CN102588136A - 一种耐磨铝合金缸套及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种耐磨铝合金缸套由Al-Si合金和一定量的Ni、Ti构成。该缸套的制备方法是：将熔制好的均质Al-Si-Ni-Ti熔体浇注到旋转的离心模具中，在凝固过程中，初生的金属间化合物TiAlSi和NiAl3分别从熔体中自生析出成为耐磨颗粒。在离心力的作用下，密度比熔体大的初生耐磨颗粒TiAlSi和NiAl3会偏聚到缸套毛坯的外层，共同增强Al-Si基体，从而获得外层偏聚大量初生TiAlSi和NiAl3耐磨颗粒的增强层和内层为Al-Si基体的非增强层的缸套毛坯铸件。毛坯经车削内层后，留下含有高体积分数耐磨颗粒的外层即为本发明耐磨铝合金缸套。本发明采用离心铸造工艺制备的耐磨铝合金缸套，其中自生的耐磨颗粒体积分数高，缸套具有优良的机械性能和高温耐磨性能，且耐磨颗粒和基体合金结合牢固，能延长缸套的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种发动机汽缸部件，特别是一种耐磨铝合金缸套及其制备方法。
背景技术
减重降排目前已成为汽车行业发展的方向之一。汽车、摩托车发动机中的活塞、缸体等均已实现了铝合金材料替代。而作为提供动力的部件-缸套却大多依然沿用铸铁材料。这主要是由于缸套内表面受到高温高压燃气的作用，并与高速运动的活塞接触摩擦而极易磨损，而一般的铝合金材料制备的缸套无法达到高温耐磨的性能要求。
近年来，耐磨铝合金材料缸套的技术开发备受关注，已有技术中出现了高硅铝合金缸套喷射成形法、铝合金汽缸内表面涂覆处理法以及离心铸造法制备颗粒增强铝合金缸套内层的工艺。其中，高硅铝合金喷射成形法制备缸套的工艺主要是采用快速凝固喷射成形与高温挤压工艺，使成形缸套中的Si颗粒起到耐磨的作用。该种工艺的流程长，工艺参数控制难度大，缸套制造成本很高，因此未能广泛采用；而铝合金气缸内表面涂覆工艺则主要是对铝合金缸套内表面进行陶瓷化处理，如喷涂耐磨涂层或激光烧结Si，Al203等耐磨颗粒。该方法首先将发动机缸体和缸套同时整体铸出，为了提高缸套的耐磨性，用激光熔化缸套的内表面，同时将耐磨颗粒熔覆至缸套内表面，然后机械加工成形。该法的主要不足在于熔覆层有孔洞，且缸套内表面涂层与基体合金部分的结合过渡剧烈，容易形成应力集中，在使用过程中出现熔覆层脱落的现象，目前也未能得到推广；离心铸造法制备耐磨颗粒初晶Si/Mg2Si增强铝合金缸套内层技术是最近发明的。这种方法是利用离心力的作用使液态铝合金熔体中自生析出的第二相耐磨颗粒偏移到缸套一侧，从而使其具备良好的耐磨性能。其最大特点是遵循了现有普通铸铁缸套的制造方法，生产效率高且工艺简单，成本低。然而，这种缸套中的耐磨颗粒初晶Si/Mg2Si密度小，在离心铸造过程中与铸造夹渣、气孔等缺陷同时偏移至铸件内层区域，致使缸套机械加工难度增大，成品率降低并影响了其耐磨性能。
考虑到离心铸造法制备耐磨颗粒初晶Si/Mg2Si增强铝合金缸套内层工艺的缺点，可以发明一种自生耐磨颗粒增强铝合金缸套外层的制备方法。金属Ni、Ti与Al一起熔炼，可以形成具有高硬度和高耐磨性能的初生金属间化合物TiAl3、NiAl3，且TiAl3、NiAl3相的密度均大于铝合金基体，在离心铸造过程中将偏聚至铸件外层，从而增强基体材料。目前，国内外关于离心铸造TiAl3增强铝合金复合材料的研究主要有：Watanabe等通过离心铸造方法研究了Al-5wt.％Ti合金中的自生Al3Ti相在三维空间内的形貌特征(ActaMaterialia，2001，Vol.49；No.5：P 775-783)；张宝生等在铝液中加入纯Ti金属，采用金属型内嵌砂套离心铸造(2000rpm)制备了Al-(2.0wt.％，4.7wt.％，5.5wt.％)Ti二元系金属间化合物梯度功能材料(功能材料，1994年第25卷第5期，P446-451)。