CN101457318B

CN101457318B - 高硅铝合金缸套材料及其制备方法

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Publication number: CN101457318B
Application number: CN 200810163877
Authority: CN
Inventors: 孙廷富; 郭珉; 辛海鹰
Original assignee: No 52 Institute of China North Industries Group Corp
Current assignee: No 52 Institute of China North Industries Group Corp
Priority date: 2008-12-20
Filing date: 2008-12-20
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2028-12-20
Also published as: CN101457318A

Abstract

高硅铝合金缸套材料及其制备方法，其材料组分按重量百分比为：Si：18.0％～25.0％；Fe：3.5％～6.0％；Ni：1％～2％；Cu：1.5％～3.0％；Mg：0.5％～1.0％；Mn：0.5％～1.5％；V：0.1％～0.5％；Sr：0.05％～0.15％；Al：余量。其制备方法包括①成分设计与精确配料，精确配料采用中间合金进行定量配料；②熔炼、覆盖与精炼；③喷射沉积；④挤压加工；⑤热处理；⑥机加工与珩磨加工。本发明的材料及制备方法使高硅铝合金制品具有高的综合力学性能特点，优越于铸铁缸套材料的力学性能特点，摩擦学性能优于钢、铸铁缸套材料，与活塞铝合金材料热物理性能相容性好，可显著缩小配缸间隙。本发明的制备特点是采用喷射沉积制造工艺，它是高硅铝合金制备中的主要手段，比粉末冶金工艺和压铸工艺优越，可采用常规加工设备及工艺条件。

Description

高硅铝合金缸套材料及其制备方法

技术领域

本发明属于金属合金及其制备技术领域，尤其涉及一种耐热、耐磨、低膨胀系数的高硅铝合金缸套材料及其制备方法。

背景技术

发动机配缸间隙决定和影响着发动机功率密度、废气压力、燃油消耗以及燃油经济性指标的重要参数。铸铁、钢缸套材料与活塞铝合金材料热物理性能相容性差，难于进一步缩小配缸间隙，不能高效经济的解决高功率密度、高经济性发动机动力技术问题。而高硅铝合金缸套与活塞铝合金材料热物理性能相容性好，可以显著地缩小配缸间隙，可解决或克服铸铁、钢缸套的缺点与不足。

高硅铝合金的摩擦机理是软基体上分布高硬度质点相，质点相越细小、分布越均匀，其摩擦学性能越好；过渡族合金元素含量越高，对摩擦学性能和高温性能越有益。英国专利GB972095分布的一种高硅铝合金缸套材料含铜、镍、铁、锰等过渡族元素，但含量低，将使合金耐高温性能与摩擦学性能不足，而且采用压铸成形方法难以获得细小均匀的高硬度化合物质点相以及高硅质点，还将造成加工性能差等问题。英国专利GB2302695、欧洲专利EP367229及美国专利PS4155756、4938810公布的不含镍、铁、锰等过渡族元素，且硅含量过高，将使该种合金高温、室温力学性能严重过低，且这几份专利均采用粉末冶金工艺，还将造成制造成本高以及力学性能均匀性差等缺点。

而中国专利CN00124660.7、CN200510048662.7公开的合金及喷射沉积制造方法，显示出所制备材料组织的优越性，但存在所制造的材料脆性大，室温、高温力学性能不高等缺点与问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，进行多元合金化设计与制造，提供一种综合性能先进的新型高硅铝合金缸套材料及其制备方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种高硅铝合金缸套材料，其特征在于该高硅铝合金缸套材料各组分按重量百分比处理为：

Si：18.0％～25.0％；Fe：3.5％～6.0％；Ni：1％～2％；Cu：1.5％～3.0％；Mg：0.5％～1.0％；Mn：0.5％～1.5％；V：0.1％～0.5％；Sr：0.05％～0.15％；Al：余量。

所述的高硅铝合金缸套材料各组分按重量百分比处理为：

Si：20.52％；Fe：5.11％；Ni：1.88％；Cu：2.52％；Mg：0.73％；Mn：1.22％；V：0.35％；Sr：0.1％；Al：余量。

高硅铝合金缸套的制备方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①成分设计与精确配料：

成分设计各组分按重量百分比处理为Si：18.0％～25.0％；Fe：3.5％～6.0％；Ni：1％～2％；Cu：1.5％～3.0％；Mg：0.5％～1.0％；Mn：0.5％～1.5％；V：0.1％～0.5％；Sr：0.05％～0.15％；Al：余量；精确配料按照本发明的合金，采用铝硅、铝铁、铝镍、铝铜、铝锰、铝钒、铝锶中间合金以及纯铝、纯镁炉料，进行定量配料；

