專利名稱：自生混合顆粒增強鋁合金缸套及其制備方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)動機氣缸部件，特別是一種自生混合顆粒增強鋁合金缸套及其制造方法。
背景技術(shù)：
缸套是內(nèi)燃發(fā)動機的重要零部件之一，其內(nèi)表面由于受到高溫高壓燃氣的作用并與高速運動的活塞接觸而極易磨損。因此，缸套的機械性能和高溫熱性能對發(fā)動機的工作效率，使用壽命以及工作狀態(tài)有重要的影響。近年來，鋁合金缸套的技術(shù)開發(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顆粒增強鋁合金缸套內(nèi)層工藝。另外，開展了離心鑄造Al-Ni和Al-Ni-Si合金初生鋁鎳相梯度功能復合材料的基礎研究。同時，報道了采用Al-Ni-Si合金材料來制備發(fā)動機箱體，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+高溫擠壓。德國戴姆勒-奔馳汽車制造公司與PEAK公司合作已將該法應用于部分高檔轎車發(fā)動機缸套的制造(見中華人民共和國專利局“發(fā)明專利申請公開說明書”，發(fā)明名稱超共晶鋁合金汽缸襯筒及其制造方法；申請?zhí)?5117636.6 ；申請日95. 10. 24;
公開日:1996年8月28曰)。 但是，該法工藝流程長、設備投入大，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鋁合金缸套內(nèi)表面進行陶瓷化處理，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)動機缸體和缸套同時整體鑄出，為了提高缸套的耐磨性，用激光熔化缸套的內(nèi)表面，同時將增強顆粒熔覆至缸套內(nèi)表面，然后機械加工成形。該法的主要不足在于熔覆層有孔洞，在使用過程中出現(xiàn)熔覆層脫落的現(xiàn)象。3.離心鑄造法制備初晶Si/Mg2Si顆粒增強缸套內(nèi)層工藝是最近被提出的(見中華人民共和國專利局“發(fā)明專利申請公開說明書”，發(fā)明名稱內(nèi)層顆粒增強缸套及其制造方法；申請?zhí)?200810070197. 0 ；申請日:2008. 8. 27 ；
公開日:2009年1月7日)。這種方法的最大特點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)效率高且工藝簡單。然而，這種缸套由于是顆粒內(nèi)層增強，在離心鑄造過程中，鑄造夾渣、氣孔等缺陷與顆粒同時偏移至鑄件內(nèi)層區(qū)域，致使其機械加工難度增大，缸套成品率降低并影響了其耐磨性能。4.歐洲專利DE19845279A1號曾公開一種采用Al-Ni-Si合金材料來制備發(fā)動機箱體，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)動機零部件，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)動機箱體，汽缸套以及活塞的工藝方法是普通重力鑄造方法，沒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.國內(nèi)外已經(jīng)報道了大量的關于Al-Ni 二元合金離心鑄造制備自生梯度功能復合材料(Functionally Gradient Materials，簡稱 FGM)的基礎研究。日本學者 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，通過對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材料通過離心鑄造能形成更好的梯度分布(見 Journal of Alloys and Compounds 453 (2008) L4-L7) 張寶生等對Al-IONi和Al-13Ni金屬間化合物梯度功能材料進行研究后認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，其物理力學性能的變化和強化相粒子的梯度分布具有良好的對應關系；控制離心加速率G可以獲得高濃度大梯度分布材料 (見哈爾濱工業(yè)大學學報1998年4月第30卷第2期)。據(jù)相關報道，由Al-Ni 二元合金形成的Al3Ni顆粒梯度復合材料的硬度普遍不高， 不能滿足發(fā)動機汽缸套的耐磨性要求。另據(jù)報道，日本學者Ohmi. T等采用復合離心鑄造的方法(Centrifugal Duplex Casting簡稱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 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，實際應用非常困難。