一种内燃机配件的铸造工艺
阅读说明：本技术 一种内燃机配件的铸造工艺 (Casting process of internal combustion engine accessory ) 是由 陈涛 敖三林 黄建民 魏端华 于 2021-08-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种内燃机配件的铸造工艺,涉及汽车零件加工领域,具体方法为：先将原料进行熔融,得到金属熔液,将金属熔液往具有内燃机配件模型的砂型中浇注,然后依序冷却和落砂,得到内燃机配件初坯,在内燃机配件初坯上涂覆一热障涂层；所述热障涂层包括一隔热层和一致密层；所述隔热层采用为多孔材料堆积形成,所述致密层采用混合有金属粘结剂的陶瓷粉体热熔而成。本发明通过在初坯上进行涂覆热障涂层,能够有效减少内燃机配件的热量散失,提高了其热能的使用率。(The invention discloses a casting process of internal combustion engine accessories, which relates to the field of automobile part processing, and specifically comprises the following steps: melting raw materials to obtain molten metal, pouring the molten metal into a sand mold with an internal combustion engine accessory model, sequentially cooling and shakeout to obtain an internal combustion engine accessory initial blank, and coating a thermal barrier coating on the internal combustion engine accessory initial blank; the thermal barrier coating comprises a thermal insulation layer and a dense layer; the heat insulation layer is formed by stacking porous materials, and the compact layer is formed by hot melting of ceramic powder mixed with a metal binder. According to the invention, the thermal barrier coating is coated on the primary blank, so that the heat loss of the internal combustion engine fitting can be effectively reduced, and the utilization rate of the heat energy is improved.)
技术领域
本发明涉及汽车零件加工领域，具体讲是一种内燃机配件的铸造工艺。
背景技术
内燃机是工农业生产中的主要动力机械之一，其在船舶、汽车、飞机、工程建筑机械等各方面获得了广泛的应用。随着工业的发展，对内燃机的要求也越来越高，从而对内燃机配件也同样要求需要有着优异的性能。
在传统内燃机内，由于内燃机包括一个或多个气缸。每个气缸限定燃烧室。在操作期间，内燃机燃烧该燃烧室中的空气/燃料混合物以移动被设置在气缸中的活塞。即利用热能来进行转化动能或机械能，如果热量过多散失，即减少了其转化动能的能量，因此，需要减少内燃机配件如气缸缸体的热量散失。
发明内容
本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种内燃机配件的铸造工艺。
