CN102527978A - 一种双层材料发动机缸套的铸造成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双层材料发动机缸套的铸造成形方法，该方法是利用双浇包浇注与传统离心铸造相结合的方法，在离心铸造时先浇注定量的外层材料轻合金熔体，再浇注内层材料所使用的颗粒增强复合材料熔体；凝固后得到径向外层为轻合金材料，内层为颗粒增强复合材料的双层材料发动机缸套。本发明突出的优点在于：本缸套的外层材料可以选择高强韧轻合金材料，外层材料与内层的颗粒增强复合材料相结合，使成形的缸套既具有高强度、高韧性，同时满足耐热耐磨要求；并且便于实现缸套耐热耐磨内层厚度的调控；缸套内外层表面均具有良好的加工性能；本发明流程短、成本低、效率高，易于在现有离心铸造生产线上实现成形制造。

Description

一种双层材料发动机缸套的铸造成形方法
技术领域
本发明涉及离心铸造成形方法，具体是指一种利用离心铸造制造的双层材料发动机缸套的铸造成形方法。
背景技术
缸套是发动机的重要零件之一，其力学和传热性能对发动机工作效率、服役寿命、动力输出具有重要影响。目前发动机缸套主要采用合金铸铁或合金钢制造。随着汽车轻量化、节能环保的要求越来越高，铝合金发动机缸体得到越来越广泛的应用，同时，国内外也在开发铝合金缸套以代替铸铁缸套，由于普通铝合金缸套无法满足发动机燃烧温度要求，及与活塞运动的耐磨性能要求，因此，铝合金缸套需要利用其它材料或增强相进行复合或者表面改性，以提高耐热耐磨性能。
现有复合材料铝合金发动机缸套的制造方法包括压力浸渗、激光熔覆增强颗粒、离心铸造方法。
本田公司通过制作陶瓷和碳纤维预制体，利用压力浸渗的方法制造了复合材料缸套，并与缸体集成制造，满足了发动机散热的要求，但是压力浸渗方法需要制作预制体，然后进行压力浸渗，液相在预制体狭小的间隙间流动，需要时间较长，因而该方法工序多、生产周期长。
激光熔覆工艺主要是在缸套内表面堆积一定厚度的增强颗粒层以增加缸套的耐磨性和耐热性，该方法需要激光器及控制设备，成本高，且激光作为点光源，熔覆颗粒(特别是陶瓷颗粒)时间长，生产效率低。
离心铸造法生产复合材料缸套，增强颗粒在离心力作用下偏聚于缸套外表层，无法满足内表面耐磨需求，而缸套外表面需要精加工后与缸体装配，偏聚增强颗粒后加工性下降，此外，单纯采用复合材料的缸套，虽然提高了缸套的耐磨性，但是韧性下降较多；另一种现有的离心铸造技术是中国专利CN101338704A公告的一种“内层颗粒增强缸套及其制造方法”，该方法的基体材料选用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初晶Si与Mg2Si颗粒，采用离心铸造的方法制造缸套，它实现了铸造法使增强层与非增强层的冶金结合。但它仍然存在以下不足之处：1、增强颗粒密度要求比基体小且增强颗粒通过自生析出，致使缸套的选材受局限；2、增强颗粒偏聚于内层，造成缸套内表面可加工性下降。
基于上述原因，现有铝基或镁基复合材料缸套难以得到推广应用，目前仅在少数高档发动机上应用，而绝大多数缸套仍然采用铸铁材料。因此，需要研发一种短流程低成本、可加工性好、适于大批量生产的复合材料轻合金缸套的制造方法，才能实现缸套产品由铸铁向轻合金复合材料的高性能化、轻量化的升级换代。
发明内容
本发明的目的在于克服现有铝基或镁基复合材料缸套制备技术的不足之处，提供一种短流程、成本低、效率高，能实现产业化的双层材料发动机缸套的铸造成形方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下措施：
一种双层材料发动机缸套的铸造成形方法是利用双浇包浇注与传统离心铸造方法相结合实现的：
步骤一：外层轻合金和内层复合材料熔体的制备
(1)在两个熔炼炉中分别熔化双层材料缸套外层材料和内层基体材料的轻合金；
