CN101338704B

CN101338704B - 内层颗粒增强缸套及其制造方法

Info

Publication number: CN101338704B
Application number: CN2008100701970A
Authority: CN
Inventors: 刘昌明; 翟彦博; 谢勇; 王开
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2008-08-27
Filing date: 2008-08-27
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2028-08-27
Also published as: CN101338704A

Abstract

本发明公开了一种内层颗粒增强缸套及其制造方法，包括缸套基体，缸套基体包括径向内层的增强层和外层的非增强层，增强层由增强颗粒分布在缸套基体内构成，增强层与非增强层通过冶金结合的过渡层进行结合，本发明增强层和非增强层过渡均匀平缓，稳定牢固，延长缸套使用寿命，缸套重量轻，孔隙率低，机械性能和热性能好，提高发动机工作效率，并且制造方法工艺过程简单，生产效率高，增强颗粒在非增强层内的含量为零，在增加内层的耐磨性的同时，并不影响缸套整体的抗拉强度等机械性能，该缸套采用离心铸造方法成形内层颗粒偏聚的毛坯，然后毛坯热处理和机械切削加工制造获得。

Description

内层颗粒增强缸套及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种发动机汽缸部件，特别是一种内层颗粒增强缸套及其制造方法。

背景技术

缸套是内燃发动机重要零件，缸套的机械性能和热性能对发动机工作效率、使用寿命以及工作状态有重要的影响。传统的发动机缸套材料主要是合金耐磨铸铁或钢板。随着节能环保意识的进一步加强，对汽车减重的要求越来越高，随之出现了用密度较小的铝合金等材料制造缸套，为了增加密度较小材料缸套的机械性能和热性能，现有技术中出现了高硅铝合金缸套喷射冶金法和铝合金汽缸内表面激光熔覆硅颗粒增强法两种制造铝合金缸套的方法。

高硅铝合金缸套喷射冶金法是液态熔体喷射沉积成形法。喷射过程熔体内颗粒细化，并在沉积体内均匀分布。高硅铝合金缸套喷射冶金法主要用于Si含量在25％以上的过共晶铝硅合金缸套的生产(制备)，在缸套中形成耐磨的初晶硅颗粒。该方法工艺过程复杂、机械切削量大，材料消耗大、成本高，因此未得到工业化应用。

铝合金汽缸内表面激光熔复硅颗粒增强法为采用激光熔复硅颗粒增强铝合金缸套耐磨性，其具体工艺如下：铸造工艺成形气缸整体——对气缸内表面机加工——采用激光熔覆工艺在气缸内表面堆积厚度约0.8mm高硅层——机械精加工气缸内表面。该方法需要激光器及其控制仪器和设备，工艺复杂；激光是点光源，因此熔复硅颗粒时间长，生产效率低；缸套增强层存在1％左右的孔隙率，孔洞尺寸为0.1-0.5mm，因此缸套的增强层易剥落，影响缸套的使用寿命。因此，需要一种内层增强缸套，内层增强区域与基体结合良好，稳定牢固，孔隙率低，重量轻，机械性能和热性能好，并且制造方法工艺过程简单，生产效率高。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种内层颗粒增强缸套及其制造方法，内层增强层与外层非增强层结合良好，重量轻，孔隙率低，机械性能和热性能好，并且制造方法工艺过程简单，生产效率高。

本发明的内层颗粒增强缸套，包括缸套基体，所述缸套基体包括径向内层的增强层和外层的非增强层，增强层由增强颗粒分布在缸套基体内构成，所述增强层与非增强层通过冶金结合的方式进行结合。

进一步，所述增强层内增强颗粒材料按体积百分含量由高到低从内至外逐渐过渡；增强层与非增强层通过冶金结合的过渡层进行结合，所述过渡层的增强颗粒从内至外逐渐降为零；

进一步，所述增强层位于缸套内表面的增强颗粒的体积百分含量大于等于10％；

进一步，所述增强层位于缸套内表面的增强颗粒的体积百分含量为20—50％；

进一步，所述增强层位于缸套内表面的增强颗粒的体积百分含量为35％；

进一步，所述增强颗粒为初晶Si和Mg₂Si的混合颗粒，所述缸套基体的材料为铝基合金；

进一步，初晶Si和Mg₂Si的混合颗粒中，按体积百分含量初晶Si占20％—50％，初晶Si的粒径为20—120μm，Mg₂Si的粒径为20—40μm；

进一步，所述增强层的厚度为1—3mm；

本发明还公开了一种内层颗粒增强缸套的制造方法，包括熔融态材料的制备、铸造和后续加工，所述增强颗粒的密度小于缸套基体材料的密度，通过离心铸造的方式实现增强颗粒在缸套基体内向内层偏聚，致使缸套基体分为内层的增强层和外层的非增强层。

