專利名稱：自生混合顆粒增強(qiáng)鋁合金缸套及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸部件，特別是一種自生混合顆粒增強(qiáng)鋁合金缸套及其制造方法。
背景技術(shù)：
缸套是內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零部件之一，其內(nèi)表面由于受到高溫高壓燃?xì)獾淖饔貌⑴c高速運(yùn)動(dòng)的活塞接觸而極易磨損。因此，缸套的機(jī)械性能和高溫?zé)嵝阅軐?duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率，使用壽命以及工作狀態(tài)有重要的影響。近年來(lái)，鋁合金缸套的技術(shù)開(kāi)發(fā)成為重要議題，已有技術(shù)中出現(xiàn)了高硅鋁合金缸套噴射冶金法、鋁合金氣缸內(nèi)表面涂覆處理工藝以及離心鑄造法制備Al-Si-Mg合金以及初晶Si/Mg2Si顆粒增強(qiáng)鋁合金缸套內(nèi)層工藝。另外，開(kāi)展了離心鑄造Al-Ni和Al-Ni-Si合金初生鋁鎳相梯度功能復(fù)合材料的基礎(chǔ)研究。同時(shí)，報(bào)道了采用Al-Ni-Si合金材料來(lái)制備發(fā)動(dòng)機(jī)箱體，汽缸套以及活塞的技術(shù)?，F(xiàn)分別敘述如下1.高硅鋁合金氣缸套的工藝主要是采用快速凝固噴射成形+高溫?cái)D壓。德國(guó)戴姆勒-奔馳汽車制造公司與PEAK公司合作已將該法應(yīng)用于部分高檔轎車發(fā)動(dòng)機(jī)缸套的制造(見(jiàn)中華人民共和國(guó)專利局“發(fā)明專利申請(qǐng)公開(kāi)說(shuō)明書(shū)”，發(fā)明名稱超共晶鋁合金汽缸襯筒及其制造方法；申請(qǐng)?zhí)?5117636.6 ；申請(qǐng)日95. 10. 24;
公開(kāi)日:1996年8月28曰)。 但是，該法工藝流程長(zhǎng)、設(shè)備投入大，氣缸套制造成本很高。2.鋁合金氣缸內(nèi)表面涂覆工藝主要是對(duì)鋁合金缸套內(nèi)表面進(jìn)行陶瓷化處理，如噴涂耐磨涂層或激光燒結(jié)Si，Al2O3等耐磨顆粒。該方法首先將發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和缸套同時(shí)整體鑄出，為了提高缸套的耐磨性，用激光熔化缸套的內(nèi)表面，同時(shí)將增強(qiáng)顆粒熔覆至缸套內(nèi)表面，然后機(jī)械加工成形。該法的主要不足在于熔覆層有孔洞，在使用過(guò)程中出現(xiàn)熔覆層脫落的現(xiàn)象。3.離心鑄造法制備初晶Si/Mg2Si顆粒增強(qiáng)缸套內(nèi)層工藝是最近被提出的(見(jiàn)中華人民共和國(guó)專利局“發(fā)明專利申請(qǐng)公開(kāi)說(shuō)明書(shū)”，發(fā)明名稱內(nèi)層顆粒增強(qiáng)缸套及其制造方法；申請(qǐng)?zhí)?200810070197. 0 ；申請(qǐng)日:2008. 8. 27 ；
公開(kāi)日:2009年1月7日)。這種方法的最大特點(diǎn)是盡可能的遵循了現(xiàn)有普通鑄鐵缸套的制造方法，生產(chǎn)效率高且工藝簡(jiǎn)單。然而，這種缸套由于是顆粒內(nèi)層增強(qiáng)，在離心鑄造過(guò)程中，鑄造夾渣、氣孔等缺陷與顆粒同時(shí)偏移至鑄件內(nèi)層區(qū)域，致使其機(jī)械加工難度增大，缸套成品率降低并影響了其耐磨性能。4.歐洲專利DE19845279A1號(hào)曾公開(kāi)一種采用Al-Ni-Si合金材料來(lái)制備發(fā)動(dòng)機(jī)箱體，汽缸套以及活塞。該專利文件僅研究了一定合金成分的Al-Ni-Si合金材料(Si 12-17% (wt.), Ni (4. 1+0. 2x Si% )到 12%，Cu，Mg，Mn，F(xiàn)e，Ti，B 和 P 總共 0. 5-8%，其余為Al)能用于制備發(fā)動(dòng)機(jī)零部件，最終獲得的組織是初晶Si均勻的分布在鋁鎳相和基體中。該專利涉及的制備發(fā)動(dòng)機(jī)箱體，汽缸套以及活塞的工藝方法是普通重力鑄造方法，沒(méi)有涉及到離心鑄造的方法。另外，該合金的Si含量較低，不足以形成足夠高硬度的初晶Si顆粒。
