專利名稱：薄壁管的制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種薄壁管的制造方法，所述薄壁管是由耐熱、耐磨鋁基材料制成，其特別適用于內(nèi)燃機上的氣缸套。
氣缸套是承受摩擦力的部件，其被設置、壓入或鑄入在內(nèi)燃機曲軸箱上的氣缸孔內(nèi)。
內(nèi)燃機的氣缸工作面需要承受來自于活塞、特別是活塞環(huán)的強烈的摩擦應力并且局部區(qū)域需要承受高溫。因此，該工作面需要由耐磨及耐熱材料制成。
為此目的，已有許多在氣缸孔表面涂敷耐磨層的方法。此外，還有一種方案是在氣缸內(nèi)設置用耐磨材料制成的套筒，如采用灰鑄鐵套筒。不過，這種套筒與鋁基材料相比，耐熱性差并且存在一些其他的缺點。
為解決上述問題，人們首先采用過共晶硅鋁合金鑄造的氣缸體。由于采用鑄造技術的原因，硅含量最大重量比不得超過20％。鑄造工藝的另一缺點是，在熔融硅顆粒固化的過程中會析出尺寸較大的硅單晶顆粒(約30-80μm)。由于這些顆粒尺寸較大且具有尖銳的角、棱，因而對活塞及活塞環(huán)產(chǎn)生磨損。為此，人們不得不在活塞及活塞環(huán)上涂敷相應的覆蓋層/涂層以施加保護。硅顆粒與活塞/活塞環(huán)之間的接觸面可通過機械加工磨平。在這樣的機械加工之后進行電化學處理，以使位于各個硅顆粒之間的鋁基材還原，從而使硅顆粒從氣缸工作表面略微突出作為承載支撐構架。這樣制成的氣缸工作面的缺點一方面是制造成本過高(昂貴的合金、成本較高的機械加工、鐵涂層活塞、鎧裝活塞環(huán))，另一方面是硅顆粒分布不均。因此，在組織結構中存在大量沒有硅顆粒的區(qū)域因而易受到較強的摩損。為避免這種摩損，在工作面與相對摩擦面之間需要設置相對較厚的油膜作為隔離介質(zhì)。此外，為了控制油膜厚度還需要確定硅顆粒露出的程度。油膜較厚會導致機械中摩擦損失增加及有害物質(zhì)排放量的明顯增加。
DE42 30 228中公開了一種氣缸體，其由亞共晶硅鋁合金鑄造而成，而且在氣缸內(nèi)安裝有由過共晶硅鋁合金制成的氣缸套。這種方案造價較低，但仍未解決前面所提到的問題。
為充分利用過共晶硅鋁合金作為氣缸套材料的優(yōu)點，需要改變硅晶核的晶體結構。通過已知的粉末冶金方法或噴壓方法可制成用鑄造工藝不能得到的鋁合金。
這樣，通過上述方法可生產(chǎn)過共晶合金，由于該合金中硅含量較高、硅顆粒較細并且分布較均勻，因而具有較好的耐磨性。通過在該合金中加入諸如Fe、Ni或Mn等元素可以獲得所需要的耐熱性。存在于該合金中的硅顆粒的粒度約為0.5至20μm。用這種方法生產(chǎn)出的合金特別適合做氣缸套零件。
盡管鋁合金通常是便于加工的，但這種過共晶合金存在變形問題。EP0635318中公開了一種用過共晶硅鋁合金制造氣缸套的方法。其中氣缸套是在壓力為1000至10000t、擠壓速度為0.5-12m/min的情況下擠壓成型的。為減少通過擠壓將氣缸套制成最終尺寸的生產(chǎn)成本，需要相當高的擠壓速度。事實表明，對于承受較高壓力的合金來說，若氣缸套管壁厚較小，則在較高的擠壓速度下會導致管件在擠壓時被撕裂。
本發(fā)明的目的是提供一種改進的、造價較低的生產(chǎn)氣缸套的方法。用該方法生產(chǎn)的氣缸套可在耐磨性、耐熱性及減少有害物質(zhì)排放量等性能上獲得所需要的改善。
本發(fā)明目的是通過如權利要求1所述的方法步驟而實現(xiàn)的。
本發(fā)明的其他方案在其從屬權利要求中已經(jīng)給出。
特別是，本發(fā)明的上述摩擦特性可通過如下方案獲得，即所采用的方法容許高合金熔融體以相當高的速度固化。
屬于這類方法的一種工藝為噴壓方法(以下簡稱“噴壓”)。為獲得理想的特性，將含有高硅合金的鋁合金熔液噴出并通過氮氣流以1000℃/s冷卻速度將其冷卻。部分仍處于液態(tài)的粉末顆粒被噴到一個轉動著的轉盤上。該轉盤在工作過程中連續(xù)向下移動。通過這兩種運動的疊加便獲得一個棒材，該棒的長度約為1000至3000mm、直徑最大為400mm。由于冷卻速度較高，因而在該噴壓過程中產(chǎn)生的硅顆粒的粒度不超過20μm。該合金中的硅含量可達到40％重量比。由于鋁熔液在氣流下快速延伸，從而使所獲得的棒材的過飽和狀態(tài)呈準“凝固”狀態(tài)。
