專利名稱：一種中型重載柴油機(jī)用活塞及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高性能活塞及其制造方法，具體講是一種缸徑為110 120mm的中型重載柴油機(jī)用帶薄壁不銹鋼內(nèi)冷油道及耐磨鑲?cè)Φ幕钊椭圃煸摶钊姆椒ā?br> 背景技術(shù)：
活塞是柴油關(guān)鍵零部件，其性能的好壞直接決定著柴油機(jī)的性能。隨著人們對(duì)柴油機(jī)功率、扭矩、油耗、噪聲、排放等方面的要求逐漸提高，對(duì)活塞耐高溫、耐磨損性能等綜合指標(biāo)也提出了越來(lái)越高的要求。目前，我國(guó)國(guó)產(chǎn)活塞產(chǎn)品檔次較低，中高端產(chǎn)品基本依靠進(jìn)口。如何提升活塞的耐高溫、耐磨和耐蝕等綜合性能，已成為業(yè)界共同的命題。柴油機(jī)工作過程中活塞頭部溫度較高，活塞頂環(huán)槽磨損過快，從而導(dǎo)致活塞環(huán)密封性能下降，使活塞報(bào)廢。同時(shí)，活塞冷卻問題也未能得到有效解決。目前活塞頭部冷卻方式有內(nèi)腔頂噴油、蛇形管、內(nèi)冷油道等，內(nèi)冷油道較內(nèi)腔頂噴油冷卻有著非常明顯的冷卻效果，相同環(huán)境下采用內(nèi)冷油道的活塞頂面比內(nèi)腔頂噴油冷卻活塞頂面能夠降低10°c，熱量散發(fā)的方式也有較大改變。內(nèi)冷油道國(guó)內(nèi)大多采用鹽芯方法，鹽芯的放置、定位困難，稍不小心鹽芯就會(huì)斷裂或出現(xiàn)位置偏差問題；有的采用紫銅管作內(nèi)冷油道，但成本高、生產(chǎn)效率低、腐蝕過程中產(chǎn)生的廢水廢氣污染環(huán)境。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述存在的問題，本發(fā)明提供一種高性能活塞及其制造方法，活塞帶薄壁不銹鋼內(nèi)冷油道及耐磨鑲?cè)?。這種新型活塞可顯著提高柴油機(jī)壽命及活塞本身的性能、強(qiáng)度、承載、高溫性能。本發(fā)明的技術(shù)方案是，提供一種具有以下結(jié)構(gòu)的活塞，所述活塞的直徑為110 120mm,所述活塞包括活塞本體，本體上設(shè)有活塞頭部和活塞裙部，活塞頭部具有活塞頂環(huán)槽，其特征在于:活塞頭部?jī)?nèi)設(shè)置薄壁不銹鋼管以形成環(huán)狀內(nèi)冷油道，薄壁不銹鋼管的截面呈不規(guī)則橢圓形，活塞頂環(huán)槽內(nèi)鑲嵌楔形耐磨鑲?cè)?，耐磨鑲?cè)ι暇哂协h(huán)形楔槽，環(huán)形楔槽的截面呈大致梯形，耐磨鑲?cè)εc所述薄壁不銹鋼管焊接形成一個(gè)整體。本發(fā)明還提供了一種制造上述活塞的方法，首先把鎳基奧氏體鑄鐵楔形耐磨鑲?cè)庸こ善?，接著用三根不銹鋼條作支架，把薄壁不銹鋼管與耐磨鑲?cè)附釉谝黄?，形成一個(gè)整體，再進(jìn)行滲鋁處理，然后將其定位、合模到鑄造模具中，最后進(jìn)行澆鑄。其中滲鋁、定位、合模、澆鑄幾道工序必須是連續(xù)的，確保在活塞本體鋁合金溶液覆蓋鑲?cè)Ρ砻嬷?，耐磨鑲?cè)Ρ韺拥臐B鋁層仍然處于熔融狀態(tài)。