5.國(guó)內(nèi)外已經(jīng)報(bào)道了大量的關(guān)于Al-Ni 二元合金離心鑄造制備自生梯度功能復(fù)合材料(Functionally Gradient Materials，簡(jiǎn)稱 FGM)的基礎(chǔ)研究。日本學(xué)者 Yoshimi Watanabe等研究了離心鑄造制備的Al-Al3Ni功能梯度材料的顆粒尺寸、形狀，以及重力系數(shù)和冷卻速度等對(duì)顆粒梯度分布的影響(lkience and Engineering of Composite Materials Vol. 11，Nos. 2-3，2004，185-199.)。印度的 T. P. D. Rajan 等人研究了 Al 和不同含量的Ni (10-40% )在離心鑄造條件下制備Al-Al3Ni金屬間化合物梯度功能材料，通過(guò)對(duì)這些不同鎳含量的梯度材料組織性能的研究，發(fā)現(xiàn)Al-20% Ni材料通過(guò)離心鑄造能形成更好的梯度分布(見(jiàn) Journal of Alloys and Compounds 453 (2008) L4-L7) 張寶生等對(duì)Al-IONi和Al-13Ni金屬間化合物梯度功能材料進(jìn)行研究后認(rèn)為沿離心力的方向初生金屬間化合物相體積濃度和尺寸均呈現(xiàn)明顯的梯度分布，其物理力學(xué)性能的變化和強(qiáng)化相粒子的梯度分布具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系；控制離心加速率G可以獲得高濃度大梯度分布材料 (見(jiàn)哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)1998年4月第30卷第2期)。據(jù)相關(guān)報(bào)道，由Al-Ni 二元合金形成的Al3Ni顆粒梯度復(fù)合材料的硬度普遍不高， 不能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸套的耐磨性要求。另?yè)?jù)報(bào)道，日本學(xué)者Ohmi. T等采用復(fù)合離心鑄造的方法(Centrifugal Duplex Casting簡(jiǎn)稱⑶C)將Al-12. 6wt% Si的熔體先澆入旋轉(zhuǎn)模具，然后，立刻又澆入Al_30wt% Ni的熔體，得到了 Al-Ni和Al-Si兩種合金復(fù)合的功能梯度材料。兩種合金在模具中完全混合后的成分為 A1-7. 5% Ni-9% Si。(見(jiàn) JOURNAL OF THE JAPAN INSTITUTE OF METALS Vol. 64No. 7，JUL 2000，483-489)。該合金成分形成的Al3Ni顆粒的體積百分率很低，也不能形成高硬度的初晶Si顆粒。因此，材料的硬度和耐磨性不高。另外，這種兩次澆注的離心鑄造方法的工藝難度很大，實(shí)際應(yīng)用非常困難。除此之外，沒(méi)有見(jiàn)到任何關(guān)于Al-Ni-Si三元合金離心鑄造梯度功能材料的報(bào)道。因此，本專利文件的權(quán)利要求中提到采用離心鑄造來(lái)制備自生顆?；旌显鰪?qiáng)鋁合金缸套。采用離心鑄造就是為了得到高顆粒百分含量的增強(qiáng)層(1)，從而提高缸套的耐磨性能。同時(shí)本專利還將硅的含量擴(kuò)大到17 25% (wt.)，該范圍已延伸到合金的過(guò)共晶成分區(qū)域，增加鋁合金顆粒增強(qiáng)層(1)中初生初晶Si顆粒的百分含量。同時(shí)本專利還將Ni的含量擴(kuò)大到8% 15% (wt.)，增加鋁合金顆粒增強(qiáng)層(1)中初生Al3Ni顆粒的百分含量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種自生混合顆粒增強(qiáng)鋁缸套及其制造方法。該鋁缸套的鑄件毛坯由離心鑄造獲得，鑄件毛坯在徑向方向上分為外層自生混合顆粒增強(qiáng)層、中間基體層以及內(nèi)層的初晶Si顆粒層。通過(guò)機(jī)械加工切除鑄件毛坯中間基體層以及內(nèi)層的顆粒層，從外層自生顆粒增強(qiáng)層中獲得孔隙率低，機(jī)械強(qiáng)度高，內(nèi)表面耐磨的顆粒增強(qiáng)缸套。進(jìn)一步，所述鋁缸套中的增強(qiáng)顆粒為初生Al3Ni和初晶Si混合顆粒。進(jìn)一步，所述鋁缸套的自生混合顆?？