專利名稱：鋁活塞底冒口補(bǔ)縮澆鑄工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種鋁活塞澆鑄工藝。

發(fā)明內(nèi)容
汽車活塞被稱為發(fā)動機(jī)的心臟，它是發(fā)動機(jī)中最重要的零件之一，其功用是承受氣體壓力，并通過活塞銷傳給連桿驅(qū)使曲軸旋轉(zhuǎn)。汽車活塞是個圓桶狀，沿縱向分成3個區(qū)裙部、環(huán)槽和頂部，其中裙部僅起導(dǎo)向作用，所以壁厚極其細(xì)??；環(huán)槽區(qū)要切深度為壁厚1/3-1/2的3-4道環(huán)槽，其壁厚設(shè)計得較厚，通常是裙部壁厚的3-6倍；頂部與銷孔座之間是承受高的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷的主要部位是活塞壁厚最厚的位置，通常是裙部壁厚的10-15倍。圖1是SQR372轎車活塞的結(jié)構(gòu)簡圖，從中可看出活塞壁厚極不均勻，外形很特殊帶有2個凹面，其中各有一個銷孔，頂部有鑄造成型的橢圓盆型燃燒室和4個氣門坑，因而需要采用1個垂直分型面和2個水平分型面。
在發(fā)動機(jī)工作時，活塞直接與瞬時溫度2200攝氏度的高溫氣體接觸，其頂部溫度達(dá)300℃-400℃，且溫度分布不均勻；在做功行程時活塞頂部承受著很大的氣體壓力，汽油機(jī)達(dá)4MPa-5MPa，柴油機(jī)高8MPa-9MPa，甚至更高；此外，活塞在氣缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動線速度可達(dá)11m/s-16m/s；在這種惡劣的條件下工作，活塞承受著高溫、高壓的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷。因此活塞作為汽車發(fā)動機(jī)中傳遞能量的一個非常重要的構(gòu)件，對其具有特殊的要求密度小、質(zhì)量輕、熱傳導(dǎo)性好、熱膨脹系數(shù)??；并具有足夠的高溫強(qiáng)度、耐磨和耐蝕性能、尺寸穩(wěn)定性好。
由金屬型重力鑄造發(fā)展到低壓鑄造、擠壓鑄造，活塞的宏觀組織和抗拉強(qiáng)度雖然得到很好改善，但不適用于內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜、鑲鋼片(奧氏體鑄鐵圈)、內(nèi)冷油道等高技術(shù)含量汽車發(fā)動機(jī)活塞，于是不得不在金屬型重力鑄造工藝上進(jìn)行了一系列的改進(jìn)由最早的雙側(cè)冒口補(bǔ)縮工藝發(fā)展到單側(cè)冒口補(bǔ)縮工藝；由活塞頂部向下的側(cè)冒口補(bǔ)縮工藝發(fā)展到活塞頂部向上的頂冒口補(bǔ)縮機(jī)械下抽芯鑄造工藝。經(jīng)過這一系列的演變活塞的宏觀組織得到很大提高，但需要投入大量資金購置下抽芯鋁活塞鑄造機(jī)、模具制造難度也增加了許多、對頂部鑄造成型的活塞不易保證尺寸精度。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種鋁活塞底冒口補(bǔ)縮澆鑄工藝，通過在鋁活塞的底部增加冒口，使鋁活塞的組織致密，抗拉強(qiáng)度大大提高。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下 鋁活塞底冒口補(bǔ)縮澆鑄工藝，具有鋁活塞澆鑄金屬型，金屬型內(nèi)有相互聯(lián)通的鋁液側(cè)澆道及與鋁活塞形狀匹配的模腔，模腔底部對應(yīng)的鑄澆體為鋁活塞的環(huán)槽區(qū)，其特征在于在鋁活塞澆鑄模具的模腔底部設(shè)置補(bǔ)縮用冒口，所述的冒口處安裝保溫透氣的冒口套，大氣能通過所述的冒口套進(jìn)入模腔內(nèi)；然后，將金屬型進(jìn)行預(yù)熱至150℃-250℃，在金屬型的工作面噴刷涂料；再通過鋁液側(cè)澆道向模腔內(nèi)澆鑄700℃-730℃鋁液，同時向?qū)饘傩铜h(huán)壁進(jìn)行水冷，水冷溫度控制在40℃-60℃；當(dāng)冒口處鋁液基本凝固完畢，即可脫型。
所述的冒口為倒錐形凸臺形狀，高度15-25mm，底部外徑為20-30mm。
