CN102699081A - 一种铝硅铁合金发动机缸套的半固态触变挤压成形方法 - Google Patents

Abstract

一种铝硅铁合金发动机缸套的半固态触变挤压成形方法属于金属材料半固态成形技术领域。所述方法按以下步骤进行：将温度为650~750℃的金属液利用电磁搅拌制备成半固态金属浆料，经凝固切割后将半固态金属坯锭进行二次加热，温度为575~595℃，保温时间为45~90min，然后迅速放入已预热至400℃的挤压型腔中，利用挤压机在挤压速度为2~12mm/s，比压为250~750MPa，保压时间为5~10s条件下挤压成形。本发明获得的铝硅铁合金浆料具有晶粒圆整细小、分布均匀的特点，采用半固态触变挤压成形工艺制备的发动机缸套工艺简单，流程短，成本较低，成品率较高，且具有良好的力学性能。

Description

一种铝硅铁合金发动机缸套的半固态触变挤压成形方法

技术领域

本发明属于金属材料半固态成形技术领域，特别涉及一种铝硅铁合金发动机缸套的半固态触变挤压成形方法。

背景技术

缸套作为发动机的关键零部件，对发动机的性能与寿命有着决定性的影响。德、日、美等汽车大国已广泛开展对发动机缸套材料和工艺的研究，而国内相应的研究却很少。 因此，开展这方面的研究对加强我国汽车产品的国际竞争力具有很大意义。目前，发动机缸套材料主要采用铸铁、陶瓷、钢及铝合金，铝合金以其质轻、导热性好、缸套与缸体的热膨胀率相同等优点已成为缸套生产最有发展潜力的材料，现在已成功应用于赛车及民用动力机械。铝合金中的硅元素对其性能有很大影响，当硅元素在20%以下时，合金的力学性能随着硅元素含量的增加而提高。应用于发动机缸套的铝硅铁合金中含有较高含量的硅元素，与其它铝合金相比具有更好的耐热、耐磨、耐蚀等性能，且具有较高的体积稳定性和较低的膨胀系数，是生产发动机缸套的理想替代材料。但高含量的硅在常规铸造凝固条件下会导致在组织中出现大量粗大板条状的初晶硅相，严重割裂合金基体，引起应力集中，使其加工性能和力学性能下降，成品率较低，在很大程度上制约了铝硅铁合金缸套的实际应用。因此，铝硅铁合金中硅相的细化是其应用于产业化的关键问题。目前，发动机缸套的生产主要采用铸造、粉末冶金、喷射成形等技术，传统的离心铸造工艺虽然成本低廉，但制品的质量较差，不能满足组织细化的要求，而采用粉末冶金、喷射沉积等方法又存在成本高昂，生产率较低的问题，在实际应用中受到很大限制，有必要提供一种细化效果显著，成本较低、生产率较高、明显改善合金性能的制备铝硅铁合金发动机缸套的方法。

上世纪70年代发展起来的半固态成形技术实质是对采用搅拌、剪切等工艺获得的细小球形、非枝晶初生相与液态金属组成的液固混合浆料进行的加工成形。与传统加工技术相比，半固态成形技术具有应用领域广泛、生产效率高、产品质量好、生产成本低、节约资源等优点，是一种具有极大优势和发展前景的材料加工技术。半固态触变成形是将凝固的半固态浆料经过二次加热，使其重新加热到固液相温度区间后进行的成形加工。由于半固态浆料具有良好的流动性，可通过挤压变形方式进行薄壁长筒制品的成形，并且在挤压力作用下破碎粗大相晶粒，从而大大细化了晶粒组织，使制件在保持原有性能的基础上，进一步提高其综合性能，特别适合于发动机缸套这种薄壁长筒件的生产，采用半固态触变挤压成形技术制备发动机缸套目前尚未见报导，因此，开展铝硅铁合金的半固态触变挤压成形技术的研究，对于生产铝硅铁合金发动机缸套，开发高性能轻质合金，实现汽车工业的轻量化具有重要的理论意义和应用价值。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种铝硅铁合金发动机缸套的半固态触变挤压成形方法，其目的是提高制品成品率、力学性能和生产率，降低生产成本。

