專利名稱：鋁活塞用鑄鐵鑲圈及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種活塞用的鑲圈，尤其是一種鋁活塞用普通鑄鐵鑲圈的結構、組份及其制造方法。
背景技術：
隨著國內外節能減排形勢的日趨嚴峻，通過減少鋁活塞的重量是減少發動機排放和降低燃油耗的途徑之一。為了增加鋁活塞的強度，提高活塞的壽命，在活塞的頭部一般需要增加一高強度的鑲圈。目前，行業中大多采用高鎳奧氏體鑲圈，這種鑲圈20 200°C的線膨脹系數> 18X ΙΟ"6，跟鋁合金接近，因此高鎳奧氏體鑲圈是與鋁活塞結合較好的鑲圈。 但是因為這種鑲圈必須加入大量的鎳，所以這種鑲圈的原材料成本和制造成本很高，目前材料成本價約為18. 3萬/噸；并且制造這種鑲圈大部分需采用離心鑄造，鑄件的殘余應力比較大，同時高鎳奧氏體鑲圈的機加工性能極差，這些缺點為活塞行業降低成本和提升發動機性能形成了一道障礙。如果采用普通合金鑄鐵鑄造鑲圈，普通合金鑄鐵鑲圈的成本較低，約為7000元/噸，并且可采用砂型鑄造、全自動造型機疊箱造型，比離心鑄造節約了材料。但是，眾所周知，合金鑄鐵的線膨脹系數為12X 10_6左右，比鋁合金的線膨脹系數19 21X10_6低，且由于鑲圈是圓環型結構，影響了鑲圈和鋁活塞本體的結合力，使鑲圈不能牢固的鑲嵌在鋁活塞本體上，經過一段時間使用后，有可能造成鑲圈的變形甚至從鋁活塞本體上脫落。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種能夠與鋁活塞牢固結合、工作性能好、且可降低制造成本的鋁活塞用鑄鐵鑲圈及其制造方法。為解決上述技術問題，本發明產品所采取的技術方案是一種鋁活塞用鑄鐵鑲圈， 包括圓環型本體以及位于圓環型本體外圓上的與圓環型本體一體成型的凸起的支撐臺，所述圓環型本體的內圓上開設有均勻分布的內齒；所述內齒的端面形狀為尖角處圓滑過度的三角形、等腰梯形、矩形或燕尾形的其中一種。所述的鋁活塞用鑄鐵鑲圈的材質含有下述重量百分含量的組份C 3. 4 4. 0%， Si 1. 8 2. 7%, Mn 0. 5 1. 0%, P 0. 25 0. 50%, S 0. 015 0. 025，Cr 0. 2 0. 5%, Cu 0. 2 0. 5%，Ti 0. 1 0. 25%，余量為 Fe。上述鋁活塞用鑄鐵鑲圈的制造方法，包括下述過程
(1)將所述各組份放入變頻電爐中進行熔煉，勻速升溫；到溫后經過兩次孕育處理，總孕育量為0. 2 0. 4% ；然后繼續升溫至過熱，出爐溫度1500°c，澆注溫度為1380 1420°C;
(2)在自動造型機上用砂型鑄造，采用疊箱造型；
(3)對鑲圈毛坯拋丸處理，清除表面粘砂，并進行去應力處理；
(4)對鑲圈機加工，磨平兩端面，并去除尖角毛刺；
(5)再次對鑲圈進行拋丸處理，然后進行物理防銹保護處理。
采用上述技術方案所產生的有益效果在于
