一种增强销孔的内燃机铝活塞及其制备方法.pdf

一种增强销孔的内燃机铝活塞及其制备方法，属于发动机活塞技术领域。其特征在于：活塞销座（1）上预留的活塞销孔（2）内镶铸有一个与活塞本体一体的铝基陶瓷纤维增强环（3），铝基陶瓷纤维增强环（3）的活塞止口侧设有定位平面（4）；方法上采用压力铸造工艺使浇铸是液态铝合金浸入陶瓷纤维套预制件中与陶瓷纤维套预制件结合，从而得到与活塞本体一体的铝基陶瓷纤维增强复合材料的铝基陶瓷纤维增强环（3）。本发明用陶瓷纤维复合材料增强的活塞销孔相对于普通铝销孔，高温疲劳强度可提高20%~30%，线膨胀系数可降低20%，耐磨性可达到普通铝销孔的2倍；相对于普通铝活塞具有销孔热疲劳强度高的特点。

权利要求书
1.  一种增强销孔的内燃机铝活塞，包括活塞本体，活塞本体下部设有活塞销座（1），其特征在于：所述的活塞销座（1）上预留的活塞销孔（2）内镶铸有一个与活塞本体一体的铝基陶瓷纤维增强环（3），铝基陶瓷纤维增强环（3）的活塞止口侧设有定位平面（4）。

2.  根据权利要求书1所述的一种增强销孔的内燃机铝活塞，其特征在于：所述的陶瓷纤维增强环（3）的环壁厚度为1mm~15mm。

3.  根据权利要求书1所述的一种增强销孔的内燃机铝活塞，其特征在于：所述的活塞本体内部开有环形的冷却油道（5），活塞本体的顶面上开有燃烧室，活塞本体外表面上开有多道活塞环槽。

4.  根据权利要求书1所述的一种增强销孔的内燃机铝活塞，其特征在于：所述的定位平面（4）到活塞销孔（2）中心线的距离L，铝基陶瓷纤维增强环的外圆半径尺寸RT，0＜L＜RT。

5.  根据权利要求书1所述的一种增强销孔的内燃机铝活塞，其特征在于：所述的活塞本体的材质为铸造铝合金。

6.  一种权利要求书1~5任一项所述的增强销孔的内燃机铝活塞的制备方法，其特征在于：活塞本体在铸造时先在模具中预装陶瓷纤维套预制件，并采用压力铸造工艺使浇铸时液态铝合金浸入陶瓷纤维套预制件中与陶瓷纤维套预制件结合，从而得到与活塞本体一体的铝基陶瓷纤维增强复合材料的铝基陶瓷纤维增强环（3）。

7.  根据权利要求书6所述的一种增强销孔的内燃机铝活塞的制备方法，其特征在于：所述的压力铸造工艺采用惰性气体压力铸造的工艺方式。

8.  根据权利要求书6所述的一种增强销孔的内燃机铝活塞的制备方法，其特征在于，所述的压力铸造工艺的具体制备步骤为：
1）根据活塞销座（1）、活塞销孔（2）的形状尺寸及强度要求制造加工陶瓷纤维套预制件，陶瓷纤维套预制件内圆留出活塞销孔（2）及卡簧槽的机械加工余量，同时在陶瓷纤维套预制件的活塞止口侧做出定位平面（4）；
2）将预热到820℃~920℃的陶瓷纤维套预制件安装在活塞本体浇铸的模具内，向模具内浇注730℃~820℃的液态铝合金，浇注完成后，通过铣浇冒口加压4bar~6bar压力的惰性气体，使液态铝合金浸入陶瓷纤维套预制件中与其陶瓷纤维材料结合，冷却出模后形成具有铝基陶瓷纤维增强复合材料的铝基陶瓷纤维增强环的活塞毛坯；
3）活塞毛坯铣浇冒口，经后处理即得。

