專利名稱：一種鋼頂鋁活塞及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種鋼頂鋁活塞及其制備方法。
背景技術：
活塞被譽為發(fā)動機的心臟，許多國家都對活塞進行深入的研究，均取得了不同程度的進展，先后研制出各種各樣滿足不同工況的活塞。就制造活塞用的材料而言，大多數(shù)為鋁合金，少數(shù)為鑄鐵，近年來又出現(xiàn)了陶瓷材料。由于鋁合金比重小，運動慣性小，可使發(fā)動機效率提高，同時容易制造，故迄今仍為直徑在Φ400_以下活塞的主要選材。只有直徑> 400mm，且薄壁球墨鑄鐵的出現(xiàn)，才使鑄鐵活塞顯示出了優(yōu)越性，特別是耐熱性。由于活塞頂部受高溫燃氣(瞬時最高溫度約為1800 2600°C )的加熱作用，表面溫度高達350°C左右。隨著平均有效壓力的增加，即熱應力與機械應力的交互作用，以及活塞運動中進排氣過程冷熱氣流的沖刷，使得單一鋁合金活塞頂部經常過早地出現(xiàn)疲勞裂紋，甚至發(fā)生局部過熱而引起燒損，會嚴重影響發(fā)動機的正常使用。所以單一鋁合金活塞的頂部溫度一般不得超過350°C。為了彌補鋁合金活塞耐熱性的不足，某些機型的活塞采用鋼頂鋁裙活塞。
目前應用中的鋼頂鋁裙活塞其鋼頂和鋁裙為螺栓連接，鋼頂都比較厚(約占活塞高度的1/5 1/3)，活塞的重量比較大。這種活塞在使用過程中，由于鋼和鋁的熱膨脹系數(shù)不同，容易導致螺栓連接失效，造成鋼頂脫落，另外，活塞重量比較大會使活塞在運動過程中的慣性增加，同樣會導致活塞過早失效。發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的第一個技術問題是提供一種鋼頂鋁活塞，這種鋼頂鋁活塞的鋼頂與鋁基體的結合強度顯著提高，且在耐熱能力相當?shù)那闆r下，活塞重量減輕。
本發(fā)明所要解決的第二個技術問題是提供一種上述鋼頂鋁活塞的制備方法，采用采用擠壓鑄造工藝成型，不僅工藝簡單，還可有效提高鋁合金的材料性能。
本發(fā)明解決上述第一個技術問題所采用的技術方案為一種鋼頂鋁活塞，包括活塞頂和鋁基體，其特征在于
所述活塞頂是由鋼頂與多層互相成一定角度的過渡絲網(wǎng)及覆在過渡絲網(wǎng)上的陶瓷隔熱層組成，所述過濾絲網(wǎng)經真空擴散焊接在鋼頂?shù)倪B接面上，所述活塞頂與鋁基體是通過使鋁液滲入過渡絲網(wǎng)中形成機械和冶金結合來連接的。
作為優(yōu)選，所述鋼頂與過渡絲網(wǎng)均采用耐熱不銹鋼制成，所述鋼頂?shù)暮穸葹镺.5 O. 6臟,所述過渡絲網(wǎng)為34 36目。
作為優(yōu)選，所述過渡絲網(wǎng)采用3 5層，互相成40 50°角。
進一步優(yōu)選，所述過渡絲網(wǎng)采用相同的4層，互相成45°角。
優(yōu)選，所述過渡絲網(wǎng)上覆有一層ZrO2陶瓷隔熱層。
最后，所述耐熱不銹鋼采用lCrl8Ni9Ti耐熱不銹鋼。
本發(fā)明解決上述第二個技術問題所采用的技術方案為一種鋼頂鋁活塞的制備方法，其特征在于包括以下步驟I)將耐熱不銹鋼板與多層相同材質的互相成一定角度的過渡絲網(wǎng)通過真空擴散焊連接在一起，作為活塞頂頂材；2)對頂材進行液壓變形，然后將變形后的頂材切割成活塞頂要求的尺寸和形狀；3)采用熱噴涂的方法在過渡絲網(wǎng)上形成一層陶瓷隔熱層，熱噴涂完成后的活塞頂放入100 120°C的烘箱中保存、備用；