除制造棒材外，也可通過噴壓制造內(nèi)徑為50-120mm、壁厚達250mm的厚壁管件坯材。為此，將顆粒流噴射到一個在水平面上繞其縱向軸轉動的支撐管上并在該處進行壓縮。用該方法通過連續(xù)地沿水平方向進行有控制的進給，可獲得一個管件坯料。該坯料作為后加工工藝、即管件擠壓和/或其他熱加工工藝中使用的原材料。所述的支撐管是由普通的鍛壓鋁合金或類似的合金制成的，其本身也是通過噴壓工藝制成的(工藝相同)。
通過后續(xù)的過時效退火工藝可改變經(jīng)噴壓工藝或粉末流工藝獲得的棒材或管材的晶體結構。通過退火可將晶體結構改造成硅顆粒粒度為2至30μm，由此獲得所需的摩擦特性。在退火過程中長得較大的硅顆粒受到固定顆粒擴散的影響而成為理想的較小的硅顆粒。擴散效果取決于過時效溫度及退火處理時間的長短。選擇的溫度越高，則硅晶核生長的速度越快。不過，在該過程中時間僅起輔助作用。理想的溫度大致為500℃，此時退火時間應當為3至5小時。
如果希望析出較小的硅顆粒，則不需要退火工藝。在此情況下，通過在該過程中采用合適的“氣體與金屬的比例”可以獲得合適的硅顆粒粒度。經(jīng)過噴壓工藝制得的棒材或管材的厚度通常為合金的理想厚度的95％以上。為壓實并密封殘余的孔隙，需要在350℃至550℃溫度下進行熱擠壓。
噴壓工藝還可以提供這樣的可能性，通過顆粒噴射裝置將熔液中未包含的顆粒噴到棒材或管材中。由于這些顆?？梢允橇６葹?μm至400μm的任意幾何形狀的顆粒，因而能夠實現(xiàn)對多種晶體結構的控制。例如該顆?？梢允橇６葹?μm至400μm的硅顆?；蛟谏鲜隽６确秶鷥?nèi)的氧化陶瓷顆粒(如Al2O3)或無氧陶瓷顆粒(如SiC，B4C)等，這些都是在市場上可獲得且對摩擦特性有意義的材料。
另一種方案是，為獲得合適的晶體結構，使含有硅的過飽和鋁合金熔液快速固化(下稱“粉末流”)。在此方案中通過向熔融液體噴射空氣或惰性氣體生產(chǎn)出粉末。該粉末可以是完全合金。這意味著，在熔融的液體中包含的全部是合金元素?；蛘咴摲勰┰谙乱徊襟E中與多種合金或其他元素的粉末相互混合。接著，所述完全合金粉末或混合粉末通過冷壓工藝或熱壓工藝或真空壓力工藝被壓成棒材或管材。而后，通過熱擠壓工藝可將棒材或管材完全壓實。采用這種生產(chǎn)方法，一方面通過退火處理另一方面通過與顆粒(氧化陶瓷材料、非氧化陶瓷材料等)的混合可獲得具有理想摩擦特性的晶體結構。
這樣獲得并確定的晶體結構在后續(xù)的工藝步驟中不再改變或者只是為得到所需要的理想摩擦特性作適當?shù)母淖儭?br> 通過“噴壓”或通過“粉末流”步驟獲得的管材經(jīng)過擠壓制成壁厚為6至20mm的厚壁管或直徑為50至120mm的圓材。這里，擠壓溫度為300至550℃。圓材的擠壓在可獲得較高的擠壓速度方面具有優(yōu)勢，因而圓材生產(chǎn)成本較低。
同樣，用通過“噴壓”或通過“粉末流”步驟獲得的管材可生產(chǎn)壁厚較小的厚壁管。
通過流動沖壓可獲得理想的變形。為此，選用一段比所需要生產(chǎn)的薄壁管體積更大的管材或棒材。在選用管段時既可采用中空狀-向前-流動沖壓(Hohl-Vorwrts-Flieβpressen)，也可采用中空狀-向后-流動沖壓(Hohl-Rückwrts-Flieβpressen)其上可帶或不帶背壓。在選用棒段時既可采用杯狀-向前-流動沖壓也可采用杯狀-向后-流動沖壓，其上可帶或不帶背壓。
在所有方法中背壓可通過一個沖頭提供。背壓可在待變形材料中產(chǎn)生張力狀態(tài)，由此可阻止在變形材料中產(chǎn)生裂縫，這對于在室溫下僅僅產(chǎn)生有限變形的材料尤為有利。