本发明一种铝硅铁合金发动机缸套的半固态触变挤压成形方法，按照以下步骤进行：

（1）半固态金属浆料制备：熔炼铝硅铁合金金属液，将熔融的金属液在650～750℃浇注并进行电磁搅拌，电磁搅拌电流为20～30A，电压为120～150V，浆料冷却速度：15～25℃/s。凝固后切割为坯锭；

（2）二次加热：将金属坯锭置于加热炉加热并保温，使之还原为半固态组织，加热温度为575～595℃，保温时间为45～90min；

（3）工装准备：将挤压模具预热到400℃，并涂抹脱模剂；

（4）半固态触变挤压成形：将经二次加热的半固态金属坯锭迅速放入挤压型腔后挤压成形，挤压速度：2～12 mm/s，比压：250～750MPa，保压时间：5～10s。

所述铝硅铁合金，其主要成分按重量百分比为：硅18.0~20.0%，铁2.0~3.0%，铜3.0~4.0%，镁0.5~1.0%，锰0.5~1.0%，杂质总和≦0.5%，余量为铝。

所述脱模剂为矿物润滑剂。

所述半固态触变挤压成形所用设备为立式挤压机，挤压模具中的凹模外脱模斜度为3～5°，挤压头内脱模斜度为5～7°。

本发明通过半固态技术获得的铝硅铁合金浆料，具有晶粒圆整细小、分布均匀的特点，采用半固态触变挤压成形工艺制备的发动机缸套，成品率较高，且具有良好的力学性能。本发明工艺简单，流程短，成本较低，具有较强的可操作性，完全可以替代现有的离心铸造工艺生产发动机缸套，应用前景广阔。

附图说明：

图1为本发明的半固态触变挤压成形模具主视剖面结构示意图；

图2为经电磁搅拌的半固态铝硅铁合金的显微组织；

图3为经二次加热的半固态铝硅铁合金的显微组织；

图4为铝硅铁合金半固态触变挤压成形后的显微组织；

图5为本发明的工艺过程示意图；

图6为经加工后的半固态触变挤压成形铝硅铁合金发动机缸套。

附图标记说明：

1.挤压头，2.退料板，3.加热箱，4.顶杆，5.阻流块，6.挤压型腔，7.凹模，8.固定螺栓。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明：

本发明采用电磁搅拌装置制备半固态铝硅铁合金浆料，铝硅铁合金主要成分按重量百分比为：硅18.0~20.0%，铁2.0~3.0%，铜3.0~4.0%，镁0.5~1.0%，锰0.5~1.0%，杂质总和≦0.5%，余量为铝。将熔融的金属液在650~750℃浇注并进行电磁搅拌。电磁搅拌电流为20~30A，电压为120~150V，浆料冷却速度：15~25℃/s。待金属液完全凝固后按照模具有关尺寸切割为Φ87×122mm的坯锭。将制得的半固态金属坯锭置于加热炉进行二次加热，加热温度：575~595℃，保温时间：45~90min，使之液相比率为30~45%。

在金属坯锭二次加热的同时，进行工装准备，如图1所示。半固态触变挤压成形所用设备为立式挤压机，模具上方的挤压头1可以快速下降达到需要挤压的位置进行挤压；在凹模7外围是加热箱3，利用电阻丝对模具加热并设有热电偶控制模具温度；模具底部是阻流块5，与凹模7、退料板2一起构成挤压型腔6；模具下方是顶杆4，用以挤压完成后顶出取件。为便于退模，挤压模具中的凹模外脱模斜度为3～5°，挤压头内脱模斜度为5～7°。

利用加热箱3将挤压模具预热至400℃，并在挤压头1外表面及挤压型腔6内表面涂抹矿物润滑剂。二次加热完成后，用夹钳将半固态金属坯锭迅速放入挤压模具的挤压型腔6内，下降挤压头1对半固态金属坯锭进行挤压成形。挤压速度：2~12 mm/s，比压：250~750MPa，加压过程要确保一次加压到设定压力。保压5~10s后，升起挤压头1，在此过程中，已挤压成形的半固态制件被退料板2从挤压头1上分离。打开退料板2，用顶杆4将制件顶出。