除此之外，沒有見到任何關于Al-Ni-Si三元合金離心鑄造梯度功能材料的報道。因此，本專利文件的權(quán)利要求中提到采用離心鑄造來制備自生顆粒混合增強鋁合金缸套。采用離心鑄造就是為了得到高顆粒百分含量的增強層(1)，從而提高缸套的耐磨性能。同時本專利還將硅的含量擴大到17 25% (wt.)，該范圍已延伸到合金的過共晶成分區(qū)域，增加鋁合金顆粒增強層(1)中初生初晶Si顆粒的百分含量。同時本專利還將Ni的含量擴大到8% 15% (wt.)，增加鋁合金顆粒增強層(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層、中間基體層以及內(nèi)層的初晶Si顆粒層。通過機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層中獲得孔隙率低，機械強度高，內(nèi)表面耐磨的顆粒增強缸套。進一步，所述鋁缸套中的增強顆粒為初生Al3Ni和初晶Si混合顆粒。進一步，所述鋁缸套的自生混合顆粒總體積分數(shù)為15-50%。兩種顆粒的相對體積百分含量為初生Al3Ni占60%-80%，初晶Si占20%-40%。進一步，所述自生混合顆粒增強層的厚度為2-10mm。進一步，所述鋁缸套基體材料為鋁或鋁基合金。進一步，鋁缸套鑄造基體材料選用，熔煉時在液態(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，在鑄造凝固過程中分別析出初生Al3Ni和初晶Si顆粒。進一步，所述增強顆粒Al3M與鋁缸套基體鋁材料熔液之間存在密度差，通過離心鑄造方式實現(xiàn)Al3M顆粒向外偏聚，同時，先析出的Al3Ni顆粒推動隨后析出的初晶Si 顆粒一起向著鑄件外層運動，致使外層自生混合顆粒增強層的形成；通過離心鑄造得到自生混合顆粒增強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，模具預熱溫度為250-500°C。進一步，缸套鑄件毛坯內(nèi)孔經(jīng)過車削加工，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層中獲得含有初生Al3Ni和初晶Si混合顆粒的鋁缸套。進一步，在鋁合金缸體壓鑄時(高壓或者低壓鑄造)，經(jīng)機械加工的鋁缸套零件送入壓鑄機，與鋁合金缸體經(jīng)過壓力鑄造組合成形為一體，結(jié)合界面為冶金結(jié)合。進一步，將鋁缸套和鋁缸體的鑄造組合體進行機械加工，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)動機。本發(fā)明的有益效果是采用自生混合顆粒增強缸套，增強顆粒與基體結(jié)合良好，能提高材料的強度。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顆粒會偏聚到缸套毛坯的外層，同時初生Al3Ni顆粒會包裹著大量初晶Si顆粒一起往外層運動； 密度小于鋁液的初晶Si顆粒會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?；旌显鰪姼滋祝哂兄亓枯p、顆粒體積百分含量高，好的機械性能和耐高溫性能，能提高發(fā)動機的工作效率等優(yōu)點，同時增強顆粒和基體界面結(jié)合性好， 能延長缸套的使用壽命。與噴射沉積鋁合金缸套工藝相比，本發(fā)明制造工藝簡單，可參照現(xiàn)行的離心鑄造制備鑄鐵汽缸套的工藝；設備投入小，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)明缸套中的增強顆粒為自生顆粒，即增強顆粒在鑄造冷卻過程中自熔體中產(chǎn)生，與基體結(jié)合牢固，因此，大大降低了缸套使用過程中耐磨顆粒失效脫落的幾率，延長了缸套的使用壽命；與離心鑄造法制備初晶Si/Mg2Si顆粒增強Al-Si-Mg合金缸套內(nèi)層工藝相比，由于本發(fā)明缸套中的增強顆粒多為鋁鎳相，具有較大的密度，在離心場中將偏聚到鑄件外層， 而鑄造過程中產(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)動機重量，這符合當前行業(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)，在使用過程中具有近似的膨脹量，熱機工況更加穩(wěn)定，因此，在裝機時可以適當降低缸套與活塞之間的配缸間隙，有利于減小內(nèi)燃機燃燒室內(nèi)串氣的發(fā)生，從而減少尾氣排放量；此外，鋁合金缸套的導熱性能優(yōu)良，能有效降低發(fā)動機工作缸溫，也能起到降低尾氣排放的作用。附圖下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步描述。