基于镁基合金的摩托车发动机缸套的制造方法
技术领域
本发明涉及的是一种摩托车发动机技术领域的方法,具体是一种基于镁基合金的摩托车发动机缸套的制造方法。
背景技术
目前使用的摩托车发动机缸体,主要采用铝合金+铸铁缸套的工艺进行制备,该工艺的主要缺点在于铝合金与铸铁缸套之间的不良冶金结合,在升温服役和冷却过程中,由于二种材料的热膨胀不一致,容易导致界面的失效,通常采用加厚铸铁缸套的方法来保证缸套部位的刚度。但加厚铸铁缸套使得产品质量大幅度增加,不能满足轻量化和节能减排的需求。本发明采用高强耐热镁-钕-锌-锆合金系镁合金为缸体铸件合金,该合金具有明显的时效析出强化能力,且高温抗蠕变能力强,是在一定温度条件下服役的镁合金。考虑到镁合金的耐磨性能普遍偏低(铝合金也类似,因此需要增加铸铁缸套),采用镁基复合材料增强缸套部位的方法提高镁合金气缸铸件在缸套部位的抗磨损能力,且能大幅提高缸套部位的刚度。开发一种超低速压力铸造工艺,不仅能合格地制备出摩托车发动机缸体零件,且在金属液充型过程中原位浸渍模具型腔内的预制件,获得具有短纤维增强的镁基复合材料缸套。该工艺具有流程短,操作简便,生产效率高,结构功能一体化的优点,能替代传统的铝合金+铸铁缸套的方法制备摩托车发动机缸体零部件。
经过对现有技术的检索发现,中国专利号93103786.7,记载了一种“摩托车发动机缸套制造方法”,该技术利用灰口铸铁内缸套与铝合金外缸套之间的高温扩散达到冶金结合。但是该现有技术存在明显的缺陷:第一,虽然该方法的缸套和缸体是通过冶金的方法结合在一起,但铝合金的浇注温度只有600~700℃,远低于灰口铸铁1200℃的熔点,冶金结合的效果并不会很好;第二,缸套材料与缸体材料分别为灰口铸铁和铝合金,二者的热膨胀系数不一致,当发动机在运行过程中,由于热错配会在缸体和缸套的界面处产生应力,导致界面失效,使得缸套的热量不能及时传递出去。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足,提供一种基于镁基合金的摩托车发动机缸套的制造方法,解决了发动机缸体材料和缸套材料的界面热错配问题。采用镁合金作为摩托车发动机缸体材料,大幅减轻了缸体质量。另外,本发明采用镁基复合材料原位同步制备方法,增强摩托车发动机缸套部位,大幅提高了缸套材料的耐磨性能和弹性模量,使得缸体和缸套之间没有基体材料过渡,在使用过程中更有利于热传导,对提高发动机输出功率、延长发动机使用寿命都会产生积极的作用。
本发明是通过以下技术方案实现的,本发明包括以下步骤:
第一步、短纤维预制件的制备:通过将氧化铝短纤维浆料经过滤烧结后制成氧化铝短纤维的预制件;
所述的氧化铝短纤维浆料是指:先将直径3~5μm、长度为150~200μm的氧化铝短纤维缓慢加入蒸馏水中,然后加入胶状SiO2,一边加氧化硅粘结剂一边搅拌,形成粘稠状浆料。
所述的短纤维和氧化硅与水的比例按照3∶17~4∶16进行配比,
所述的过滤是指:将氧化铝短纤维浆料倒入筒状器皿中进行过滤,在倒入浆料同时对筒状器皿施加振动,并在筒状器皿底部接上真空装置。
所述的筒状器皿内设有二维网状过滤材料,该二维网状过滤材料的孔径为1~5μm,孔隙率体积百分含量为85%~95%;
所述的烧结是指:在150℃~200℃环境下保温0.5~1.5小时以去除浆料内部的附着水及部分结晶水,然后在250℃~300℃环境下保温1.5~2.5小时使浆料硬化并使筒状器皿和预制件中的结晶水完全气化或分解,最后在1100℃~1200℃环境下烧结1.5~4小时,制得氧化铝短纤维的预制件。
第二步、氧化铝短纤维的预制件预热到300~400℃,然后迅速转移到经预热的H13钢制成的模具型腔并立即将镁合金熔体浇入模具型腔的压室入口处并开启压力铸造设备进行压射成型,直至镁合金熔体充型填满模具型腔,最后经浸渍凝固得到镁合金缸体零件毛坯。
所述的经预热的H13钢制成的模具型腔的预热温度为200~230℃。
