專利名稱：一種鑲鑄活塞體及其鑲鑄方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于活塞體制造領(lǐng)域，具體地說涉及一種鑲鑄活塞體及其鑄造方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著海上石油平臺、海上風(fēng)電場工程和跨海大橋工程等趨于大型化，對大型柴油打樁錘的施工效率要求愈來愈高，這勢必要求進一步提高柴油打樁錘上活塞的制造技術(shù)要求。作為筒式柴油打樁錘的關(guān)鍵性零件和主要沖擊做功件，柴油打樁錘的上活塞長期在高速度、高頻率與強烈沖擊條件下工作，因此，上活塞必須具有很高的強韌性和抗沖擊疲勞性，同時表面必須具有高硬度，并形成連續(xù)表面硬化層，便于柴油打樁錘的上活塞在高頻率沖擊做功過程中應(yīng)力波的傳遞。此外，上活塞的沖擊工作端還必須具有高硬度與高強韌性，以使上活塞在高頻率強烈沖擊過程中不蹋陷、不崩裂。目前柴油錘上活塞已經(jīng)采用 Φ800以上大截面球墨鑄鐵鑄件，如果繼續(xù)增加球墨鑄鐵鑄件的直徑和長度來提高筒式柴油打樁錘的打擊能量，顯然會造成球墨鑄鐵鑄件的芯部強度和表面硬度達不到要求，而且鑄件的鑄造也超過現(xiàn)有熔煉設(shè)備的要求。所以，本發(fā)明提出的鑲鑄活塞體及其鑄造方法，能滿足制造大型柴油錘大截面上活塞材質(zhì)的技術(shù)和性能要求。所謂鑲鑄工藝是預(yù)先將具有良好性能的預(yù)制塊放置在型腔指定部位，然后向型腔內(nèi)澆注具有特定性能的母液，通過母液強烈的熱作用，使預(yù)制塊(即鑲塊)與母液接觸的界面上在一定的時間內(nèi)處于熔化狀態(tài)并發(fā)生元素的相互擴散，冷凝后，鑲塊與母材牢固的熔焊為一體。鑲鑄工藝的優(yōu)點是可根據(jù)實際零部件的使用要求采用不同的形狀、厚度和材質(zhì)等的預(yù)制塊，母液可根據(jù)性能要求選用與鑲塊性能相匹配材料。另外，鑲鑄工藝過程簡單， 不需要增加新的設(shè)備。20世紀90年代以來，我國材料工作者采用鑲鑄法對高鉻白口鑄鐵一碳鋼雙金屬材料進行了廣泛的研究，沈陽鑄造研究所樸東學(xué)等人采用鑲鑄工藝，獲得兼具兩種材質(zhì)特性的整體復(fù)合件，滿足了零件安全、可靠和耐久要求。研究結(jié)果表明鑲鑄工藝生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定，雙金屬結(jié)合良好，結(jié)合部位的強度均高于白口鑄鐵，抗磨部位的白口鑄鐵和非抗磨部位的鑄鋼都保持自己的性能。另外，武漢汽車工業(yè)大學(xué)姚三九等人針對采用鑲鑄工藝生產(chǎn)復(fù)合鑄件時研究了鑲鑄件在其結(jié)合部位產(chǎn)生氣孔，夾雜及裂紋等缺陷的原因，分析了固態(tài)鋼芯的直徑、形狀以及鐵液化學(xué)成分中的硅和磷含量對白口鑄鐵內(nèi)表面裂紋的影響。此外，50 多家工廠現(xiàn)場實驗表明用鑲鑄法生產(chǎn)的復(fù)合錘頭、板錘和大型球磨機襯板等易磨損件耐磨性能和壽命均比原來用單一高錳鋼提高3倍以上，表明鑲鑄工藝方法為先進和經(jīng)濟合理的工藝路線。對于鑲鑄零部件而言，其質(zhì)量主要與澆鑄溫度、鑄型溫度、液固重量比以及鑲塊材料與母材的匹配等。對于大型柴油錘上活塞需要采用的大截面球墨鑄鐵的鑲鑄工藝和方法而言，目前還未發(fā)現(xiàn)相關(guān)的報道和專利