采用以上結(jié)構(gòu)后，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn):活塞頂環(huán)槽鑲嵌奧氏體鑄鐵耐磨鑲?cè)Γ酶哝囪側(cè)^好的耐磨性、較低的膨脹系數(shù)來(lái)提高活塞的高溫耐磨、耐蝕性能及密封性能，同時(shí)由于活塞頂環(huán)槽的溫度大幅度降低，可有效防止活塞環(huán)槽-活塞環(huán)摩擦副的粘著，不但使高負(fù)荷柴油機(jī)活塞第一道氣環(huán)可以采用價(jià)格便宜的矩形環(huán)，而且還改善了各氣環(huán)、油環(huán)的工作條件，從而降低了機(jī)油消耗。高鎳奧氏體鑄鐵鑲?cè)γ?000小時(shí)磨損率只為5 25um，顯著提高了活塞的使用性能和使用壽命。用薄壁不銹鋼管作內(nèi)冷通道，在活塞頭部形成一環(huán)狀油道，由于不銹鋼不變形，也不像鹽芯一樣易斷裂，因此柴油機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于氣缸磨擦和燃燒室爆燃所產(chǎn)生的巨大熱量，就可以通過活塞內(nèi)冷油道中運(yùn)動(dòng)的冷卻和潤(rùn)滑油液帶走，從而改善熱負(fù)荷造成的活塞性能與活塞環(huán)密封性能下降的問題，減少?gòu)U氣泄露，提高活塞使用壽命。


圖1為本發(fā)明活塞的俯視圖；圖2為本發(fā)明活塞的主視A-A剖面圖；圖3為本發(fā)明活塞的鑲?cè)ζ拭鎴D；圖4為本發(fā)明活塞的薄壁不銹鋼管截面圖；圖中:1、活塞本體2、活塞環(huán)槽3、活塞裙部4、鑲?cè)?、內(nèi)冷油道6、薄壁不銹鋼管
具體實(shí)施例方式如圖1和圖2所示，活塞的直徑為110 120mm，活塞包括活塞本體I，活塞本體I上設(shè)有活塞頭部和活塞裙部3，活塞頭部具有活塞頂環(huán)槽，活塞頭部?jī)?nèi)設(shè)置薄壁不銹鋼管6以形成環(huán)狀內(nèi)冷油道5，薄壁不銹鋼管6的截面呈不規(guī)則橢圓形，活塞頂環(huán)槽內(nèi)鑲嵌楔形耐磨鑲?cè)?，耐磨鑲?cè)?上具有環(huán)形楔槽，環(huán)形楔槽的截面呈大致梯形，耐磨鑲?cè)?與薄壁不銹鋼管6焊接形成一個(gè)整體。鑲?cè)Σ牧弦x用與鋁基體合金熱膨脹系數(shù)相近的鎳、鉻成份加入到奧氏體鑄鐵材料中，使鑄鐵鑲?cè)Φ呐蛎浵?數(shù)與活塞本體鋁合金膨脹系數(shù)基本相近，最大限度地降低Al-Fin粘結(jié)層的熱膨脹應(yīng)力，同時(shí)鑲?cè)︿X活塞的鑲鑄過程中伴隨兩種金屬材料的擴(kuò)散反應(yīng)，在鑲?cè)ι闲纬梢欢ê穸鹊暮辖鸹瘮U(kuò)散層，使鑲?cè)εc鋁合金基體之間的結(jié)合區(qū)(簡(jiǎn)稱Al-Fe結(jié)合區(qū))具有良好的導(dǎo)熱性和足夠的粘結(jié)強(qiáng)度。雖然兩者膨脹系數(shù)相近，但鋁合金導(dǎo)熱性卻比鑄鐵高，從而使鋁活塞基體比鑲?cè)鋮s得快。因此，鑲?cè)υO(shè)計(jì)成楔形，使鋁基體冷卻收縮時(shí)緊抱著鑲?cè)?。鎳基奧氏體鑄鐵合金的合金組分及其含量:C:2.0-3.0, Mn:0.5-1.5，N1: 14-17，S1:1.0-2.8,Cu:5.5-7.5，Cr:2-3,S:<0.08，P:<0.1，其余為鐵。耐磨鑲?cè)Φ暮辖鸪煞窒啾扔诂F(xiàn)有的高鎳奧氏體耐磨鑲?cè)Χ?，具有更好的耐磨性、耐熱性和切削加工性能，同時(shí)又能與鋁基體形成良好的冶金結(jié)合。鑄鐵合金的主要機(jī)械性能為:抗拉強(qiáng)度:180 220MPa ；硬度:150 190HB ;平均線膨脹系數(shù):18.9 19.5x1 O^6 Γ1 ;彈性模數(shù):85GPa ； IOOOh磨損率 /um:5 25。