(2)在内层基体材料熔体中通过搅拌铸造方法加入至少占其体积百分数5％的SiC或Al2O3增强颗粒，搅拌至增强颗粒在熔体中分布均匀，即获得缸套内层材料所使用的颗粒增强复合材料熔体；
步骤二：双浇包浇注与离心铸造
(1)将双层材料发动机缸套外层轻合金熔体和内层颗粒增强复合材料熔体分别倒入已预热的两个浇包中，并把缸套离心铸造成形模具预热到150～250℃；
(2)在离心铸造过程中，先浇注外层材料轻合金熔体，在外层材料进入半固态时，再浇注内层颗粒增强复合材料熔体；
(3)在内外层材料完成凝固后，取出铸件，得到外层为轻合金材料、内层为耐热耐磨颗粒增强复合材料的缸套。
所述颗粒增强复合材料为颗粒增强铝基或镁基复合材料，其增强颗粒是指SiC颗粒或Al203颗粒；内层和外层间为冶金结合。
所述内层颗粒增强复合材料中，颗粒直径为10～50μm的增强颗粒占总体积百分含量的5～20％，并且增强颗粒体积百分数量从内表面向外方向逐渐增加。
所述搅拌至增强颗粒在熔体中分布均匀用的搅拌头转速为250～300rpm，搅拌时间为25～45min。
离心铸造过程中，离心机转速范围为500～2000rpm。
离心铸造过程中，内层颗粒增强复合材料浇注时离心机转速大于外层材料浇注时离心机转速。
本发明与现有技术相比具有以下突出的优点：
1、本发明的双层材料缸套的外层材料与内层基体材料既可以选用相同的材料，也可以选用不同的材料，外层材料可以选择高强韧轻合金材料，外层材料与内层的颗粒增强复合材料相结合，使成形的缸套既具有高强度、高韧性，同时满足耐热耐磨要求。
2、通过调整颗粒增强复合材料熔体的浇注量和离心铸造工艺参数，非常容易实现缸套内层耐热耐磨颗粒增强复合材料厚度的改变与控制。
3、外层材料与内层颗粒增强复合材料不仅具有通过凝固形成的冶金结合，而且，外层材料在离心铸造中形成相对粗糙的内表面，使得内外层同时具有几何结构强化结合。
4、在离心铸造离心力作用下，内层复合材料熔体中的增强颗粒向缸套径向增加方向运动，使得成形的缸套内表面增强颗粒相对含量较少，且外层使用合金材料，使得缸套内外表面加工性能改善，避免了普通离心铸造复合材料缸套增强颗粒偏聚于表面，难以加工的问题。
5、本发明是一种短流程、成本低、效率高，能实现产业化的铸造成形方法，它与压力浸渗方法相比，工艺过程简单，生产周期短，效率高；与激光熔覆增强颗粒方法相比，不需要熔覆增强颗粒所需的激光器及其控制设备，生产成本低，效率高；与传统离心铸造方法相比，仅增加了制备与浇注颗粒增强复合材料熔体的熔炼炉和浇包，易于在现有铸铁缸套离心铸造生产线上实现本发明双层材料缸套的成形制造。
附图说明
图1为采用本发明铸造成形方法制备的双层材料发动机缸套截面结构示意图。
具体实施方式
通过如下实施例及其附图对本发明作进一步说明，但本发明的实施方式不仅限于此。
实施例一
如图1所示，采用本发明制备的双层材料发动机缸套截面结构示意图，外层1为轻合金材料；内层2为颗粒增强复合材料，在内层2中自内向外方向增强颗粒数量逐渐增加，即内层2内表面为颗粒贫瘠层；界面3为以冶金结合为主、几何结构结合为辅的双层材料界面。
一种双层材料发动机缸套铸造成形方法是利用双浇包浇注与传统离心铸造相结合的方法实现缸套径向外层为轻合金材料，内层为颗粒增强复合材料的双层材料发动机缸套的铸造成形，包括如下步骤及其工艺条件：
步骤一：外层轻合金和内层复合材料熔体的制备
(1)在两个熔炼炉中分别熔化双层材料缸套外层材料和内层基体材料的轻合金。在熔炼过程中，外层材料为2024铝合金，熔炼温度为730℃；内层基体材料为2024铝合金，熔炼温度为750℃。
(2)在内层基体材料为2024铝合金的熔体中通过搅拌铸造方法加入SiC颗粒，搅拌头转速为300rpm，SiC颗粒体积百分含量占20％，SiC颗粒直径为30～50μm，搅拌30min使SiC颗粒在熔体中分布均匀，获得缸套内层材料所使用的颗粒增强复合材料熔体。
步骤二：双浇包浇注与离心铸造