所述的镁合金熔体的温度在750-780℃,其组分及含量为:钕2.0~3.0wt%、锌0.1~0.5wt%、锆0.1~0.5wt%,其余为镁。
所述的模具型腔的动模型芯周围的圆槽外径为62mm,且该模具型腔的内浇口面积和流道的截面积经1.5倍加宽加深。
所述的镁合金熔体通过以下方式制备得到:将纯镁、纯锌、中间合金镁-钕,镁-锆预热到180~220℃,然后将纯镁放入有SF6/CO2气体保护的井式电阻坩埚炉中熔化。待镁锭熔化后,在670~690℃加入纯锌;当镁熔液温度达到700~720℃后,将镁-钕中间合金直接加入到镁熔液中;待镁-钕完全熔化后,镁熔液温度回升至770~790℃时加入镁-锆中间合金,待镁-锆中间合金熔化后撇去表面浮渣,搅拌2~3分钟;再将镁熔液温度升至780-800℃保温20~30分钟,然后降温至740~760℃,不断电精炼6~10分钟,精炼后升温到780℃静置25~40分钟后撇去表面浮渣进行浇铸。
第三步、将制得的镁合金摩托车发动机缸体进行镗磨处理和激光表面硬化处理。
所述的镗磨处理是指:采用进刀速度小于0.25mm/s的速度进行缸体内部镗磨。
所述的激光表面硬化处理是指:选用CO2激光器,功率为1000~1600瓦,光斑直径为3~6毫米,对缸孔内表面进行扫描处理,硬化层的厚度为0.5~0.8毫米。
与现有技术相比,本发明上述步骤(2)中采用的超低速压力铸造工艺能在批量生产摩托车发动机缸体的同时,在缸套部位原位制备镁基复合材料,将压铸工艺和复合材料制备工艺相结合,简化了工艺流程,节约了制造成本。通过超低速压铸获得的结构-功能一体化发动机缸套,其基体材料与发动机缸体组分一致,避免了异种材料之间的热错配和冶金结合问题。同时,短纤维预制件增强缸套材料具有比基体镁合金更高的强度和弹性模量,更好的耐磨性能,而且预制件的体积分数还可以根据需要进行调解,以适应不同型号发动机在各种工况条件下的需要。
附图说明
图1为实施例模具型腔示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明,本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
先将直径3μm、长度为200μm的氧化铝短纤维缓慢加入蒸馏水中,然后加入氧化硅粘结剂(胶状SiO2),一边加氧化硅粘结剂一边搅拌,形成粘稠状浆料。其中,短纤维和氧化硅与水的比例按照3∶17进行配比,待搅拌均匀后,将粘稠状浆料倒入筒状器皿中,内腔尺寸与最终成型预制件尺寸相同(预制件外径58mm,内径具有一定的锥度,两端内径分别为48mm和44.7mm),且筒状器皿的底部与微细孔结构的二维网状过滤材料配合(孔径大小2μm,孔隙率体积百分含量为85%),在倒入浆料同时对容器施加振动,并在过滤器底部接上真空装置。待浆料中的水分充分过滤后,低温烘干保温(150℃保温0.5~1.5小时),去除浆料内部的附着水及部分结晶水,然后升温再保温(250℃保温1.5小时),使浆料硬化并使筒状器皿和预制件中的结晶水完全气化或分解,最后进行烧结(1200℃烧结2.5小时),制得含具有一定尺寸和强度的氧化铝短纤维的预制件。将预制件预热到350℃,然后迅速转移到模具型腔中,模具预热温度为200℃。当预制件置入模具型腔后立即将熔炼好的、温度在760℃的合金熔体浇入压室入口出,开启压力铸造设备进行压射成型,当镁合金熔体充型填满模具型腔之后,在凝固之前通过内浇口传递的压力作用下,如图1所示,开始浸渍具有10%孔隙度的短纤维预制件,当镁合金熔体浸渍完毕后开始凝固成型,最后获得复合材料增强摩托车发动机缸套的镁合金缸体零件毛坯。
如图1所示,所述的模具型腔中1为镁合金铸件、2为镁合金摩托车发动机缸体零件、3为摩托车发动机缸套,在压铸工艺前为多孔预制件、4为摩托车发动机缸体在压铸工艺设计中的浇注系统。
其中:所述的镁合金铸件为增加预制件浸渍而增加,在毛坯加工过程中为切削余量。