如圖3所示,耐磨鑲?cè)Φ膬?nèi)部基圓直徑Dl為100 105mm,環(huán)形楔槽的頭部基圓直徑D2為110 120mm，耐磨鑲?cè)Φ牡撞炕鶊A直徑D3為112 122mm，環(huán)形楔槽的底部基圓直徑D4為95 105mm,耐磨鑲?cè)Φ母叨菻l為8 IOmm,中間面高度H2為2 3mm,環(huán)形楔槽的大致梯形截面的楔角α = β = 5 10°，耐磨鑲?cè)Φ捻斆娴交钊捻斆娴木嚯x為11 13_。內(nèi)冷油道的薄壁不銹鋼管的壁厚取0.5 1.0mm,管壁太薄易變形,也易被高溫鋁水腐蝕，管壁太厚會(huì)增加活塞重量，對(duì)導(dǎo)熱也不利，薄壁不銹鋼管的內(nèi)徑取75 80mm，薄壁不銹鋼管頂部距活塞頂部20 30mm，鋼管截面呈不規(guī)則橢圓形，主要截面參數(shù)如圖4所不:a = 12 18mm，Rb = 2 6mm，Re = 4 8mm，Rd = 4 8mm，Re = 2 4mm。內(nèi)冷油道鑲?cè)钊蔫T造工藝過程如下:首先把鎳基奧氏體鑄鐵楔形耐磨鑲?cè)庸こ善?，接著用三根不銹鋼條作支架，把薄壁不銹鋼管與耐磨鑲?cè)附釉谝黄?，形成一個(gè)整體，再進(jìn)行滲鋁處理，然后將其定位、合模到鑄造模具中，最后進(jìn)行澆鑄。由于鑄鐵鑲?cè)εc鋁活塞本體膨脹系數(shù)的差異，鑄鐵與鋁合金粘接層在使用過程中極易脫落，所以滲鋁、定位、合模、澆鑄幾道工序必須是連續(xù)的，在這一過程中，一定要保證在活塞本體鋁合金溶液覆蓋鑲?cè)Ρ砻嬷?，耐磨鑲?cè)Ρ韺拥臐B鋁層仍然處于熔融狀態(tài)，才能澆鑄出鋁鐵粘結(jié)良好的鑲?cè)钊@一工藝延續(xù)時(shí)間極短，必須嚴(yán)格控制在25 30s以內(nèi)，時(shí)間越短粘接質(zhì)量越好，否則就會(huì)影響活塞本體的鋁合金層與鑲?cè)﹁T鐵層之間的粘合質(zhì)量。一旦粘合質(zhì)量出現(xiàn)問題，那么活塞在工作時(shí)受到交變的冷熱負(fù)荷的共同作用，鑄鐵的耐磨鑲?cè)εc鋁活塞本體之間會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)甚至脫離。
權(quán)利要求
1.一種適用于中型重載柴油機(jī)的活塞，所述活塞的直徑為110 120mm，所述活塞包括活塞本體(I)，所述活塞本體(I)上設(shè)有活塞頭部和活塞裙部，所述活塞頭部具有活塞頂環(huán)槽，其特征在于:所述活塞頭部?jī)?nèi)設(shè)置薄壁不銹鋼管￠)以形成環(huán)狀內(nèi)冷油道(5)，所述薄壁不銹鋼管￠)的截面呈不規(guī)則橢圓形，所述活塞頂環(huán)槽內(nèi)鑲嵌楔形耐磨鑲?cè)?4)，所述耐磨鑲?cè)?4)上具有環(huán)形楔槽，所述環(huán)形楔槽的截面呈大致梯形，所述耐磨鑲?cè)?4)與所述薄壁不銹鋼管(6)焊接形成一個(gè)整體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于:所述耐磨鑲?cè)?4)的內(nèi)部基圓直徑Dl為100 105mm,所述耐磨鑲?cè)Β鹊牡撞炕鶊A直徑D3為112 122mm,所述耐磨鑲?cè)Β鹊母叨菻l為8 10mm，中間面高度H2為2 3mm，所述耐磨鑲?cè)?4)的頂面到活塞的頂面的距離為11 13mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于:所述環(huán)形楔槽的頭部基圓直徑D2為110 