4)將活塞擠壓鑄造模具安裝到油壓機上，調試壓機，使其工作正常；5)熔煉好一爐鋁合金，當合金液溫度穩(wěn)定在720 740°C準備澆注；6)對模具進行預熱，預熱溫度為150 280°C ；7)把活塞頂絲網(wǎng)面朝上的置入鑄型中，澆入熔融鋁液，合模加壓，加壓壓力為50 llOMPa，保壓40 120s后開模取件。 作為優(yōu)選，所述步驟I)中的真空擴散控制過程是在6 X 10_3 7 X 10_3Pa的真空條件下加熱到900 1100°C溫度，在5 10分鐘內施加10 30MPa的壓力下實現(xiàn)的。再優(yōu)選，所述步驟2)的液壓變形過程為將模具的上模升起，將頂材絲網(wǎng)面朝上放入模具中，上模下行，合模的同時將頂材壓緊，用液壓泵將液壓油從下模上的通孔擠入模具中，使頂材變形為活塞燃燒室及頂面所要求的形狀，液壓油的壓力為10 50MPa，液壓泵的出油量為O. 05 O. 5L/min，保壓時間為40 120s。最后，所述鋼頂與過渡絲網(wǎng)均采用ICrlSNiOTi耐熱不銹鋼制成，所述鋼頂?shù)暮穸葹镺. 5 O. 6mm,所述過渡絲網(wǎng)為34 36目。過渡絲網(wǎng)采用3 5層(優(yōu)選4層)，互相成40 50°角(優(yōu)選45°角)。過渡絲網(wǎng)上覆有一層ZrO2陶瓷隔熱層。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于活塞的鋼頂采用厚度僅有O. 5 O. 6mm的耐熱不銹鋼，使得活塞重量減輕，過渡絲網(wǎng)則使活塞頂與鋁基體之間的結合強度增加，并且通過在過渡絲網(wǎng)上形成陶瓷隔熱層這一技術措施，又保證了活塞的耐熱能力，因此，本發(fā)明所述活塞與普通鋼頂活塞相比，其重量大為減輕，耐熱性相當，活塞在使用過程中的可靠性增力口。另外，本發(fā)明采用擠壓鑄造工藝成型，這種工藝不僅簡單，還可有效提高鋁合金的材料性能，從而使該活塞的整體性能比較高。
圖I為鋼頂鋁活塞的結構示意圖；圖2為第一層絲網(wǎng)與鋼頂結合示意圖；圖3為四層絲網(wǎng)的疊放形成夾角示意圖；圖4為液壓變形示意圖；圖5為鑄型結構示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。實施例I以下以一種Φ IOOmm鋼頂鋁活塞的制備過程為例對本發(fā)明的技術方案進行詳細描述。
①將O. 5mm厚的lCrl8Ni9Ti耐熱不銹鋼頂11與相同材質的四層互相成45°角的過渡絲網(wǎng)12通過真空擴散焊連接在一起，擴散控制過程在6. 7X IO-3Pa的真空條件下加熱到980°C，在5分鐘內和施加20MPa的壓力下實現(xiàn)的。其中第一層絲網(wǎng)與鋼頂結合的示意圖見附圖2。
②對頂材進行液壓變形，如圖3所示，變形過程為帶排氣孔31的上模3升起，將頂材絲網(wǎng)面朝上放入模具中，上模3下行，合模的同時將頂材壓緊，用液壓泵將液壓油從下模4上的通孔41擠入模具中，使頂材變形為活塞燃燒室及頂面所要求的形狀。液壓油的壓力為20MPa，液壓泵的出油量為O. 2L/min，保壓時間為60s。
③將變形后的頂材切割成活塞頂要求的尺寸和 形狀。
④采用熱噴涂的方法在過渡絲網(wǎng)12上形成一層ZrO2陶瓷隔熱層，熱噴涂完成后的活塞頂放入120°C的烘箱中保存、備用。
⑤將活塞擠壓鑄造模具安裝到油壓機上，調試壓機，使其工作正常。
⑥熔煉好一爐鋁合金，當合金液溫度穩(wěn)定在740°C準備澆注。
⑦對模具進行預熱，預熱溫度為250°C。
⑧把活塞頂絲網(wǎng)面朝上的置入鑄型中，澆入熔融鋁液，合模加壓，加壓壓力為 lOOMPa，保壓60s后開模取件，這樣，活塞頂與鋁基體2是通過使鋁液滲入過渡絲網(wǎng)12中形成機械和冶金結合來連接固定在一起。
權利要求