9.  根据权利要求书7或8所述的一种增强销孔的内燃机铝活塞的制备方法，其特征在于：所述的惰性气体为氮气或氩气。

10.  根据权利要求书6或8所述的一种增强销孔的内燃机铝活塞的制备方法，其特征在于：所述的陶瓷纤维套预制件为硅酸铝保温棉作原料，用真空成型工艺制成。

说明书一种增强销孔的内燃机铝活塞及其制备方法
技术领域
一种增强销孔的内燃机铝活塞及其制备方法，属于发动机活塞技术领域。
背景技术
目前配套于载重汽车、工程机械、船舶等的柴油发动机都在不断向大功率、高负荷方向发展；配套于轿车、SUV等乘用车的汽油发动机也在不断向大功率、高转速的方向发展。发动机的强化程度及爆发压力不断提高，排放要求也越来越严格，这就对发动机中的关键运动部件——活塞提出了更高的要求。活塞作为发动机的心脏，在工作过程中承受着高温燃气的周期性加热和交变的高压载荷，其工作环境十分恶劣。
活塞销孔上侧面的销座部位是活塞承受载荷的主要部位，随着发动机性能参数的提高，传统的铸造铝活塞销孔已经很难承受更高的压力和高温负荷，经常在使用中出现销孔疲劳开裂、异常磨损、或活塞销抱死等故障现象，直接影响到发动机的性能，严重的甚至导致机体的破坏。
针对上述情况，活塞销孔之后又出现了镶铜衬套的设计，对解决上述问题起到了作用。但是，销孔镶的铜衬套本身与活塞本体是分离的两部分，是通过过盈配合将铜衬套安装到活塞铝销孔内的，在发动机工作中由于活塞高温膨胀变形以及活塞销与衬套间的相互作用力，存在铜衬套脱落的风险，可靠性不是很高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种高温疲劳强度高、线膨胀系数小的增强销孔的内燃机铝活塞及其制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该增强销孔的内燃机铝活塞，包括活塞本体，活塞本体下部设有活塞销座，所述的活塞销座上预留的活塞销孔内镶铸有一个与活塞本体一体的铝基陶瓷纤维增强环，铝基陶瓷纤维增强环的活塞止口侧设有定位平面。
本发明在内燃机铝活塞的活塞销孔内镶铸有一个铝基陶瓷纤维增强环，由陶瓷纤维套加压浸入高温液态铝合金制成，液态铝合金为活塞本体的浇铸液态铝合金，使铝基陶瓷纤维增强环与活塞本体成为一体，解决传统增强衬套脱落的问题。这种新型结构活塞具有应用范围广的特点，既可应用于大功率、高负荷的工程机械、车用、船用等柴油发动机，也可以用于功率高、爆压大、转速高的汽油发动机。
所述的陶瓷纤维增强环的环壁厚度为1mm~15mm。
所述的活塞本体内部开有环形的冷却油道，活塞本体的顶面上开有燃烧室，活塞本体外表面上开有多道活塞环槽。
所述的定位平面到活塞销孔中心线的距离L，铝基陶瓷纤维增强环的外圆半径尺寸RT，0＜L＜RT。L的具体尺寸可根据活塞的实际需求做相应的调整。
所述的活塞本体的材质为铸造铝合金。
一种上述的增强销孔的内燃机铝活塞的制备方法，其特征在于：活塞本体在铸造时先在模具中预装陶瓷纤维套预制件，并采用压力铸造工艺使浇铸时液态铝合金浸入陶瓷纤维套预制件中与陶瓷纤维套预制件结合，从而得到与活塞本体一体的铝基陶瓷纤维增强复合材料的铝基陶瓷纤维增强环。
本发明的方法中在铝活塞的铸造过程中采用压力铸造工艺，使液态铝合金浸入到陶瓷纤维套预制件中，浸入液态铝合金后的陶瓷纤维套预制件冷却后在活塞本体内得到与活塞本体一体的铝基陶瓷纤维增强复合材料的铝基陶瓷纤维增强环。这种增强环的密度小，质量轻，不会脱落，与活塞本体热伸缩比一致，起到提高活塞销孔热疲劳强度，提高销孔耐磨耐高温性能等作用。用陶瓷纤维复合材料增强的活塞销孔相对于普通铝销孔，高温疲劳强度可提高20%~30%，线膨胀系数可降低20%，耐磨性可达到普通铝销孔的2倍；与销孔镶铜衬套的活塞方案对比，本发明方案可解决衬套脱落的问题，而且生产成本降低。这种新型的活塞销孔结构可以同时应用于柴油机或汽油机等铸造铝活塞上，应用范围非常广泛。本发明有效提高了活塞销孔的性能。