本实施例中的模具型腔在原有铝合金摩托车缸体模具的基础上,根据复合材料浸渍特性进行了以下改进:第一,在预制件顶部(图一中部位1所示)增加了一定的镁合金加工余量,实际操作中,将动模型芯周围的圆槽外径由58mm扩大为62mm;第二,对原有的浇注系统按照1∶1.5的比例加大了内浇口面积和流道的截面积(图一中部位4所示),实际操作中,将定模中的浇道尺寸以靠近动模的边为基准,按照高度和宽度乘以1.5倍加宽加深。
实施例2
先将直径3μm、长度为200μm的氧化铝短纤维缓慢加入蒸馏水中,然后加入氧化硅粘结剂(胶状SiO2),一边加氧化硅粘结剂一边搅拌,形成粘稠状浆料。其中,短纤维和氧化硅与水的比例按照3∶17进行配比,待搅拌均匀后,将粘稠状浆料倒入筒状器皿中,内腔尺寸与最终成型预制件尺寸相同(预制件外径58mm,内径具有一定的锥度,两端内径分别为48mm和44.7mm),且筒状器皿的底部与微细孔结构的二维网状过滤材料配合(孔径大小2μm,孔隙率体积百分含量为85%),在倒入浆料同时对容器施加振动,并在过滤器底部接上真空装置。待浆料中的水分充分过滤后,低温烘干保温(150℃保温0.5~1.5小时),去除浆料内部的附着水及部分结晶水,然后升温再保温(250℃保温1.5小时),使浆料硬化并使筒状器皿和预制件中的结晶水完全气化或分解,最后进行烧结(1200℃烧结2.5小时),制得含具有一定尺寸和强度的氧化铝短纤维的预制件。将预制件预热到350℃,然后迅速转移到模具型腔中,模具预热温度为220℃。当预制件置入模具型腔后立即将熔炼好的、温度在780℃的合金熔体浇入压室入口出,开启压力铸造设备进行压射成型,当镁合金熔体充型填满模具型腔之后,在凝固之前通过内浇口传递的压力作用下,如图1所示,开始浸渍具有10%孔隙度的短纤维预制件,当镁合金熔体浸渍完毕后开始凝固成型,最后获得复合材料增强摩托车发动机缸套的镁合金缸体零件毛坯。
实施例3
先将直径3μm、长度为200μm的氧化铝短纤维缓慢加入蒸馏水中,然后加入氧化硅粘结剂(胶状SiO2),一边加氧化硅粘结剂一边搅拌,形成粘稠状浆料。其中,短纤维和氧化硅与水的比例按照4∶16进行配比,待搅拌均匀后,将粘稠状浆料倒入筒状器皿中,内腔尺寸与最终成型预制件尺寸相同(预制件外径58mm,内径具有一定的锥度,两端内径分别为48mm和44.7mm),且筒状器皿的底部与微细孔结构的二维网状过滤材料配合(孔径大小2μm,孔隙率体积百分含量为85%),在倒入浆料同时对容器施加振动,并在过滤器底部接上真空装置。待浆料中的水分充分过滤后,低温烘干保温(150℃保温3小时),去除浆料内部的附着水及部分结晶水,然后升温再保温(250℃保温2小时),使浆料硬化并使筒状器皿和预制件中的结晶水完全气化或分解,最后进行烧结(1200℃烧结4小时),制得含具有一定尺寸和强度的氧化铝短纤维的预制件。将预制件预热到400℃,然后迅速转移到模具型腔中,模具预热温度为220℃。当预制件置入模具型腔后立即将熔炼好的、温度在760℃的合金熔体浇入压室入口出,开启压力铸造设备进行压射成型,当镁合金熔体充型填满模具型腔之后,在凝固之前通过内浇口传递的压力作用下,如图1所示,开始浸渍具有15%孔隙度的短纤维预制件,当镁合金熔体浸渍完毕后开始凝固成型,最后获得复合材料增强摩托车发动机缸套的镁合金缸体零件毛坯。
通过以上实施例,方案一由于采用了体积分数为10%的预制件,在缸体制备过程中容易发生预制件开裂的现象,方案二中采用更高的浇注温度和模具温度也不能消除该缺陷。方案三采用了不同比例配比制得体积分数为15%的预制件可以消除预制件开裂的现象,所制备的镁合金摩托车发动机缸体零件无宏微观缺陷。由于体积分数的提高,预制件的烧结和预处理温度也相应提高。由于本发明采用的超低速压铸工艺原位制备复合材料工艺,在批量生产摩托车发动机缸体的同时,在缸套部位原位制备镁基复合材料,将压铸工艺和复合材料制备工艺相结合,简化了工艺流程,节约了制造成本。