可產(chǎn)生變形、但不會使晶體切面結構發(fā)生變化的溫度區(qū)域從室溫移到480℃。同樣也可以在出現(xiàn)液相的溫度區(qū)域(根據(jù)合金構成在520℃至600℃之間選擇)變形。在此情況下，析出的粗大硅顆粒為從10μm到30μm，但在采用未經(jīng)退火的原材料的情況下仍可獲得理想的摩擦特性。
此后，在管端處對以最終壁厚度或接近最終壁厚度成型的管件進行裁切加工。在采用杯狀-向前或杯狀-向后流動沖壓的情況下，可通過切削或沖裁去除薄壁端。
本發(fā)明方法具有如下優(yōu)點，用此方法可裁切出合適的氣缸套材料。借助于后續(xù)的第二熱變形工藝步驟可以降低在擠壓過程中相對于擠壓壓力、擠壓速度和保證產(chǎn)品質(zhì)量所產(chǎn)生的高成本。
實施例1經(jīng)過噴壓工藝，將組合物Al Si25 Cu2.5 Mg1 Ni1的合金置于830℃熔融溫度下并以4.5m3/kg(每公斤熔液立方米氣體)的氣體/金屬比例將其壓縮成棒材。在上述條件下，噴壓而成的棒材中的硅析出顆粒粒度范圍為1μm至10μm。隨后，在520℃下對噴壓而成的棒材進行4小時的退火處理。在該退火處理之后，析出的硅顆粒粒度范圍為2μm至30μm。通過在溫度為420℃、成形出口速度為0.5m/min的條件下用成形工具熱擠壓出外徑為94mm、內(nèi)徑為68mm的管材。由于擠壓溫度低于退火溫度，因此晶體結構仍保持不變。
將上述經(jīng)過擠壓而成的厚壁管材截成長度為30mm的短管，而后在420℃下通過中空狀-向前-流動沖壓工藝將其制成外徑為74mm、內(nèi)徑為67mm、長度為130mm的薄壁管段。這里，因為每個管段都受到其后方管段的擠壓，所以形成的管材可以完全沒有凸緣。
如示意

圖1A所示，將管材1放入到凹模2中。在沖頭3與凹模2的共同作用下，將第一管材1部分地成形為一段管子(如圖1B所示)。而后再將沖頭3抬起，同時將下一個管材放入到凹模2中(如圖1C所示)。當再次向下壓沖頭3時，借助于第二管材使第一管段完全成形并使其脫模(如圖1D所示)。
實施例2與實施例1相同地通過噴壓工藝將合金材料擠壓成外徑為74mm的圓材。由于該幾何形狀簡單，故可采用1.5m/min的擠壓速度進行擠壓，這意味著可明顯地降低成本。而后將該圓材截為27mm長的棒材段。隨后，通過在420℃下進行杯狀-向后-流動沖壓，將其成形為外徑74mm、內(nèi)徑67mm、長度130mm的管段。而后，在管端加工過程中將厚度為4mm的薄底端去除。
實施例3與實施例1和2相同地通過噴壓工藝將合金材料擠壓成外徑為74mm的圓材，其中沒有前述的退火步驟。析出的硅顆粒的粒度為1μm至7μm。將該圓材截為27mm長的棒材段。對該棒材段進行4至5分鐘的勵磁使其加熱到560℃。在該溫度下，合金處于液態(tài)與固態(tài)之間的相態(tài)。這樣一種半液態(tài)的棒材段既可保持一定的機械穩(wěn)定性同時又便于繼續(xù)加工。
如圖2所示，將半液態(tài)的棒材段1放入到一個已經(jīng)鑄好的模具中進行杯狀-向后-流動沖壓變形，該模具是由一個沖頭3、凹模2及一個頂桿4構成的。為此，將管段1放入到該模具中(如圖2E所示)，借助于沖頭3使其變形(如圖2F所示)并通過頂桿4將已成形的管件推出模體(如圖2G所示)。由此生產(chǎn)出一種外徑74mm、內(nèi)徑67mm、高度130mm的杯形件。而后，通過管端加工步驟或沖裁工藝將該成形的杯形件的4mm厚的底部去除。
由于是在半流體狀態(tài)下成形，因而只需要很小的變形力。在該半流體下進行加工的過程中，析出的硅顆粒的粒度為20μm至25μm。
權利要求