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對目前大型柴油錘上活塞采用的大截面球墨鑄鐵鑄件鑄造導(dǎo)致其力學(xué)性能不能滿足要求，特別是由于截面大，凝固速度緩慢而引起球墨畸變、球化不良和石墨漂浮等鑄造缺陷，提供一種可以有效地減少上述鑄造缺陷、改善大型柴油打樁錘大截面上活塞使用壽命的鑲鑄活塞體及其鑄造方法?；诖四康模景l(fā)明的技術(shù)方案是
一種鑲鑄活塞體，包括母材和預(yù)制圓棒，其特征在于預(yù)制圓棒位于活塞體芯部， 材質(zhì)為球墨鑄鐵，按重量百分比計，其成分為:C3. 0-3. 5%，Si3. 5-3. 9%，MnO. 27-0. 3%， P0. 048-0. 052%, SO. 018-0. 022%, MgO. 037-0. 043%, CuO. 08-0. 10%,其余為 Fe ；母材的材質(zhì)為球墨鑄鐵，按重量百分比計，其成分為C2. 9 3. 6%，Si2. 3 2. 9%，MnO. 3 0. 5% ； P^O. 11%, SO. 028 0. 037%, MgO. 042 0. 052%,殘存稀土氧化物 0. 038 0. 052%, CuO. 33 0. 40%，其余為!^e ；所述預(yù)制圓棒的熔點低于母材；所述預(yù)制圓棒與澆鑄母材的體積比應(yīng)彡1/4。上述鑲鑄活塞體，其特征在于預(yù)制圓棒材質(zhì)的金相組織為鐵素體+珠光體，石墨組織為球狀，球化級別不低于4級；所述母材的表面金相組織為細珠光體+鐵素體。上述鑲鑄活塞體，其特征在于預(yù)制圓棒的硬度為HB180-220，延伸率不低于7% ；所述母材的硬度為HB210-250，延伸率不低于2. 5%。上述鑲鑄活塞體，其鑄造方法包括以下步驟
1)根據(jù)鑲鑄活塞體的外形尺寸確定并制作預(yù)制圓棒；
2)對預(yù)制圓棒進行表面清潔處理，采用酸洗或噴丸處理，清除表面殘存的油污、氧化物和銹蝕物；
3)對預(yù)制圓棒進行表面預(yù)熱處理，在保護性氣體中加熱至480-535°C；
4)將經(jīng)過加熱的預(yù)制圓棒固定于鑄型的目標部位，然后用液態(tài)成型方法向鑄型中注入球墨鑄鐵鐵水，進行母材澆鑄，澆鑄溫度為148(Tl50(rC ；
5)對鑲鑄活塞體進行整體高溫擴散退火處理，退火溫度為1120°C，退火時間應(yīng)大于
16h ；
6)對鑲鑄活塞體進行整體正火處理，正火溫度為90(TC，保溫池后作空冷處理；
7)對鑲鑄活塞體進行整體回火處理，回火溫度為580°C，；保溫池后作空冷處理。本發(fā)明的有益效果是
1)有效提高大截面球墨鑄鐵鑄件上活塞的表面強度，并具有較高的硬度和延伸率，鑄件芯部也不會出現(xiàn)明顯強度不足以及石墨化不夠的缺陷；
2)由于鑲鑄的預(yù)制圓棒有較高的預(yù)熱溫度，同時，活塞體的母材澆鑄溫度 148(T150(TC，高于預(yù)制圓棒的熔化溫度，能有效保證預(yù)制圓棒與母材復(fù)合過程中液固界面產(chǎn)生一定的熔化，從而使兩者能形成有效的冶金結(jié)合，進一步提高復(fù)合界面的結(jié)合強度；