②熔炼、覆盖与精炼：

采用中频电磁感应炉熔炼，熔炼时硅、铁、镍、铜、锰、钒、锶以铝中间合金形式加入，加入熔化后调整铝液温度为720℃±10℃，加入铝、镁炉料；

覆盖剂的加入，保护铝液避免氧化烧损，分别在装炉、熔炼、加镁及浇注时均匀撒入覆盖剂，避免液体金属裸露；

精炼处理，调整铝液温度740℃～780℃，加入2～6％的以氯化钾-氯化镁为基础成分的熔剂，对合金液进行搅拌、净化，使镁不被烧损，去除合金中氧化物和有害气体；

③喷射沉积：

在中频熔炼炉进行合金熔炼、除气与净化处理，浇注到漏斗与导流嘴中控制导流，进入喷射沉积雾化器中雾化沉积，产生高度雾化的高速半固态溅射流，高速溅射沉积到底盘接收设备上，通过底盘向下的移动速度、旋转速度以及与雾化器的摆角的偶合，制备成不同直径大小的圆形锭坯；

金属导流浇注参数：

浇注温度：760～860℃

金属流量：6～8Kg/min

喷射沉积参数：

扫描速度：20.9～23.3Hz；

气体流量：16～23Nm³/min；

氮气压力：6.5～9.5atm；

喷射高度：670～730mm；

沉积坯接收参数：

接收底盘旋转速度：2.45～3.16r/s；

接收底盘移动速度：0.57～0.70mm/s；

④挤压加工：

切割下料成要求的挤压坯，加热到挤压温度，保温一定时间，送入到挤压机中，在挤压冲头和芯轴共同作用下，挤压成形厚壁管材；

挤压参数：

挤压比：14～17；

挤压速度：1.2～1.5m/min；

挤压温度：420～480℃；

⑤热处理：

将高硅铝合金管坯及材料放在热处理炉中进行固溶处理与时效处理；

固溶处理参数：

固溶温度：480～535℃；

保温时间：1.0～2.5h；

热水淬火温度：60～100℃；

时效处理参数：

时效温度：160～220℃；

保温时间：6.0～12.0h；

⑥机加工与珩磨加工：

润滑冷却剂：煤油；

缸套机械成型加工刀头：合金钢或金刚石刀头；

缸套内表面珩磨加工刀头：硬质合金珩磨头。

所述的覆盖剂采用5％KCl+25％NaCl+70％CaCl₂组合的覆盖剂，或采用40-60％MgCl+40-60％KCl组合的覆盖剂，其加入量为总炉料量的2％-5％。

所述的喷射沉积中的金属导流浇注参数为：

浇注温度：780～820℃

金属流量：6.5～7Kg/min；

喷射沉积参数：

扫描速度：22.3～23.3Hz；

气体流量：20～23Nm³/min；

氮气压力：7.5～8.5atm；

喷射高度：700～720mm；

沉积坯接收参数：

接收底盘旋转速度：2.45～2.78r/s；

接收底盘移动速度：0.57～0.60mm/s。

所述的挤压加工中挤压参数为：

挤压比：16；

挤压速度：1.3～1.4m/min；

挤压温度：430～450℃。

所述的热处理中固溶处理参数为：

固溶温度：510～520℃；

保温时间：2～2.5h；

热水淬火温度：60～70℃；

时效处理参数：

时效温度：165～175℃；

保温时间：7.30～8.30h。

与现有技术相比，本发明的有益效果：采用本发明材料及方法制造的高硅铝合金缸套材料及制品具有高的综合力学性能特点，优越于铸铁缸套材料的力学性能特点；摩擦学性能优越于钢、铸铁缸套材料；与活塞铝合金相容性好。

本发明的高硅铝合金发动机缸套制备技术特点之一是采用喷射沉积制造工艺，而喷射沉积是高硅铝合金制备中的主要手段，比粉末冶金工艺与压铸工艺优越，制造的缸套制品可沿用铸铁缸套加工设备及工艺条件加工。也可设计与制造适用于高硅铝合金加工的专用珩磨头，其缸套加工面质量与使用效应将更为优越。