关于离心铸造NiAl3增强铝合金复合材料的研究主要有：Watanabe等研究了离心铸造制备的Al-Al3Ni功能梯度材料的颗粒尺寸、形状，以及重力系数和冷却速度等对颗粒梯度分布的影响(Science and Engineering of CompositeMaterials，2004，Vol.11；Nos.2-3：P185-199)；Rajan等研究了Al-(10wt.％，20wt.％，30wt.％，40wt.％)Ni合金在离心铸造条件下制备Al-Al3Ni金属间化合物梯度功能材料，并发现Al-20wt.％Ni材料能形成更好的梯度分布(Joumal ofAlloys and Compounds，2008，Vol.453：L4-L7)；张宝生等对Al-10Ni和Al-13Ni金属间化合物梯度功能材料进行研究后认为：沿离心力的方向初生金属间化合物相体积浓度和尺寸均呈现明显的梯度分布(哈尔滨工业大学学报，1998年第30卷第2期)。另外，Watanabe与Nakamura研究了离心铸造Al-20Ni-5Ti合金的组织与耐磨性能，发现合金中形成的Ni3Al，Ti3Al颗粒能有效提高材料的耐磨性能(Intermetallics，2001，Vol.9；No.1：P 33-43)
而关于离心铸造制备Al-Si-Ni-Ti复合材料的研究以及制备耐磨相TiAlSi与NiAl3共同增强Al-Si基复合材料的研究尚未见诸报道。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种耐磨铝合金缸套及其制备方法，该缸套由Al-Si合金和一定量的Ni、Ti构成，缸套中含有大量的初生TiAlSi和NiAl3两种耐磨颗粒，体积分数高，比单一颗粒增强铝合金缸套具有更好的耐磨性。该缸套中的耐磨颗粒与基体之间结合良好，高温耐磨性能优良，且缸套制备工艺简单，生产效率高。
一种耐磨铝合金缸套是采用离心铸造工艺，实现铝合金熔体中自生析出的耐磨颗粒向缸套毛坯外侧偏聚，形成外层增强层(1)及内层非增强层(2)，增强层与非增强层之间通过冶金的方式进行结合。
进一步，所述缸套毛坯的增强层(1)中分布有大量的初晶TiAlSi和NiAl3；非增强层(2)中不含颗粒，为夹渣(3)、气孔(4)等缺陷聚集区。
进一步，增强层(1)中的初晶TiAlSi和NiAl3增强颗粒的体积百分含量为15％-40％。
进一步，所述缸套基体材料为Al-Si合金。
一种耐磨铝合金缸套的制备方法，包括液态复合材料的熔制和离心铸造工艺。在液态Al-Si合金中加入Ni、Ti，形成Al-Si-Ni-Ti合金，其中，Si含量为12-20wt％，Ni含量为6-12wt％，Ti含量为5-10wt％，及其少量的Mg、Cu、Mn，其余为Al；离心铸造过程中，离心转速为1000-5000rpm，浇注温度为800-1200℃，模具预热温度为100-500℃。
进一步，所述耐磨颗粒TiAlSi、NiAl3与缸套基体材料之间存在密度差，通过离心铸造方式实现两种耐磨颗粒向外偏聚，致使外层增强层(1)的形成。
进一步，对离心铸造制备的缸套铸件毛坯按缸套几何尺寸要求进行车削加工，内孔加工量为1-4mm，以去除缸套毛坯中含有夹渣(3)、气孔(4)的非增强层(2)，从而在颗粒增强层(1)中获得含有初晶TiAlSi和NiAl3颗粒的耐磨缸套。
本发明缸套是一种Al-Si-Ni-Ti复合材料耐磨铝合金缸套，缸套毛坯的外层为合金在凝固过程中自生析出的初生TiAlSi及初生NiAl3所形成的增强区域，内层为不含增强相的非增强区域。增强区域与非增强区域组织为冶金结合。增强区域内增强相的体积分数高达15-40％，保证了缸套内表面的耐磨性。
本发明采用离心铸造方法，其工艺简单，便于操作。在离心铸造过程中，初生初生TiAlSi及初生NiAl3一起向缸套毛坯外层聚集，而铸造过程中产生的夹渣、气孔等缺陷则向着反方向积聚，形成集渣层，最大程度的净化了铸件中的杂质。通过机械加工切除掉集渣层就得到不含任何夹渣物的外层增强层的缸套零件，其机械性能优良，热性能好，抗耐磨性能强。