3)由于鑲鑄預(yù)制圓棒和母塊均為成分接近的球墨鑄鐵材質(zhì)，所以復(fù)合界面的潤濕性較好，而且兩者之間的膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)及彈性模量相差很小，因此，在復(fù)合界面處不容易出現(xiàn)較大的氣孔和明顯疏松，有利于改善鑲鑄活塞體的整體質(zhì)量；
4)由于鑲鑄時預(yù)制圓棒的預(yù)熱溫度較高，減少了母材澆鑄時的冷卻凝固溫度，從而進一步減少復(fù)合界面內(nèi)側(cè)產(chǎn)生的微裂紋；
5)采用活塞體整體高溫擴散退火工藝，能進一步促進預(yù)制圓棒與母材復(fù)合界面的冶金結(jié)合。


圖1是鑲鑄活塞體鑄造的結(jié)構(gòu)示意圖； 其中1-母材，2-預(yù)制圓棒。
具體實施例方式實施例1
參照附圖1，一種鑲鑄活塞體，包括母材1和預(yù)制圓棒2，預(yù)制圓棒2位于活塞體芯部， 材質(zhì)為球墨鑄鐵，按重量百分比計，其成分為C3. 2%，Si3. 6%，MnO. 275%，P0. 048-0. 052%, SO. 018-0. 022%, MgO. 037-0. 043%, CuO. 085%，其余為Fe ；母材1的材質(zhì)為球墨鑄鐵，按重量百分比計，其成分為:C3. 1%，Si2. 5%, MnO. 35% ；P ( 0. 11%, SO. 028 0. 037%, MgO. 042 0. 052%,殘存稀土氧化物0. 038 0. 052%, CuO. 35%，其余為!^e ；預(yù)制圓棒2的熔點低于母材 1 ；預(yù)制圓棒2材質(zhì)的金相組織為鐵素體+珠光體，石墨組織為球狀，球化級別不低于4級； 預(yù)制圓棒2與澆鑄母材1的體積比應(yīng)< 1/4 ；母材1的表面金相組織為細珠光體+鐵素體； 預(yù)制圓棒2的硬度為HB180-200，延伸率不低于8. 2% ；所述母材1的硬度為HB210-225，延伸率不低于3. 7%。實施例2
參照附圖1，一種鑲鑄活塞體，包括母材1和預(yù)制圓棒2，預(yù)制圓棒2位于活塞體芯部， 材質(zhì)為球墨鑄鐵，按重量百分比計，其成分為:C3. 3%，Si3. 7%，MnO. 28%, P0. 048-0. 052%, SO. 018-0. 022%, MgO. 037-0. 043%, CuO. 09%,其余為Fe ；母材1的材質(zhì)為球墨鑄鐵，按重量百分比計，其成分為:C3. 2%, Si2. 6%, MnO. 40%, P 彡 0· 11%, SO. 028 0. 037%, MgO. 042 0. 052%，殘存稀土氧化物0. 038 0. 052%, CuO. 365%，其余為Fe ；預(yù)制圓棒2的熔點低于母材1 ；預(yù)制圓棒2材質(zhì)的金相組織為鐵素體+珠光體，石墨組織為球狀，球化級別不低于4 級；預(yù)制圓棒2與澆鑄母材1的體積比應(yīng)< 1/4 ；母材1的表面金相組織為細珠光體+鐵素體；預(yù)制圓棒2的硬度為HB190-210，延伸率不低于7. 7% ；所述母材1的硬度為HB215-230， 延伸率不低于3. H實施例3