附图说明

图1为本发明材料制备的喷射雾化沉积工艺装置图；

图2为本发明材料挤压加工工艺装置图；

图3为本发明材料热处理炉中工艺装置图；

图4为本发明材料制造的发动机缸套结构图。

具体实施方式

包含在本发明中的高硅铝合金缸套材料，其金属元素主要为铝、硅、铁、镍、锰、铜、镁、钒、锶等元素。

在本发明中，优选Si的含量为18.0％～25.0％；其作用是提高合金耐磨性能与热物理性能，并对力学性能提高有益。在同时含镁时，作为Mg₂Si析出相起强化作用，为最大化发挥Mg的强化效果，应有过剩硅存在。此外，过剩硅的作用是形成细小、分布均匀的硅晶体颗粒，对耐磨性能作用极大。采用喷射沉积技术可开发硅为17～19％、19～22％、25～27％或更高硅的高硅铝合金材料。

在本发明中，优选Fe的含量为3.5％～6.0％；其作用机理是形成细小、分布均匀的复合相化合物，对提高耐磨性能、高温力学性能与热物理性能有益。但铁对合金成形工艺性能、变形加工性能带来难度，因此必须控制一定量。

在本发明中，优选Ni的含量为1％～2％；其作用是形成细小、分布均匀的耐高温金属间化合物相，对提高耐磨性能与高温力学性能有益，因此必须控制一定量。

在本发明中，优选Cu的含量为1.5％～3.0％；其作用是形成细小、分布均匀的铜镁金属间化合物相，提高合金的力学性能，但高温时铜化合物相有粗化倾向，因此必须控制一定量。

在本发明中，优选Mg的含量为0.5％～1.0％；其作用是与硅、铜形成时效析出相提高合金的力学性能，对合金塑性提高有利，但加入量过多会影响高温性能等。

在本发明中，优选Mn的含量为0.5％～1.5％；其作用是与铁、硅、铝等形成化合物相，对耐磨性能与高温力学性能以及热物理性能改善有有益影响，并改善铁相化合物形态，使之有益于提高合金的综合力学性能。

在本发明中，优选V的含量为0.1％～0.5％；其作用是细化合金组织以及高温时阻碍晶界迁移，抑制组织粗化。

在本发明中，优选Sr的含量为0.05％～0.15％；其作用是去除铁相的有害作用以及对共晶硅、初晶硅细化变质作用。在去除铁的有害作用中其作用原理与锰不同，主要改变含铁相的析出形态，使之由粗大棒状、针状相直接由铸态转变成汉字状，这对合金力学性能有益。

铝是合金中的基体元素，其含量受合金化元素加入量约束。

高硅铝合金缸套的制备方法：

①成分设计与精确配料：按照本发明合金的成分配方进行精确配料。在配料方法上，对硅、铁、镍、锰、铜、钒、锶等高熔点合金元素，采用中间合金的方法，进行配料，以便于能将这些高熔点合金元素加入到低熔点的铝中，即以Al-40％Si、Al-30％Fe、Al-20％Ni、Al-50％Cu、Al-15％Mn、Al-15％V、Al-10％Sr中间合金的炉料形式进行配料。镁熔点与铝相近以纯金属炉料的方式进行配料。在以中间合金的炉料方式配料后，铝量不足时，将以纯铝炉料的方式补足。

如图4所示，为本发明的高硅铝合金缸套结构形式，但不局限于此结构。可借助铸铁、钢缸套加工机床与条件加工；也可采用常规机械加工设备与缸套专用珩磨加工机床加工。加工成如图4所述的缸套结构形式，但不限于此。缸套可采用压入或镶铸的方式与缸体(未示出)紧配合装配，并通过与缸盖(未示出)和活塞(未示出)三者形成在燃油或燃气爆压下的功能关系，使活塞在受迫运动下推动曲轴(未示出)作功，输出动力。借助132mm缸径单缸发动机试验装置(未示出)进行爆压、爆温下的机械负荷、热负荷试验考核及检测。