与喷射成形铝合金缸套工艺相比，本发明制造工艺简单，可参照现行的离心铸造制备铸铁缸套的工艺；设备投入小，现行的生产铸铁缸套的设备完全可以胜任；生产效率高。因此，具有广泛推广的可能性；
与铝合金气缸内表面涂覆工艺相比，本发明缸套中的增强颗粒为自生颗粒，即增强颗粒在离心铸造冷却过程中自熔体中产生，自生颗粒与基体结合牢固，降低了缸套使用过程中耐磨颗粒失效脱落的几率，延长了缸套的使用寿命；
与离心铸造制备耐磨颗粒初晶Si/Mg2Si增强铝合金缸套内层工艺相比，本发明缸套中的增强颗粒为初生TiAlSi及初生NiAl3，具有较大的密度，在离心场中将偏聚到铸件外层，而铸造过程中产生的气孔、夹渣等缺陷将偏聚到铸件内层，这样就最大程度的净化了铸件外层组织，即缸套的内层使用表面不含任何缺陷，提高了零件的强度和耐磨性。
与传统的铸铁缸套相比，本发明铝合金缸套的密度只有铸铁材料的三分之一，因此能极大的减轻发动机重量，这符合当前行业内减重降排的发展要求；因本发明铝合金缸套具有与铝合金活塞大致相同的热膨胀系数，在使用过程中具有近似的膨胀量，热机工况更加稳定，因此，在装机时可以适当降低缸套与活塞之间的配缸间隙，有利于减小内燃机燃烧室内串气的发生，从而减少尾气排放量；此外，铝合金缸套的导热性能优良，能有效降低发动机工作缸温，也能起到降低尾气排放的作用。
该缸套的制造工艺与现有的铸铁离心铸造工艺完全相同，且后续的加工，压力铸造等工序也基本相同，这为实现产品的大批量生产、替换铁缸套提供了可能性。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。
图1为本发明缸套筒状铸件横截面的结构示意图。如图所示：本实施例的外层颗粒增强缸套包括外层的颗粒增强层(1)和内层的非增强层(2)，增强层(1)由增强颗粒分布在缸套基体内构成，非增强层(2)内没有增强颗粒，为夹渣(3)、气孔(4)等缺陷聚集区。颗粒增强层(1)与非增强层(2)通过冶金结合的方式进行结合。其中，增强颗粒为初生TiAlSi及初生NiAl3，基体材料为Al-Si合金。
图2为缸套铸件毛坯机械加工后留下的颗粒增强层(1)的本发明耐磨铝合金缸套横截面的结构示意图
具体实施方式
以下为本发明缸套合金成分的实施例：
实施例一
合金成分为Al-12Si-6Ni-5Ti，本实施例缸套具有优良的耐高温性能及抗耐磨性能。
实施例二
合金成分为Al-12Si-6Ni-10Ti，本实施例缸套的耐高温性能及抗耐磨性能优于实施例一。
实施例三
合金成分为Al-12Si-12Ni-5Ti，本实施例缸套的耐高温性能及抗耐磨性能优于实施例一。
实施例四
合金成分为Al-12Si-12Ni-10Ti，本实施例缸套的耐高温性能及抗耐磨性能优于实施例一、二和三。
实施例五
合金成分为Al-20Si-6Ni-5Ti，本实施例缸套的耐高温性能及抗耐磨性能优于实施例一。
实施例六
合金成分为Al-20Si-6Ni-10Ti，本实施例缸套的耐高温性能及抗耐磨性能优于实施例一和五。
实施例七
合金成分为Al-20Si-12Ni-5Ti，本实施例缸套的耐高温性能及抗耐磨性能优于实施例三和五。
实施例八
合金成分为Al-20Si-12Ni-10Ti，本实施例缸套的耐高温性能及抗耐磨性能优于其它实施例。
以下为缸套内的颗粒按体积百分含量的实施例：
实施例一
缸套内的增强颗粒按体积百分含量大于等于15％；耐磨颗粒为初生TiAlSi及初生NiAl3颗粒。
实施例二
缸套内的增强颗粒按体积百分含量为30％；耐磨颗粒为初生TiAlSi及初生NiAl3颗粒。本实施例缸套内的颗粒百分含量使缸套的耐磨性能优于实施例一。
实施例三
缸套内的增强颗粒按体积百分含量为40％；耐磨颗粒为初生TiAlSi及初生NiAl3颗粒。本实施例缸套内的颗粒百分含量使缸套的耐磨性能优于实施例二。