本发明的技术解决方案如下：
一种内燃机配件的铸造工艺，先将原料进行熔融，得到金属熔液，将金属熔液往具有内燃机配件模型的砂型中浇注，然后依序冷却和落砂，得到内燃机配件初坯，在内燃机配件初坯上涂覆一热障涂层；
所述热障涂层包括一隔热层和一致密层；所述隔热层采用为多孔材料堆积形成，所述致密层采用混合有金属粘结剂的陶瓷粉体热熔而成。
优选地，所述多孔材料为活性炭、玻璃微珠和沸石的一种或多种混合物。
优选地，所述多孔材料至少为第一粒径段颗粒、第二粒径段颗粒以及第三粒径段颗粒组成，第一粒径段为1-5μm，第二粒度段为10-30μm，第三粒径段为50-70μm。
优选地，所述多孔材料还混合有由Si、C以及N组成的纳米微粉。
优选地，所述金属粘结剂为合金材料，其主要成分及质量百分比为：Co10-40％、Cr15-40％、Al 5-20％、Y 0.1-1％和S 0-0.0012％，其余为Ni。
优选地，所述涂覆的方法具体为在内燃机配件初坯上铺上一层多孔材料，然后继续铺上金属粘结剂，同时进行振动，最后铺上陶瓷粉体，铺好后采用激光热熔的方法将其粘结于内燃机配件初坯上。
优选地，在内燃机配件初坯涂覆完热障涂层之后，还包括以下步骤，将涂覆完热障涂层的内燃机配件初坯在真空或惰性气体环境下、700-1100℃之间保温1-3小时，然后在大气环境下、400-600℃之间保温0.5-1小时。
优选地，所述陶瓷粉体为氧化钇稳定氧化锆、氧化钙稳定氧化锆或是氧化镁稳定氧化锆材陶瓷料中的一种。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的一种内燃机配件的铸造工艺，通过在初坯上进行涂覆热障涂层，能够有效减少内燃机配件的热量散失，提高了其热能的使用率。即在内燃机配件初坯上依序涂覆采用多孔材料堆积而成的隔热层，然后涂覆上一层致密的陶瓷粉体，由于多孔材料本身具有丰富的孔结构，具有优异蓄热能力，另外通过其不同粒度的堆积，颗粒与颗粒之间也能形成一定的空隙，具有蓄热能力，因此，进一步减少了内燃机配件的散热能力。
(2)本发明的一种内燃机配件的铸造工艺，通过在多孔材料中混入由Si、C以及N组成的纳米微粉，在制备时结合振动，金属粘结剂会振动到多孔材料堆积的一部分空隙中，金属粘剂剂和纳米微粉会进行接触，由于该纳米微粉经过高温烧结将会结晶化形成碳化硅颗粒，随着烧结过程中碳化硅颗粒的增多，可以对氮化硅晶粒的细化起到促进作用，形成由均匀细小的晶粒结构构建的致密层，可以起到降低氧离子扩散的效果，降低了因氧化反应造成的铝元素被稀释，可以抑制金属粘结剂中的Ni、Cr等元素被进一步氧化形成大体积氧化物，从而可以降低热生长氧化层中较大应力的产生，减少热生长氧化层中微孔洞和微裂纹的形成和生长。
(3)本发明的一种内燃机配件的铸造工艺，对激光涂覆后的热障涂层进行后续热处理，热障涂层内部分解产生的组成氧化物将再次发生反应，使其内的氧化物处于稳定状态，将不会因长期使用使其氧化物与空气中氧接触进一步进行反应从而出现应力变大的情形，即热障涂层的稳定性得到显著提高，一方面，该处理使得金属粘结层与金属初坯之间进行了元素扩散、提高两者之间的结合力；另一方面，陶瓷粉体内部分解产生的组成氧化物将再次发生反应，极大提高了陶瓷层在自然环境下的稳定性，降低了粉化风险。
具体实施方式
以下以具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
需要说明的是：
以下内燃机配件初坯的制备方法如下：
按下述重量比配制基体合金炉料：硅11％、铜0.5％、镁0.4％、锰0.9％、钒0.2％、铝加至100％；将上述合金炉料加热熔融，将金属熔液往具有内燃机配件模型的砂型中浇注，然后依序冷却和落砂，得到内燃机配件初坯。
纳米微粉的制备方法：
