CN1488458A

CN1488458A - 挤压铸造金属基复合材料局部增强内燃机活塞毛坯的工艺

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Publication number: CN1488458A
Application number: CNA031344917A
Authority: CN
Inventors: 强张; 张强; 窦柱; 张尚荣
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-08-14
Filing date: 2003-08-14
Publication date: 2004-04-14
Anticipated expiration: 2023-08-14
Also published as: CN1278802C

Abstract

一种挤压铸造金属基复合材料局部增强内燃机活塞毛坯的工艺，包括：(1)制作增强相预构件；(2)配制基体合金炉料，其配比为：硅占11～13％、铜占0.5～2.0％、镁占0.4～1.4％、锰占0.2～0.9％、钒占0.05～0.27％、铝加至100％；(3)熔炼基体合金；(4)除气精练：通入氩气，吹氩压力为100～110mm汞柱，吹氩时间为6～8分钟，精练温度为780～810℃；(5)变质处理：在合金熔体中，加入0.013～0.016％的Be、0.04～0.06％的Ti、0.002～0.004％的Te三元复合变质剂；(6)准备模具；(7)浇注活塞毛坯。本发明具有优质、高效、成本低和无公害等优点。适用于挤压铸造金属基复合材料局部增强铝活塞产品的制作。

Description

挤压铸造金属基复合材料局部增强内燃机活塞毛坯的工艺

技术领域

本发明属于机械零件制造工艺技术领域，具体涉及到挤压铸造金属基复合材料局部增强内燃机活塞毛坯的工艺。

背景技术

应用金属基复合材料对内燃机活塞第一道环槽以及柴油机活塞燃烧室进行局部增强，以适应现代高参数内燃机对活塞零件日益提高的技术要求，日渐被公认为一条有效而可行的途径。日、美、德等国都已有实用产品供应市场，使用效果良好，并首先作为轻型高速柴油机以及重载强化柴油机应用高Ni奥氏体铸铁锒圈结构的传统活塞之强有力的升级换代产品，备受重视。运用挤压铸造法生产的某些金属基复合材料增强第一环槽的汽车发动机活塞，年产量已达到百万件规模。但与汽车行业的庞大潜在需求相比较，这仍然是微不足道的。其重要原因之一就是，现行的技术方法因其工艺特性要求，在局部增强预构件的制作环节上存在工艺控制难度大，质量不稳定和周期长，效率低，致使产品成本居高难下，制约了它的推广使用。沿用现行的活塞铝合金化学配方及传统的熔炼铸造工艺也使制得新型活塞组织结构不够理想，生产过程中因夹杂物缺陷等导致的废品率较高，对该产品的技术与市场竞争力不利。

挤压铸造法是将熔融金属以常规方式注入到设定的预热金属阴模中，利用液压机等机械设备为动力，使固定于其上的冲头压向阴模，迫使阴模中的金属液在≥70Mpa压力作用下形成铸件，并在压力下凝固结晶。

将挤压铸造法嫁接于非连续增强金属基复合材料的制备过程，利用增强相预构件在大于70Mpa高压液态基体金属的充分良好浸渗作用下以完成金属基复合材料的形成，是促进金属基复合材料这种先进工程材料在民用产品上有望开始普及应用的重要成果，也为通过金属基复合材料局部增强一些产品的特定部位，拓宽产品性能可设计性开辟了一条新的途径。

内燃机活塞零件的第一环槽和第一道活塞环的耐磨性对整个发动机的效率、功率、油耗和排放都有明显影响，因为该环的润滑条件最差，在压缩膨胀行程中却被较高的气压力压向缸壁，而环槽的温度很高，其侧面却受较高气压力和摩擦力作用。现在普遍应用的较软的铝合金活塞，使第一环槽成为最薄弱部位，因早期磨损而常常导致活塞失效。这一现象在压缩比较高，热负荷强度更大的柴油发动机上更为突出。为了改进这一问题不得已采用在活塞第一环槽部位锒铸一种含Ni达14％的奥氏体铸铁护圈，工作效果上可以避免该部位过早磨损失效的问题，但带来的新问题是锒铸工艺复杂，生产废品率高，生产效率低，质量控制难度大，回收再生性差，特别是在进行活塞热处理强化时，因结合部铝合金与铁合金的膨胀系数的不同会产生内应力，甚至发生脱离裂纹等问题。此外，活塞的顶部是活塞热负荷最高的区域。尤其是重负荷柴油机的活塞顶部的各种异型燃烧室部，常常采用锒铸耐热钢护圈以增高该处之抗热负荷能力，带来与第一环槽锒圈法的同样工艺难题和弊端。为改进这一缺陷，人们在上述部位利用氧化铝、氧化硅、硅酸铝、碳化硅等的颗粒或短纤维与活塞铝合金制成所谓金属基复合材料局部增强的新型活塞，使被增强部位的耐磨性，抗热负荷能力，刚性等均得到了极大提高，由于金属基复合材料的线胀系数小于活塞铝合金的线胀系数，使金属基复合材料局部增强铝活塞与汽缸壁的配缸间隙也可进一步减小，实践已证明这种新型先进活塞的出现，是十分有效的，已为越来越多的汽车生产厂家所接受。自1983年日本第一批金属基复合材料局部增强汽车发动机活塞问世至今，近20年来，此项新产品已获批量工业应用，年产量达上百万只规模。