120mm,所述環(huán)形楔槽的底部基圓直徑D4為95 105mm,所述環(huán)形楔槽的大致梯形截面的楔角α = β = 5 10°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于:所述薄壁不銹鋼管(6)的內(nèi)徑為75 80mm,所述薄壁不銹鋼管(6)的壁厚為0.5 1.0mm,所述薄壁不銹鋼管(6)的頂部距所述活塞的頂部的距離為20 30mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于:所述薄壁不銹鋼管(6)的不規(guī)則橢圓形的截面主要參數(shù)為:a = 12 18mm, Rb = 2 6mm, Re = 4 8mm, Rd = 4 8mm, Re =2 4mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞，其特征在于:所述耐磨鑲?cè)?4)選用鎳基奧氏體鑄鐵合金，所述鎳基奧氏體鑄鐵合金的合金組分及其含量為:C:2.03.0，Mn:0.5-1.5，Ni:14-17，Si:1.0-2.8，C u:5.5-7.5，Cr:2_3，S:< 0.08，P:< 0.1，其余為鐵。
7.—種制造根據(jù)權(quán)利要求1至6之一中所述活塞的方法，其特征在于:首先把鎳基奧氏體鑄鐵楔形耐磨鑲?cè)庸こ善?，接著用三根不銹鋼條作支架，把薄壁不銹鋼管與耐磨鑲?cè)附釉谝黄?，形成一個(gè)整體，再進(jìn)行滲鋁處理，然后將其定位、合模到鑄造模具中，最后進(jìn)行燒鑄。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制造方法，其特征在于:其中滲鋁、定位、合模、澆鑄幾道工序必須是連續(xù)的，并確保在活塞本體鋁合金溶液覆蓋鑲?cè)Ρ砻嬷?，耐磨鑲?cè)Ρ韺拥臐B鋁層仍然處于熔融狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種中型重載柴油機(jī)用高性能活塞及其制造方法，其特征在于活塞頂環(huán)槽鑲嵌奧氏體鑄鐵耐磨鑲?cè)?，顯著改善了活塞環(huán)槽-活塞環(huán)之間的磨損，防止了活塞環(huán)槽-活塞環(huán)摩擦副的粘著，改善了各氣環(huán)、油環(huán)的工作條件，降低了機(jī)油消耗，同時(shí)活塞頭部?jī)?nèi)設(shè)置薄壁不銹鋼管以形成環(huán)狀內(nèi)冷油道，再用三根不銹鋼條作支架，把薄壁不銹鋼管與耐磨鑲?cè)附釉谝黄穑纬梢粋€(gè)整體，在澆鑄活塞時(shí)，將它們一同滲鋁，鑄入活塞頭部，這樣柴油機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，可以通過活塞內(nèi)冷油道中運(yùn)動(dòng)的冷卻和潤(rùn)滑油液帶走，從而解決熱負(fù)荷較高造成的活塞性能下降的問題，同時(shí)減少因高溫造成活塞環(huán)密封性能下降從而進(jìn)入曲軸箱內(nèi)的廢氣，改善柴油機(jī)排放性能，提高活塞使用壽命。
文檔編號(hào)C22C37/10GK103184951SQ20111044779
公開日2013年7月3日 申請(qǐng)日期2011年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月29日
發(fā)明者章高偉, 尹必峰, 李娟 , 顧榮偉, 唐俊林, 金梅, 徐艷 申請(qǐng)人:安徽省恒泰動(dòng)力科技有限公司, 江蘇大學(xué)