图2为经电磁搅拌的半固态铝硅铁合金的显微组织。电磁搅拌是利用感应线圈产生的强磁场对处于液固相线之间的金属液形成强烈的搅拌作用，产生剧烈的流动，使金属凝固析出的枝晶破碎并球化。由图2可见，有部分球化的α-Al基体组织，分布相对较均匀，但也有少量枝晶和玫瑰状花瓣晶，分散着粗大的块状初晶硅及微量针片状共晶硅。

图3为经二次加热的半固态铝硅铁合金的显微组织。在半固态触变成形之前，二次加热是必须进行的一个环节。其目的在于将前期经电磁搅拌获得的细小枝晶碎片转化为球状组织，并使半固态坯锭还原到固液混合状态，保证液相比率为30~45%，以使坯料具有良好的塑性和流动性，为后续挤压成形做准备。由图3可见，经过二次加热以后，α-Al基体球化效果非常明显，晶粒圆整度大大提高，而且分布十分均匀，针片状的共晶硅基本消失，原来粗大块状的初晶硅也变得细小、圆整、尖角钝化，同时由于合金处于液固相区间加热，有部分液相α-Al基体出现。

图4为铝硅铁合金半固态触变挤压成形后的显微组织。半固态触变挤压成形后的组织发生了很大的变化，初晶硅尺寸更加圆整、细小甚至消失，这是由于挤压作用使坯料组织发生大幅度破碎变形，并且硅相沿着主变形方向呈链状分布，形成方向趋于一致的织构组织，Al基体则沿主变形方向连续分布。呈方向性链状分布的硅相织构组织与连续分布的Al基体组织，使成形后的铝硅铁合金组织具有一定的方向性，形成金属流线或纤维状组织分布，导致制件性能呈现明显的各向异性，在提高强度及塑性的同时，合金组织中的气孔、缩孔、缩松等缺陷在挤压变形过程中被焊合，提高了组织的致密度，因而进一步提高了铝硅铁合金的力学性能。图6为经加工后的半固态触变挤压成形铝硅铁合金发动机缸套，由图可见，采用本发明制备的铝硅铁合金发动机缸套外观完整，无缺陷，表面质量较高，具体力学指标均高于铸造工艺生产的缸套。铝硅铁合金半固态触变成形态与铸态力学性能的对比见表1。

表1 铝硅铁合金半固态触变成形态与铸态力学性能的对比

       本发明合金组织分析在ISA-4图像分析仪、JSM-6301F型冷场发射扫描电子显微镜上进行，拉伸试验在CSS-55100电子万能拉伸试验机上进行，设定拉伸速率为0.lmm/s，取板状带头比例试样。硬度的测试选用HB-3000型布氏硬度试验机。实验选用的钢球压头尺寸为Φ5mm，所加载的力为62.5Kg，保压时间30s。以下实施例中所用的矿物润滑剂为市购的LDY型油性锌镁铝合金锻造压铸脱模剂。

下面将通过不同实施例来描述本发明。本发明不局限于这些实施例中，可以在前述化学成分与制造方法范围内加以调整实施。

实施例l

铝硅铁合金发动机缸套半固态触变挤压成形方法，包括以下步骤：

（1）    半固态金属浆料制备：熔炼铝硅铁合金金属液，主要成分按重量百分比为：硅20.0%，铁3.0%，铜4.0%，镁1.0%，锰1.0%，杂质总和≦0.5%，余量为铝。将熔融的金属液在750℃浇注并进行电磁搅拌。电磁搅拌电流为20A，电压为120V，浆料冷却速度：25℃/s。待金属液完全凝固后按照模具有关尺寸切割为Φ87×122mm的坯锭；

（2）    二次加热：将半固态金属坯锭置于加热炉加热并保温，加热温度：595℃，保温时间：45min，液相比率为45%；

（3）    工装准备：将挤压模具预热至400℃，并在挤压头1外表面及挤压型腔6内表面涂抹矿物润滑剂；

（4）    半固态触变挤压成形：将经二次加热的半固态金属坯锭迅速放入挤压模具的挤压型腔6内，下降挤压头1对半固态金属坯锭进行挤压成形。挤压速度：2 mm/s，比压：250MPa，加压过程要确保一次加压到设定压力。保压10s后，升起挤压头1，在此过程中，已挤压成形的半固态制件被退料板2从挤压头1上分离。打开退料板2，用顶杆4将制件顶出。

