的转速搅拌25分钟，冷却后得到合金块；
S3、将合金块置于研磨机中进行研磨操作，得到合金粉末；合金粉末的粒径为10μm；
S4、制作粘黏剂A；
所述粘黏剂A由正丁醇、亚乙基二次氮基四乙酸、共聚甲醛、六偏磷酸钠、环己烷二甲醇混合制成，正丁醇、亚乙基二次氮基四乙酸、共聚甲醛、六偏磷酸钠、环己烷二甲醇的体积比为：4:2:3:1:6；
S5、将粘黏剂A、合金粉末按比例加入到容器中，粘黏剂A与合金粉末的体积比为3:1；将容器加热到250℃后恒温搅拌2小时，得到注射料；
S6、将注射料置于注射机内，通过注射机向预先设置的模具内进行注射成型操作，注射完成后，静置25小时，得到活塞坯件；
S7、将活塞坯件置于压力容器中，以每分钟增加0.1MPa的加压速率进行增压操作，直至增压至300MPa；然后以每分钟升高10℃的加热速率对压力容器进行加热，加热至300℃后迅速将活塞坯件取出并快速冷却至室温，得到活塞萃取件；
S8、制作粘黏剂B；
所述粘黏剂B由VAE乳液、丙烯酸辛酯、十二烷基硫酸钠、甘油、羟苯乙酯混合制成，VAE乳液、丙烯酸辛酯、十二烷基硫酸钠、甘油、羟苯乙酯的体积比为:6:1:2:4:2；
S9、将粘黏剂B置于加热容器中加热至100℃，按比例称取金属表面粉末并依次加入到加热容器中，搅拌均匀后得到表面喷涂料；
所述金属表面粉末由石墨烯粉末、氮化硅粉末、氮化硅粉末、碳粉末、氧化铝粉末；石墨烯粉末、氮化硅粉末、氮化硅粉末、碳粉末、氧化铝粉末的体积比为：4:3:2:1:3；
所述石墨烯粉末、氮化硅粉末、氮化硅粉末、碳粉末、氧化铝粉末的粒径为0.6μm；
所述粘黏剂B与金属表面粉末的体积比为4:1。
S10、将活塞萃取件加热到190℃，然后将表面喷涂料加热至160℃后置于喷涂设备中，通过喷涂设备对活塞萃取件表面以及内壁进行喷涂操作，得到活塞预成品；
S11、将活塞预成品放入加热容器中，接着以每小时升温150℃的升温速率进行升温操作，达到1150℃后恒温保持6小时；将活塞预成品从加热容器中取出后置于水中快速冷却至常温，即得到所制备钢活塞。
实施例3、本实施例公开了一种整体式钢活塞的注射成型方法，包括以下步骤：
S1、制作熔炼剂；
所述熔炼剂由氟化钛钾、氟硼酸钾、草木灰、石墨混合制成；氟化钛钾、氟硼酸钾、草木灰、石墨的体积比为2:2:3:3；
S2、按比例称取金属原料并将其置于熔炉中，加入步骤S1制作的熔炼剂后制备得到合金块；
金属原料包括TiC、Si、Mn、Cr、Ni、Fe；TiC、Si、Mn、Cr、Ni、Fe的体积比为：3:2:3:1:1:25；所述金属原料与熔炼剂的体积比为10:2。
所述步骤S2具体包括以下步骤：
S21、将Fe置于熔炉中，将熔炉加热至1600℃；
S22、在熔炉中加入熔炼剂并搅拌均匀；
S23、依次按比例加入TiC、Si、Mn、Cr、Ni，待金属原料全部熔化后，以200r/min的转速搅拌30分钟，冷却后得到合金块；
S3、将合金块置于研磨机中进行研磨操作，得到合金粉末；合金粉末的粒径为15μm；
S4、制作粘黏剂A；
所述粘黏剂A由正丁醇、亚乙基二次氮基四乙酸、共聚甲醛、六偏磷酸钠、环己烷二甲醇混合制成，正丁醇、亚乙基二次氮基四乙酸、共聚甲醛、六偏磷酸钠、环己烷二甲醇的体积比为：5:2:3:1:8；
S5、将粘黏剂A、合金粉末按比例加入到容器中，粘黏剂A与合金粉末的体积比为3:1；将容器加热到300℃后恒温搅拌2小时，得到注射料；