目前全世界每年生产的汽车在5000万辆左右，其中采用柴油发动机的在1800-2000万辆，可见应用推广此项新产品的潜在市场需求每年至少约1亿只规模。目前推广应用新型活塞的规模与潜在需求之间存在巨大反差的原因之一是，增强相预构件制作工艺繁难，周期长，效率低，成本高，制约着该产品的快速推广。原因之二是应用挤压铸造技术生产金属基复合材料局部增强活塞产品，一方面固然较简易成功地解决了复合效果的难题。但在工艺条件上沿用一般挤压铸造铝合金的一些工艺参数与用该工艺方法生产金属基复合材料产品的工艺条件要求则不相适应，甚至存在相当差异，有待优化。例如，一般铝合金铸件的挤压铸造工艺中，为获得细晶高性能结果并保护模具寿命，模温要低，还要采用水冷降温措施，合金温度相应一般铸造法也偏低等等。但在挤压铸造金属基复合材料时，为保证良好的复合效果，合金的熔炼与浇注温度和模具温度都要求相应提高，这反回来又会影响到活塞非增强部位的材质组织结构粗大，性能偏低等问题，在合金熔炼上，含气量较高和夹杂物较多的合金液会不利于基体合金向增强相孔隙内的良好渗透，而合金熔炼温度需要提高则加剧合金污染的程度，还有较高的合金熔化与浇注温度(≥780℃，甚至800℃以上)会带来传统变质处理材料(Na盐或Sr变质)与其工艺参数的不相适应(变质温度要求在730～740℃)，使变质效果不良，导致机械性能损害。

在合金的冶炼过程中，目前广泛应用的CCL₄和C₂CL₆等氯代烷烃或其他氯盐(氯化锌，氯化锰)精炼除气法。除气温度多要求在730～740C，除气效果不错，但反应过程中熔渣粘稠，分离效果差。反应产物Mn对ZL109合金，属有害杂质，反应产物Zn对ZL109和ZL108合金均为有害杂质。而在挤压铸造法中，型腔排渣性很差，极易产生夹杂物废品，而各种含氯除气除渣剂在除气过程中会有强烈的刺激性气味产生，对人体粘膜和环保均不利。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述制备方法的缺点，提供一种挤压铸造金属基复合材料局部增强内燃机活塞毛坯的工艺。

解决上述技术问题所采用的技术方案是该工艺包括下述步骤：

(1)制作增强相预构件

采用金属基复合材料增强相预构件制备方法、或金属基复合材料局部增强产品预构件的制备方法、或短纤维增强金属基复合材料产品多孔预成型体制备方法制作增强相预构件；

(2)配制基体合金炉料

按下述重量比配制基体合金炉料：

硅 11～13％

铜 0.5～2.0％

镁 0.4～1.4％

锰 0.2～0.9％

钒 0.05～0.27％

铝加至100％

(3)熔炼基体合金

将预先经过机械喷丸清理处理的全部基体合金炉料装入熔铝炉，在基体合金炉料的上表面覆盖占基体合金炉料总重3～5％的下述铝合金熔炼覆盖剂：

氯化钠 50％

氯化钾 15％

铝氟酸钠 25％

氟化钙 5％

氟化钠 5％

加热熔化并过热至800～900℃，实现难熔元素的充分熔解，降温至780～810℃精练处理温度；

(4)除气精练

扒净合金熔体表面的铝合金熔炼覆盖剂，通入干燥的工业一级纯氩气(Ar)，对合金熔体进行吹氩除气除渣精练处理，吹氩压力为100～110mm汞柱，吹氩时间为6～8分钟，精练温度为780～810℃，扒净浮渣，静置5～6分钟，进入变质处理步骤。