(1)将双层材料发动机缸套外层2024铝合金熔体和内层含SiC颗粒增强复合材料熔体分别倒入已预热的两个浇包中，并把缸套离心铸造成形模具预热到150～250℃。
(2)在离心铸造过程中，先浇注外层材料2024铝合金熔体，在外层材料进入半固态时，再浇注内层2024-20％SiC颗粒增强复合材料熔体。外层材料浇注时，离心转速为800rpm；在外层材料浇注完成15s后，浇注内层颗粒增强复合材料，将离心转速增加至1200rpm，以强化内层和外层的结合，并使内层材料中增强颗粒向径向增加方向运动。
(3)在内外层材料完成凝固后，取出铸件，得到外层为2024铝合金、内层为2024-20％SiC颗粒增强复合材料的离心铸造双层材料发动机缸套。
实施例二
本发明是利用双浇包浇注与传统离心铸造相结合的方法实现缸套径向外层为轻合金材料，内层为颗粒增强复合材料的双层材料发动机缸套的铸造成形，包括如下步骤及其工艺条件：
步骤一：外层轻合金和内层复合材料熔体的制备
(1)在两个熔炼炉中分别熔化双层材料缸套外层材料和内层基体材料的轻合金。在熔炼过程中，外层材料选用ADC12铝合金(与压铸铝合金发动机缸体材料相同)，熔炼温度为720℃；内层基体材料为6061铝合金，熔炼温度为750℃。
(2)在内层基体材料为6061铝合金的熔体中通过搅拌铸造方法加入SiC颗粒，搅拌头转速为250rpm，SiC颗粒体积百分含量占15％，SiC颗粒直径为20～30μm，搅拌40min使SiC颗粒在熔体中分布均匀，获得缸套内层材料所使用的颗粒增强复合材料熔体。
步骤二：双浇包浇注与离心铸造
(1)将双层材料发动机缸套外层ADC12铝合金熔体和内层基体材料为6061铝合金含SiC颗粒增强复合材料熔体分别倒入已预热的两个浇包中，并把缸套离心铸造成形模具预热到150～250℃。
(2)在离心铸造过程中，先浇注外层材料ADC12铝合金熔体，在外层材料进入半固态时，再浇注内层6061-15％SiC颗粒增强复合材料熔体。外层材料浇注时，离心转速为600rpm；在外层材料浇注完成20s后，浇注内层颗粒增强复合材料，将离心转速增加至1500rpm，以强化内层和外层的结合，并使内层材料中增强颗粒向径向增加方向运动。
(3)在内外层材料完成凝固后，取出铸件，得到外层为ADC12铝合金、内层为6061-15％SiC颗粒增强复合材料的离心铸造双层材料发动机缸套。
实施例三
本发明是利用双浇包浇注与传统离心铸造相结合的方法实现缸套径向外层为轻合金材料，内层为颗粒增强复合材料的双层材料发动机缸套的铸造成形，包括如下步骤及其工艺条件：
步骤一：外层轻合金和内层复合材料熔体的制备
(1)在两个熔炼炉中分别熔化双层材料缸套外层材料和内层基体材料的轻合金。在熔炼过程中，外层材料选用A356铝合金(与重力铸造铝合金发动机缸体材料相同)，熔炼温度为720℃；内层基体材料为2024铝合金，熔炼温度为750℃。
(2)在内层基体材料为2024铝合金熔体中通过搅拌铸造方法加入Al2O3颗粒，搅拌头转速为250rpm，Al2O3颗粒体积百分含量占10％，Al2O3颗粒直径为15～25μm，搅拌25min使Al2O3颗粒在熔体中分布均匀，获得缸套内层材料所使用的颗粒增强复合材料熔体。
步骤二：双浇包浇注与离心铸造
(1)将双层材料发动机缸套外层A356铝合金熔体和内层颗粒增强复合材料熔体分别倒入已预热的两个浇包中，并把缸套离心铸造成形模具预热到150～250℃。
(2)在离心铸造过程中，先浇注外层材料A356铝合金熔体，在外层材料进入半固态时，再浇注内层2024-10％Al2O3颗粒增强复合材料熔体。外层材料浇注时，离心转速为500rpm；在外层材料浇注完成18s后，浇注内层颗粒增强复合材料，离心转速增加至1000rpm，以强化内层和外层的结合，并使内层材料中增强颗粒向径向增加方向运动。
(3)在内外层材料完成凝固后，取出铸件，得到外层为A356铝合金、内层为2024-10％Al2O3颗粒增强复合材料的离心铸造双层材料发动机缸套。