(1)本發明鑲圈結構獨特，鑲圈內壁設置有凹凸的齒形，在生產鋁活塞時鋁活塞的外表面也會形成凹凸的齒形，鑲圈的內齒和鋁活塞的鋁基體能夠形成非常強的結合力，減少了鋁活塞在高溫時的變形，并防止了使用過程中的脫圈現象。(2)本發明鑲圈的材質采用優選的合金配比，不含貴重的鎳，且加入耐磨的合金元素，可滿足鋁活塞的各項功能和性能。采用本發明鑄鐵成分的配比，鑲圈的線膨脹系數為 16 18X10-6，與鋁合金的線膨脹系數接近。由于采用了特殊合金鑄鐵鑲圈，使得鋁活塞在機加工過程中的切削性能極大改善，降低了加工刀具的消耗，可節省刀具費用約6元。本發明鑲圈與高鎳奧氏體鑲圈相比，可降低生產材料成本約8元/片，若全年生產鋁活塞毛坯 200萬只，可降低采購費用1600萬元，大大降低了生產成本。(3)本發明的制造方法為全自動造型機砂型鑄造，鑄造及機加工應力遠遠小于離心鑄造，可改善活塞的高溫體積穩定性，能達到很高的抗拉、抗彎強度和耐磨性能。本發明鑲圈不僅能滿足活塞在常溫和高溫下的工作性能，還降低了鋁活塞的制造成本，同時降低了活塞的重量，進而降低了燃油耗。
圖1是本發明實施例1結構示意圖； 圖2是圖1的A-A剖視圖3是本發明實施例2的結構示意圖； 圖4是本發明實施例3的結構示意圖； 圖5是本發明實施例4的結構示意圖； 其中，1、支撐臺；2、圓環型本體；3、內齒。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細的說明。實施例1
本鋁活塞用鑄鐵鑲圈的結構參見附圖1和附圖2，本實施例中的鋁活塞用鑲圈結構中包括一圓環型本體2，在該圓環型本體2外圓上的中間部位設有一凸出的環形的支撐臺1， 所述支撐臺1與圓環型本體2是一體鑄造成型的。圓環型本體2的內圓為均布的內齒3，該實施例中內齒3的端面形狀為三角形，該三角形每個角均圓角過度，比較平緩。本實施例的鑲圈適用于活塞直徑小于IOOmm的鋁活塞。本實施例的鑄鐵鑲圈的材質選擇合適的碳、硅、錳、磷、硫、鉻、銅的含量，各成分的具體重量百分含量參見表1，其中每個實施例中的余量均為狗。本實施例的鋁活塞用鑄鐵鑲圈的制造方法包括下列過程。(1)將上述配比合適的原材料放入一噸變頻電爐熔煉，并進行兩次孕育處理，加入孕育劑，總孕育量為0. 2 0. 4%，然后繼續升溫至過熱，1500度出爐，澆注溫度1380 1420 度。( 2 )在自動造型機上采用砂型疊箱造型，然后進行澆注。(4)對所得的鑲圈毛坯拋丸處理，清除表面粘砂，并進行去應力處理。
(5)對鑲圈機加工，磨平兩端面。(6)對鑲圈進行表面處理去除尖角毛刺。(7)再次對鑲圈進行拋丸處理。(8)對鑲圈進行物理防銹保護處理，防止其生銹。(9)將鑲圈放到全自動澆鑄機中，澆鑄鋁活塞。本實施例的鑲圈的機械性能為(1)抗拉強度205Mpa ;(2)抗彎強度3 Mpa ； (3)金相組織為石墨5級，基體為珠光體；(4)硬度為98 HRB; (5)鑲圈結合力為17. 2 Mpa ； (6)活塞在高溫的體積穩定性0.019%。其完全可以滿足活塞的使用要求。實施例2
實施例2的鑲圈的結構與實施例1的結構基本相同，所不同的地方是內齒3的形狀不一樣。參見附圖3，實施例2中內齒的形狀為等腰梯形，等腰梯形的每相鄰兩個邊之間亦為圓角過渡。這種結構的鑲圈適用于活塞直徑為100 130mm的鋁活塞。本實施例的鑄鐵鑲圈的材質的重量百分含量參見表1，制造方法同實施例1 ；機械性能參見表2，其它性能或者金相組織與實施例1相同。實施例3