(5)变质处理

在合金熔体中，加入下述基体合金炉料重量百分比并破碎至5～10mm颗粒的三元复合变质剂(以单元素加入量计)：

Be 0.013～0.016％

Ti 0.04～0.06％

Te 0.002～0.004％

上述配比中，Be以铝铍合金加入，其中Be含量为5％，Ti以铝钛合金加入，其中Ti的含量为3％，Te以单体加入，变质处理温度为780～800℃，用石墨棒搅拌至三元复合变质剂全部溶解后，静置15～20分钟，随后再充分搅拌，静置5～10分钟，扒除浮渣，即可进行浇注。

(6)准备模具

在进行合金熔体的除气和变质处理步骤的同时，应同时对模具作浇注前的涂料和预热处理。先将活塞模具的阴模和冲头预热至120～150℃，用喷雾器均匀喷涂小于50μm厚的一薄层水基胶体石墨涂料，模具的预热温度应为350～400℃

(7)浇注活塞毛坯

首先在预热的模具型腔相应部位固定好预热至450～600℃的增强相预购件，并于其后1分钟内浇入合金熔体。浇注温度范围为760～800℃，在浇入合金熔体后的1分钟内，通过0.5米/秒的速度下降模具冲头，向型腔中的基体合金熔体施加110～110Mpa的压力，持压10～30秒钟，完成活塞毛坯的成形与凝固，浇注温度取下限，挤压压力取上限，浇注温度取上限，挤压压力取下限，挤压时间依活塞最大壁厚而定，厚壁件取上限，薄壁件取下限，活塞凝固后，即刻打开模具，顶出铸件，重新喷涂涂料，进行下一个毛坯的浇注。

本发明的(2)配制基体合金炉料工艺步骤中，按下述优选重量比配制基体合金炉料：

硅 11～13％

铜 1.0～1.5％

镁 0.6～1.2％

锰 0.4～0.8％

钒 0.10～0.2％

铝加至100％

本发明的(2)配制基体合金炉料工艺步骤中，按下述最佳重量比配制基体合金炉料：

硅 12％

铜 1.2％

镁 1.0％

锰 0.6％

钒 0.15％

铝加至100％

在(5)变质处理工艺步骤中，最佳加入下述的三元复合变质剂(以单元素加入量计)：

Be 0.015％

Ti 0.05％

Te 0.003％

本发明的基体合金炉料配比中，所用的锰可用镍替换，其用量为基体合金炉料的0.5～3.0％。

本发明的基体合金炉料的配比中，镍的优选用量为基体合金炉料的1.0～2.0％。

本发明的基体合金炉料的配比中，镍的最佳用量为基体合金炉料的1.5％。

本发明针对金属型重力铸造内燃机活塞的传统铝合金化学成分中添加少量V，允许被视为有害杂质的Fe元素含量由＜0.5～0.7％(GB/T 1173-1995)的范围扩大到＜0.8～1.0％，使之在所述合金的新熔炼工艺条件下，达到更细的晶粒织构，形成较多的，于300～350℃区间具有良好耐热性的a(AIFeSi)相，提高了活塞的抗热负荷能力；在合金熔炼过程中，应用新的Be-Ti-Te复合精炼变质处理，提高合金纯净度，减小Mg元素在熔炼过程中的烧损，有效地细化组织，保障在200～250℃区间承当抗热负荷的W相(Al₄Mg₅Cu₄Si₄)的数量；采用氩气除气精炼替代普遍应用的氯盐或氯代烷烃除气法，可达到满意的含气量控制，减少夹杂废品，消除了环境污染。本发明具有优质、高效、成本低和无公害等优点。适用于挤压铸造金属基复合材料局部增强铝活塞产品的制作。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

本实施例的挤压铸造金属基复合材料局部增强内燃机活塞毛坯的工艺采用下述步骤：

(1)制作增强相预构件

采用金属基复合材料增强相预构件制备方法、金属基复合材料局部增强产品预构件的制备方法、短纤维增强金属基复合材料产品多孔预成型体制备方法制作增强相预构件，金属基复合材料增强相预构件的制备方法已在专利申请号为03134444.5的中国专利中记载，金属基复合材料局部增强产品预构件的制备方法已在专利申请号为03134445.3的中国专利中记载，短纤维增强金属基复合材料产品多孔预成型体制备方法已在专利申请号为03134443.7的中国专利中记载。

