專利名稱：鋁基陶瓷復(fù)合材料活塞的鑄造生產(chǎn)工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鑄造技術(shù)領(lǐng)域，主要適用于內(nèi)燃機活塞材料，它是繼高硅活塞之后開發(fā)的鋁合金第三代產(chǎn)品。
作為活塞材料，我國研究起步較晚，活塞生產(chǎn)廠家現(xiàn)處于過共晶鋁活塞(亦稱高硅活塞)試生產(chǎn)上，這就嚴(yán)重地影響內(nèi)燃機活塞質(zhì)量水平的提高和發(fā)展，而國外僅有少數(shù)幾個國家正在研究復(fù)合材料活塞，其目的是為了生產(chǎn)出內(nèi)在質(zhì)量和外觀質(zhì)量更高的內(nèi)燃機活塞，由于這種生產(chǎn)技術(shù)難度高和技術(shù)保密，至使我國在這方面的技術(shù)水平仍處于落后狀態(tài)。
針對這一情況，為了研究出我國特有的高水平的復(fù)合材料活塞生產(chǎn)技術(shù)，本發(fā)明提出一種鋁基陶瓷復(fù)合材料活塞的鑄造生產(chǎn)工藝，這一發(fā)明的實現(xiàn)，能夠使活塞高溫短時強度較之普通活塞提高一倍，達(dá)到180N/mm2，而線性膨脹系數(shù)降低了50%，達(dá)到1.04×10-5，耐磨性提高兩倍，活塞的使用壽命大于4000小時，鋁基陶瓷復(fù)合材料活塞不僅能夠滿足引進(jìn)和自行設(shè)計新一代發(fā)動機的配套技術(shù)要求，而且為開發(fā)適應(yīng)國際市場要求高速高功率發(fā)動機活塞開壁了道路。另外它還可以替代鍛鋁合金，鈦合金、鑄鐵、鑄鋼等。而且適宜于大功率，小體積、無水冷高溫、高效發(fā)動機的要求。
本發(fā)明是選用ZL108合金作為基體材料，陶瓷添加材料為碳化硅微粉顆粒，按其SiC(8～12%)+ZL(88～92%)的配比，經(jīng)攪容法復(fù)合或懸浮燒杯法復(fù)合而成。
下面根據(jù)附圖具體闡述發(fā)明的全過程

圖1為攪容法復(fù)合裝置示意圖1、攪拌器2、坩堝蓋3、坩堝4、爐體5、氬氣入口圖2為懸浮澆杯裝置示意圖1、懸浮澆杯2、SiC微粉漏斗3、鑄型4、堵塞5、保溫材料6、氬氣入口7、引澆道一、復(fù)合材料活塞成份基體材料選用ZL108合金(GB1173～86)，陶瓷添加材料為碳化硅微粉顆粒，微粉顆粒直徑為10～15um，其配比為SiC(8～12%)+ZL108(88～92%)。
二、復(fù)合材料活塞鑄造生產(chǎn)工藝工藝流程為ZL108合金熔煉720℃～740℃變質(zhì)-精煉740℃～760℃材料復(fù)合-澆注。
復(fù)合材料活塞鑄造工藝的關(guān)鍵為碳化硅微粉與鋁水很好地復(fù)合，在材料復(fù)合這道工藝中，采用攪溶法及懸浮澆杯法，取得的效果比較理想，由于鋁液容易氧化，材料復(fù)合過程均需要氬氣保護(hù)。以下分別敘述攪溶法與懸浮澆杯法的具體復(fù)合過程1、攪溶法復(fù)合攪溶法復(fù)合是當(dāng)鋁水溶清、變質(zhì)、精煉處理完畢后，將預(yù)熱的碳化硅微粉加入鋁水，在氬氣保護(hù)下，在坩堝內(nèi)攪溶，如圖1所示。鋁水溫度控制在750℃左右，攪拌器轉(zhuǎn)速1400rpm，攪拌時間1.5～20分鐘。攪拌結(jié)束后即可開蓋澆注，鑄型預(yù)熱溫度300℃，要求在盡短時間內(nèi)澆完。若中間間隔時間較長(超過15分鐘)，應(yīng)蓋好蓋重新攪拌。
由于碳化硅微粉直接在鋁水中攪溶，與鋁水接觸時間長，復(fù)合材料中SiC的比例不受限制。值得提醒一點是，此種復(fù)合方法鋁液不能長時間放置，在生產(chǎn)上有一定的難度。
2、懸浮燒杯復(fù)合法懸浮澆杯復(fù)合法是在鑄型澆口上方設(shè)置一懸浮澆杯，如圖所示，所用鋁液在澆杯中的渦旋而產(chǎn)生的負(fù)壓效應(yīng)，將碳化硅微粉自行吸入并攪拌均勻。
