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CN103484796B - 一种发动机活塞材料的加工工艺 - Google Patents

一种发动机活塞材料的加工工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种发动机活塞材料的加工工艺，其属于汽车活塞加工技术领域。它解决了传统活塞的配缸间隙较大的不足，其按照以下质量百分比的成分组成：Si：11～13％，Cu：1～1.5％，Mg：0.8～1.5％，Ni：0.8～1.5％，Mn：0.3～0.8％，Cr：0.1～0.3％，Ti：0.05～0.2％，C：0.1～0.3％，稀土混合物：0.1～0.3％，Fe＜0.7％，Zn＜0.3％，Zr＜0.05％，Pb＜0.05％，Sn＜0.05％，Ca＜0.02％，其余为Al；通过在ZL109铝合金基础上添加Mn、Cr、Ti、C、稀土等微量元素，采取电磁搅拌、浇铸及热处理工艺进行加工即得所需材料。

Description

一种发动机活塞材料的加工工艺
技术领域
本发明涉及一种发动机活塞材料的加工工艺，其属于汽车活塞加工技术领域。
背景技术
传统的ZL108、ZL109铝基合金生产的活塞，由于膨胀系数原因，活塞与缸体需要较大的配缸间隙(柴油机发动配缸间隙为0.12～0.20mm，空压机配缸间隙为0.08～0.16mm，制冷压缩机配缸间隙0.06～0.09mm,摩托车发动机配缸间隙为0.03～0.07mm),这种较大的配缸间隙,造成发动机在运行过程中,振动大、噪声大、排放大、功率难以提高，难以满足新标发动机的要求。
发明内容
本发明针对传统活塞的配缸间隙较大、难以满足新标发动机要求的不足，提供一种发动机活塞材料的加工工艺。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种发动机活塞材料的加工工艺，由以下成分组成：Si：11～13％，Cu：1～1.5％，Mg：0.8～1.5％，Ni：0.8～1.5％，Mn：0.3～0.8％，Cr：0.1～0.3％，Ti：0.05～0.2％，C：0.1～0.3％；稀土混合物：0.1～0.3％，Fe＜0.7％，Zn＜0.3％，Zr＜0.05％，Pb＜0.05％，Sn＜0.05％，Ca＜0.02％，其余为Al；
A、Cr中间合金配置
取Cr 10KG，A00铝锭90KG，加热820±20℃，保温8小时，取出浇铸成5KG大小合金锭；
B、Cu中间合金配置
取Cu 10KG，A00铝锭90KG，加热840±20℃，保温8小时，取出浇铸成5KG大小合金锭；
C、Ni中间合金配置
取Ni 10KG，A00铝锭90KG，加热850±20℃，保温8小时，取出浇铸成5KG大小合金锭；
D、Mn中间合金配置
取Mn 10KG，A00铝锭90KG，加热840±20℃，保温8小时，取出浇铸成5KG大小合金锭；
E、稀土混合物合金配置
取稀土混合物10KG，A00铝锭90KG，加热850±20℃，保温8小时，取出浇铸成5KG大小合金锭；
F、铝合金配置
往坩埚中加A00铝锭，加热到780℃，按照比例依次加入Si中间合金、Cr中间合金、Cu中间合金、Ni中间合金、Mn中间合金、稀土混合物合金、Ti，继续加热到840℃，加热6小时，开启电磁搅拌机，搅拌1小时，并加入1％复合磷变质剂，温度降到760℃，按照比例加入C、Mg，再次开启电磁搅拌机，搅拌1小时，用氮气除气20分钟，经化验达到性能指标后，即得成品材料。
进一步，所述性能指标为：
硬度(HB)：HB110～HB140；
机械性能：常温20℃＞260MPa，高温300℃＞80MPa；
体积稳定性％：＜0.015％；
线膨胀系数20～300℃：＜24×10-6℃－1；
金相：JB/T6289---2005四级。
本发明的有益效果是：采用本发明材料制成的发动机活塞，可有效减少配缸间隙(柴油机发动配缸间隙可减少为0.05～0.08mm，空压机配缸间隙可减少为0.01～0.04mm，制冷压缩机配缸间隙可减少为0.01～0.04mm,摩托车发动机配缸间隙可减少为0.01～0.03mm)，可产生如下效益：
1、排放改善
由于活塞裙部与气缸间隙小，使得内燃机气缸的密封性增强，提高了压缩终了的温度(一般可提高18％)，减少了燃料进入气缸后的着火落后期，使得参加初期燃烧反应的燃料减少，抑制了燃烧的局部高温，因而降低了氮氧化物(NOX)的产生。由于气缸压力高，促使燃烧迅速，不易产生补燃，因而降低了碳氢(HC)和一氧化碳(CO)的排放。
2、油耗降低
降低机油消耗30％以上，燃油耗(柴油)5％～15％。由于燃烧完善，发动机经济性提高，例如：一辆城市公交柴油车按节约燃油8％计算，每月6000公里行驶，仅燃油费就可每月节省500多元，如加上机油消耗、大修里程延长等。一辆柴油公交车一年营运成本可降低1万元人民币左右，应用到汽车空压机上，配缸间隙可减少到0.01～0.04mm，机油消耗可减少60％以上。
3、动力、扭矩增加
由于燃烧室密封性得到了提高，动力增加7％，扭矩提高5％。
4、寿命延长
发动机使用寿命可延长2倍以上。特别是能够使良好排放状态得以长期保持，降低了在用车对大气的污染。这对中国当前的内燃机的制造水平不高，就发动机使用不久就大量排污有重要的意义。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
通过在ZL109铝合金基础上添加Mn、Cr、Ti、C、稀土等微量元素，采取合适的合金熔炼(即采用电磁搅拌)、浇铸及热处理工艺，对重要元素组成及重要工艺参数采用正交试验，以获得如下最佳成分配比和熔炼工艺方案：
Si：11～13％，Cu：1～1.5％，Mg：0.8～1.5％，Ni：0.8～1.5％，Mn：0.3～0.8％，Cr：0.1～0.3％，Ti：0.05～0.2％，C：0.1～0.3％；稀土混合物：0.1～0.3％，Fe＜0.7％，Zn＜0.3％，Zr＜0.05％，Pb＜0.05％，Sn＜0.05％，Ca＜0.02％，其余为Al。
A、Cr中间合金配置
取Cr 10KG，A00铝锭90KG，加热820±20℃，保温8小时，取出浇铸成5KG大小合金锭；
B、Cu中间合金配置
取Cu 10KG，A00铝锭90KG，加热840±20℃，保温8小时，取出浇铸成5KG大小合金锭；
C、Ni中间合金配置
取Ni 10KG，A00铝锭90KG，加热850±20℃，保温8小时，取出浇铸成5KG大小合金锭；
D、Mn中间合金配置
取Mn 10KG，A00铝锭90KG，加热840±20℃，保温8小时，取出浇铸成5KG大小合金锭；
E、稀土混合物合金配置
取稀土混合物10KG，A00铝锭90KG，加热850±20℃，保温8小时，取出浇铸成5KG大小合金锭；
F、铝合金配置
往坩埚中加A00铝锭，加热到780℃，按照比例依次加入Si中间合金、Cr中间合金、Cu中间合金、Ni中间合金、Mn中间合金、稀土混合物合金、Ti，继续加热到840℃，加热6小时，开启电磁搅拌机，搅拌1小时，并加入1％复合磷变质剂，温度降到760℃，按照比例加入C、Mg，再次开启电磁搅拌机，搅拌1小时，用氮气除气20分钟，经化验达到硬度(HB)：HB110～HB140，机械性能：常温20℃＞260MPa，高温300℃＞80MPa，体积稳定性％：＜0.015％，线膨胀系数20～300℃：＜24×10-6℃－1，金相：JB/T6289---2005四级后，即得成品材料。
材料中加入了Cr，不仅提高了耐热性，也提高了材料在室温和高温状态下的机械强度；镍具有良好的抗氧化性、耐磨性、耐热性、热稳定性，又可减少合金膨胀系数变化；锰能消除铁的有害作用，提高高温性和耐热性；钛不仅能细化组织，提高活塞表面质量，又能提高耐热性和流动性，从而能改善活塞表面质量特别是减少活塞冷隔。因而具有能提高材料高温机械性能，改善活塞表面质量的优点。最主要C和稀土混合物，在电磁搅拌作用下，能形成一种介于金属和非金属之间的一种复合自润滑物质，由于润滑物质的存在,大大地降低了气缸比压,并使磨擦偶磨面之间得到充分润滑,润滑物质的组成成份有利于避免粘着磨损的发生,从而避免了在发动机在缩小间隙的情况下拉缸。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，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。

