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铝合金活塞及其制备方法与流程
文档序号：25789614
发布日期：2021-07-09 11:17
阅读：419
来源：国知局
导航：X技术最新专利金属材料;冶金;铸造;磨削;抛光设备的制造及处理,应用技术
1.本发明涉及活塞加工技术领域，尤其涉及铝合金活塞及其制备方法。
背景技术：
2.随着发动机排放法规的升级，内燃机燃烧室的温度和爆压越来越高，特别是以天然气为燃料的内燃机，铝合金活塞在以往的内燃机上应用最为广泛。采用阳极氧化表面处理工艺处理是铝合金活塞提升其顶部耐热性的方法之一，该工艺使铝合金活塞的燃烧室、顶部表面生成一层非晶al2o3氧化层，以提高其耐热性。但此工艺生成的al2o3氧化膜，膜厚比较小，低于50微米，导致此类活塞仍然时常发生熔顶、开裂等重大故障，从而严重影响了发动机的可靠性。
3.采用钢质活塞是解决上述问题的另外一个方法，虽然钢材耐高温性能优良，但其较高的密度也带来了运动惯量大、活塞销孔承压大、相关运动副摩擦磨损恶化、成本高等负面影响。
技术实现要素：
4.本发明针对现有技术的不足，提供了铝合金活塞及其制备方法。
5.本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
6.铝合金活塞，由铝合金制成，所述铝合金由以下组分构成：si为8.5％～10.5％、cu为1％～1.8％、ni为1％～1.5％、mg为1.1％～1.6％、fe为0.05％～0.1％、mn为0.08％～0.18％、zn为0.12％～0.25％、cr为0.02％～0.08％、ti为0.08％～0.14％，其余al；所述铝合金活塞的顶面设置有陶瓷膜。
7.上述铝合金活塞的制备方法，包括以下步骤：
8.s1熔炼铸锭
9.在温度为700℃～800℃下熔炼，并在温度为380℃～420℃下采用半连续铸造方法制备得到圆柱形铸锭；
10.s2挤压成坯
11.先对s1中得到的铸锭进行预热，对预热后的铸锭采用反向挤压法加工，得到中间料；
12.s3锻造
13.先对s2中得到的中间料进行二次预热；对预热后的毛坯料进行锻造，得到模压毛坯料；
14.s4机加成型
15.对s3中得到的模压毛坯料进行机械加工，得到活塞形体；
16.s5淬火
17.对s4中得到的活塞形体进行淬火，得到活塞模锻件；
18.s6表面处理
19.对s5中制得的活塞模锻件的活塞顶面进行微弧氧化表面处理，形成80
‑
180μm的陶瓷膜；
20.s7封孔
21.对经过s6表面处理后的活塞模锻件进行封孔处理，得到活塞成品。
22.作为上述技术方案的改进，s2挤压成坯中预热温度为350
‑
450℃，预热时间为4
‑
6h。
23.作为上述技术方案的改进，s3锻造中二次预热的温度为450℃～480℃，预热时间为1h～3h。
24.作为上述技术方案的改进，s3锻造中采用自由锻工艺进行锻造。
25.作为上述技术方案的改进，s4机加成型中，将模压毛坯料放到自动车床上，分别进行两次粗车和一次精车，得到活塞形体。
26.作为上述技术方案的改进，s5淬火中，先将活塞形体预热至500℃，预热时间3
‑
5h，在50℃的水中反复升降20次，每次停留在水中时间为10秒，最后一次在水中停留15min后取出活塞形体，结束淬火，得到活塞模锻件。
27.作为上述技术方案的改进，s6表面处理中，将活塞模锻件浸入电解液中，通电并保持电压稳定在280v状态30s，并快速升至480v保持电压稳定至电流小于1a/dm2时结束表面处理步骤，活塞的顶面形成陶瓷膜。
28.作为上述技术方案的改进，所述电解液包括以下组分：k2sio3：6
‑
8g/l，na2o2：5
‑
7g/l，naf：0.2
‑
1.5g/l，ch3coona：1.5
‑
3.5g/l；电解液的ph值为10
‑
12，温度为25
‑
30℃。
29.作为上述技术方案的改进，s7封孔中，封孔液采用浓度为0.4g/ml的na2sio3溶液。
30.本发明的有益效果：陶瓷膜厚度达到阳极氧化膜的2
‑
3倍；隔热性能好，在相同的隔热试验条件下，隔热膜的隔热温度比阳极氧化膜的隔热温度高15度左右；抗烧蚀性好，耐瞬时高温达2500℃并能够在此高温持续20秒不熔化；陶瓷膜与铝合金基体的结合强度高达40mpa。