附圖1為本發(fā)明的自生混合顆粒增強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鋁缸套筒狀鑄造毛坯經(jīng)過機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)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步描述。附圖為本發(fā)明實施過程的缸套 (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。如圖所示本實施例的外層顆粒增強的缸套包括外層的自生混合顆粒增強層(1)、中間基體層O)以及內(nèi)側(cè)的初晶Si顆粒層(3)；增強層(1)由增強顆粒分布在鋁缸套基體內(nèi)構(gòu)成， 中間基體層( 沒有顆粒，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；自生混合顆粒增強層(1)中增強顆粒為初晶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鋁缸套筒狀鑄件毛坯經(jīng)過機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)過機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鋁缸套。該缸套經(jīng)過缸套鑄件毛坯機械加工后獲得；該缸套在壓力鑄造時，預先放入壓力鑄造機的模具中，然后澆入鋁合金液體而鑲進鋁合金缸體中； (4)為鋁缸體。該缸體是在壓力鑄造時澆入鋁合金液體而獲得。
具體實施例方式以下為鋁缸套混合顆粒增強層內(nèi)的自生顆粒按體積百分含量的實施例實施例一增強層形成缸套的壁厚，缸套內(nèi)表面的初生Al3Ni和初晶Si增強顆粒的總體積百分含量為15%。在初生Al3Ni和初晶Si的混合增強顆粒中，初生Al3Ni顆粒按相對體積百分含量占70%。實施例二增強層形成缸套的壁厚，缸套內(nèi)表面的初生Al3Ni和初晶Si增強顆粒的總體積百分含量為30%，在初生Al3Ni和初晶Si的混合增強顆粒中，初生Al3Ni顆粒按相對體積百分含量占70%。在本實施例中增強顆粒的百分含量使缸套的耐熱性和耐磨性能等優(yōu)于實施例一。實施例三
增強層形成缸套的壁厚，缸套內(nèi)表面的初生Al3Ni和初晶Si增強顆粒的總體積百分含量為40%，在初生Al3Ni和初晶Si的混合增強顆粒中，初生Al3Ni顆粒按相對體積百分含量占70%。本實施例增強顆粒中的初生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)于實施例二。實施例四增強層形成缸套的壁厚，缸套內(nèi)表面的初生Al3Ni和初晶Si增強顆粒的總體積百分含量為50%，在初生Al3Ni和初晶Si的混合增強顆粒中，初生Al3Ni顆粒按相對體積百分含量占70%。本實施例增強顆粒中的初生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)于實施例三。以下為本發(fā)明制造方法的實施例。制造實施例一一種自生混合顆粒增強鋁缸套及其與鋁缸體的組合成形方法，包括液態(tài)復合材料的制備、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。自生混合增強顆粒是在Al呈液態(tài)時加入Ni、Si，然后在鑄造凝固過程中自熔體中析出。Si含量為17wt%，Ni含量為8wt%，以及少量的Cu、Ti、Mg ；離心鑄造過程中，澆注溫度為850°C，模具的預熱溫度為400°C，離心機的旋轉(zhuǎn)速度為lOOOrmp。鋁缸套鑄件毛坯在車床上進行機械加工，內(nèi)孔機械車削量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；然后進行該鑲鑄體的機械加工，缸套內(nèi)表面加工量0. 5-2. Omm ；對缸套內(nèi)表面進行珩磨、拋光處理；最后，進行發(fā)動機的裝配，得到含本發(fā)明的缸套的全鋁合金發(fā)動機。制造實施例二一種自生混合顆粒增強鋁缸套及其與鋁缸體的組合成形方法，包括液態(tài)復合材料的制備、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。自生混合增強顆粒是Al呈液態(tài)時加入Ni、Si，然后在鑄造凝固過程中自熔體中析出。Si含量為17wt%，Ni含量為8wt%，以及少量的Cu、Ti、Mg ；離心鑄造過程中，澆注溫度為850°C，模具的預熱溫度為400°C，離心機的旋轉(zhuǎn)速度為3000rmp。鋁缸套鑄件毛坯在車床上進行機械加工，內(nèi)孔機械車削量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；然后進行該鑲鑄體的機械加工，缸套內(nèi)表面加工量0. 