本发明图1的喷射雾化沉积工艺装置中的1-中频熔炼炉，2-漏斗，3-导流嘴，4-雾化器，5-溅射流，6-锭坯，7-底盘接收设备。

图2的挤压加工工艺装置中的8-挤压冲头，9-挤压机，10-挤压坯，11-芯轴，12-厚壁管材。

图3的热处理工艺装置13-热处理炉，14-铝合金管坯及材料。

图4为以本发明制备工艺制造的发动机缸套零件图。

测试用样品件采用：

1、高硅铝合金厚壁管材解剖，切取圆形拉伸试样；

2、高硅铝合金厚壁管材解剖，切取热物理性能测试试样；

3、高硅铝合金厚壁管材解剖，切取摩擦学性能测试试样；

4、图4所示样品件。

实施例1、实施例2及实施例3

采用本发明材料及上述制备方法制造的本发明材料及制品具有的特点在于：

表1各实施例化学分析(wt％)

以实施例3为例子做配料计算：

1)实施例3的化学成分如下：

Si：20.52％；Fe：5.11％；Ni：1.88％；Cu：2.52％；Mg：0.73％；Mn：1.22％；V：0.35％；Sr：0.1％；Al：余量的铝合金。

2)按装炉100公斤炉料，进行配料计算：

则需要各合金元素量为：

Si：20.52公斤；Fe：5.11公斤；Ni：1.88％公斤；Cu：2.52公斤；Mg：0.73公斤；Mn：1.22公斤；V：0.35公斤；Sr：0.1公斤；

Al：余量为100公斤-上述合金元素的总代数和(32.43公斤)，为67.57公斤。

3)因硅、铁、镍、锰、铜、钒、锶采用中间合金的炉料形式加入。因此，必须转换成中间合金的加入量。则：

①要加入20.52公斤Si，则需要加入Al-40％Si中间合金炉料为20.52公斤/40％＝51.3公斤；将带进Al量为51.3-20.52＝30.78公斤。

②要加入5.11公斤Fe，则需要加入Al-30％Fe中间合金炉料为5.11公斤/30％＝17.03公斤；将带进Al量为17.03-5.11＝11.92公斤。

同理可计算出加入Ni、、Cu、Mn、V、Sr的量。

③需要要加入Al-20％Ni中间合金炉料为9.4公斤，将带进Al量为7.52公斤；

④需要要加入Al-50％Cu中间合金炉料为5.04公斤，将带进Al量为2.52公斤；

⑤需要要加入Al-15％Mn中间合金炉料为8.13公斤，将带进Al量为6.91公斤；

⑥需要要加入Al-15％V中间合金炉料为2.33公斤，将带进Al量为1.98公斤；

⑦需要要加入Al-10％Sr中间合金炉料为1.00公斤，将带进Al量为0.99公斤。

4)需要补加的Al为：

因100公斤合金中需要Al量为67.57公斤；

而上述采用中间合金的形式加入硅、铁、镍、锰、铜、钒、锶带进的铝量为(30.78+11.92+7.52+2.52+6.91+1.98+0.99)＝62.62公斤。

则需要补足的纯铝为67.57公斤-62.62公斤＝4.95公斤。

5)到此为止全部炉料计算完毕，则应向炉中加入的炉料：

Al-40％Si中间合金炉料为51.3公斤；

Al-30％Fe中间合金炉料为17.03公斤；

Al-20％Ni中间合金炉料为9.4公斤；

Al-50％Cu中间合金炉料为5.04公斤；

Al-15％Mn中间合金炉料为8.13公斤；

Al-15％V中间合金炉料为2.33公斤；

Al-10％Sr中间合金炉料为1.00公斤；

需要补加的纯Al为4.95公斤；

需要加入的纯Mg为0.73公斤(没考虑烧损问题，是理论加入量)。

则总加入量验证为51.3+17.03+9.4+5.04+8.13+2.33+1.00+4.95+0.73＝99.91公斤(因计算中有小数点后面的省略，造成计算结果不是100公斤，这里的误差为0.09公斤，属于精度范围内)