进一步，缸套基体材料选用过共晶Al-Si系合金，增强颗粒为初晶Si与Mg₂Si混合颗粒，增强层的增强颗粒是在熔融材料时加入Mg，铸造时凝固过程中从熔体中自生析出的初晶Si与Mg₂Si颗粒；离心铸造过程中，转速为600—3000rpm，模具预热温度为130—400℃。

本发明的有益效果是：本发明的内层颗粒增强缸套，内层增强层与外层非增强层通过过渡层以冶金结合的方式结合，过渡均匀平缓，稳定牢固，延长缸套使用寿命，重量轻，孔隙率低，机械性能和热性能好，提高发动机工作效率，并且制造方法工艺过程简单，生产效率高，增强颗粒在非增强层内的含量为零，在增加内层的耐磨性的同时，并不影响缸套整体的抗拉强度等机械性能；采用铝为主要基体材料，重量轻，可以使每个缸套减重67％左右，可以降低汽车的燃油消耗和排放污染；该缸套用初晶Si与Mg₂Si颗粒作为增强相，比单一的初晶Si增强效果更好，同时，Mg₂Si颗粒表面的网状龟裂纹具有一定的储油效果，可以省去储油孔加工工序，提高缸套的磨损性能；该缸套在制造过程中，增强颗粒是熔体内自生形成，因而孔隙率低，小于0.3％，该缸套制造方法与现有的灰铸铁缸套离心铸造工艺完全相同，工艺过程简单，生产效率高，与激光熔覆工艺相比，不需要激光熔复硅颗粒增强法所需要的激光器及其控制仪器和设备，制造成本低；与喷射沉积工艺相比，工艺简单，并且节约大量的原材料；该缸套可以通过调整合金成分与离心铸造工艺而满足不同的梯度功能要求；该缸套由于外壁是共晶或亚共晶铝合金，材料的硬度低，内层的初晶Si与Mg₂Si加工性能良好，因此便于车削加工。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

附图为本发明的结构示意图。

具体实施方式

附图为本发明的结构示意图，如图所示：本实施例的内层颗粒增强缸套，包括缸套基体，缸套基体包括径向内层的增强层1和外层的非增强层2，增强层1由增强颗粒分布在缸套基体内构成，增强层1与非增强层2通过冶金结合的过渡层3进行结合；非增强层内不含有增强颗粒，宏观上观察，增强层与非增强层之间界限明显。

增强层1内增强颗粒材料按体积百分含量由高到低从内至外逐渐过渡，过渡层3的增强颗粒从内至外逐渐降为零；本实施例中，增强颗粒为初晶Si和Mg₂Si的混合颗粒，缸套基体的材料为铝基合金。

以下缸套基体增强层内表面的增强颗粒按体积百分含量的实施例：

实施例一

增强层位于缸套内表面的初晶Si和Mg₂Si增强颗粒按体积百分含量为10％，在初晶Si和Mg₂Si的混合颗粒中，按体积百分含量初晶Si占20％，初晶Si的粒径为20—120μm，Mg₂Si的粒径为20—40μm。

实施例二

增强层位于缸套内表面的初晶Si和Mg₂Si增强颗粒按体积百分含量为20％，本实施例中增强颗粒的体积百分含量使缸套的机械性能以及耐磨性优于实施例一；在初晶Si和Mg₂Si的混合颗粒中，按体积百分含量初晶Si占50％，初晶Si的粒径为20—120μm，Mg₂Si的粒径为20—40μm。

实施例三

增强层位于缸套内表面的初晶Si和Mg₂Si增强颗粒按体积百分含量为35％，本实施例中增强颗粒的体积百分含量使缸套的机械性能以及耐磨性优于实施例二；在初晶Si和Mg₂Si的混合颗粒中，按体积百分含量初晶Si占35％，初晶Si的粒径为20—120μm，Mg₂Si的粒径为20—40μm，本实施例增强颗粒中的初晶Si体积百分含量使缸套的机械性能以及耐磨性优于实施例二。

实施例四

增强层位于缸套内表面的初晶Si和Mg₂Si增强颗粒按体积百分含量为50％，本实施例中增强颗粒的体积百分含量使缸套的机械性能以及耐磨性优于实施例一，在初晶Si和Mg₂Si的混合颗粒中，按体积百分含量初晶Si占35％，初晶Si的粒径为20—120μm，Mg₂Si的粒径为20—40μm，本实施例增强颗粒中的初晶Si体积百分含量使缸套的机械性能以及耐磨性优于实施例一。