5-2. Omm ；對缸套內(nèi)表面進行珩磨、拋光處理；最后，進行發(fā)動機的裝配，得到含本發(fā)明的缸套的全鋁合金發(fā)動機。本實施例的離心鑄造轉(zhuǎn)速高于實施例一，鋁缸套鑄件毛坯的自生混合顆粒增強層中混合顆粒體積百分數(shù)高于實施例一，因此，鋁缸套的耐磨性優(yōu)于實施例一的鋁缸套。制造實施例三一種自生混合顆粒增強鋁缸套及其與鋁缸體的組合成形方法，包括液態(tài)復合材料的制備、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。自生混合增強顆粒是Al呈液態(tài)時加入Ni、Si，然后在鑄造凝固過程中自熔體中析出。Si含量為17wt%，Ni含量為8wt%，以及少量的Cu、Ti、Mg ；離心鑄造過程中，澆注溫度為850°C，模具的預熱溫度為400°C，離心機的旋轉(zhuǎn)速度為5000rmp。鋁缸套鑄件毛坯在車床上進行機械加工，內(nèi)孔機械車削量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；然后進行該鑲鑄體的機械加工，缸套內(nèi)表面加工量0. 5-2. Omm ；對缸套內(nèi)表面進行珩磨、拋光處理；最后，進行發(fā)動機的裝配，得到含本發(fā)明的缸套的全鋁合金發(fā)動機。本實施例的離心鑄造轉(zhuǎn)速高于實施例二，鋁缸套鑄造毛坯的自生混合顆粒增強層中混合顆粒體積百分數(shù)高于實施例二，因此，鋁缸套的耐磨性優(yōu)于實施例二的鋁缸套。制造實施例四一種自生混合顆粒增強鋁缸套及其與鋁缸體的組合成形方法，包括液態(tài)復合材料的制備、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。自生混合增強顆粒是在Al呈液態(tài)時加入Ni、Si，然后在鑄造凝固過程中自熔體中析出。Si含量為25wt%，Ni含量為15wt%，，以及少量的Cu、Ti、Mg ；離心鑄造過程中，澆注溫度為850°C，模具的預熱溫度為400°C，離心機的旋轉(zhuǎn)速度為lOOOrmp。鋁缸套鑄件毛坯在車床上進行機械加工，內(nèi)孔機械車削量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；然后進行該鑲鑄體的機械加工，缸套內(nèi)表面加工量0. 5-2. Omm ；對缸套內(nèi)表面進行珩磨、拋光處理；最后，進行發(fā)動機的裝配，得到含本發(fā)明的缸套的全鋁合金發(fā)動機。本實施例的離心鑄造轉(zhuǎn)速與實施例一相同，而Si含量和Ni含量高于實施例一，鋁缸套鑄造毛坯的自生混合顆粒增強層中混合顆粒體積百分數(shù)高于實施例一，因此，鋁缸套的耐磨性優(yōu)于實施例一的鋁缸套。實施例五—種自生混合顆粒增強鋁缸套及其與鋁缸體的組合成形方法，包括液態(tài)復合材料的制備、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。自生混合增強顆粒是Al呈液態(tài)時加入Ni、Si，然后在鑄造凝固過程中自熔體中析出。Si含量為25wt%，Ni含量為15wt%，，以及少量的Cu、Ti、Mg ；離心鑄造過程中，澆注溫度為850°C，模具的預熱溫度為400°C，離心機的旋轉(zhuǎn)速度為3000rmp。鋁缸套鑄件毛坯在車床上進行機械加工，內(nèi)孔機械車削量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；然后進行該鑲鑄體的機械加工，缸套內(nèi)表面加工量0. 5-2. Omm ；對缸套內(nèi)表面進行珩磨、拋光處理；最后，進行發(fā)動機的裝配，得到含本發(fā)明的缸套的全鋁合金發(fā)動機。本實施例的離心鑄造轉(zhuǎn)速與實施例二相同，而Si含量和Ni含量高于實施例二，鋁缸套鑄造毛坯的自生混合顆粒增強層中混合顆粒體積百分數(shù)高于實施例二，因此，鋁缸套的耐磨性優(yōu)于實施例二的鋁缸套。本實施例的離心鑄造轉(zhuǎn)速高于實施例四，而Si含量和Ni含量與實施例四相同，鋁缸套鑄造毛坯的自生混合顆粒增強層中混合顆粒體積百分數(shù)高于實施例四，因此，鋁缸套的耐磨性優(yōu)于實施例四的鋁缸套。