所述的压力铸造工艺采用惰性气体压力铸造的工艺方式。惰性气体压力铸造，防止液态铝合金浸入过程中液态铝合金被部分氧化，影响铝基陶瓷纤维增强环的强度。
所述的压力铸造工艺的具体制备步骤为：
1）根据活塞销座、活塞销孔的形状尺寸及强度要求制造加工陶瓷纤维套预制件，陶瓷纤维套预制件内圆留出活塞销孔及卡簧槽的机械加工余量，同时在陶瓷纤维套预制件的活塞止口侧做出安装定位平面；
2）将预热到820℃~920℃的陶瓷纤维套预制件安装在活塞本体浇铸的模具内，向模具内浇注730℃~820℃的液态铝合金，浇注完成后，通过铣浇冒口加压4bar~6bar压力的惰性气体，使液态铝合金浸入陶瓷纤维套预制件中与其陶瓷纤维材料结合，冷却出模后形成具有铝基陶瓷纤维增强复合材料的铝基陶瓷纤维增强环的活塞毛坯；
3）活塞毛坯铣浇冒口，经后处理即得。
在压力铸造工艺中，最重要的是上述步骤2）的浇铸步骤，在浇铸前先将陶瓷纤维套预制件预热到利于液态铝合金浸入的温度，然后通过液态铝合金温度控制液态铝合金的流动状态，同时通过压力控制，保证在冷却前，能够浸入到陶瓷纤维套预制件中适量的液态铝合金，实现增强环的最大热疲劳强度。
所述的惰性气体为氮气或氩气。
所述的陶瓷纤维套预制件为硅酸铝保温棉作原料，用真空成型工艺制成。陶瓷纤维套预制件可以采用市售的陶瓷纤维套，削切出定位平面即可，拥有优越耐高温性能和刚性，并有合适的自支撑强度，适合压力铸造工艺时液态铝合金浇铸形成的压强。
与现有技术相比，本发明的一种增强销孔的内燃机铝活塞及其制备方法所具有的有益效果是：本发明所涉及的销孔部位用陶瓷纤维复合材料增强的新型结构内燃机铝活塞，用陶瓷纤维复合材料增强的活塞销孔相对于普通铝销孔，高温疲劳强度可提高20%~30%，线膨胀系数可降低20%，耐磨性可达到普通铝销孔的2倍；相对于普通铝活塞具有销孔热疲劳强度高的特点，可以有效防止活塞销孔的疲劳开裂；活塞销孔耐磨性好且耐高温，可以防止活塞销孔的异常磨损。与销孔镶铜质衬套的活塞相比，本发明活塞销孔周围形成的铝基陶瓷纤维增强复合材料与活塞本体结合成为一体，可以解决衬套脱落的问题。该方案制造工艺简便，生产成本低，完全可以替代原销孔镶铜衬套的活塞设计。符合当前发动机的发展方向，前景十分广阔。
附图说明
图1是本发明的一种增强销孔的内燃机铝活塞的长轴剖面图。
图2是本发明的一种增强销孔的内燃机铝活塞的短轴剖面图。
其中：1、活塞销座2、活塞销孔3、铝基陶瓷纤维增强环4、定位平面5、冷却油道。
具体实施方式
图1、2是本发明的最佳实施例，下面结合附图1、2对本发明做进一步说明。
参照附图1、2：本发明的一种增强销孔的内燃机铝活塞，包括活塞本体，活塞本体下部设有活塞销座1，活塞销座1上预留的活塞销孔2内镶铸有一个与活塞本体一体的铝基陶瓷纤维增强环3，铝基陶瓷纤维增强环3的活塞止口侧设有定位平面4，铝基陶瓷纤维增强环的外圆半径尺寸RT，活塞销座1的半径尺寸RZ，活塞销孔2的半径尺寸RK，RK＜RT＜RZ，其中RZ比RK大1mm~15mm；活塞本体内部开有环形的冷却油道5，活塞本体的顶面上开有燃烧室，活塞本体外表面上开有多道活塞环槽；定位平面4到活塞销孔2中心线的距离L，铝基陶瓷纤维增强环的外圆半径尺寸RT，0＜L＜RT；活塞本体的材质为铸造铝合金。
实施例1
1）如图1、2，根据活塞销孔2、活塞销座1的形状尺寸及强度要求制造加工陶瓷纤维套预制件，预制件内圆留出活塞销孔2及卡簧槽的机械加工余量，同时在预制件下侧（活塞止口侧）做出安装定位平面4；
2）加工活塞铸造模具，在模具上加工出安装固定陶瓷纤维套预制件的销子，销子根部对应陶瓷纤维套预制件的定位平面加工出定位平台；