按照质量配比为1:8，称取甲基二氯硅烷和二甲基二氯硅烷，采用分馏装置进行提纯，收集提纯后的馏分，控制甲基二氯硅烷的馏分温度为39℃，二甲基二氯硅烷的馏分温度为69℃，然后按照质量体积比为1:20g/ml，向容器中加入苯和收集的馏分，混匀后在240r/min快速搅拌下，以70ml/min的流量向反应容器中通入氨气，当溶液pH值达到8时，降低氨气流量至45ml/min，继续以150r/min搅拌反应3h，在氮气保护下过滤出白色沉淀，将滤液经减压蒸馏后得到先驱体，将先驱体经450℃气化，然后随由氮气和氨气按体积比为1:1组成的载气进入高温裂解炉，经1300℃气相反应裂解，得到由Si、C以及N组成的纳米微粉。
实施例1
在内燃机配件初坯铺上一层多孔材料，然后继续铺上金属粘结剂，同时进行振动，最后铺上陶瓷粉体，铺好后采用激光热熔的方法将其高温烧结于内燃机配件初坯上，其中多孔材料的隔热层为100μm，陶瓷层为300μm；将涂覆完热障涂层的内燃机配件初坯在真空或惰性气体环境下、850℃之间保温1小时，然后在大气环境下、400℃之间保温0.5小时。
多孔材料采用活性炭，其具有第一粒径段颗粒、第二粒径段颗粒以及第三粒径段颗粒组成，第一粒径段为1-3μm，第二粒度段为10-20μm，第三粒径段为50-70μm；
多孔材料还混合有由Si、C以及N组成的纳米微粉，纳米微粉占多孔材料的质量比为5％。
金属粘结剂采用MCrAlY系列的合金材料，其主要成分及质量百分配比为：Co10％、Cr16％、Al 20％、Y 0.3％和S 0.0012％，其余为Ni。
所述陶瓷粉体为氧化钇稳定氧化锆(氧化钇质量占比7％)。
实施例2
在内燃机配件初坯铺上一层多孔材料，然后继续铺上金属粘结剂，同时进行振动，最后铺上陶瓷粉体，铺好后采用激光热熔的方法将其高温烧结于内燃机配件初坯上，其中多孔材料的隔热层为100μm，陶瓷层为300μm；将涂覆完热障涂层的内燃机配件初坯在真空或惰性气体环境下、750℃之间保温1小时，然后在大气环境下、450℃之间保温0.5小时。
多孔材料采用质量比1:1的活性炭和玻璃微珠的混合物，其具有第一粒径段颗粒、第二粒径段颗粒以及第三粒径段颗粒组成，第一粒径段为2-5μm，第二粒度段为15-30μm，第三粒径段为50-60μm；
多孔材料还混合有由Si、C以及N组成的纳米微粉，纳米微粉占多孔材料的质量比为6％。
金属粘结剂采用MCrAlY系列的合金材料，其主要成分及质量百分配比为：Co10％、Cr16％、Al 20％、Y 0.3％和S 0.0012％，其余为Ni。
所述陶瓷粉体为氧化钇稳定氧化锆(氧化钇质量占比7％)。
实施例3
在内燃机配件初坯铺上一层多孔材料，然后继续铺上金属粘结剂，同时进行振动，最后铺上陶瓷粉体，铺好后采用激光热熔的方法将其高温烧结于内燃机配件初坯上，其中多孔材料的隔热层为100μm，陶瓷层为300μm；将涂覆完热障涂层的内燃机配件初坯在真空或惰性气体环境下、85℃之间保温1小时，然后在大气环境下、400℃之间保温0.5小时。
多孔材料采用质量比1:2的活性炭和沸石的混合物，其具有第一粒径段颗粒、第二粒径段颗粒以及第三粒径段颗粒组成，第一粒径段为3-5μm，第二粒度段为12-30μm，第三粒径段为56-70μm；
多孔材料还混合有由Si、C以及N组成的纳米微粉，纳米微粉占多孔材料的质量比为5％。
金属粘结剂采用MCrAlY系列的合金材料，其主要成分及质量百分配比为：Co10％、Cr16％、Al 20％、Y 0.3％和S 0.0012％，其余为Ni。
所述陶瓷粉体为氧化钇稳定氧化锆(氧化钇质量占比7％)。
实施例4
在内燃机配件初坯铺上一层多孔材料，然后继续铺上金属粘结剂，同时进行振动，最后铺上陶瓷粉体，铺好后采用激光热熔的方法将其高温烧结于内燃机配件初坯上，其中多孔材料的隔热层为100μm，陶瓷层为300μm；将涂覆完热障涂层的内燃机配件初坯在真空或惰性气体环境下、950℃之间保温1小时，然后在大气环境下、400℃之间保温0.5小时。
多孔材料采用质量比1：1：1的活性炭、玻璃微珠和沸石的混合物，其具有第一粒径段颗粒、第二粒径段颗粒以及第三粒径段颗粒组成，第一粒径段为1-3μm，第二粒度段为18-30μm，第三粒径段为60-70μm；
多孔材料还混合有由Si、C以及N组成的纳米微粉，纳米微粉占多孔材料的质量比为5％。
