[发明专利]一种带冷却油腔的船用纤维增强复合材料活塞的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种活塞挤压铸造方法，尤其涉及一种170型带冷却油腔的船用纤维增强复合材料活塞的制备方法，该活塞主要应用于大型船舶高强化柴油机领域。

背景技术

目前，高强化柴油机都在向大功率、高负荷发展，而铝活塞作为内燃机的重要往复运动部件，其性能直接影响高强化柴油机的性能和可靠性。铝活塞在厚大部位通常设有冷却油腔对活塞进行冷却，在活塞的第一环槽部位采用镶铸高镍铸铁耐磨镶圈，以提高第一环槽部位的耐磨性。高强化发动机用整体活塞对铸造质量要求非常高，不允许出现任何铸造缺陷。采用常规的金属型重力铸造和砂型铸造铝活塞，很容易产生气孔、缩松、裂纹、夹渣等铸造缺陷，微观组织密度差，力学性能不能满足使用要求，不仅如此，常规铸造方法，生产效率低、劳动强度大。

由此，高强化发动机用活塞在制造技术上作了诸多改进，见专利号为ZL02135972.5的中国发明专利《一种活塞用铝基复合材料及其制备方法》(授权公告号：CN1257299C)，该专利中的复合材料由基体合金和增强相组成,基体合金中各组分的质量百分比为硅9～16%，铜0.5～2.5，镍0.5～2.0，镁0.2～1.5，钛0.2～2.0，其余为铝；增强相为原位反应生成的Al₂O₃和TiC粒子，所得产品强度比较大。又见专利号为ZL200710015700.8的中国发明专利《活塞用复合铝合金及其生产工艺》(授权公告号：CN100467644C)，该专利通过使用旧活塞作为铝合金主料，优先组分配比和生产工艺，达到了节省成本的目的。类似的，还可以参见申请号为200710049894.3的中国发明专利申请公开《高性能铝硅活塞合金材料及其活塞的热处理工艺》(公开号为CN101117679A)。

国内现有的柴油机用活塞通常在第一环槽部位采用高镍铸铁镶圈增强，厚大部位通常设有冷却油腔对活塞进行冷却，采用重力铸造工艺成型，活塞存在重量重、高镍铸铁镶环与铝基体结合强度低，顶部燃烧室抗烧蚀性差等缺陷，从而导致活塞使用寿命短、使用可靠性差。

国外在复合材料活塞的研制方面已取得进展，日本丰田汽车公司研制的复合材料活塞使得丰田汽车大修里程由十万公里延长到三十万公里，发动机的输出功率提高5%，而且燃油和润滑油的消耗均得到改善。美国康明斯公司、英国AE公司以及法国、俄罗斯、保加利亚等国家都开展了复合材料活塞的研究工作，并开始大量使用。国外采用的制造工艺是将活塞的增强部位先制成复合材料，再通过金属型重力铸造或挤压铸造工艺成型，该工艺主要存在工序周期长，复合材料与基体材料结合强度不够高等缺点，采用挤压铸造工艺成型时，不能制造顶部带冷却油腔的大功率发动机活塞的局限性。

在挤压铸造制造工艺条件下，采用陶瓷纤维增强活塞环槽部位的整体挤压铸造活塞方法，活塞顶部厚大部位的冷却油腔采用高强度可溶盐芯一次成形，制造成本低、制作工序周期短在国内外均未见详细报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种带冷却油腔的船用纤维增强复合材料活塞的制造方法，具有制造工序周期短、重量轻、第一环槽复合材料增强部位与基体材料结合强度高的特点，克服了现有技术中存在的制造工序周期长、活塞第一环槽部位高镍铸铁镶环与铝基体结合强度低、采用挤压铸造工艺成型时，不能制造顶部带冷却油腔的大型船舶高功率发动机活塞的局限性。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种带冷却油腔的船用纤维增强复合材料活塞的制备方法，其特征在于步骤为：

1）按照以下合金组分及质量百分数配制活塞用铝合金：

Mn、Zn、Cr、Pb和Sn杂质元素总量不超过0.5%，其余为Al；

2）熔炼处理：将上述配制的活塞合金放入熔化炉中进行熔化，熔化后对铝合金液进行精炼、变质、细化、再精炼处理；

3）第一环槽氧化铝短纤维预制件制作：将氧化铝短纤维采用液体纤维粉碎装置进行粉碎，去除非纤维化杂质，制作活塞的第一环槽氧化铝短纤维预制件；

4）挤压铸造：将第一环槽氧化铝短纤维预制件和高强度耐压可溶盐芯分别进行预热，然后固定在预热好的模具的相应部位上，第一环槽氧化铝短纤维预制件的转移时间小于30s，往模具型腔中浇入步骤2）处理好的铝合金液进行浇注，浇注温度为720℃～730℃，合模加压，加压压强80MPa～90MPa，保压时间200s～300s；待铝合金液完全凝固后，卸压取出，采用0.3Mpa~0.5MPa压力的高压水清除高强度耐压可溶盐芯，即可得到170型带冷却油腔的船用纤维增强复合材料活塞毛坯；