1.一種由耐熱、耐磨輕金屬材料構成的薄壁管的制造方法，其特征在于，-通過對熔融合金進行噴壓或通過對粉末混合體或用空氣或惰性氣體噴射出的粒度為250μm的合金混合體進行熱壓或冷壓工藝，生產(chǎn)出由過共晶硅鋁材料構成的棒材或管材，其中，所含硅顆粒的粒度為0.5至20μm、最好是1至10μm；-根據(jù)需要對所述棒材或管材進行使其所含硅顆粒增大的過時效退火處理，使硅顆粒的粒度增長到2至30μm；-在300至550℃的擠壓溫度下，將所獲得的棒材或管材擠壓成外徑小于120mm的圓形坯料；-將該圓形坯料截為所需要的長度段；-在25至600℃下通過流動沖壓將上述各坯料段成形為壁厚為1.5至5mm的管形半成品。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，用于生產(chǎn)棒材或管材的粉末混合物、合金混合物或熔融合金中包括如下組合物Al Si(17-35) Cu(2.5-3.5) Mg(0.2-2.0) Ni(0.5-2)。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，用于生產(chǎn)棒材或管材的粉末混合物、合金混合物或熔融合金中包括如下組合物Al Si(17-35) Fe(3-5) Ni(1-2)。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，用于生產(chǎn)棒材或管材的粉末混合物、合金混合物或熔融合金中包括如下組合物Al Si(22-35)。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，用于生產(chǎn)棒材或管材的粉末混合物、合金混合物或熔融合金中包括如下組合物Al Si(17-35) Cu(2.5-3.3) Mg(0.2-2.0) Mn(0.5-5)。
6.如權利要求1至5所述的方法，其特征在于，在噴壓過程中，一部分硅通過包含有硅鋁合金的熔液被帶入棒材或管材中，而另一部分硅則借助于顆粒噴射裝置以硅粉末的形式被帶入到棒材或管材中。
7.如權利要求1至6所述的方法，其特征在于，粗化硅晶粒的過時效退火是在460至540℃下、0.5至10小時內(nèi)進行的。
8.如權利要求1至7所述的方法，其特征在于，在擠壓溫度下，將所獲得的棒材擠壓成直徑為50至120mm的圓材，而后將其分成若干段，繼而通過杯狀-向前-流動沖壓或杯狀-向后-流動沖壓工藝，在帶有背壓或不帶背壓的情況下，在25至600℃下將各段成形為杯形件。該杯形件具有1.5至5mm壁厚并具有一薄壁底部，此后，為構成所需要的管件可去除該底部。
9.如權利要求1至7所述的方法，其特征在于，在擠壓溫度下將所獲得的棒材或管材擠壓成壁厚為6至20mm的厚壁管，然后將該管截為若干段，接著通過中空狀-向前-流動沖壓或中空狀-向后-流動沖壓工藝，在帶有背壓或不帶背壓的情況下，在25至600℃下將各段厚壁短管成形為長度增長而厚度減薄至1.5至5mm的管段。
10.如權利要求1至9所述的方法，其特征在于，流動沖壓成形是在25至480℃下進行的。
11.如權利要求1至9所述的方法，其特征在于，流動沖壓成形是在高于過共晶硅鋁材料的固態(tài)溫度、低于其液態(tài)溫度下進行的。
12.如權利要求11所述的方法，其特征在于，可以省去過時效退火步驟。
13.如權利要求1至12所述的方法，其特征在于，用該方法制造的管段用作輕金屬的內(nèi)燃機氣缸套。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種由耐熱、耐磨鋁基材料構成的薄壁管的制造方法。該方法包括用過共晶硅鋁材料制備棒材或管材坯料的步驟及選擇性進行的過時效退火過程以及通過后面的擠壓工藝將坯料制成厚壁管或圓材的步驟,在將這些圓材截成若干段后,用流動沖壓工藝將其擠壓成薄壁管。該方法特別適合于制造輕金屬材料的內(nèi)燃機氣缸套,因為這種氣缸套可以滿足所需要的耐磨性、耐熱性及減少有害物質(zhì)排放量等特性要求。
文檔編號C22C1/04GK1194013SQ96196544
公開日1998年9月23日 申請日期1996年8月28日 優(yōu)先權日1995年9月1日
發(fā)明者考曼德爾·伯恩哈德, 沙特福依·羅爾夫, 胡梅爾特·克勞斯, 林漢德·蒂爾克 申請人:埃爾波斯里赫股份有限公司