3）将预热到880℃的陶瓷纤维套预制件安装在模具上，浇注740℃的液态铝合金，浇注完成后，通过铣浇冒口加5bar的氮气惰性气体压力，使液态铝合金浸入预制件中并与陶瓷纤维材料充分结合，冷却出模后形成铝基陶瓷纤维增强复合材料；
4）活塞毛坯铣浇冒口，热处理，半成品粗加工；
5）根据活塞设计形式分别加工出冷却油道5、活塞环槽、燃烧室、销孔、卡簧槽、外圆等部位，最后表面处理，完成产品加工。
实施例2
1）如图1、2，根据活塞销孔2、活塞销座1的形状尺寸及强度要求制造加工陶瓷纤维套预制件，预制件内圆留出活塞销孔2及卡簧槽的机械加工余量，同时在预制件下侧（活塞止口侧）做出安装定位平面4；
2）加工活塞铸造模具，在模具上加工出安装固定陶瓷纤维套预制件的销子，销子根部对应陶瓷纤维套预制件的定位平面加工出定位平台；
3）将预热到850℃的陶瓷纤维套预制件安装在模具上，浇注760℃的液态铝合金，浇注完成后，通过铣浇冒口加5bar的氮气惰性气体压力，使液态铝合金浸入预制件中并与陶瓷纤维材料充分结合，冷却出模后形成铝基陶瓷纤维增强复合材料；
4）活塞毛坯铣浇冒口，热处理，半成品粗加工；
5）根据活塞设计形式分别加工出冷却油道5、活塞环槽、燃烧室、销孔、卡簧槽、外圆等部位，最后表面处理，完成产品加工。
实施例3
1）如图1、2，根据活塞销孔2、活塞销座1的形状尺寸及强度要求制造加工陶瓷纤维套预制件，预制件内圆留出活塞销孔2及卡簧槽的机械加工余量，同时在预制件下侧（活塞止口侧）做出安装定位平面4；
2）加工活塞铸造模具，在模具上加工出安装固定陶瓷纤维套预制件的销子，销子根部对应陶瓷纤维套预制件的定位平面加工出定位平台；
3）将预热到920℃的陶瓷纤维套预制件安装在模具上，浇注730℃的液态铝合金，浇注完成后，通过铣浇冒口加6bar的氩气惰性气体压力，使液态铝合金浸入预制件中并与陶瓷纤维材料结合，冷却出模后形成铝基陶瓷纤维增强复合材料；
4）活塞毛坯铣浇冒口，热处理，半成品粗加工；
5）根据活塞设计形式分别加工出冷却油道5、活塞环槽、燃烧室、销孔、卡簧槽、外圆等部位，最后表面处理，完成产品加工。
实施例4
1）如图1、2，根据活塞销孔2、活塞销座1的形状尺寸及强度要求制造加工陶瓷纤维套预制件，预制件内圆留出活塞销孔2及卡簧槽的机械加工余量，同时在预制件下侧（活塞止口侧）做出安装定位平面4；
2）加工活塞铸造模具，在模具上加工出安装固定陶瓷纤维套预制件的销子，销子根部对应陶瓷纤维套预制件的定位平面加工出定位平台；
3）将预热到820的陶瓷纤维套预制件安装在模具上，浇注820℃的液态铝合金，浇注完成后，通过铣浇冒口加4bar的氮气惰性气体压力，使液态铝合金浸入预制件中并与陶瓷纤维材料结合，冷却出模后形成铝基陶瓷纤维增强复合材料；
4）活塞毛坯铣浇冒口，热处理，半成品粗加工；
5）根据活塞设计形式分别加工出冷却油道5、活塞环槽、燃烧室、销孔、卡簧槽、外圆等部位，最后表面处理，完成产品加工。
对比例1
制备步骤同实施例1，不同的是步骤3中陶瓷纤维套预制件的预热温度为700℃，浇注液态铝合金的温度为820℃。
对比例2
制备步骤同实施例1，不同的是步骤3中铣浇冒口所加氮气惰性气体的压力为2bar。
对比例3
同实施例1同规格传统铸造内燃机铝活塞。
表1实施例和对比例所制同规格每批次铝活塞的性能检测结果。
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对比例1和对比例2与本发明实施例相较可以看出，才工艺条件改变的情况下，无法得到性能优良的铝基陶瓷纤维增强环，不但不能增强活塞的性能，甚至导致活塞的性能更差。对比例3与本发明实施例相较可以看出，本具有铝基陶瓷纤维增强环的活塞的性能相比于传统铸造内燃机铝活塞的各项性能得到了较大提高。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。