实施例2

铝硅铁合金发动机缸套半固态触变挤压成形方法，包括以下步骤：

（1）    半固态金属浆料制备：熔炼铝硅铁合金金属液，主要成分按重量百分比为：硅18.0%，铁2.0%，铜3.0%，镁0.7%，锰0.8%，杂质总和≦0.5%，余量为铝。将熔融的金属液在650℃浇注并进行电磁搅拌。电磁搅拌电流为25A，电压为130V，浆料冷却速度：15℃/s。待金属液完全凝固后按照模具有关尺寸切割为Φ87×122mm的坯锭；

（2）    二次加热：将半固态金属坯锭置于加热炉加热并保温，加热温度：580℃，保温时间：60min，液相比率为40%；

（3）    工装准备：将挤压模具预热至400℃，并在挤压头1外表面及挤压型腔6内表面涂抹矿物润滑剂；

（4）    半固态触变挤压成形：将经二次加热的半固态金属坯锭迅速放入挤压模具的挤压型腔6内，下降挤压头1对半固态金属坯锭进行挤压成形。挤压速度：8 mm/s，比压：500MPa，加压过程要确保一次加压到设定压力。保压8s后，升起挤压头1，在此过程中，已凝固成形的半固态制件被退料板2从挤压头1上分离。打开退料板2，用顶杆4将制件顶出。

实施例3

铝硅铁合金发动机缸套半固态触变挤压成形方法，包括以下步骤：

（1）    半固态金属浆料制备：熔炼铝硅铁合金金属液，主要成分按重量百分比为：硅19.0%，铁2.5%，铜3.5%，镁0.5%，锰0.5%，杂质总和≦0.5%，余量为铝。将熔融的金属液在700℃浇注并进行电磁搅拌。电磁搅拌电流为30A，电压为150V，浆料冷却速度：20℃/s。待金属液完全凝固后按照模具有关尺寸切割为Φ87×122mm的坯锭；

（2）    二次加热：将半固态金属坯锭置于加热炉加热并保温，加热温度：575℃，保温时间：90min，液相比率为30%；

（3）    工装准备：将挤压模具预热至400℃，并在挤压头1外表面及挤压型腔6内表面涂抹矿物润滑剂；

（4）    半固态触变挤压成形：将经二次加热的半固态金属坯锭迅速放入挤压模具的挤压型腔6内，下降挤压头1对半固态金属坯锭进行挤压成形。挤压速度：12mm/s，比压：750MPa，加压过程要确保一次加压到设定压力。保压5s后，升起挤压头1，在此过程中，已挤压成形的半固态制件被退料板2从挤压头1上分离。打开退料板2，用顶杆4将制件顶出。

Claims (4)

1.一种铝硅铁合金发动机缸套的半固态触变挤压成形方法，其特征在于按照以下步骤进行：

（1）半固态金属浆料制备：熔炼铝硅铁合金金属液，将熔融的金属液在650～750℃浇注并进行电磁搅拌，电磁搅拌电流为20～30A，电压为120～150V，浆料冷却速度15～25℃/s，凝固后切割为坯锭；

（2）二次加热：将金属坯锭置于加热炉加热并保温，使之还原为半固态组织，加热温度为575～595℃，保温时间为45～90min；

（3）工装准备：将挤压模具预热到400℃，并涂抹脱模剂；

（4）半固态触变挤压成形：将经二次加热的半固态金属坯锭迅速放入挤压型腔后挤压成形，挤压速度：2～12 mm/s，比压：250～750MPa，保压时间：5～10s。

2. 根据权利要求1所述一种铝硅铁合金发动机缸套的半固态触变挤压成形方法，其特征在于所述铝硅铁合金，其主要成分按重量百分比为：硅18.0～20.0%，铁2.0～3.0%，铜3.0～4.0%，镁0.5～1.0%，锰0.5～1.0%，杂质总和≦0.5%，余量为铝。

3. 根据权利要求1所述一种铝硅铁合金发动机缸套的半固态触变挤压成形方法，其特征在于所述脱模剂为矿物润滑剂。

4. 根据权利要求1所述一种铝硅铁合金发动机缸套的半固态触变挤压成形方法，其特征在于半固态触变挤压成形所用设备为立式挤压机，挤压模具中的凹模外脱模斜度为3～5°，挤压头内脱模斜度为5～7°。

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