傮w積分?jǐn)?shù)為15-50%。兩種顆粒的相對(duì)體積百分含量為初生Al3Ni占60%-80%，初晶Si占20%-40%。進(jìn)一步，所述自生混合顆粒增強(qiáng)層的厚度為2-10mm。進(jìn)一步，所述鋁缸套基體材料為鋁或鋁基合金。進(jìn)一步，鋁缸套鑄造基體材料選用，熔煉時(shí)在液態(tài)Al中加入Ni和Si，形成Al-Si-Ni合金，其中，Si含量為17 25wt%，Ni含量為8 15wt%，以及少量的Cu、Ti、 Mg，其余為Al，在鑄造凝固過(guò)程中分別析出初生Al3Ni和初晶Si顆粒。進(jìn)一步，所述增強(qiáng)顆粒Al3M與鋁缸套基體鋁材料熔液之間存在密度差，通過(guò)離心鑄造方式實(shí)現(xiàn)Al3M顆粒向外偏聚，同時(shí)，先析出的Al3Ni顆粒推動(dòng)隨后析出的初晶Si 顆粒一起向著鑄件外層運(yùn)動(dòng)，致使外層自生混合顆粒增強(qiáng)層的形成；通過(guò)離心鑄造得到自生混合顆粒增強(qiáng)層鋁合金缸套鑄件毛坯；離心鑄造轉(zhuǎn)速為1000-5000rpm，澆注溫度為 700-950°C，模具預(yù)熱溫度為250-500°C。進(jìn)一步，缸套鑄件毛坯內(nèi)孔經(jīng)過(guò)車削加工，加工厚度為l_6mm，去除缸套鑄件毛坯的中間層和內(nèi)層，從而在鑄件外層自生顆粒增強(qiáng)層中獲得含有初生Al3Ni和初晶Si混合顆粒的鋁缸套。進(jìn)一步，在鋁合金缸體壓鑄時(shí)(高壓或者低壓鑄造)，經(jīng)機(jī)械加工的鋁缸套零件送入壓鑄機(jī)，與鋁合金缸體經(jīng)過(guò)壓力鑄造組合成形為一體，結(jié)合界面為冶金結(jié)合。進(jìn)一步，將鋁缸套和鋁缸體的鑄造組合體進(jìn)行機(jī)械加工，鋁缸套內(nèi)表面車削加工去除厚度0. 5-2. 0mm，然后珩磨、拋光，最后裝配活塞、活塞環(huán)及其它零件，獲得全鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)。本發(fā)明的有益效果是采用自生混合顆粒增強(qiáng)缸套，增強(qiáng)顆粒與基體結(jié)合良好，能提高材料的強(qiáng)度。采用離心鑄造法，在離心力的作用下，密度比鋁液大的初生Al3Ni顆粒會(huì)偏聚到缸套毛坯的外層，同時(shí)初生Al3Ni顆粒會(huì)包裹著大量初晶Si顆粒一起往外層運(yùn)動(dòng)； 密度小于鋁液的初晶Si顆粒會(huì)偏聚到缸套毛坯的內(nèi)層，最終獲得外層偏聚大量初生Al3Ni 和初晶Si的混合顆粒，內(nèi)層偏聚初晶Si顆粒，中間為基體層的筒狀缸套毛坯鑄件。毛坯經(jīng)車削內(nèi)層和中間層后，留下的外層中初生Al3Ni和初晶Si混合顆粒的百分含量很高。本發(fā)明采用離心鑄造獲得自生顆?；旌显鰪?qiáng)缸套，具有重量輕、顆粒體積百分含量高，好的機(jī)械性能和耐高溫性能，能提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)增強(qiáng)顆粒和基體界面結(jié)合性好， 能延長(zhǎng)缸套的使用壽命。與噴射沉積鋁合金缸套工藝相比，本發(fā)明制造工藝簡(jiǎn)單，可參照現(xiàn)行的離心鑄造制備鑄鐵汽缸套的工藝；設(shè)備投入小，生產(chǎn)效率高。因此，本發(fā)明缸套生產(chǎn)成本低，具有廣泛推廣的可能性。與鋁合金氣缸內(nèi)表面涂覆工藝相比，本發(fā)明缸套中的增強(qiáng)顆粒為自生顆粒，即增強(qiáng)顆粒在鑄造冷卻過(guò)程中自熔體中產(chǎn)生，與基體結(jié)合牢固，因此，大大降低了缸套使用過(guò)程中耐磨顆粒失效脫落的幾率，延長(zhǎng)了缸套的使用壽命；與離心鑄造法制備初晶Si/Mg2Si顆粒增強(qiáng)Al-Si-Mg合金缸套內(nèi)層工藝相比，由于本發(fā)明缸套中的增強(qiáng)顆粒多為鋁鎳相，具有較大的密度，在離心場(chǎng)中將偏聚到鑄件外層， 而鑄造過(guò)程中產(chǎn)生的氣孔、夾渣等缺陷將偏聚到鑄件內(nèi)層，這樣就最大程度的保證了鑄件外層，即缸套的內(nèi)層使用表面不含任何缺陷，提高了零件的強(qiáng)度和耐磨性。