采用這種方法時，鋁水同正常熔煉相同，溫度控制在750℃左右，懸浮澆杯用氬氣保護(hù)。鑄型及懸浮杯的預(yù)熱溫度為300～350℃，將預(yù)熱500℃左右的碳化硅微粉加入漏斗，澆注時撥開堵塞，鋁水將微粉吸入。
懸浮澆注不受鋁水存放時間長短的限制，操作簡便，生產(chǎn)效率高，適于活塞的連續(xù)生產(chǎn)，由于在澆注中加入微粉，易造成鋁水的溫度降低應(yīng)用這種方法時，澆注溫度適當(dāng)高一些，同時，微粉的加入量不易大，一般為10%左右。
三、復(fù)合材料活塞機加工工藝機加工工藝按生產(chǎn)流水線設(shè)計，工藝流程為毛坯-車止口-粗鏜銷孔-粗車外園-粗車杯槽-精鏜銷孔-車止退槽-銷孔壓光-精車杯槽-精車外園-磨外園-質(zhì)檢-成品。
復(fù)合材料活塞加工時，對刀具的磨損較快，生產(chǎn)中采用全鋼石刀具及YWZ硬質(zhì)合全刀具，同時，最后的外圓加工采用磨削進(jìn)行，活塞面粗造度為0.8。
從以上本發(fā)明的全過程可以看出，其優(yōu)點在于(1)鑄造法生產(chǎn)的復(fù)合材料活塞，高溫強度比ZL108合全活塞提高一倍以上，耐磨性提高2倍，熱膨脹系數(shù)顯著降低(2)復(fù)合材料活塞是共晶及過晶鋁硅合金活塞的替代產(chǎn)品，它的開發(fā)成功，對于替代進(jìn)口，國內(nèi)高發(fā)動機的發(fā)展，以及促進(jìn)整個活塞行業(yè)的技術(shù)提高都有重要意義。
權(quán)利要求
1.一種用于發(fā)動機活塞的復(fù)合材料，其特點在于它是選用ZL合金作為基體材料，碳化硅微粉顆粒作為陶瓷添加材料，按其SiC(8～12%)+ZL108(88～92%)的配比，經(jīng)攪容法或懸浮澆杯法復(fù)合而成。
2.按照權(quán)利要求1所說的復(fù)合材料，其特征在于攪容法復(fù)合是當(dāng)鋁水溶清、變質(zhì)、精煉處理完畢后，將預(yù)熱的碳化硅微粉加入鋁水，在氬氣的保護(hù)下，在坩堝內(nèi)攪溶，鋁水溫度控制在750℃，攪拌器轉(zhuǎn)速為1400rpm，攪拌時間為1.5～20分鐘攪拌結(jié)束后即可開蓋澆注，鑄型預(yù)熱溫度300℃，要求在短時間內(nèi)澆完。若中間間隔時間較長(超過15鐘)，應(yīng)蓋好蓋重新攪拌。
3.按照權(quán)利要求1所說的復(fù)合材料，其特征在于懸浮澆杯法復(fù)合是在鑄型澆口上方設(shè)置一懸浮澆杯，所用鋁液在澆杯中渦旋而產(chǎn)生的負(fù)壓效應(yīng)，將碳化硅微粉自選吸入并攪拌均勻。在采用這種方法時，鋁水同正常溶煉相同，溫度控制在750℃，懸浮澆杯用氬氣保護(hù)，鑄型及懸浮杯的預(yù)熱溫度300～350℃，將預(yù)熱500℃，另外將預(yù)熱500℃左右的碳化硅化硅微粉加入漏斗，澆注時撥開堵塞，鋁水將碳化硅微粉吸入，由于澆注中加入微粉，易造成鋁水溫度降低，因此澆注溫度適當(dāng)提高一些，同時碳化硅微粉的加入量不易大，一般為10%。
全文摘要
本發(fā)明是繼高硅活塞之后開發(fā)的第三代產(chǎn)品，發(fā)明選用ZL108合金作為基體材料，碳化硅微顆粒作為陶瓷添加材料，按SiC占8～12％、ZL108占88～92％的比例配制，然后經(jīng)攪密法復(fù)合或懸浮澆杯法復(fù)合而成，經(jīng)裝機考核，本發(fā)明的實現(xiàn)不僅能夠滿足引進(jìn)和自行設(shè)計新一代發(fā)動機配套技術(shù)要求，而且為開發(fā)適應(yīng)國際市場要求高速高功率發(fā)動機活塞開辟了道路。
文檔編號C22C1/10GK1105301SQ9311527
公開日1995年7月19日 申請日期1993年12月23日 優(yōu)先權(quán)日1993年12月23日
發(fā)明者劉仲峰 申請人:山東省機械設(shè)計研究院