S6、将注射料置于注射机内，通过注射机向预先设置的模具内进行注射成型操作，注射完成后，静置30小时，得到活塞坯件；
S7、将活塞坯件置于压力容器中，以每分钟增加0.1MPa的加压速率进行增压操作，直至增压至300MPa；然后以每分钟升高10℃的加热速率对压力容器进行加热，加热至300℃后迅速将活塞坯件取出并快速冷却至室温，得到活塞萃取件；
S8、制作粘黏剂B；
所述粘黏剂B由VAE乳液、丙烯酸辛酯、十二烷基硫酸钠、甘油、羟苯乙酯混合制成，VAE乳液、丙烯酸辛酯、十二烷基硫酸钠、甘油、羟苯乙酯的体积比为:6:2:2:5:2；
S9、将粘黏剂B置于加热容器中加热至150℃，按比例称取金属表面粉末并依次加入到加热容器中，搅拌均匀后得到表面喷涂料；
所述金属表面粉末由石墨烯粉末、氮化硅粉末、氮化硅粉末、碳粉末、氧化铝粉末；石墨烯粉末、氮化硅粉末、氮化硅粉末、碳粉末、氧化铝粉末的体积比为：5:5:3:1:3；
所述石墨烯粉末、氮化硅粉末、氮化硅粉末、碳粉末、氧化铝粉末的粒径为1μm；
所述粘黏剂B与金属表面粉末的体积比为4:1。
S10、将活塞萃取件加热到200℃，然后将表面喷涂料加热至180℃后置于喷涂设备中，通过喷涂设备对活塞萃取件表面以及内壁进行喷涂操作，得到活塞预成品；
S11、将活塞预成品放入加热容器中，接着以每小时升温180℃的升温速率进行升温操作，达到1200℃后恒温保持8小时；将活塞预成品从加热容器中取出后置于水中快速冷却至常温，即得到所制备钢活塞。
通过对上述实施例中制备得到的钢活塞进行检测，其密度≥8.5 g/cm3，抗拉强度σb≥650MPa，延伸率≥2.5％，完全可以达到钢活塞的铸造标准；同时通过注射料注射成型的生产方式，使得钢活塞的整体结构密度完全一致，避免了采用挤压成型操作导致钢活塞各个位置结构密度不均匀，影响钢活塞生产质量的状况发生，提高了钢活塞的生产质量。
并且，上述实施例中所制备钢活塞的表面粗糙度Ra＜0.8um，而现有钢活塞的粗糙度为1.5um＜Ra＜2.5um；从而验证了，本发明中将金属表面粉末以及粘黏剂B混合后喷涂在活塞萃取件表面的工序，可以有效降低钢活塞的表面粗糙度，进一步提高了钢活塞的生产质量。
本发明通过采用将合金粉末与粘黏剂A混合构成注射料的设计，使得人们可以通过注射机进行注射成型操作来生产钢活塞，其在生产时一次成型，不需要活塞头部与裙部进行焊接的工序，避免了钢活塞内出现焊接缺陷、焊接颗粒的状况，有效提高了钢活塞的生产质量以及生产效率；并且本发明通过将金属原料进行熔化制备成合金粉末后进行注射成型操作，有效提高了钢活塞的结构强度，避免了直接使用金属颗粒进行注射成型导致钢活塞结构强度低，无法满足钢活塞强度要求的状况发生，提高了钢活塞的生产质量；同时本发明在金属粉末中添加了熔炼剂，其可以加快各种金属原料的熔融速率，提高了合金块的结构稳固性，进一步提高了钢活塞的生产质量；
另一方面，本发明通过增压操作将活塞坯件中的粘黏剂A排出后对活塞坯件进行初步烧结，得到活塞预成品，然后在其表面喷涂表面喷涂料，其可以在保证钢活塞结构强度的同时有效提高钢活塞的表面光滑度，从而进一步提高了钢活塞的生产质量，给钢活塞的发展做出了一定的贡献。
Claims (9)
1.一种整体式钢活塞的注射成型方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、制作熔炼剂；
S2、按比例称取金属原料并将其置于熔炉中，加入步骤S1制作的熔炼剂后制备得到合金块；