Claims (2)

1.一种发动机活塞材料的加工工艺，其特征在于，
按照以下质量百分比的成分组成：Si：11～13％，Cu：1～1.5％，Mg：0.8～1.5％，Ni：0.8～1.5％，Mn：0.3～0.8％，Cr：0.1～0.3％，Ti：0.05～0.2％，C：0.1～0.3％；稀土混合物：0.1～0.3％，Fe＜0.7％，Zn＜0.3％，Zr＜0.05％，Pb＜0.05％，Sn＜0.05％，Ca＜0.02％，其余为Al；
包括如下步骤：
A、Cr中间合金配置
取Cr 10kg，A00铝锭90kg，加热820±20℃，保温8小时，取出浇铸成5kg大小合金锭；
B、Cu中间合金配置
取Cu 10kg，A00铝锭90kg，加热840±20℃，保温8小时，取出浇铸成5kg大小合金锭；
C、Ni中间合金配置
取Ni 10kg，A00铝锭90kg，加热850±20℃，保温8小时，取出浇铸成5kg大小合金锭；
D、Mn中间合金配置
取Mn 10kg，A00铝锭90kg，加热840±20℃，保温8小时，取出浇铸成5kg大小合金锭；
E、稀土混合物合金配置
取稀土混合物10kg，A00铝锭90kg，加热850±20℃，保温8小时，取出浇铸成5kg大小合金锭；
F、铝合金配置
往坩埚中加A00铝锭，加热到780℃，按照比例依次加入Si中间合金、Cr中间合金、Cu中间合金、Ni中间合金、Mn中间合金、稀土混合物合金、Ti，继续加热到840℃，加热6小时，开启电磁搅拌机，搅拌1小时，并加入1％复合磷变质剂，温度降到760℃，按照比例加入C、Mg，再次开启电磁搅拌机，搅拌1小时，用氮气除气20分钟，经化验达到性能指标后，即得成品材料。
2.根据权利要求1所述的一种发动机活塞材料的加工工艺，其特征在于：所述性能指标为：
硬度(HB)：HB110～HB140；
机械性能：常温20℃＞260MPa，高温300℃＞80MPa；
体积稳定性％：＜0.015％；
线膨胀系数20～300℃：＜24×10-6℃－1；
金相：JB/T6289---2005四级。
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