表2各实施例力学性能特点

实施例4

采用本发明材料及制备方法制造的实施例3材料及缸套样品件，所具有的特点在于：

其热物理性能特点：

1)热导率

室温25℃时，85W/m/k；高温250℃时，100W/m/k。

2)膨胀系数

室温25℃时，15×10^-61/℃；高温200℃时，16.85×10^-6/℃。

高温300℃时，17.99×10^-61/℃。

3)密度

室温25℃时，2.86g/cm³。

其模拟发动机工况条件，在燃油爆压机械应力作用下的摩擦学性能特点：

表3模拟发动机工况条件的往复摩擦磨损试验数据

注明：1)按最大爆发压力17MPa计算，加载压力800N，加载时间6小时的往复摩擦磨损试验数据。2)65Mn、高镍铸铁为现行发动机活塞环材料，42MnCr52为现行发动机缸套材料。

在132mm缸径单缸发动机试验装置上，按照单缸功率55KW，燃油爆压15-17MPa作用下，进行50小时试验验证。其特点：

1)缸套工作面磨损量测试表明，磨损量测不出，无明显肉眼可见磨损划痕，尺寸在测量工具误差内；

2)油耗，在转速2100r/min下，为216.14g/kWh(相应用铸铁的为221.4g/kWh)

3)废气压力，在转速2100r/min下，为1.35mmHg(相应用铸铁的为1.55mmHg)

Claims

1.一种高硅铝合金缸套材料，其特征在于该高硅铝合金缸套材料各组分按重量百分比处理为：

2.根据权利要求1所述的高硅铝合金缸套材料，其特征在于所述的高硅铝合金缸套材料各组分按重量百分比处理为：

3.一种采用权利要求1所述的高硅铝合金缸套材料制备高硅铝合金缸套的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①成分设计与精确配料：

②熔炼、覆盖与精炼：

③喷射沉积：

在中频熔炼炉(1)进行合金熔炼、除气与净化处理，浇注到漏斗(2)与导流嘴(3)中控制导流，进入喷射沉积雾化器(4)中雾化沉积，产生高度雾化的高速半固态溅射流(5)，高速溅射沉积到底盘接收设备(7)上，通过底盘向下的移动速度、旋转速度以及与雾化器的摆角的偶合，制备成不同直径大小的圆形锭坯(6)；

金属导流浇注参数：

浇注温度：760～860℃

金属流量：6～8kg/min

喷射沉积参数：

扫描速度：20.9～23.3Hz；

气体流量：16～23Nm³/min；

氮气压力：6.5～9.5atm；

喷射高度：670～730mm；

沉积坯接收参数：

接收底盘旋转速度：2.45～3.16r/s；

接收底盘移动速度：0.57～0.70mm/s；

④挤压加工：

切割下料成要求的挤压坯(10)，加热到挤压温度，保温一定时间，送入到挤压机(9)中，在挤压冲头(8)和芯轴(11)共同作用下，挤压成形厚壁管材(12)；

挤压参数：

挤压比：14～17；

挤压速度：1.2～1.5m/min；

挤压温度：420～480℃；

⑤热处理：

将高硅铝合金管坯及材料(14)放在热处理炉(13)中进行固溶处理与时效处理；

固溶处理参数：

固溶温度：480～535℃；

保温时间：1.0～2.5h；

热水淬火温度：60～100℃；

时效处理参数：

时效温度：160～220℃；

保温时间：6.0～12.0h；

⑥机加工与珩磨加工：

润滑冷却剂：煤油；

缸套机械成型加工刀头：合金钢或金刚石刀头；

缸套内表面珩磨加工刀头：硬质合金珩磨头。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述的覆盖剂采用5％KCl+25％NaCl+70％CaCl₂组合的覆盖剂，或采用40-60％MgCl+40-60％KCl组合的覆盖剂，其加入量为总炉料量的2％-5％。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述的喷射沉积中的金属导流浇注参数为：

浇注温度：780～820℃

金属流量：6.5～7kg/min；

喷射沉积参数：

扫描速度：22.3～23.3Hz；

气体流量：20～23Nm³/min；

氮气压力：7.5～8.5atm；

喷射高度：700～720mm；

沉积坯接收参数：

接收底盘旋转速度：2.45～2.78r/s；

接收底盘移动速度：0.57～0.60mm/s。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述的挤压加工中挤压参数为：

挤压比：16；

挤压速度：1.3～1.4m/min；

挤压温度：430～450℃。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述的热处理中固溶处理参数为：

固溶温度：510～520℃；

保温时间：2～2.5h；

热水淬火温度：60～70℃；

时效处理参数：

时效温度：165～175℃；

保温时间：7.30～8.30h。