31.对活塞进行封孔，降低铝合金活塞的表面粗糙度，使得陶瓷膜更加致密、光滑，减少积碳粘附、沉积、提高其抗氧化性能。
附图说明
32.图1为本发明实施例所述铝合金活塞制备方法的流程示意图；
具体实施方式
33.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
35.实施例
36.本实施例所述铝合金活塞，由铝合金制成，所述铝合金由以下组分构成：si为8.5％～10.5％、cu为1％～1.8％、ni为1％～1.5％、mg为1.1％～1.6％、fe为0.05％～0.1％、mn为0.08％～0.18％、zn为0.12％～0.25％、cr为0.02％～0.08％、ti为0.08％～0.14％，其余al；所述铝合金活塞的顶面设置有陶瓷膜。
37.如图1所示，铝合金活塞的制备方法，包括以下步骤：
38.s1熔炼铸锭
39.在温度为700℃～800℃下熔炼，并在温度为380℃～420℃下采用半连续铸造方法制备得到圆柱形铸锭；
40.s2挤压成坯
41.先对s1中得到的铸锭进行预热，对预热后的铸锭采用反向挤压法加工，得到中间料；
42.s3锻造
43.先对s2中得到的中间料进行二次预热；对预热后的毛坯料进行锻造，得到模压毛坯料；
44.s4机加成型
45.对s3中得到的模压毛坯料进行机械加工，得到活塞形体；
46.s5淬火
47.对s4中得到的活塞形体进行淬火，得到活塞模锻件；
48.s6表面处理
49.对s5中制得的活塞模锻件的活塞顶面进行微弧氧化表面处理，形成80
‑
180μm的陶瓷膜；
50.s7封孔
51.对经过s6表面处理后的活塞模锻件进行封孔处理，得到活塞成品。
52.s2挤压成坯中预热温度为350
‑
450℃，预热时间为4
‑
6h。
53.s3锻造中二次预热的温度为450℃～480℃，预热时间为1h～3h。
54.s3锻造中采用自由锻工艺进行锻造。
55.s4机加成型中，将模压毛坯料放到自动车床上，分别进行两次粗车和一次精车，得到活塞形体。
56.s5淬火中，先将活塞形体预热至500℃，预热时间3
‑
5h，在50℃的水中反复升降20次，每次停留在水中时间为10秒，最后一次在水中停留15min后取出活塞形体，结束淬火，得到活塞模锻件。
57.s6表面处理中，将活塞模锻件浸入电解液中，通电并保持电压稳定在280v状态30s，并快速升至480v保持电压稳定至电流小于1a/dm2时结束表面处理步骤，活塞的顶面形成陶瓷膜。
58.所述电解液包括以下组分：k2sio3：6
‑
8g/l，na2o2：5
‑
7g/l，naf：0.2
‑
1.5g/l，ch3coona：1.5
‑
3.5g/l；电解液的ph值为10
‑
12，温度为25
‑
30℃。
59.s7封孔中，封孔液采用浓度为0.4g/ml的na2sio3溶液。
60.微弧氧化表面处理的原理为：al、mg、ti等有色金属样品放入电解液中，通电后，金属表面立即生成很薄一层无定形相al2o3绝缘膜。当金属样品上施加的电压超过某一临界值
时，这层al2o3绝缘膜上某些薄弱环节被击穿，发生微弧放电现象，金属样品的表面产生火花，瞬间温度超过2000℃，从而使金属样品的表面发生化学氧化、电化学氧化、等离子体氧化，反应生成无定形相al2o3变成晶态相——α
‑
al2o3、γ
‑
al2o3，就形成了陶瓷膜。
61.陶瓷膜厚度达到阳极氧化膜的2
‑
3倍；隔热性能好，在相同的隔热试验条件下，隔热膜的隔热温度比阳极氧化膜的隔热温度高15度左右；抗烧蚀性好，耐瞬时高温达2500℃并能够在此高温持续20秒不熔化；陶瓷膜与铝合金基体的结合强度高达40mpa。
62.对活塞进行封孔，降低铝合金活塞的表面粗糙度，使得陶瓷膜更加致密、光滑，减少积碳粘附、沉积、提高其抗氧化性能。
63.需要说明的是，在本文中，如若存在第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
64.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
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