S3、将合金块置于研磨机中进行研磨操作，得到合金粉末；
S4、制作粘黏剂A；
S5、将粘黏剂A、合金粉末按比例加入到容器中，将容器加热到200～300℃后恒温搅拌1～2小时，得到注射料；
S6、将注射料置于注射机内，通过注射机向预先设置的模具内进行注射成型操作，注射完成后，静置20～30小时，得到活塞坯件；
S7、将活塞坯件置于压力容器中，以每分钟增加0.1MPa的加压速率进行增压操作，直至增压至300MPa；然后以每分钟升高10℃的加热速率对压力容器进行加热，加热至300℃后迅速将活塞坯件取出并快速冷却至室温，得到活塞萃取件；
S8、制作粘黏剂B；
S9、将粘黏剂B置于加热容器中加热至80～150℃，按比例称取金属表面粉末并依次加入到加热容器中，搅拌均匀后得到表面喷涂料；
S10、将活塞萃取件加热到180～200℃，然后将表面喷涂料加热至150～180℃后置于喷涂设备中，通过喷涂设备对活塞萃取件表面以及内壁进行喷涂操作，得到活塞预成品；
S11、将活塞预成品放入加热容器中，接着以每小时升温100～180℃的升温速率进行升温操作，达到1100～1200℃后恒温保持5～8小时；将活塞预成品从加热容器中取出后置于水中快速冷却至常温，即得到所制备钢活塞。
2.如权利要求1所述的整体式钢活塞的注射成型方法，其特征在于：所述步骤S1中的熔炼剂由氟化钛钾、氟硼酸钾、草木灰、石墨混合制成；氟化钛钾、氟硼酸钾、草木灰、石墨的体积比为1～2:1～2:2～3:1～3。
3.如权利要求2所述的整体式钢活塞的注射成型方法，其特征在于：所述步骤S2中的金属原料包括TiC、Si、Mn、Cr、Ni、Fe；TiC、Si、Mn、Cr、Ni、Fe的体积比为：2～3:1～2:2～3:1:1:22～25；所述金属原料与熔炼剂的体积比为10：1～2。
4.如权利要求3所述的整体式钢活塞的注射成型方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括以下步骤：
S21、将Fe置于熔炉中，将熔炉加热至1500～1600℃；
S22、在熔炉中加入熔炼剂并搅拌均匀；
S23、依次按比例加入TiC、Si、Mn、Cr、Ni，待金属原料全部熔化后，以100～200r/min的转速搅拌20～30分钟，冷却后得到合金块。
5.如权利要求4所述的整体式钢活塞的注射成型方法，其特征在于：所述步骤S3中，合金粉末的粒径为0.8～15μm。
6.如权利要求5所述的整体式钢活塞的注射成型方法，其特征在于：所述步骤S4中，粘黏剂A由正丁醇、亚乙基二次氮基四乙酸、共聚甲醛、六偏磷酸钠、环己烷二甲醇混合制成，正丁醇、亚乙基二次氮基四乙酸、共聚甲醛、六偏磷酸钠、环己烷二甲醇的体积比为：3～5:1～2:2～3:1:5～8。
7.如权利要求6所述的整体式钢活塞的注射成型方法，其特征在于：所述步骤S5中，粘黏剂A与合金粉末的体积比为2～3:1。
8.如权利要求7所述的整体式钢活塞的注射成型方法，其特征在于：所述步骤S8中，粘黏剂B由VAE乳液、丙烯酸辛酯、十二烷基硫酸钠、甘油、羟苯乙酯混合制成，VAE乳液、丙烯酸辛酯、十二烷基硫酸钠、甘油、羟苯乙酯的体积比为:5～6:1～2:1～2:3～5:1～2。
9.如权利要求8所述的整体式钢活塞的注射成型方法，其特征在于：所述步骤S9中，粘黏剂B与金属表面粉末的体积比为3～4:1。
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