與傳統(tǒng)的鑄鐵缸套相比，本發(fā)明鋁合金缸套的密度只有鑄鐵材料的三分之一，因此能極大的減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量，這符合當(dāng)前行業(yè)內(nèi)減重降排的發(fā)展要求；因本發(fā)明鋁合金缸套具有與鋁合金活塞大致相同的熱膨脹系數(shù)，在使用過(guò)程中具有近似的膨脹量，熱機(jī)工況更加穩(wěn)定，因此，在裝機(jī)時(shí)可以適當(dāng)降低缸套與活塞之間的配缸間隙，有利于減小內(nèi)燃機(jī)燃燒室內(nèi)串氣的發(fā)生，從而減少尾氣排放量；此外，鋁合金缸套的導(dǎo)熱性能優(yōu)良，能有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)工作缸溫，也能起到降低尾氣排放的作用。附圖下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。附圖1為本發(fā)明的自生混合顆粒增強(qiáng)鋁缸套筒狀鑄造毛坯的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；附圖2為本發(fā)明的自生混合顆粒增強(qiáng)鋁缸套筒狀鑄造毛坯經(jīng)過(guò)機(jī)械加工后得到的缸套的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；附圖3為本發(fā)明的自生混合顆粒增強(qiáng)鋁缸套與鋁合金缸體壓力鑄造組合成形后的結(jié)構(gòu)示意圖。


下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。附圖為本發(fā)明實(shí)施過(guò)程的缸套 (鑄件)及其與缸體組合成形的結(jié)構(gòu)示意圖。圖1為本發(fā)明的自生混合顆粒增強(qiáng)鋁缸套筒狀鑄件毛坯橫截面的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示本實(shí)施例的外層顆粒增強(qiáng)的缸套包括外層的自生混合顆粒增強(qiáng)層(1)、中間基體層O)以及內(nèi)側(cè)的初晶Si顆粒層(3)；增強(qiáng)層(1)由增強(qiáng)顆粒分布在鋁缸套基體內(nèi)構(gòu)成， 中間基體層( 沒(méi)有顆粒，為鋁合金基體，內(nèi)側(cè)的初晶Si顆粒層C3)為初晶Si顆粒在鋁合金基體上分布；自生混合顆粒增強(qiáng)層(1)中增強(qiáng)顆粒為初晶Al3Ni和初晶Si混合顆粒，基體材料為鋁或鋁基合金。圖2為本發(fā)明的自生混合顆粒增強(qiáng)鋁缸套筒狀鑄件毛坯經(jīng)過(guò)機(jī)械加工后的缸套零件橫截面的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示鑄件毛坯經(jīng)過(guò)機(jī)械加工去除中間基體層O)以及內(nèi)側(cè)的初晶Si顆粒層( 后，留下了外層顆粒增強(qiáng)層(1)，缸套內(nèi)表面為含有耐磨顆粒的組
幺口
/Ν O圖3為本發(fā)明鋁缸套和鋁缸體壓力鑄造組合成形后的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示(1) 為本發(fā)明的自生混合顆粒增強(qiáng)鋁缸套。該缸套經(jīng)過(guò)缸套鑄件毛坯機(jī)械加工后獲得；該缸套在壓力鑄造時(shí)，預(yù)先放入壓力鑄造機(jī)的模具中，然后澆入鋁合金液體而鑲進(jìn)鋁合金缸體中； (4)為鋁缸體。該缸體是在壓力鑄造時(shí)澆入鋁合金液體而獲得。
具體實(shí)施例方式以下為鋁缸套混合顆粒增強(qiáng)層內(nèi)的自生顆粒按體積百分含量的實(shí)施例實(shí)施例一增強(qiáng)層形成缸套的壁厚，缸套內(nèi)表面的初生Al3Ni和初晶Si增強(qiáng)顆粒的總體積百分含量為15%。在初生Al3Ni和初晶Si的混合增強(qiáng)顆粒中，初生Al3Ni顆粒按相對(duì)體積百分含量占70%。實(shí)施例二增強(qiáng)層形成缸套的壁厚，缸套內(nèi)表面的初生Al3Ni和初晶Si增強(qiáng)顆粒的總體積百分含量為30%，在初生Al3Ni和初晶Si的混合增強(qiáng)顆粒中，初生Al3Ni顆粒按相對(duì)體積百分含量占70%。在本實(shí)施例中增強(qiáng)顆粒的百分含量使缸套的耐熱性和耐磨性能等優(yōu)于實(shí)施例一。實(shí)施例三