(2)配制基体合金炉料

按下述重量比配制基体合金炉料：

硅 12％

铜 1.2％

镁 1.0％

锰 0.6％

钒 0.15％

铝加至100％

上述的基体合金炉料是在标准活塞合金配比中添加少量的V，可使合金中的含Fe相在杂质Fe含量高达1％时仍不呈有害的针状，而形成汉字形团块状α(A1FeSi)相，这种相组织在300～350℃区间具有良好的热强性，有利于增强活塞的抗热负荷能力。使活塞合金中的杂质Fe含量允许从现行国际中的≤0.7％宽限到≤1.0％，有利于防止高模温和高浇注温度下的粘模现象，延长了模具的寿命。

(3)熔炼基体合金

将预先经过机械喷丸清理处理的全部机体基体合金炉料装入熔铝炉，基体合金炉料的上表面覆盖占基体合金炉料总重3～5％的下述铝合金熔炼覆盖剂：

氯化钠 50％

氯化钾 15％

铝氟酸钠 25％

氟化钙 5％

氟化钠 5％

加热熔化并过热至800～900℃，实现难熔元素的充分熔解，降温至780～810℃精练处理温度。

(4)除气精练

扒净合金熔体表面的铝合金熔炼覆盖剂，通入干燥的工业一级纯氩气(Ar)，对合金熔体进行吹氩除气除渣精练处理，吹氩压力为100～110mm汞柱，吹氩时间为6～8分钟，精练温度为780～810℃，扒净浮渣，静置5～6分钟，进入变质处理步骤。若基体合金的熔化过热与保温浇注分别在两台独立的加热炉中，除气精练操作步骤应在铝合金液转注入保温炉并达到规定处理温度后进行。

高温氩气除气精炼，可使合金的熔化温度、除气温度、变质温度、浇注温度以及模具温度均向偏高方向拓宽，以适应复合材料活塞的成形工艺技术条件要求，又不损害活塞的机械性能。

(5)变质处理

Be 0.015％

Ti 0.05％

Te 0.003％

采用上述的变质方法和变质材料，可有效保持活塞合金中镁含量的稳定，明显减少其重熔过程中的氧化损耗，使活塞热处理强化性能更加稳定。可使挤压铸造的金属基复合材料局部增强铝活塞，在比通常挤压铸造单一整体铝合金活塞要求有较高的熔炼与浇注温度以及高的模具温度情况下，获得细晶粒结构，高致密性和无夹杂物缺陷。基体合金炉料中的V，能有效促进Be-Ti-Te变质细化效果，在较缓慢冷却凝固条件下V与Be-Ti-Te的联合作用，可使铸件的二次枝晶臂间距(DAS)更加细小，σ_b可增高20％以上，延伸率δ可增加1倍以上。

(6)准备模具

在进行合金熔体的除气和变质处理步骤的同时，应同时对模具作浇注前的涂料和预热处理。先将活塞模具的阴模和冲头预热至120～150℃，用喷雾器均匀喷涂小于50μm厚的一薄层水基胶体石墨涂料，模具的预热温度应为350～400℃，以保证复合材料增强体的良好复合效果。

(7)浇注活塞毛坯

首先在预热的模具型腔相应部位固定好预热至450～600℃的增强相预购件，并于其后1分钟内浇入合金熔体。浇注温度范围为760～800℃。在浇入合金熔体后的1分钟内，通过0.5米/秒的速度下降模具冲头，向型腔中的基体合金熔体施加110～170Mpa的压力，持压10～30秒钟，完成活塞毛坯的成形与凝固。浇注温度取下限，挤压压力取上限，浇注温度取上限，挤压压力取下限，挤压时间依活塞最大壁厚而定，厚壁件取上限，薄壁件取下限。活塞凝固后，即刻打开模具，顶出铸件，重新喷涂涂料，进行下一个毛坯的浇注。