鋁活塞鑄件的快速凝固和底冒口的有效保溫是本發(fā)明的兩大核心技術(shù)鑄件從外(與金屬型接觸面)向內(nèi)凝固結(jié)殼和外界大氣隔絕才能在鑄件厚大部位內(nèi)產(chǎn)生真空。本發(fā)明對特別厚大的部位采取局部通水強(qiáng)冷，從而保證了整個鑄件實現(xiàn)從上到下的順序凝固。位于鋁活塞鑄件下方的冒口采用多孔海綿狀耐火材料制成的，具有保溫性能好、透氣性強(qiáng)的特點(diǎn)，保證了冒口內(nèi)的鋁液和大氣的連通，是底冒口補(bǔ)縮的動力源。冒口補(bǔ)縮距離要小于15mm、冒口高度要小于25mm。
本發(fā)明冒口位于鋁活塞要補(bǔ)縮的厚大部位下面，冒口補(bǔ)縮距離很短，對鋁活塞鑄件實現(xiàn)快速冷卻，對冒口采取有效的保溫，人為造成溫度梯度很大的溫度場，先凝固的鑄件由于收縮而在未凝固的冒口頸周圍產(chǎn)生局部真空，大氣壓的作用使下面冒口中未凝固的鋁液通過冒口頸壓入鑄件，從而實現(xiàn)對鑄件的類似于低壓鑄造的加壓(大氣壓)補(bǔ)縮，使鋁活塞的組織致密，抗拉強(qiáng)度大大提高。
本發(fā)明金屬型的排氣系統(tǒng)設(shè)計主要是通過冒口排氣、分型面排氣、以及在復(fù)雜的型腔和低凹處開設(shè)排氣孔。
金屬型的壁厚對鑄件的凝固速度、鑄型的壽命及鑄造生產(chǎn)率都有直接的影響。本發(fā)明是根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)來確定的，如下表 鋁活塞鑄件金屬型的壁厚mm 金屬型材料的選擇 選用鑄鐵、鑄鋼作為鋁合金金屬型外型的模具材料，平均壽命10000～50000次左右；型芯和底模采用美國鋼鐵學(xué)會(AISI)分類的H-13，相當(dāng)于國內(nèi)4Cr5MoSiV1鋼。這種鋼具有較高的熱強(qiáng)度和硬度，還具有較高的耐磨性和韌性，用它作模具，其鑄件尺寸穩(wěn)定、模具壽命長，一般大于100000次。
表1不同冒口補(bǔ)縮方法之間鋁活塞出品率的對比情況表
表2不同冒口補(bǔ)縮方法之間鋁活塞宏觀組織的對比情況表
表3不同冒口補(bǔ)縮方法之間鋁活塞抗拉強(qiáng)度的對比情況表
從以上的對比分析表中可以發(fā)現(xiàn)本發(fā)明補(bǔ)縮工藝的先進(jìn)性表現(xiàn)在如下幾方面 (1)、制造SQR372鋁活塞毛坯采用的底冒口補(bǔ)縮工藝方法能使鋁水工藝出品率由30％-50％提高到90％以上，節(jié)約了能源，降底了生產(chǎn)成本，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益； (2)、消除了國產(chǎn)活塞普遍在銷孔座或頂部出現(xiàn)宏觀縮松或顯微縮松的缺陷，縮短了國產(chǎn)活塞與國外活塞在宏觀組織上的差距； (3)、常溫抗拉強(qiáng)度和高溫抗拉強(qiáng)度在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平。



圖1為本發(fā)明鋁活塞結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明鋁活塞鑄件結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為金屬型模具結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施例方式 參見圖1，轎車鋁活塞包括有環(huán)槽區(qū)1、頂面區(qū)2、裙部區(qū)3。
參見圖2，在鋁活塞模具的側(cè)面有澆道4，鋁液從澆道4進(jìn)入模具。
參見圖3，為金屬型模具結(jié)構(gòu)；其中，包括有上金屬型5、下金屬型6，上金屬型5、下金屬型6之間有中金屬型7，所述的中金屬型7下端有底模8，所述的底模8中央有保溫透氣材料的底冒口9，下金屬型6下端有開孔，使得底冒口9通過該開孔與大氣聯(lián)通。中金屬型7周圍有冷卻水道系統(tǒng)11；所述的上金屬型5中間有開孔，開孔內(nèi)插入有型芯10。金屬型中間的空腔為型腔。
1、金屬型的預(yù)熱 為避免合金液冷卻速度太快，造成氣孔、冷隔、澆不足、縮孔等缺陷；保護(hù)金屬型避免急冷急熱而劇烈收縮和膨脹；減輕鑄件包緊力，便于脫型，金屬型需先預(yù)熱至1500C-2000C后噴刷涂料，再將外型、型芯、銷芯、底模加熱到200℃-300℃，才能進(jìn)行澆鑄。