參照附圖1，一種鑲鑄活塞體，包括母材1和預(yù)制圓棒2，預(yù)制圓棒2位于活塞體芯部， 材質(zhì)為球墨鑄鐵，按重量百分比計，其成分為C3. 4%，Si3. 8%，MnO. 285%, P0. 048-0. 052%, S0. 018-0. 022%, MgO. 037-0. 043%, CuO. 095%，其余為Fe ；母材1的材質(zhì)為球墨鑄鐵，按重量百分比計，其成分為:C3. 3%, Si2. 7%, MnO. 45%, P 彡 0· 11%, SO. 028 0. 037%, MgO. 042 0. 052%,殘存稀土氧化物0. 038 0. 052%, CuO. 38%，其余為!^e ；預(yù)制圓棒2的熔點低于母材 1 ；預(yù)制圓棒2材質(zhì)的金相組織為鐵素體+珠光體，石墨組織為球狀，球化級別不低于4級； 預(yù)制圓棒2與澆鑄母材1的體積比應(yīng)< 1/4 ；母材1的表面金相組織為細珠光體+鐵素體； 預(yù)制圓棒2的硬度為HB200-210，延伸率不低于7. 2% ；所述母材1的硬度為HB225-M0，延伸率不低于2. 7%。該鑲鑄活塞體的鑄造方法包括以下步驟
1)根據(jù)鑲鑄活塞體的外形尺寸確定預(yù)制圓棒2的尺寸，鑲鑄預(yù)制圓棒2和母材1的體積可以通過直徑和高度進行適當調(diào)整，但鑲鑄預(yù)制圓棒2與母材1的體積比應(yīng)小于1/4，同時，預(yù)制圓棒2的外形尺寸和定位高度H可根據(jù)活塞體的具體尺寸作適當調(diào)整。2)對預(yù)制圓棒2進行表面清潔處理，采用酸洗或噴丸處理，清除表面殘存的油污、 氧化物和銹蝕物，使其表面清潔。3)對預(yù)制圓棒2進行表面預(yù)熱處理，在保護性氣體中加熱至480_535°C，以避免預(yù)制圓棒2因表面氧化對其界面結(jié)合強度的不利影響。同時，應(yīng)注意控制預(yù)制圓棒2從加熱爐中取出到澆鑄的時間，要盡量減少其表面氧化時間，以保證預(yù)制圓棒2與母材1復(fù)合界面的質(zhì)量，從而增強鑲鑄活塞體的使用壽命。4)將經(jīng)過加熱的預(yù)制圓棒2固定于鑄型的目標部位，然后用液態(tài)成型方法向鑄型中注入球墨鑄鐵鐵水，進行母材1澆鑄，澆鑄溫度為148(Γ1500 ;由于由于鑲鑄預(yù)制圓棒2 的熔化溫度低于母材1，因此，當向鑄型中澆鑄球墨鑄鐵鐵水時，其較高的澆鑄溫度足以使預(yù)制圓棒2在澆鑄后相當長一段時間里處于高溫，而溫度對擴散速度的影響呈指數(shù)變化， 使擴散速率大大提高，從而使其有一定量的相互擴散而形成結(jié)合良好的擴散結(jié)合。另外，預(yù)制圓棒2外層在高溫球墨鑄鐵鐵水的沖刷下，其表面層約有20-30mm的厚度層被再次熔化并混合，最終凝固后復(fù)合界面達到冶金熔合，有利于界面冶金熔合。5)對鑲鑄活塞體進行整體高溫擴散退火處理，退火溫度為1120°C，退火時間應(yīng)大于16h ；退火時間可根據(jù)鑲鑄工藝制造的活塞直徑適當增加，這樣，有利于進一步改善鑲鑄預(yù)制圓棒2復(fù)合界面的結(jié)合強度。6)對鑲鑄活塞體進行整體正火處理，正火溫度為900°C，保溫池后作空冷處理，使鑲鑄活塞體的表面金相組織為細珠光體+鐵素體，芯部金相組織為鐵素體+珠光體。7)對鑲鑄活塞體進行整體回火處理，回火溫度為580°C，；保溫池后作空冷處理， 進一步消除正火帶來的內(nèi)應(yīng)力。
權(quán)利要求