金属粘结剂采用MCrAlY系列的合金材料，其主要成分及质量百分配比为：Co10％、Cr16％、Al 20％、Y 0.3％和S 0.0012％，其余为Ni。
所述陶瓷粉体为氧化钇稳定氧化锆(氧化钇质量占比7％)。
实施例5
在内燃机配件初坯铺上一层多孔材料，然后继续铺上金属粘结剂，同时进行振动，最后铺上陶瓷粉体，铺好后采用激光热熔的方法将其高温烧结于内燃机配件初坯上，其中多孔材料的隔热层为100μm，陶瓷层为300μm；将涂覆完热障涂层的内燃机配件初坯在真空或惰性气体环境下、1100℃之间保温1小时，然后在大气环境下、500℃之间保温0.5小时。
多孔材料采用活性炭，其具有第一粒径段颗粒、第二粒径段颗粒以及第三粒径段颗粒组成，第一粒径段为1-4μm，第二粒度段为21-30μm，第三粒径段为57-70μm；
多孔材料还混合有由Si、C以及N组成的纳米微粉，纳米微粉占多孔材料的质量比为7％。
金属粘结剂采用MCrAlY系列的合金材料，其主要成分及质量百分配比为：Co10％、Cr16％、Al 20％、Y 0.3％和S 0.0012％，其余为Ni。
所述陶瓷粉体为氧化钙稳定氧化锆(氧化钙质量占比5％)。
对比例1(无隔热层)
在内燃机配件初坯铺上金属粘结剂，然后铺上陶瓷粉体，铺好后采用激光热熔的方法将其高温烧结于内燃机配件初坯上，陶瓷层为300μm；将涂覆完热障涂层的内燃机配件初坯在真空或惰性气体环境下、85℃之间保温1小时，然后在大气环境下、400℃之间保温0.5小时。
金属粘结剂采用MCrAlY系列的合金材料，其主要成分及质量百分配比为：Co10％、Cr16％、Al 20％、Y 0.3％和S 0.0012％，其余为Ni。
所述陶瓷粉体为氧化钇稳定氧化锆(氧化钇质量占比7％)。
对比例2(无纳米微粉)
在内燃机配件初坯铺上一层多孔材料，然后继续铺上第一层金属粘结剂，同时进行振动，最后铺上陶瓷粉体，铺好后采用激光热熔的方法将其高温烧结于内燃机配件初坯上，其中多孔材料的隔热层为100μm，陶瓷层为300μm；将涂覆完热障涂层的内燃机配件初坯在真空或惰性气体环境下、85℃之间保温1小时，然后在大气环境下、400℃之间保温0.5小时。
多孔材料采用质量比1:2的活性炭和沸石的混合物，其具有第一粒径段颗粒、第二粒径段颗粒以及第三粒径段颗粒组成，第一粒径段为1-3μm，第二粒度段为20-30μm，第三粒径段为60-70μm；
金属粘结剂采用MCrAlY系列的合金材料，其主要成分及质量百分配比为：Co10％、Cr16％、Al 20％、Y 0.3％和S 0.0012％，其余为Ni。
所述陶瓷粉体为氧化钇稳定氧化锆(氧化钇质量占比7％)。
对比例3(无后续热处理)
在内燃机配件初坯铺上一层多孔材料，然后继续铺上第一层金属粘结剂，同时进行振动，最后铺上陶瓷粉体，铺好后采用激光热熔的方法将其高温烧结于内燃机配件初坯上，其中多孔材料的隔热层为100μm，陶瓷层为300μm。
多孔材料采用质量比1:2的活性炭和沸石的混合物，其具有第一粒径段颗粒、第二粒径段颗粒以及第三粒径段颗粒组成，第一粒径段为1-3μm，第二粒度段为20-30μm，第三粒径段为60-70μm；
多孔材料还混合有由Si、C以及N组成的纳米微粉，纳米微粉占多孔材料的质量比为5％。
金属粘结剂采用MCrAlY系列的合金材料，其主要成分及质量百分配比为：Co10％、Cr16％、Al 20％、Y 0.3％和S 0.0012％，其余为Ni。
所述陶瓷粉体为氧化钇稳定氧化锆(氧化钇质量占比7％)。
对上述实施例和对比例进行性能测试，测试方法和测试结果如下。
高温高压加速湿热试验：具体过程是：在一个高压釜内放入容积2/3的去离子水，水上部有一个筛网，筛网上放置上述实施例和对比例的实验样品(取10cm×10cm样品铸件试样)；将高压釜加热至160℃，内部气压达到0.6MPa，保温240小时。该高温高压加速湿热试验1小时对热障涂层的破坏作用相当于在自然环境下贮存至少0.5个月的变化，即高温高压加速湿热试验240小时相当于自然环境贮存至少10年。观察试验1h、10h、100h以及240h，观察热障涂层的变化，。
热导率：参考GB/T39862-2021.