以下为本发明缸套的制造方法实施例。
制造实施例一
一种耐磨铝合金缸套及其制备方法，包括液态复合材料的制备、铸造及铸件后续加工。耐磨颗粒为初生TiAlSi及初生NiAl3颗粒。颗粒在离心场向铸件外层偏移，最终形成径向上的颗粒增强层与非增强层。其中，内层非增强层为夹渣、气孔等缺陷聚集区，在后续的机械加工中被切除。耐磨颗粒是材料呈液态时加入Ni、Ti，然后在铸造凝固过程中自熔体中析出。
离心铸造过程中，转速为1000rpm，浇注温度为800-1200℃，模具预热温度为100-500℃。铸件在车床上进行机械加工，内孔车削量1-4mm，得到本发明的缸套零件。
制造实施例二
一种耐磨铝合金缸套及其制备方法，包括液态复合材料的制备、铸造及铸件后续加工。耐磨颗粒为初生TiAlSi及初生NiAl3颗粒。颗粒在离心场向铸件外层偏移，最终形成径向上的颗粒增强层与非增强层。其中，内层非增强层为夹渣，气孔等缺陷聚集区，在后续的机械加工中被切除。耐磨颗粒是在材料液态时加入Ni、Ti，然后在铸造凝固过程中自熔体中析出。
离心铸造过程中，转速为5000rpm，浇注温度为800-1200℃，模具预热温度为100-500℃。铸件在车床上进行机械加工，内孔车削量1-4mm，得到本发明的缸套零件。
本发明中通过调整铝合金中Si、Ni与Ti的相对含量与离心成形工艺(浇注温度、模具温度、离心转速等)，可以实现缸套增强层厚度的变化控制以及增强层中增强颗粒的不同体积分数的控制；通过调整合金成分(如加入Mn，Mg，Cu)、变质处理及变化浇注参数，可以控制初生TiAlSi及初生NiAl3颗粒的颗粒形貌及尺寸大小。颗粒在离心场向铸件外层偏移，形成颗粒增强层与非增强层。而通过对增强层厚度、增强颗粒体积分数及增强颗粒的形貌大小等的设计控制，可以达到设计、控制缸套的耐磨性能、机械性能、导热性能及热稳定性等。
因此，可以通过简单的工艺调整进一步优化该缸套的系列性能指标，并且制造工艺简单，便于控制，生产成本低，生产效率高。
需要说明的是，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内。
Claims (5)
1.一种耐磨铝合金缸套，其特征在于：所述缸套中含有体积分数为15-40％的耐磨初晶TiAlSi和NiAl3颗粒，缸套基体材料为Al-Si合金。
2.一种权利要求1所述的耐磨铝合金缸套的制备方法，包括缸套毛坯的制备方法及毛坯的机械加工方法，其特征在于：所述缸套毛坯中的初晶颗粒与基体之间存在密度差，通过离心铸造的方式实现颗粒向毛坯外层偏聚，从而形成径向方向上的外层颗粒增强层(1)与内层非增强层(2)，增强层(1)中分布有初晶TiAlSi和NiAl3颗粒；非增强层(2)中不含颗粒，为夹渣(3)、气孔(4)等缺陷聚集区。
3.一种权利要求2所述的耐磨铝合金缸套毛坯的制备方法，包括液态复合材料的熔制和离心铸造，其特征在于：在液态Al-Si合金中加入Ni、Ti，形成Al-Si-Ni-Ti合金，其中，Si含量为12-20wt％，Ni含量为6-12wt％，Ti含量为5-10wt％，及其少量的Mg、Cu、Mn，其余为Al；离心铸造过程中，离心转速为1000-5000rpm，浇注温度为800-1200℃，模具预热温度为100-500℃。
4.一种权利要求2所述的耐磨铝合金缸套毛坯的机械加工方法，其特征在于：对离心铸造制备的缸套毛坯按缸套几何尺寸要求进行车削加工，内孔加工量为1-4mm，以去除毛坯中含有的夹渣(3)、气孔(4)的非增强层(2)，从而在增强层(1)中获得含有初晶TiAlSi和NiAl3颗粒的耐磨铝合金缸套。
5.一种权利要求1、4所述的耐磨铝合金缸套，其特征在于：所述增强层(1)中获得的缸套的厚度为3-6mm。
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