1.一種鑲鑄活塞體，包括母材和預(yù)制圓棒，其特征在于，預(yù)制圓棒位于活塞體芯部， 材質(zhì)為球墨鑄鐵，按重量百分比計，其成分為:C3. 0-3. 5%，Si3. 5-3. 9%，MnO. 27-0. 3%， P0. 048-0. 052%, SO. 018-0. 022%, MgO. 037-0. 043%, CuO. 08-0. 10%,其余為 Fe ；母材的材質(zhì)為球墨鑄鐵，按重量百分比計，其成分為C2. 9 3. 6%，Si2. 3 2. 9%，MnO. 3 0. 5% ； P^O. 11%, SO. 028 0. 037%, MgO. 042 0. 052%,殘存稀土氧化物 0. 038 0. 052%, CuO. 33 0. 40%,其余為Fe ；所述預(yù)制圓棒的熔點低于母材；所述預(yù)制圓棒與澆鑄母材的體積比應(yīng)彡1/4。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑲鑄活塞體，其特征在于，預(yù)制圓棒材質(zhì)的金相組織為鐵素體+珠光體，石墨組織為球狀，球化級別不低于4級；所述母材的表面組織為細珠光體+鐵素體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鑲鑄活塞體，其特征在于，預(yù)制圓棒的硬度為HB180-220，延伸率不低于7% ；所述母材的硬度為HB210-250，延伸率不低于2. 5%。
4.一種鑲鑄活塞體的鑲鑄方法，其特征在于，鑄造方法包括以下步驟1)根據(jù)鑲鑄活塞體的外形尺寸確定并制作預(yù)制圓棒；2)對預(yù)制圓棒進行表面清潔處理，采用酸洗或噴丸處理，清除表面殘存的油污、氧化物和銹蝕物；3)對預(yù)制圓棒進行表面預(yù)熱處理，在保護性氣體中加熱至480-535°C;4)將經(jīng)過加熱的預(yù)制圓棒固定于鑄型的目標部位，然后用液態(tài)成型方法向鑄型中注入球墨鑄鐵鐵水，進行母材澆鑄，澆鑄溫度為148(Tl50(rC ；5)對鑲鑄活塞體進行整體高溫擴散退火處理，退火溫度為1120°C，退火時間應(yīng)大于16h ；6)對鑲鑄活塞體進行整體正火處理，正火溫度為90(TC，保溫池后作空冷處理；7)對鑲鑄活塞體進行整體回火處理，回火溫度為580°C，保溫2h后作空冷處理。
全文摘要
本發(fā)明屬于活塞體制造領(lǐng)域，具體地說涉及一種鑲鑄活塞體及其鑄造方法。鑲鑄活塞體包括母材和預(yù)制圓棒，材質(zhì)為球墨鑄鐵，預(yù)制圓棒的熔點低于母材，預(yù)制圓棒與澆鑄母材的體積比應(yīng)≤1/4。鑲鑄活塞體的表面組織為細珠光體＋鐵素體，芯部金相組織為鐵素體＋珠光體。其鑄造方法為預(yù)制圓棒制作、表面清潔和預(yù)熱處理；在鑄型目標部位固定預(yù)制圓棒后澆鑄母材，澆鑄溫度1480~1500℃；活塞體作高溫擴散退火處理，溫度1120℃，大于16h；活塞體作正火處理，溫度900℃，保溫2h后空冷；活塞體作回火處理，溫度580℃，保溫2h后空冷。本發(fā)明能有效減少鑄件球墨畸變、球化不良和石墨漂浮等缺陷，提高柴油錘上活塞的使用壽命。
文檔編號C22C37/04GK102401129SQ20101028197
公開日2012年4月4日 申請日期2010年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月15日
發(fā)明者俞凌霏, 周細應(yīng), 張國強, 張慧穎, 陶雷, 龔秀剛 申請人:上海工程機械廠有限公司