实施例四
本发明是利用双浇包浇注与传统离心铸造相结合的方法实现缸套径向外层为轻合金材料，内层为颗粒增强复合材料的双层材料发动机缸套的铸造成形，包括如下步骤及其工艺条件：
步骤一：外层轻合金和内层复合材料熔体的制备
(1)在两个熔炼炉中分别熔化双层材料缸套外层材料和内层基体材料的轻合金。在熔炼过程中，外层材料选用AZ91D镁合金(与压铸镁合金发动机缸体材料相同)，熔炼温度为720℃；内层基体材料为AM60镁合金，熔炼温度为750℃。
(2)在内层基体材料为AM60镁合金熔体中通过搅拌铸造方法加入SiC颗粒，搅拌头转速为250rpm，SiC颗粒体积百分含量占5％，SiC颗粒直径为10～20μm，搅拌45min使SiC颗粒在熔体中分布均匀，获得缸套内层材料所使用的颗粒增强复合材料熔体。
步骤二：双浇包浇注与离心铸造
(1)将双层材料发动机缸套外层AZ91D镁合金熔体和内层基体材料为AM60镁合金含SiC颗粒增强复合材料熔体分别倒入已预热的两个浇包中，并把缸套离心铸造成形模具预热到150～250℃。
(2)在离心铸造过程中，先浇注外层材料AZ91D镁合金熔体，在外层材料进入半固态时，再浇注内层AM60-5％ SiC颗粒增强复合材料熔体。外层材料浇注时，离心转速为800rpm；在外层材料浇注完成16s后，浇注内层颗粒增强复合材料，将离心转速增加至2000rpm，以强化内层和外层的结合，并使内层材料中增强颗粒向径向增加方向运动。
(3)在内外层材料完成凝固后，取出铸件，得到外层为AZ91D镁合金、内层为AM60-5％SiC颗粒增强复合材料的离心铸造双层材料发动机缸套。

Claims (6)

1.一种双层材料发动机缸套的铸造成形方法，其特征在于：该方法是利用双浇包浇注与传统离心铸造相结合的方法实现缸套径向外层为轻合金材料，内层为颗粒增强复合材料的双层材料发动机缸套的铸造成形，其步骤及工艺条件如下：
步骤一：外层轻合金和内层复合材料熔体的制备
(1)在两个熔炼炉中分别熔化双层材料发动机缸套外层材料和内层基体材料的轻合金；
(2)在内层基体材料熔体中通过搅拌铸造方法加入至少占其体积百分数5％的增强颗粒，搅拌至增强颗粒在熔体中分布均匀，即获得缸套内层材料所需的颗粒增强复合材料熔体；
步骤二：双浇包浇注与离心铸造成形
(1)将双层材料发动机缸套外层材料轻合金熔体和内层颗粒增强复合材料熔体分别倒入已预热的两个浇包中，并预热缸套离心铸造成形模具；
(2)先浇注外层材料轻合金熔体，在外层材料进入半固态时，再浇注内层颗粒增强复合材料熔体；
(3)在内外层材料完成凝固后，取出铸件，得到外层为轻合金材料、内层为耐热耐磨颗粒增强复合材料的缸套。
2.根据权利要求1所述的一种双层材料发动机缸套的铸造成形方法，其特征在于：所述轻合金材料是指铝合金或镁合金；所述颗粒增强复合材料为颗粒增强铝基或镁基复合材料，其增强颗粒是指SiC颗粒或Al2O3颗粒；内层和外层间为冶金结合。
3.根据权利要求1或2所述一种双层材料发动机缸套的铸造成形方法，其特征在于：所述内层颗粒增强复合材料中，颗粒直径为10～50μm的增强颗粒占总体积百分含量的5～20％，并且增强颗粒体积百分数量从内表面向外方向逐渐增加。
4.根据权利要求1所述的一种双层材料发动机缸套的铸造成形方法，其特征在于：所述搅拌至增强颗粒在熔体中分布均匀用的搅拌头转速为250～300rpm，搅拌时间为25～45min。
5.根据权利要求1所述的一种双层材料发动机缸套的铸造成形方法，其特征在于：离心铸造过程中，离心机转速范围为500～2000rpm。
6.根据权利要求5所述的一种双层材料发动机缸套的铸造成形方法，其特征在于：离心铸造过程中，内层颗粒增强复合材料浇注时离心机转速大于外层材料浇注时离心机转速。
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