增強(qiáng)層形成缸套的壁厚，缸套內(nèi)表面的初生Al3Ni和初晶Si增強(qiáng)顆粒的總體積百分含量為40%，在初生Al3Ni和初晶Si的混合增強(qiáng)顆粒中，初生Al3Ni顆粒按相對(duì)體積百分含量占70%。本實(shí)施例增強(qiáng)顆粒中的初生Al3M顆粒的體積百分含量使缸套的耐熱性和耐磨性能等優(yōu)于實(shí)施例二。實(shí)施例四增強(qiáng)層形成缸套的壁厚，缸套內(nèi)表面的初生Al3Ni和初晶Si增強(qiáng)顆粒的總體積百分含量為50%，在初生Al3Ni和初晶Si的混合增強(qiáng)顆粒中，初生Al3Ni顆粒按相對(duì)體積百分含量占70%。本實(shí)施例增強(qiáng)顆粒中的初生Al3M顆粒的體積百分含量使缸套的耐熱性和耐磨性能等優(yōu)于實(shí)施例三。以下為本發(fā)明制造方法的實(shí)施例。制造實(shí)施例一一種自生混合顆粒增強(qiáng)鋁缸套及其與鋁缸體的組合成形方法，包括液態(tài)復(fù)合材料的制備、鑄造、鑄件后續(xù)加工及鋁合金缸體缸套壓鑄成形、后續(xù)加工。自生混合增強(qiáng)顆粒是在Al呈液態(tài)時(shí)加入Ni、Si，然后在鑄造凝固過(guò)程中自熔體中析出。Si含量為17wt%，Ni含量為8wt%，以及少量的Cu、Ti、Mg ；離心鑄造過(guò)程中，澆注溫度為850°C，模具的預(yù)熱溫度為400°C，離心機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度為lOOOrmp。鋁缸套鑄件毛坯在車床上進(jìn)行機(jī)械加工，內(nèi)孔機(jī)械車削量l_6mm，切除中間鋁基體層和內(nèi)層初晶Si顆粒層，得到本發(fā)明的缸套零件。本發(fā)明的缸套零件采用高壓鑄造或低壓鑄造，與鋁缸體鑲鑄成一體；然后進(jìn)行該鑲鑄體的機(jī)械加工，缸套內(nèi)表面加工量0. 5-2. Omm ；對(duì)缸套內(nèi)表面進(jìn)行珩磨、拋光處理；最后，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配，得到含本發(fā)明的缸套的全鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)。制造實(shí)施例二一種自生混合顆粒增強(qiáng)鋁缸套及其與鋁缸體的組合成形方法，包括液態(tài)復(fù)合材料的制備、鑄造、鑄件后續(xù)加工及鋁合金缸體缸套壓鑄成形、后續(xù)加工。自生混合增強(qiáng)顆粒是Al呈液態(tài)時(shí)加入Ni、Si，然后在鑄造凝固過(guò)程中自熔體中析出。Si含量為17wt%，Ni含量為8wt%，以及少量的Cu、Ti、Mg ；離心鑄造過(guò)程中，澆注溫度為850°C，模具的預(yù)熱溫度為400°C，離心機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度為3000rmp。鋁缸套鑄件毛坯在車床上進(jìn)行機(jī)械加工，內(nèi)孔機(jī)械車削量l_6mm，切除中間鋁基體層和內(nèi)層初晶Si顆粒層，得到本發(fā)明的缸套零件。本發(fā)明的缸套零件采用高壓鑄造或低壓鑄造，與鋁缸體鑲鑄成一體；然后進(jìn)行該鑲鑄體的機(jī)械加工，缸套內(nèi)表面加工量0. 5-2. Omm ；對(duì)缸套內(nèi)表面進(jìn)行珩磨、拋光處理；最后，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配，得到含本發(fā)明的缸套的全鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)。本實(shí)施例的離心鑄造轉(zhuǎn)速高于實(shí)施例一，鋁缸套鑄件毛坯的自生混合顆粒增強(qiáng)層中混合顆粒體積百分?jǐn)?shù)高于實(shí)施例一，因此，鋁缸套的耐磨性優(yōu)于實(shí)施例一的鋁缸套。制造實(shí)施例三一種自生混合顆粒增強(qiáng)鋁缸套及其與鋁缸體的組合成形方法，包括液態(tài)復(fù)合材料的制備、鑄造、鑄件后續(xù)加工及鋁合金缸體缸套壓鑄成形、后續(xù)加工。自生混合增強(qiáng)顆粒是Al呈液態(tài)時(shí)加入Ni、Si，然后在鑄造凝固過(guò)程中自熔體中析出。