實施例六—種自生混合顆粒增強鋁缸套及其與鋁缸體的組合成形方法，包括液態(tài)復合材料的制備、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。自生混合增強顆粒是Al呈液態(tài)時加入Ni、Si，然后在鑄造凝固過程中自熔體中析出。Si含量為25wt%，Ni含量為15wt%，，以及少量的Cu、Ti、Mg ；離心鑄造過程中，澆注溫度為850°C，模具的預熱溫度為400°C，離心機的旋轉(zhuǎn)速度為5000rmp。鋁缸套鑄件毛坯在車床上進行機械加工，內(nèi)孔機械車削量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；然后進行該鑲鑄體的機械加工，缸套內(nèi)表面加工量0. 5-2. Omm ；對缸套內(nèi)表面進行珩磨、拋光處理；最后，進行發(fā)動機的裝配，得到含本發(fā)明的缸套的全鋁合金發(fā)動機。本實施例的離心鑄造轉(zhuǎn)速與實施例三相同，而Si含量和Ni含量高于實施例三，鋁缸套鑄造毛坯的自生混合顆粒增強層中混合顆粒體積百分數(shù)高于實施例三，因此，鋁缸套的耐磨性優(yōu)于實施例三的鋁缸套。本實施例的離心鑄造轉(zhuǎn)速高于實施例五，而Si含量和Ni含量與實施例五相同，鋁缸套鑄造毛坯的自生混合顆粒增強層中混合顆粒體積百分數(shù)高于實施例五，因此，鋁缸套的耐磨性優(yōu)于實施例五的鋁缸套。本發(fā)明中，通過調(diào)整鋁合金中Si元素與Ni元素的相對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)，可以把缸套毛坯設計與控制成驟變梯度分布狀態(tài)；通過鋁液的定量和調(diào)整離心鑄造工藝，可以實現(xiàn)增強層厚度的控制；通過調(diào)整離心轉(zhuǎn)速與合金中Si元素與M元素的相對含量，可以實現(xiàn)增強層顆粒體積分數(shù)的設計與控制；通過控制增強顆粒的體積分數(shù)，可以設計與控制增強層的耐磨性能、導熱系數(shù)以及熱穩(wěn)定性等。因此，通過簡單的工藝調(diào)整，可以大大增強缸套的機械性能和熱性能，提高發(fā)動機的工作效率，并且制造工藝過程簡單，生產(chǎn)效率高。最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的技術(shù)人員應當理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進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，其均應涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。
權(quán)利要求
1.一種自生混合顆粒增強鋁缸套，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積分數(shù)為15-50% ；初生Al3Ni和初晶硅Si的相對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冶金的方式進行結(jié)合。
4.一種權(quán)利要求3所述的自生混合顆粒增強鋁缸套的鑄件毛坯的制造方法，包括液態(tài)復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。在離心鑄造凝固過程中形成初生Al3Ni和初晶Si混合顆粒。離心鑄造過程中，轉(zhuǎn)速為1000-5000rpm，澆注溫度為700_950°C，模具預熱溫度為250_500°C。
5.一種權(quán)利要求3所述的自生混合顆粒增強鋁缸套的鑄件毛坯的機械加工方法，其特征在于對離心鑄造制備的缸套鑄件毛坯按缸套幾何尺寸要求進行車削加工，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將機加工后的自生混合顆粒增強鋁缸套鑲鑄在鋁缸體中，鋁缸套與鋁缸體通過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所述的顆粒增強內(nèi)燃機鋁缸套與鋁合金缸體的組合成形體的機械加工方法，其特征在于對組合成形體按幾何尺寸要求進行機械加工，對組合成形體的缸套內(nèi)表面進行粗車、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)動機。
全文摘要
一種自生混合顆粒增強鋁合金缸套由鋁合金以及一定含量的Ni和Si構(gòu)成。在合金凝固過程中，從熔液中先析出的Al3Ni顆粒在離心力的作用下會推動部分初晶Si顆粒一起向外運動，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，留下具有高體積分數(shù)的外層，由此得到自生混合顆粒增強鋁合金缸套。該鋁合金缸套與鋁缸體進行壓力鑄造組合成形，經(jīng)過機械加工和裝配后得到全鋁內(nèi)燃發(fā)動機。本發(fā)明獲得的自生顆?；旌显鰪姼滋字亓枯p、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)動機的工作效率。
文檔編號B22D13/04GK102358928SQ201110289810
公開日2012年2月22日 申請日期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 申請人:重慶大學