1.一種鋼頂鋁活塞，包括活塞頂和鋁基體，其特征在于 所述活塞頂是由鋼頂與多層互相成一定角度的過渡絲網(wǎng)及覆在過渡絲網(wǎng)上的陶瓷隔熱層組成，所述過濾絲網(wǎng)經真空擴散焊接在鋼頂?shù)倪B接面上，所述活塞頂與鋁基體是通過使鋁液滲入過渡絲網(wǎng)中形成機械和冶金結合來連接的。
2.根據(jù)權利要求I所述的鋼頂鋁活塞，其特征在于所述鋼頂與過渡絲網(wǎng)均采用耐熱不銹鋼制成，所述鋼頂?shù)暮穸葹镺. 5 O. 6mm,所述過渡絲網(wǎng)為34 36目。
3.根據(jù)權利要求I所述的鋼頂鋁活塞，其特征在于所述過渡絲網(wǎng)采用3 5層，互相成40 50。角。
4.根據(jù)權利要求3所述的鋼頂鋁活塞，其特征在于所述過渡絲網(wǎng)采用相同的4層，互相成45。角。
5.根據(jù)權利要求I所述的鋼頂鋁活塞，其特征在于所述過渡絲網(wǎng)上覆有一層ZrO2陶瓷隔熱層。
6.根據(jù)權利要求2所述的鋼頂鋁活塞，其特征在于所述耐熱不銹鋼采用ICrlSNiOTi耐熱不銹鋼。
7.—種權利要求I 6的任一鋼頂鋁活塞的制備方法，其特征在于包括以下步驟 1)將耐熱不銹鋼板與多層相同材質的互相成一定角度的過渡絲網(wǎng)通過真空擴散焊連接在一起，作為活塞頂頂材； 2)對頂材進行液壓變形，然后將變形后的頂材切割成活塞頂要求的尺寸和形狀； 3)采用熱噴涂的方法在過渡絲網(wǎng)上形成一層陶瓷隔熱層，熱噴涂完成后的活塞頂放入100 120°C的烘箱中保存、備用； 4)將活塞擠壓鑄造模具安裝到油壓機上，調試壓機，使其工作正常； 5)熔煉好一爐鋁合金，當合金液溫度穩(wěn)定在720 740°C準備澆注； 6)對模具進行預熱，預熱溫度為150 280°C； 7)把活塞頂絲網(wǎng)面朝上的置入鑄型中，澆入熔融鋁液，合模加壓，加壓壓力為50 11OMPa，保壓40 120s后開模取件。
8.根據(jù)權利要求7所述的制備方法，其特征在于所述步驟I)中的真空擴散控制過程是在6X 10_3 7X 10_3pa的真空條件下加熱到900 1100°C溫度，在5 10分鐘內施加10 30MPa的壓力下實現(xiàn)的。
9.根據(jù)權利要求7所述的制備方法，其特征在于所述步驟2)的液壓變形過程為將模具的上模升起，將頂材絲網(wǎng)面朝上放入模具中，上模下行，合模的同時將頂材壓緊，用液壓泵將液壓油從下模上的通孔擠入模具中，使頂材變形為活塞燃燒室及頂面所要求的形狀，液壓油的壓力為10 50MPa，液壓泵的出油量為O. 05 O. 5L/min，保壓時間為40 120s。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鋼頂鋁活塞及其制備方法，其包括活塞頂和鋁基體，其特征在于所述活塞頂是由鋼頂與多層互相成一定角度的過渡絲網(wǎng)組成，所述過濾絲網(wǎng)經真空擴散焊接在鋼頂與鋁基體的連接面上，所述活塞頂與鋁基體是通過使鋁液滲入過渡絲網(wǎng)中形成機械和冶金結合來連接的。活塞的鋼頂采用厚度0.5～0.6mm的耐熱不銹鋼，使得活塞重量減輕，過渡絲網(wǎng)則使活塞頂與鋁基體之間的結合強度增加，并通過在過渡絲網(wǎng)上形成陶瓷隔熱層這一技術措施，又保證了活塞的耐熱能力，因此，本發(fā)明的活塞其重量減輕，耐熱性相當，活塞在使用過程中的可靠性增加。另外，本發(fā)明中所述活塞采用擠壓鑄造工藝成型，這種工藝不僅簡單，還可有效提高鋁合金的材料性能，從而使該活塞的整體性能比較高。
文檔編號F02F3/12GK102926886SQ20111023169
公開日2013年2月13日 申請日期2011年8月10日 優(yōu)先權日2011年8月10日
發(fā)明者高明燈, 周靈展, 彭銀江, 費良軍, 侯林沖, 朱秀榮 申請人:中國兵器工業(yè)第五二研究所