Si含量為17wt%，Ni含量為8wt%，以及少量的Cu、Ti、Mg ；離心鑄造過(guò)程中，澆注溫度為850°C，模具的預(yù)熱溫度為400°C，離心機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度為5000rmp。鋁缸套鑄件毛坯在車床上進(jìn)行機(jī)械加工，內(nèi)孔機(jī)械車削量l_6mm，切除中間鋁基體層和內(nèi)層初晶Si顆粒層，得到本發(fā)明的缸套零件。本發(fā)明的缸套零件采用高壓鑄造或低壓鑄造，與鋁缸體鑲鑄成一體；然后進(jìn)行該鑲鑄體的機(jī)械加工，缸套內(nèi)表面加工量0. 5-2. Omm ；對(duì)缸套內(nèi)表面進(jìn)行珩磨、拋光處理；最后，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配，得到含本發(fā)明的缸套的全鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)。本實(shí)施例的離心鑄造轉(zhuǎn)速高于實(shí)施例二，鋁缸套鑄造毛坯的自生混合顆粒增強(qiáng)層中混合顆粒體積百分?jǐn)?shù)高于實(shí)施例二，因此，鋁缸套的耐磨性優(yōu)于實(shí)施例二的鋁缸套。制造實(shí)施例四一種自生混合顆粒增強(qiáng)鋁缸套及其與鋁缸體的組合成形方法，包括液態(tài)復(fù)合材料的制備、鑄造、鑄件后續(xù)加工及鋁合金缸體缸套壓鑄成形、后續(xù)加工。自生混合增強(qiáng)顆粒是在Al呈液態(tài)時(shí)加入Ni、Si，然后在鑄造凝固過(guò)程中自熔體中析出。Si含量為25wt%，Ni含量為15wt%，，以及少量的Cu、Ti、Mg ；離心鑄造過(guò)程中，澆注溫度為850°C，模具的預(yù)熱溫度為400°C，離心機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度為lOOOrmp。鋁缸套鑄件毛坯在車床上進(jìn)行機(jī)械加工，內(nèi)孔機(jī)械車削量l_6mm，切除中間鋁基體層和內(nèi)層初晶Si顆粒層，得到本發(fā)明的缸套零件。本發(fā)明的缸套零件采用高壓鑄造或低壓鑄造，與鋁缸體鑲鑄成一體；然后進(jìn)行該鑲鑄體的機(jī)械加工，缸套內(nèi)表面加工量0. 5-2. Omm ；對(duì)缸套內(nèi)表面進(jìn)行珩磨、拋光處理；最后，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配，得到含本發(fā)明的缸套的全鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)。本實(shí)施例的離心鑄造轉(zhuǎn)速與實(shí)施例一相同，而Si含量和Ni含量高于實(shí)施例一，鋁缸套鑄造毛坯的自生混合顆粒增強(qiáng)層中混合顆粒體積百分?jǐn)?shù)高于實(shí)施例一，因此，鋁缸套的耐磨性優(yōu)于實(shí)施例一的鋁缸套。實(shí)施例五—種自生混合顆粒增強(qiáng)鋁缸套及其與鋁缸體的組合成形方法，包括液態(tài)復(fù)合材料的制備、鑄造、鑄件后續(xù)加工及鋁合金缸體缸套壓鑄成形、后續(xù)加工。自生混合增強(qiáng)顆粒是Al呈液態(tài)時(shí)加入Ni、Si，然后在鑄造凝固過(guò)程中自熔體中析出。Si含量為25wt%，Ni含量為15wt%，，以及少量的Cu、Ti、Mg ；離心鑄造過(guò)程中，澆注溫度為850°C，模具的預(yù)熱溫度為400°C，離心機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度為3000rmp。鋁缸套鑄件毛坯在車床上進(jìn)行機(jī)械加工，內(nèi)孔機(jī)械車削量l_6mm，切除中間鋁基體層和內(nèi)層初晶Si顆粒層，得到本發(fā)明的缸套零件。本發(fā)明的缸套零件采用高壓鑄造或低壓鑄造，與鋁缸體鑲鑄成一體；然后進(jìn)行該鑲鑄體的機(jī)械加工，缸套內(nèi)表面加工量0. 5-2. Omm ；對(duì)缸套內(nèi)表面進(jìn)行珩磨、拋光處理；最后，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配，得到含本發(fā)明的缸套的全鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)。