以下为本发明的制造方法实施例。

制造实施例一

内层颗粒增强缸套的制造方法，包括熔融态材料的制备、铸造和后续加工，增强颗粒为初晶Si与Mg₂Si混合颗粒，密度小于缸套基体材料铝基合金的密度，通过离心铸造的方式实现增强颗粒在缸套基体内向内层偏聚，致使缸套基体分为径向内层的增强层和外层的非增强层；宏观上观察，增强层与非增强层之间界限明显；

增强层的增强颗粒是在熔融材料时加入Mg，铸造时凝固过程中从熔体中自生析出的初晶Si与Mg₂Si颗粒；离心铸造过程中，转速为600rpm，模具预热温度为130—400℃。

制造实施例二

增强层的增强颗粒是在熔融材料时加入Mg，铸造时凝固过程中从熔体中自生析出的初晶Si与Mg₂Si颗粒；离心铸造过程中，转速为3000rpm，模具预热温度为130—400℃。

制造实施例三

增强层的增强颗粒是在熔融材料时加入Mg，铸造时凝固过程中从熔体中自生析出的初晶Si与Mg₂Si颗粒；离心铸造过程中，转速为1500rpm，模具预热温度为130—400℃。

本发明中通过调整铝合金中Si元素与Mg元素的相对含量与离心成形工艺(如浇温、模具温度、离心转速等工艺条件)，可以把增强层设计与控制成骤变梯度分布状态；通过定量铝水与调整离心铸造工艺，可以实现增强层厚度的设计与控制；通过调整离心转速与合金中Si、Mg元素的对比含量，可以实现增强层颗粒体积分数的可设计性与可控制性；通过调整合金成分，变质处理、浇注工艺、离心铸造工艺，可以控制初晶Si颗粒的粒径在20-120μm之间，Mg₂Si颗粒粒径在20-40μm之间；通过控制增强颗粒的体积分数与粒径大小，可以设计与控制增强的耐磨性能、拉伸强度、导热系数、热稳定性等机械性能；通过调整离心铸造工艺(浇注温度、模具温度、离心转速等)，可以设计与控制非增强层的合金成分(共晶、准共晶或亚共晶成分)，同时通过在合金中添加微量合金元素(Cu、Ni、Mn、Ti等)，可以实现非增强层机械性能(常温抗拉强度、高温抗拉强度等)的可设计性与可控制性。

因此，可以通过简单的工艺调整，可以大大增强该缸套的机械性能和热性能，提高发动机工作效率，并且工艺过程简单，生产效率高。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种内层颗粒增强缸套，包括缸套基体，其特征在于：所述缸套基体包括径向内层的增强层(1)和外层的非增强层(2)，增强层(1)由增强颗粒分布在缸套基体内构成，所述增强层(1)与非增强层(2)通过冶金结合的方式进行结合；所述增强颗粒为初晶Si和Mg₂Si的混合颗粒，所述缸套基体的材料为铝基合金；

所述增强层(1)内的增强颗粒材料按体积百分含量由高到低从内至外逐渐过渡；增强层(1)与非增强层(2)通过冶金结合的过渡层(3)进行结合，所述过渡层(3)的增强颗粒从内至外逐渐降为零。

2.根据权利要求1所述的内层颗粒增强缸套，其特征在于：所述增强层(1)位于缸套内表面的增强颗粒的体积百分含量大于等于10％。

3.根据权利要求2所述的内层颗粒增强缸套，其特征在于：所述增强层(1)位于缸套内表面的增强颗粒的体积百分含量为20-50％。

4.根据权利要求3所述的内层颗粒增强缸套，其特征在于：所述增强层(1)位于缸套内表面的增强颗粒的体积百分含量为35％。

5.根据权利要求1、3或4所述的内层颗粒增强缸套，其特征在于：初晶Si和Mg₂Si的混合颗粒中，按体积百分含量初晶Si占20％-50％，初晶Si的粒径为20-120μm，Mg₂Si的粒径为20-40μm。

6.根据权利要求5所述的内层颗粒增强缸套，其特征在于：所述增强层(1)的厚度为1-3mm。

7.一种权利要求1所述的内层颗粒增强缸套的制造方法，包括熔融态材料的制备、铸造和后续加工，其特征在于：所述增强颗粒的密度小于缸套基体材料的密度，通过离心铸造的方式实现增强颗粒在缸套基体内向内层偏聚，致使缸套基体分为径向内层的增强层和外层的非增强层；缸套基体材料选用过共晶Al-Si系合金，增强颗粒为初晶Si与Mg₂Si混合颗粒，增强层的增强颗粒是在熔融材料时加入Mg，铸造时凝固过程中从熔体中自生析出的初晶Si与Mg₂Si颗粒；离心铸造过程中，转速为600-3000rpm，模具预热温度为130-400℃。