测试结果见表下表。
试样
1h
10h
100h
240h
热导率W/mK
实施例1
无裂纹
无裂纹
无裂纹
无裂纹
1.3
实施例2
无裂纹
无裂纹
无裂纹
无裂纹
1.2
实施例3
无裂纹
无裂纹
无裂纹
无裂纹
1.4
实施例4
无裂纹
无裂纹
无裂纹
无裂纹
1.3
实施例5
无裂纹
无裂纹
无裂纹
无裂纹
1.2
对比例1
无裂纹
无裂纹
有裂纹
出现粉化
2.3
对比例2
无裂纹
无裂纹
有裂纹
出现粉化
1.7
对比例3
无裂纹
无裂纹
有裂纹
出现粉化
1.6
从上表可以看出，实施例性能较对比例优异，主要的原因可能如下，经过对比例1的分析，可知，实施例中增设隔热层，在内燃机配件初坯上依序涂覆采用多孔材料堆积而成的隔热层，然后涂覆上一层致密的陶瓷粉体，由于多孔材料本身具有丰富的孔结构，具有优异蓄热能力，另外通过其不同粒度的堆积，颗粒与颗粒之间也能形成一定的空隙，具有蓄热能力，因此，进一步减少了内燃机配件的散热能力。同时减少热能对热障涂料的热效应，从而减少热应力产生的裂纹或是粉化现象；通过对比例2的分析可知，实施例中通过在多孔材料中混入由Si、C以及N组成的纳米微粉，在制备时结合振动，金属粘结剂会振动到多孔材料堆积的一部分空隙中，金属粘剂和纳米微粉会进行接触，由于该纳米微粉经过高温烧结将会结晶化形成碳化硅颗粒，随着烧结过程中碳化硅颗粒的增多，可以对氮化硅晶粒的细化起到促进作用，形成由均匀细小的晶粒结构构建的致密层，可以起到降低氧离子扩散的效果，降低了因氧化反应造成的铝元素被稀释，可以抑制金属粘结剂中的Ni、Cr等元素被进一步氧化形成大体积氧化物，从而可以降低热生长氧化层中较大应力的产生，减少热生长氧化层中微孔洞和微裂纹的形成和生长，从而提高了其热稳定性，减少了粉化的可能；通过对比例3的分析可知，实施例中对激光涂覆后的热障涂层进行后续热处理，热障涂层内部分解产生的组成氧化物将再次发生反应，使其内的氧化物处于稳定状态，将不会因长期使用使其氧化物与空气中氧接触进一步进行反应从而出现应力变大的情形，即热障涂层的稳定性得到显著提高，一方面，该处理使得金属粘结层与金属初坯之间进行了元素扩散、提高两者之间的结合力；另一方面，陶瓷粉体内部分解产生的组成氧化物将再次发生反应，极大提高了陶瓷层在自然环境下的稳定性，降低了粉化风险，大大提高了其寿命。
在不出现冲突的前提下，本领域技术人员可以将上述附加技术特征自由组合以及叠加使用。
以上所述仅为本发明的优先实施方式，只要以基本相同手段实现本发明目的的技术方案都属于本发明的保护范围之内。
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