本實(shí)施例的離心鑄造轉(zhuǎn)速與實(shí)施例二相同，而Si含量和Ni含量高于實(shí)施例二，鋁缸套鑄造毛坯的自生混合顆粒增強(qiáng)層中混合顆粒體積百分?jǐn)?shù)高于實(shí)施例二，因此，鋁缸套的耐磨性優(yōu)于實(shí)施例二的鋁缸套。本實(shí)施例的離心鑄造轉(zhuǎn)速高于實(shí)施例四，而Si含量和Ni含量與實(shí)施例四相同，鋁缸套鑄造毛坯的自生混合顆粒增強(qiáng)層中混合顆粒體積百分?jǐn)?shù)高于實(shí)施例四，因此，鋁缸套的耐磨性優(yōu)于實(shí)施例四的鋁缸套。
實(shí)施例六—種自生混合顆粒增強(qiáng)鋁缸套及其與鋁缸體的組合成形方法，包括液態(tài)復(fù)合材料的制備、鑄造、鑄件后續(xù)加工及鋁合金缸體缸套壓鑄成形、后續(xù)加工。自生混合增強(qiáng)顆粒是Al呈液態(tài)時(shí)加入Ni、Si，然后在鑄造凝固過(guò)程中自熔體中析出。Si含量為25wt%，Ni含量為15wt%，，以及少量的Cu、Ti、Mg ；離心鑄造過(guò)程中，澆注溫度為850°C，模具的預(yù)熱溫度為400°C，離心機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度為5000rmp。鋁缸套鑄件毛坯在車床上進(jìn)行機(jī)械加工，內(nèi)孔機(jī)械車削量l_6mm，切除中間鋁基體層和內(nèi)層初晶Si顆粒層，得到本發(fā)明的缸套零件。本發(fā)明的缸套零件采用高壓鑄造或低壓鑄造，與鋁缸體鑲鑄成一體；然后進(jìn)行該鑲鑄體的機(jī)械加工，缸套內(nèi)表面加工量0. 5-2. Omm ；對(duì)缸套內(nèi)表面進(jìn)行珩磨、拋光處理；最后，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配，得到含本發(fā)明的缸套的全鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)。本實(shí)施例的離心鑄造轉(zhuǎn)速與實(shí)施例三相同，而Si含量和Ni含量高于實(shí)施例三，鋁缸套鑄造毛坯的自生混合顆粒增強(qiáng)層中混合顆粒體積百分?jǐn)?shù)高于實(shí)施例三，因此，鋁缸套的耐磨性優(yōu)于實(shí)施例三的鋁缸套。本實(shí)施例的離心鑄造轉(zhuǎn)速高于實(shí)施例五，而Si含量和Ni含量與實(shí)施例五相同，鋁缸套鑄造毛坯的自生混合顆粒增強(qiáng)層中混合顆粒體積百分?jǐn)?shù)高于實(shí)施例五，因此，鋁缸套的耐磨性優(yōu)于實(shí)施例五的鋁缸套。本發(fā)明中，通過(guò)調(diào)整鋁合金中Si元素與Ni元素的相對(duì)含量以及離心鑄造成形工藝(如澆注溫度，模具溫度，離心轉(zhuǎn)速等條件)，可以把缸套毛坯設(shè)計(jì)與控制成驟變梯度分布狀態(tài)；通過(guò)鋁液的定量和調(diào)整離心鑄造工藝，可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)層厚度的控制；通過(guò)調(diào)整離心轉(zhuǎn)速與合金中Si元素與M元素的相對(duì)含量，可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)層顆粒體積分?jǐn)?shù)的設(shè)計(jì)與控制；通過(guò)控制增強(qiáng)顆粒的體積分?jǐn)?shù)，可以設(shè)計(jì)與控制增強(qiáng)層的耐磨性能、導(dǎo)熱系數(shù)以及熱穩(wěn)定性等。因此，通過(guò)簡(jiǎn)單的工藝調(diào)整，可以大大增強(qiáng)缸套的機(jī)械性能和熱性能，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率，并且制造工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高。最后說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種自生混合顆粒增強(qiáng)鋁缸套，其特征在于所述缸套中含有大量的初生Al3Ni和初晶Si顆粒，缸套內(nèi)混合顆?？傮w積分?jǐn)?shù)為15-50% ；初生Al3Ni和初晶硅Si的相對(duì)體積百分含量分別為60% -80%和20% -40%。
