[發明專利]一種帶冷卻油腔的船用纖維增強復合材料活塞的制備方法

有效

• 申請號: 201210525760.5
• 申請日: 2012-12-04
• 公開（公告）號: CN103846409A
• 公開（公告）日: 2014-06-11
• 發明（設計）人: 彭銀江;周靈展;張廣明;高明燈;朱秀榮;侯林沖;費良軍;徐英;楊亞琛;王秀玲
• 申請（專利權）人: 中國兵器工業第五二研究所
• 主分類號: B22D18/02
• 分類號: B22D18/02;B22D19/14;C22C47/12;C22C49/06
• 代理公司: 寧波誠源專利事務所有限公司 33102
• 代理人: 袁忠衛

技術領域

本發明涉及一種活塞擠壓鑄造方法，尤其涉及一種170型帶冷卻油腔的船用纖維增強復合材料活塞的制備方法，該活塞主要應用于大型船舶高強化柴油機領域。

背景技術

目前，高強化柴油機都在向大功率、高負荷發展，而鋁活塞作為內燃機的重要往復運動部件，其性能直接影響高強化柴油機的性能和可靠性。鋁活塞在厚大部位通常設有冷卻油腔對活塞進行冷卻，在活塞的第一環槽部位采用鑲鑄高鎳鑄鐵耐磨鑲圈，以提高第一環槽部位的耐磨性。高強化發動機用整體活塞對鑄造質量要求非常高，不允許出現任何鑄造缺陷。采用常規的金屬型重力鑄造和砂型鑄造鋁活塞，很容易產生氣孔、縮松、裂紋、夾渣等鑄造缺陷，微觀組織密度差，力學性能不能滿足使用要求，不僅如此，常規鑄造方法，生產效率低、勞動強度大。

由此，高強化發動機用活塞在制造技術上作了諸多改進，見專利號為ZL02135972.5的中國發明專利《一種活塞用鋁基復合材料及其制備方法》(授權公告號：CN1257299C)，該專利中的復合材料由基體合金和增強相組成,基體合金中各組分的質量百分比為硅9～16%，銅0.5～2.5，鎳0.5～2.0，鎂0.2～1.5，鈦0.2～2.0，其余為鋁；增強相為原位反應生成的Al₂O₃和TiC粒子，所得產品強度比較大。又見專利號為ZL200710015700.8的中國發明專利《活塞用復合鋁合金及其生產工藝》(授權公告號：CN100467644C)，該專利通過使用舊活塞作為鋁合金主料，優先組分配比和生產工藝，達到了節省成本的目的。類似的，還可以參見申請號為200710049894.3的中國發明專利申請公開《高性能鋁硅活塞合金材料及其活塞的熱處理工藝》(公開號為CN101117679A)。

國內現有的柴油機用活塞通常在第一環槽部位采用高鎳鑄鐵鑲圈增強，厚大部位通常設有冷卻油腔對活塞進行冷卻，采用重力鑄造工藝成型，活塞存在重量重、高鎳鑄鐵鑲環與鋁基體結合強度低，頂部燃燒室抗燒蝕性差等缺陷，從而導致活塞使用壽命短、使用可靠性差。

國外在復合材料活塞的研制方面已取得進展，日本豐田汽車公司研制的復合材料活塞使得豐田汽車大修里程由十萬公里延長到三十萬公里，發動機的輸出功率提高5%，而且燃油和潤滑油的消耗均得到改善。美國康明斯公司、英國AE公司以及法國、俄羅斯、保加利亞等國家都開展了復合材料活塞的研究工作，并開始大量使用。國外采用的制造工藝是將活塞的增強部位先制成復合材料，再通過金屬型重力鑄造或擠壓鑄造工藝成型，該工藝主要存在工序周期長，復合材料與基體材料結合強度不夠高等缺點，采用擠壓鑄造工藝成型時，不能制造頂部帶冷卻油腔的大功率發動機活塞的局限性。

在擠壓鑄造制造工藝條件下，采用陶瓷纖維增強活塞環槽部位的整體擠壓鑄造活塞方法，活塞頂部厚大部位的冷卻油腔采用高強度可溶鹽芯一次成形，制造成本低、制作工序周期短在國內外均未見詳細報道。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種帶冷卻油腔的船用纖維增強復合材料活塞的制造方法，具有制造工序周期短、重量輕、第一環槽復合材料增強部位與基體材料結合強度高的特點，克服了現有技術中存在的制造工序周期長、活塞第一環槽部位高鎳鑄鐵鑲環與鋁基體結合強度低、采用擠壓鑄造工藝成型時，不能制造頂部帶冷卻油腔的大型船舶高功率發動機活塞的局限性。

本發明解決上述技術問題所采用的技術方案為：一種帶冷卻油腔的船用纖維增強復合材料活塞的制備方法，其特征在于步驟為：

1）按照以下合金組分及質量百分數配制活塞用鋁合金：

Mn、Zn、Cr、Pb和Sn雜質元素總量不超過0.5%，其余為Al；

2）熔煉處理：將上述配制的活塞合金放入熔化爐中進行熔化，熔化后對鋁合金液進行精煉、變質、細化、再精煉處理；

3）第一環槽氧化鋁短纖維預制件制作：將氧化鋁短纖維采用液體纖維粉碎裝置進行粉碎，去除非纖維化雜質，制作活塞的第一環槽氧化鋁短纖維預制件；

4）擠壓鑄造：將第一環槽氧化鋁短纖維預制件和高強度耐壓可溶鹽芯分別進行預熱，然后固定在預熱好的模具的相應部位上，第一環槽氧化鋁短纖維預制件的轉移時間小于30s，往模具型腔中澆入步驟2）處理好的鋁合金液進行澆注，澆注溫度為720℃～730℃，合模加壓，加壓壓強80MPa～90MPa，保壓時間200s～300s；待鋁合金液完全凝固后，卸壓取出，采用0.3Mpa~0.5MPa壓力的高壓水清除高強度耐壓可溶鹽芯，即可得到170型帶冷卻油腔的船用纖維增強復合材料活塞毛坯；