2、金屬型涂料的使用 金屬型涂刷涂料是為了減輕鋁合金液對金屬型的“熱擊”作用，減小型壁內(nèi)應(yīng)力；根據(jù)工藝要求，對金屬型的表面不同部位噴刷不同成分和厚度的涂料，促使鑄件按規(guī)定方向順序凝固；利用涂料的保溫作用，降底型壁對金屬液的吸熱速度，相對提高其流動性。噴刷涂料前，清理金屬型工作面與排氣塞，然后預(yù)熱到所要求的溫度。噴刷涂料時，金屬型不同部位噴涂按表4規(guī)定的涂料種類及厚度。
表4 活塞鑄件金屬型鑄造常用涂料及用法 3、金屬型工作溫度 金屬型工作溫度和各部分的溫差對鑄件的冷卻溫度場有著重要的作用。對金屬型局部過熱區(qū)域強(qiáng)制水冷和風(fēng)冷是為了保證該區(qū)域保持正常的工作溫度，提高生產(chǎn)效率，同時消除過熱。金屬型工作溫度控制的有效手段是控制冷卻水出口溫度，出口溫度靠冷卻循環(huán)水循環(huán)速度調(diào)節(jié)，水溫設(shè)置在40℃-60℃。
4、澆鑄溫度及工藝 澆鑄溫度要選擇合適過高則鑄件冷卻緩慢，晶粒粗大，降底力學(xué)性能，易形成針孔、氣孔等缺陷；過低則易導(dǎo)致澆不足、冷隔等缺陷。鋁硅合金活塞底冒口補(bǔ)縮工藝的澆鑄溫度一般控制在700℃-730℃，由電阻保溫度自動控制，形狀復(fù)雜的薄壁活塞取上限，形狀簡單的厚壁活塞偏下限。澆鑄時澆包嘴盡可能接近澆口杯先慢后快、澆鑄平穩(wěn)、液流連續(xù)、并使合金液沿澆道壁流入型腔。
5、鑄件脫型時間 當(dāng)冒口基本凝固完畢，即可抽芯脫型。脫型太晚，鑄件包緊力相應(yīng)增加，造成金屬型外型分不開和型芯抽撥困難。
6、使用效果對比分析 SQR372活塞頂部四個氣門坑鑄造成型，在采用底冒口補(bǔ)縮工藝時，為使冒口能夠位于鑄件厚大的銷座下方，將冒口設(shè)計成圓臺型，高度15-25mm，底部外徑為20-30mm。
經(jīng)批量生產(chǎn)統(tǒng)計結(jié)果如下鋁活塞鑄件平均每只重398克，冒口平均每只11.3克，鑄造工藝出品率為90.3％；抽查了10只活塞的宏觀組織都在1-2級之間，沒有大于2級的情況出現(xiàn)；常溫抗拉強(qiáng)度都在330MPa以上、高溫抗拉強(qiáng)度都在130MPa以上。
權(quán)利要求
1、鋁活塞底冒口補(bǔ)縮澆鑄工藝，具有鋁活塞澆鑄金屬型，金屬型內(nèi)有相互聯(lián)通的鋁液側(cè)澆道及與鋁活塞形狀匹配的模腔，模腔底部對應(yīng)的鑄澆體為鋁活塞的環(huán)槽區(qū)，其特征在于在鋁活塞澆鑄模具的模腔底部設(shè)置補(bǔ)縮用冒口，所述的冒口處安裝保溫透氣的冒口套，大氣能通過所述的冒口套進(jìn)入模腔內(nèi)；然后，將金屬型進(jìn)行預(yù)熱至150℃-250℃，在金屬型的工作面噴刷涂料；再通過鋁液側(cè)澆道向模腔內(nèi)澆鑄700℃-730℃鋁液，同時向?qū)饘傩铜h(huán)壁進(jìn)行水冷，水冷溫度控制在40℃-60℃；當(dāng)冒口處鋁液基本凝固完畢，即可脫型。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁活塞底冒口補(bǔ)縮澆鑄工藝，其特征在于所述的冒口為倒錐形凸臺形狀，高度15-25mm，底部外徑為20-30mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鋁活塞底冒口補(bǔ)縮澆鑄工藝，具有鋁活塞澆鑄金屬型，金屬型內(nèi)有相互聯(lián)通的鋁液側(cè)澆道及與鋁活塞形狀匹配的模腔，模腔底部對應(yīng)的鑄澆體為鋁活塞的環(huán)槽區(qū)，其特征在于在鋁活塞澆鑄模具的模腔底部設(shè)置補(bǔ)縮用冒口，所述的冒口處安裝保溫透氣的冒口套，大氣能通過所述的冒口套進(jìn)入模腔內(nèi)；然后，將金屬型進(jìn)行預(yù)熱至150℃-250℃，在金屬型的工作面噴刷涂料；再通過鋁液側(cè)澆道向模腔內(nèi)澆鑄700℃-730℃鋁液，同時向?qū)饘傩铜h(huán)壁進(jìn)行水冷，水冷溫度控制在40℃-60℃；當(dāng)冒口處鋁液基本凝固完畢，即可脫型。使鋁活塞的組織致密，抗拉強(qiáng)度大大提高。
文檔編號B22C9/08GK101480700SQ200910116138
公開日2009年7月15日 申請日期2009年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月23日
發(fā)明者馮光陸, 梅 金 申請人:安徽省恒泰活塞制造有限公司