实施例2

本实施例在(2)配制基体合金炉料工艺步骤中，按下述重量比配制基体合金炉料：

硅 11％

铜 0.5％

镁 0.4％

锰 0.2％

钒 0.05％

铝加至100％

在(5)变质处理工艺步骤中，在合金熔体中，加入下述基体合金炉料重量百分比破碎至5～10mm颗粒的三元复合变质剂(以单元素加入量计)：

Be 0.013％

Ti 0.04％

Te 0.002％

其它工艺步骤与实施例1相同。

实施例3

硅 13％

铜 2.0％

镁 1.4％

锰 0.9％

钒 0.27％

铝加至100％

Be 0.016％

Ti 0.06％

Te 0.004％

其它工艺步骤与实施例1相同。

实施例4

在上述实施例1～3中，在基体合金炉料配比中所用锰可用镍替换，其用量为合金炉料的1.5％。其它工艺过程与实施例1相同。

实施例5

在上述实施例1～3中，在基体合金炉料配比中所用锰可用镍替换，其用量为合金炉料的0.5％。其它工艺过程与实施例1相同。

实施例6

在上述实施例1～3中，在基体合金炉料配比中所用锰可用镍替换，其用量为镍的用量为合金炉料的3.0％。其它工艺过程与实施例1相同。

Claims

1、一种挤压铸造金属基复合材料局部增强内燃机活塞毛坯的工艺，其特征在于该工艺包括下述步骤：

(1)制作增强相预构件

(2)配制基体合金炉料

按下述重量比配制基体合金炉料：

硅 11～13％

铜 0.5～2.0％

镁 0.4～1.4％

锰 0.2～0.9％

钒 0.05～0.27％

铝加至100％

(3)熔炼基体合金

将预先经过机械喷丸清理处理的全部基体合金炉料装入熔铝炉，基体合金炉料的上表面覆盖占基体合金炉料总重3～5％的下述铝合金熔炼覆盖剂：

氯化钠 50％

氯化钾 15％

铝氟酸钠 25％

氟化钙 5％

氟化钠 5％

(4)除气精练

扒净合金熔体表面的铝合金熔炼覆盖剂，通入干燥的工业一级纯氩气(Ar)，对合金熔体进行吹氩除气除渣精练处理，吹氩压力为100～110mm汞柱，吹氩时间为6～8分钟，精练温度为780～810℃，扒净浮渣，静置5～6分钟，进入变质处理步骤；

(5)变质处理

在合金熔体中，加入下述基体合金炉料重量百分比破碎至5～10mm颗粒的三元复合变质剂(以单元素加入量计)：

Be 0.013～0.016％

Ti 0.04～0.06％

Te 0.002～0.004％

上述配比中，Be以铝铍合金加入，其中Be含量为5％，Ti以铝钛合金加入，其中Ti的含量为3％，te以单体加入，变质处理温度为780～800℃，用石墨棒搅拌至三元复合变质剂全部溶解后，静置15～20分钟，随后再充分搅拌，静置5～10分钟，扒除浮渣，即可进行浇注；

(6)准备模具

在进行合金熔体的除气和变质处理步骤的同时，应同时对模具作浇注前的涂料和预热处理，先将活塞模具的阴模和冲头预热至120～150℃，用喷雾器均匀喷涂小于50μm厚的一薄层水基胶体石墨涂料，模具的预热温度应为350～400℃；

(7)浇注活塞毛坯

首先在预热的模具型腔相应部位固定好预热至450～600℃的增强相预购件，并于其后1分钟内浇入合金熔体，浇注温度范围为760～800℃，在浇入合金熔体后的1分钟内，通过0.5米/秒的速度下降模具冲头，向型腔中的基体合金熔体施加110～70Mpa的压力，持压10～30秒钟，完成活塞毛坯的成形与凝固，浇注温度取下限，挤压压力取上限，浇注温度取上限，挤压压力取下限，挤压时间依活塞最大壁厚而定，厚壁件取上限，薄壁件取下限，活塞凝固后，即刻打开模具，顶出铸件，重新喷涂涂料，进行下一个毛坯的浇注。

2、按照权利要求1所述的挤压铸造金属基复合材料局部增强内燃机活塞毛坯的工艺，其特征在于：在(2)配制基体合金炉料工艺步骤中，其中按下述重量比配制基体合金炉料：

硅 11～13％

铜 1.0～1.5％

镁 0.6～1.2％

锰 0.4～0.8％

钒 0.10～0.2％

铝加至100％

3、按照权利要求1所述的挤压铸造金属基复合材料局部增强内燃机活塞毛坯的工艺，其特征在于：在(2)配制基体合金炉料工艺步骤中，其中按下述重量比配制基体合金炉料：

硅 12％

铜 1.2％

镁 1.0％

锰 0.6％

钒 0.15％

铝加至100％

在(5)变质处理工艺步骤中，其中加入下述的三元复合变质剂(以单元素加入量计)：

Be 0.015％

Ti 0.05％

Te 0.003％

4、按照权利要求1所述的挤压铸造金属基复合材料局部增强内燃机活塞毛坯的工艺，其特征在于：在基体合金炉料的配比中，所用的锰为镍，其用量为基体合金炉料的0.5～3.0％。

5、按照权利要求4所述的挤压铸造金属基复合材料局部增强内燃机活塞毛坯的工艺，其特征在于：在基体合金炉料的配比中，其中镍的用量为基体合金炉料的1.0～2.0％。

6、按照权利要求4所述的挤压铸造金属基复合材料局部增强内燃机活塞毛坯的工艺，其特征在于：在基体合金炉料的配比中，其中镍的用量为基体合金炉料的1.5％。