本實施例的鑲圈的結構與實施例1的不同之處是內齒3的形狀不同。參見附圖4，本實施例中內齒3的端面形狀為矩形，矩形的每相鄰兩個邊之間亦為圓角過渡。這種結構的鑲圈適用于活塞直徑130 150mm的鋁活塞。本實施例的鑄鐵鑲圈的材質的重量百分含量參見表1，制造方法同實施例1 ；機械性能參見表2，其它性能或者金相組織與實施例1相同。實施例4
本實施例的鑲圈的結構與實施例1的不同之處是內齒3的形狀不同。參見附圖5，本實施例中內齒3的端面形狀為燕尾形，燕尾形的每相鄰兩個邊之間亦為圓角過渡。這種結構的鑲圈適用于活塞直徑大于150mm的鋁活塞。本實施例的鑄鐵鑲圈的材質的重量百分含量參見表1，制造方法同實施例1 ；機械性能參見表2，其它性能或者金相組織與實施例1相同。實施例5 7
實施例5、6和7的結構分別與實施例2、3、4相同。本實施例的鑄鐵鑲圈的材質的重量百分含量參見表1，制造方法同實施例1 ；機械性能參見表2，其它性能或者金相組織與實施例1相同。表1各實施例的化學成分、硬度及金相組織
權利要求
1.一種鋁活塞用鑄鐵鑲圈，包括圓環型本體(2)以及位于圓環型本體(2)外圓上的與圓環型本體(2)—體成型的凸起的支撐臺(1)，其特征在于所述圓環型本體(2)的內圓上開設有均勻分布的內齒(3)；所述內齒(3)的端面形狀為尖角處圓滑過度的三角形、等腰梯形、矩形或燕尾形的其中一種。
2.權利要求1所述的鋁活塞用鑄鐵鑲圈，其特征在于其材質含有下述重量百分含量的組份=C 3. 4 4. 0%, Si 1. 8 2. 7%, Mn 0. 5 1. 0%, P 0. 25 0. 50%, S 0. 015 0. 025，Cr 0. 2 0. 5%, Cu 0. 2 0. 5% ,Ti 0. 1 0. 30%,余量為 Fe。
3.權利要求2所述的鋁活塞用鑄鐵鑲圈的制造方法，其特征在于包括下述過程(1)將所述各組份放入變頻電爐中進行熔煉，勻速升溫；到溫后經過兩次孕育處理，總孕育量為0. 2 0. 4% ；然后繼續升溫至過熱，出爐溫度1500°C，澆注溫度為1380 1420°C;(2)在自動造型機上用砂型鑄造，采用疊箱造型；(3)對鑲圈毛坯拋丸處理，清除表面粘砂，并進行去應力處理；(4)對鑲圈機加工，磨平兩端面，并去除尖角毛刺；(5)再次對鑲圈進行拋丸處理，然后進行物理防銹保護處理。
全文摘要
本發明公開了一種鋁活塞用鑄鐵鑲圈及其制造方法，其包括圓環型本體以及位于圓環型本體外圓上的與圓環型本體一體成型的凸起的支撐臺，圓環型本體的內圓上開設有均勻分布的內齒；內齒的端面形狀為尖角處圓滑過度的三角形、等腰梯形、矩形或燕尾形的其中一種。鑲圈的組份沒有使用貴重鎳，而是加入了其他耐磨的金屬材料；鑲圈的毛坯采用自動造型機砂型鑄造，疊箱造型，并進行拋丸處理。本發明鑲圈結構獨特，和鋁活塞的鋁基體有很強的結合力，防止鋁活塞在高溫時的變形和脫圈，能提高鑲圈和鋁的粘結力；本鑲圈的材質采用優選的合金配比，不含貴重的鎳，降低了生產成本；本制造方法的鑄造及機加工應力小于離心鑄造，可改善活塞的高溫體積穩定性。
文檔編號B22C9/22GK102384264SQ20111036182
公開日2012年3月21日 申請日期2011年11月16日 優先權日2011年11月16日
發明者張彩霞, 李樹林, 王季明, 郭正偉 申請人:石家莊金剛內燃機零部件集團有限公司