專利名稱：鋁基陶瓷復合材料活塞的鑄造生產工藝的制作方法
技術領域：
本發明屬于鑄造技術領域，主要適用于內燃機活塞材料，它是繼高硅活塞之后開發的鋁合金第三代產品。
作為活塞材料，我國研究起步較晚，活塞生產廠家現處于過共晶鋁活塞(亦稱高硅活塞)試生產上，這就嚴重地影響內燃機活塞質量水平的提高和發展，而國外僅有少數幾個國家正在研究復合材料活塞，其目的是為了生產出內在質量和外觀質量更高的內燃機活塞，由于這種生產技術難度高和技術保密，至使我國在這方面的技術水平仍處于落后狀態。
針對這一情況，為了研究出我國特有的高水平的復合材料活塞生產技術，本發明提出一種鋁基陶瓷復合材料活塞的鑄造生產工藝，這一發明的實現，能夠使活塞高溫短時強度較之普通活塞提高一倍，達到180N/mm2，而線性膨脹系數降低了50%，達到1.04×10-5，耐磨性提高兩倍，活塞的使用壽命大于4000小時，鋁基陶瓷復合材料活塞不僅能夠滿足引進和自行設計新一代發動機的配套技術要求，而且為開發適應國際市場要求高速高功率發動機活塞開壁了道路。另外它還可以替代鍛鋁合金，鈦合金、鑄鐵、鑄鋼等。而且適宜于大功率，小體積、無水冷高溫、高效發動機的要求。
本發明是選用ZL108合金作為基體材料，陶瓷添加材料為碳化硅微粉顆粒，按其SiC(8～12%)+ZL(88～92%)的配比，經攪容法復合或懸浮燒杯法復合而成。
下面根據附圖具體闡述發明的全過程
圖1為攪容法復合裝置示意圖1、攪拌器2、坩堝蓋3、坩堝4、爐體5、氬氣入口圖2為懸浮澆杯裝置示意圖1、懸浮澆杯2、SiC微粉漏斗3、鑄型4、堵塞5、保溫材料6、氬氣入口7、引澆道一、復合材料活塞成份基體材料選用ZL108合金(GB1173～86)，陶瓷添加材料為碳化硅微粉顆粒，微粉顆粒直徑為10～15um，其配比為SiC(8～12%)+ZL108(88～92%)。
二、復合材料活塞鑄造生產工藝工藝流程為ZL108合金熔煉720℃～740℃變質-精煉740℃～760℃材料復合-澆注。
復合材料活塞鑄造工藝的關鍵為碳化硅微粉與鋁水很好地復合，在材料復合這道工藝中，采用攪溶法及懸浮澆杯法，取得的效果比較理想，由于鋁液容易氧化，材料復合過程均需要氬氣保護。以下分別敘述攪溶法與懸浮澆杯法的具體復合過程1、攪溶法復合攪溶法復合是當鋁水溶清、變質、精煉處理完畢后，將預熱的碳化硅微粉加入鋁水，在氬氣保護下，在坩堝內攪溶，如圖1所示。鋁水溫度控制在750℃左右，攪拌器轉速1400rpm，攪拌時間1.5～20分鐘。攪拌結束后即可開蓋澆注，鑄型預熱溫度300℃，要求在盡短時間內澆完。若中間間隔時間較長(超過15分鐘)，應蓋好蓋重新攪拌。
由于碳化硅微粉直接在鋁水中攪溶，與鋁水接觸時間長，復合材料中SiC的比例不受限制。值得提醒一點是，此種復合方法鋁液不能長時間放置，在生產上有一定的難度。
2、懸浮燒杯復合法懸浮澆杯復合法是在鑄型澆口上方設置一懸浮澆杯，如圖所示，所用鋁液在澆杯中的渦旋而產生的負壓效應，將碳化硅微粉自行吸入并攪拌均勻。
采用這種方法時，鋁水同正常熔煉相同，溫度控制在750℃左右，懸浮澆杯用氬氣保護。鑄型及懸浮杯的預熱溫度為300～350℃，將預熱500℃左右的碳化硅微粉加入漏斗，澆注時撥開堵塞，鋁水將微粉吸入。
懸浮澆注不受鋁水存放時間長短的限制，操作簡便，生產效率高，適于活塞的連續生產，由于在澆注中加入微粉，易造成鋁水的溫度降低應用這種方法時，澆注溫度適當高一些，同時，微粉的加入量不易大，一般為10%左右。
三、復合材料活塞機加工工藝機加工工藝按生產流水線設計，工藝流程為毛坯-車止口-粗鏜銷孔-粗車外園-粗車杯槽-精鏜銷孔-車止退槽-銷孔壓光-精車杯槽-精車外園-磨外園-質檢-成品。
復合材料活塞加工時，對刀具的磨損較快，生產中采用全鋼石刀具及YWZ硬質合全刀具，同時，最后的外圓加工采用磨削進行，活塞面粗造度為0.8。
從以上本發明的全過程可以看出，其優點在于(1)鑄造法生產的復合材料活塞，高溫強度比ZL108合全活塞提高一倍以上，耐磨性提高2倍，熱膨脹系數顯著降低(2)復合材料活塞是共晶及過晶鋁硅合金活塞的替代產品，它的開發成功，對于替代進口，國內高發動機的發展，以及促進整個活塞行業的技術提高都有重要意義。
權利要求
1.一種用于發動機活塞的復合材料，其特點在于它是選用ZL合金作為基體材料，碳化硅微粉顆粒作為陶瓷添加材料，按其SiC(8～12%)+ZL108(88～92%)的配比，經攪容法或懸浮澆杯法復合而成。
2.按照權利要求1所說的復合材料，其特征在于攪容法復合是當鋁水溶清、變質、精煉處理完畢后，將預熱的碳化硅微粉加入鋁水，在氬氣的保護下，在坩堝內攪溶，鋁水溫度控制在750℃，攪拌器轉速為1400rpm，攪拌時間為1.5～20分鐘攪拌結束后即可開蓋澆注，鑄型預熱溫度300℃，要求在短時間內澆完。若中間間隔時間較長(超過15鐘)，應蓋好蓋重新攪拌。
3.按照權利要求1所說的復合材料，其特征在于懸浮澆杯法復合是在鑄型澆口上方設置一懸浮澆杯，所用鋁液在澆杯中渦旋而產生的負壓效應，將碳化硅微粉自選吸入并攪拌均勻。在采用這種方法時，鋁水同正常溶煉相同，溫度控制在750℃，懸浮澆杯用氬氣保護，鑄型及懸浮杯的預熱溫度300～350℃，將預熱500℃，另外將預熱500℃左右的碳化硅化硅微粉加入漏斗，澆注時撥開堵塞，鋁水將碳化硅微粉吸入，由于澆注中加入微粉，易造成鋁水溫度降低，因此澆注溫度適當提高一些，同時碳化硅微粉的加入量不易大，一般為10%。
全文摘要
本發明是繼高硅活塞之后開發的第三代產品，發明選用ZL108合金作為基體材料，碳化硅微顆粒作為陶瓷添加材料，按SiC占8～12％、ZL108占88～92％的比例配制，然后經攪密法復合或懸浮澆杯法復合而成，經裝機考核，本發明的實現不僅能夠滿足引進和自行設計新一代發動機配套技術要求，而且為開發適應國際市場要求高速高功率發動機活塞開辟了道路。
文檔編號C22C1/10GK1105301SQ9311527
公開日1995年7月19日 申請日期1993年12月23日 優先權日1993年12月23日
發明者劉仲峰 申請人:山東省機械設計研究院