[发明专利]一种镶铸于铝活塞中的奥氏体铸铁耐磨镶圈及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种能镶铸于铝活塞中的奥氏体铸铁耐磨镶圈，以及镶铸前的一种表面处理方法，属于工业技术领域。

背景技术

为了节省动力损耗、减小运动惯性，内燃发动机中的活塞从先前的钢制或铸铁材料改用铝合金制造。但是铝合金硬度低，其环槽（特别是处在高温高压下的头道环槽）不耐活塞环的高速高频率磨损，于是发明出了在头道环槽（近年来也扩大到第2道环槽）位置镶铸耐磨镶圈的技术，让一个环形铸铁圈作为活塞环的摩擦副，从而使活塞的使用寿命延长了数倍，也避免了活塞环内侧窜气造成的动力损耗和空气污染。

耐磨镶圈的材料为奥氏体铸铁，此材料的热膨胀系数与铝合金基体相近，在内燃机工作温度下两者的体积膨胀同步，避免了发生剪切应力作用下的铝/铁分离现象。

耐磨镶圈的传统制造与镶铸方法是：用离心铸造法生产出短筒状的管坯，车削切割出环坯，表面喷丸处理，在720-730℃铝液中浸渍3-5分钟，快速放进活塞浇铸机的模腔支点上，旋即将750-770℃的铝合金熔体注入模腔，使镶圈与活塞镶铸熔接。

这种用离心铸造法生产加工出的镶圈环片有根本性的缺陷。

作为内燃机心脏零件的铝活塞，工作负载很大，工况条件恶劣，需要选用高强度的铝合金ZL109，其抗拉强度≥200MPa，铸铁镶圈的抗拉强度要求≥170MPa（见中华人民共和国机械行业标准JB/T9762-1999《内燃机镶耐磨圈铝活塞技术条件》）。然而，用传统方法将耐磨圈与铝合金基体镶铸后，铝-铁结合面上的熔接强度太低，行业标准原规定≥80MPa，由于许多企业难以达到，后来降低到≥50MPa，实际上往往只有10.3—30MPa。也就是说，传统方法生产的铝活塞，其铝/铁镶铸熔接的强度还不到界面两侧金属强度的1/4。这一熔接界面上的强度陡降，造成了铝活塞生产成品率的降低，甚至因活塞的“粘结分离”而酿成事故。

发明内容

本发明提供一种镶铸于铝活塞中的奥氏体铸铁耐磨镶圈，提高了活塞中铝合金基体与铸铁镶圈之间镶铸界面的熔接强度。

本发明的技术方案为一种镶铸于铝活塞中的奥氏体铸铁耐磨镶圈，其化学成分重量百分比为：C为3.0-3.3%，Si为2.0-2.3%，Mn为0.5-0.7%，Ni为13.5-15%，Cu为5-6%，Cr为0.4-0.6%，Ti为0.08-0.12%，P≤0.15%，S≤0.08%，其余为Fe及微量杂质。

本发明的特点还在于，

其中镶铸于铝活塞中的奥氏体铸铁耐磨镶圈用垂直连续铸造方法拉制的铸铁空心型材制成。

其中铸铁空心型材的石墨形态D/E型石墨所占比例不小于90%。

其中镶铸于铝活塞中的奥氏体铸铁耐磨镶圈在标准检验方法所规定的50倍放大显微镜下，共晶团数量不小于2000个/cm²。

本发明的目的还在于提供一种镶铸于铝活塞中的奥氏体铸铁耐磨镶圈的制备方法，按照以下步骤实施：

1）选取连续铸造的奥氏体铸铁空心型材，并对其车削切割出镶圈环片；

2）对步骤1）处理完成的镶圈环片吊挂到超声波清洗槽中，在20-30千周频率下清洗3-5分钟，出槽后烘干；

3）对步骤2）处理完成的镶圈环片吊挂到720-730℃铝液保温槽中浸渍4-6分钟，即得。

其中步骤1）中铸铁空心型材按照质量百分比由以下组分组成：C为3.0-3.3%，Si为2.0-2.3%，Mn为0.5-0.7%，Ni为13.5-15%，Cu为5-6%，Cr为0.4-0.6%，Ti为0.08-0.12%，P≤0.15%，S≤0.08%，其余为Fe及微量杂质。

步骤3）浸渍过程期间作数次抖动，以便加速裹挟气体的逸出。

步骤1）中铸铁空心型材的石墨形态D/E型石墨所占比例不小于90%。

步骤1）中铸铁空心型材共晶团数量不小于2000个/cm²。

本发明的有益效果是：镶圈用垂直连铸方法拉制出的空心型材制造，其铸态组织中的共晶团数量为2000个/cm²以上，全断面呈现D/E型石墨但无传统铸造中与D/E型石墨相伴生的组织性能缺陷。镶圈在镶铸浸渍前进行超声清洗，将原来的（铁+石墨）异质复合表面改性成铁基同质表面，与铝合金熔体实现全面深度的熔接。本发明最终使活塞镶圈与铝合金基体的熔接强度显著提高。

附图说明

图1为本发明的镶圈D/E型石墨裸露状况的400倍放大照片；