2.—種權(quán)利要求1所述的自生混合顆粒增強(qiáng)鋁缸套，其特征在于所述缸套基體材料為鋁或鋁基合金。
3.—種權(quán)利要求1所述的自生混合顆粒增強(qiáng)鋁缸套的鑄件毛坯，其特征在于所述缸套的鑄件毛坯在徑向方向上由外層顆粒增強(qiáng)層(1)、中間基體層O)以及內(nèi)層的初晶硅顆粒層(3)三層構(gòu)成，所述的三層之間通過(guò)冶金的方式進(jìn)行結(jié)合。
4.一種權(quán)利要求3所述的自生混合顆粒增強(qiáng)鋁缸套的鑄件毛坯的制造方法，包括液態(tài)復(fù)合材料的熔制和離心鑄造，其特征在于缸套基體材料選用Al，并在液態(tài)Al合金中加入 Ni,Si形成Al-Si-Ni合金，其中，Si含量為17 25wt%，Ni含量為8 15wt%，以及少量的Cu、Ti、Mg，其余為Al。在離心鑄造凝固過(guò)程中形成初生Al3Ni和初晶Si混合顆粒。離心鑄造過(guò)程中，轉(zhuǎn)速為1000-5000rpm，澆注溫度為700_950°C，模具預(yù)熱溫度為250_500°C。
5.一種權(quán)利要求3所述的自生混合顆粒增強(qiáng)鋁缸套的鑄件毛坯的機(jī)械加工方法，其特征在于對(duì)離心鑄造制備的缸套鑄件毛坯按缸套幾何尺寸要求進(jìn)行車削加工，內(nèi)孔加工量為l-6mm，以去除鑄件毛坯中中間基體層(2)以及內(nèi)層的初晶Si顆粒層(3)，從而在顆粒增強(qiáng)層(1)中獲得含有初生Al3Ni和初晶Si混合顆粒的缸套，在缸套內(nèi)表面暴露出鑄件外層顆粒增強(qiáng)層(1)中的初生Al3Ni和初晶Si混合顆粒，得到缸套耐磨表面。
6.一種權(quán)利要求1和5所述的自生混合顆粒增強(qiáng)鋁缸套與鋁缸體的組合成形方法，其特征在于在壓力鑄造鋁合金缸體時(shí)將機(jī)加工后的自生混合顆粒增強(qiáng)鋁缸套鑲鑄在鋁缸體中，鋁缸套與鋁缸體通過(guò)壓力鑄造得到它們的組合成形體，結(jié)合處為冶金結(jié)合。
7.—種權(quán)利要求6所述的顆粒增強(qiáng)內(nèi)燃機(jī)鋁缸套與鋁合金缸體的組合成形體的機(jī)械加工方法，其特征在于對(duì)組合成形體按幾何尺寸要求進(jìn)行機(jī)械加工，對(duì)組合成形體的缸套內(nèi)表面進(jìn)行粗車、精車，車削加工厚度為0. 5-2. 0mm，然后珩磨、拋光處理，最后裝配活塞、活塞環(huán)及其它零件，得到全鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)。
全文摘要
一種自生混合顆粒增強(qiáng)鋁合金缸套由鋁合金以及一定含量的Ni和Si構(gòu)成。在合金凝固過(guò)程中，從熔液中先析出的Al3Ni顆粒在離心力的作用下會(huì)推動(dòng)部分初晶Si顆粒一起向外運(yùn)動(dòng)，最終獲得外層偏聚大量初生Al3Ni和初晶Si混合顆粒的偏聚層，內(nèi)層偏聚初晶Si顆粒，中間為基體層的筒狀毛坯鑄件。筒狀毛坯件經(jīng)車削內(nèi)層和中間層后，留下具有高體積分?jǐn)?shù)的外層，由此得到自生混合顆粒增強(qiáng)鋁合金缸套。該鋁合金缸套與鋁缸體進(jìn)行壓力鑄造組合成形，經(jīng)過(guò)機(jī)械加工和裝配后得到全鋁內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。本發(fā)明獲得的自生顆?；旌显鰪?qiáng)缸套重量輕、顆粒體積百分含量高，具有優(yōu)良的耐磨性能和耐高溫性能，能提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率。
文檔編號(hào)B22D13/04GK102358928SQ201110289810
公開(kāi)日2012年2月22日 申請(qǐng)日期2011年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月28日
發(fā)明者劉昌明, 呂循佳, 李婧 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)