CN103447496A - 一种离心铸造外加颗粒增强气缸套的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种离心铸造外加颗粒增强气缸套的方法，包括制备熔浆，预热铸型，浇注充型，离心成型，脱模冷却和机械加工步骤，所述铸型为不导磁材料，所述离心成型步骤在磁场下进行，所述离心成型步骤中离心转速为500～2000r/min，所述磁场方向与离心铸型轴线方向垂直或者平行，所述恒稳磁场的强度为0.01T～0.5T。本发明离心铸造过程中加有磁场，可以使凝固前沿处熔体与已凝固部分产生转速差，熔体不断冲刷凝固前沿，从而避免增强颗粒的团聚与粘连，提高颗粒与基体的结合强度，进而提高气缸套的综合力学与热学性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种铸造方法，特别涉及一种离心铸造外加颗粒增强气缸套的方法。
背景技术
气缸套、活塞、活塞环和气缸盖共同构成内燃机的燃烧室。燃料混合气在燃烧室内经进气、压缩、燃烧和膨胀过程将热能转换为机械能。工作时，气缸套直接与高温气体接触，是内燃机中工作环境最为恶劣的零部件之一，其性能直接影响内燃机性能和寿命。
目前，乘用车内燃机多采用铸铁材料的气缸套，制备成型后再镶铸在铝合金缸体内。虽然制备铸铁气缸套的工艺较为成熟，但是铸铁的热传导性、韧性与铝合金气缸体匹配性差，使用过程中，缸体和缸套结合强度容易降低，造成两者结合不紧密，引起发动机缸体漏油、漏气、排放超标等问题。
为解决这些问题，以铝合金气缸套替代铸铁气缸套成为一种趋势，目前常见制造铝合金材料气缸套的方法有以下几种：
第一种：首先采用喷射沉积得到的无偏析高硅铝合金，然后对合金锭进行旋压加工形成管材，最后经过机械加工得到气缸套成品。采用这种方法获得的气缸套，具有强度高、耐磨性和热稳定性好的优点，但是这种方法工艺流程长，设备投入大，生产成本高，不利于大规模生产。
第二种：粉末冶金法制备外加颗粒增强铝基气缸套。首先采用快速凝固法制备铝合金粉末，然后添加一定量的Al2O3或SiC等硬质颗粒并混合均匀，经粉末冶金形成气缸套毛坯，最后在经车削形成气缸套零件。这种方法也存在工艺流程复杂、成本高、不易大规模生产的缺点。
第三种：首先制备过共晶Al-Si或Al-Si-Mg合金熔浆，然后离心铸造所得熔浆，合金在铸造凝固过程中析出的初晶Si或Mg2Si颗粒的密度小于基体熔浆，在离心浮力的作用下最终聚集在气缸套内层，形成内层具有颗粒增强的铝梯度复合材料气缸套毛坯，最后车削加工所得毛坯制得气缸套成品。这种方法利用利用离心浮力将密度小于铝溶体的增强颗粒偏聚到内层，在成形时，密度小于铝溶体的杂质、氧化皮以及凝固过程中析出的H2也会随增强颗粒一起偏聚到内层，形成夹渣、缩孔、疏松等缺陷，严重降低了内层的力学性能。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种离心铸造外加颗粒增强气缸套的方法，该方法铸造的气缸套的增强颗粒不团聚，内层无夹渣、缩孔、疏松。
本发明离心铸造外加颗粒增强气缸套的方法，包括制备熔浆，预热铸型，浇注充型，离心成型，脱模冷却和机械加工步骤，所述离心成型步骤在磁场下进行，所述制备熔浆步骤中基体材料为Al-Si系合金，外加颗粒为SiC颗粒、Al2O3颗粒或SiC、Al2O3混合颗粒。
进一步，所述磁场方向与离心铸型轴线方向垂直或者平行，所述磁场的强度为0.01～0.5T。
进一步，所述预热铸型步骤中的铸型由不导磁材料构成，预热温度为200-350℃。
进一步，所述浇注充型步骤中熔浆浇注温度为700-750℃。
进一步，所述离心成型步骤中离心转速为500～2000r/min。
进一步，所述外加颗粒体积分数为熔浆的5-30%。
进一步，所述SiC颗粒粒径为5-80μm，所述Al2O3颗粒粒径为5-80μm。
本发明的有益效果在于：本发明离心铸造方法添加的增强颗粒密度大于铝熔体，在离心过程中向外层运动，而复合材料熔浆中的杂质及气泡（如氢气）的密度小于铝熔体，在离心过程中向内层运动；两种方向不同的运动实现了杂质及气泡与增强颗粒的分离。本发明离心铸造过程中加有磁场，可以使凝固前沿处熔体与已凝固部分产生转速差，熔体不断冲刷凝固前沿，从而避免增强颗粒的团聚与粘连，提高颗粒与基体的结合强度，进而提高气缸套的综合力学及热学性能。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述；
图1为本发明离心铸造方法原理图；
图2为本发明离心铸造产品毛坯截面示意图；
图3为本发明成品截面示意图；
图4为为本发明离心铸造设备的一种结构示意图；
图5为本发明离心铸造设备的另一种结构示意图；
其中：1为铸型，2已凝固部分，3为凝固前沿，4为增强颗粒，5为气泡/夹杂，6为颗粒聚集区，7为过渡区，8为杂质聚集区，9为推板，10为挡板，11为磁极，12为电磁线圈；ω为离心旋转角速度，B为磁力线方向，F1为离心力，F2为离心浮力，F3为电磁力。
具体实施方式
以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
图1是本发明离心铸造外加颗粒增强气缸套方法的原理图，本发明的离心铸型1由不导磁的材料制成，与现有技术相比，本发明的离心铸型1外还设置有一对磁极11，形成一垂直于离心铸型轴线的磁场。本发明离心铸造方法中外加增强颗粒4密度大于铝熔体，在离心过程中受到离心力F1的作用向外层运动，而熔浆中的杂质及气泡5（主要是氢气）的密度小于铝熔体，在离心过程中受到离心浮力F2作用向内层运动；两种方向不同的运动实现了杂质及气泡5与增强颗粒4的分离。本发明离心铸造过程中所加磁场使熔体在离心旋转过程中受到大小与离心旋转速度ω正相关但方向相反的电磁力F3的作用。熔体在电磁力F3的作用下与已凝固部分2产生转速差，这种转速差使熔体不断冲刷凝固前沿3，从而避免增强颗粒4的团聚与粘连，提高颗粒与基体的结合强度，进而提高气缸套的综合力学与热学性能。
图2为本发明离心铸造产品毛坯截面示意图，图中产品分为外层颗粒聚集区6，中部过渡区7，内层杂质聚集区8。图3本发明成品截面示意图，图中仅保留了外层颗粒聚集区6，中部过渡区7和内层杂质聚集区8均被去除。
图4为本发明离心铸造设备的结构，包括铸型1、挡板10、推板9，所述铸型1外还设置有至少一对磁极11，所述磁极11的磁力线方向垂直于铸型轴线，所述磁极11所产生的磁场能够有效覆盖离心铸型。
图5为本发明另一种离心铸造设备的结构，它与图4离心铸型的区别仅在于其磁场由环绕在铸型1外的电磁线圈12产生，电磁线圈12产生的磁力线方向B与铸型轴线平行。需要说明的是，上述两种离心铸型磁力线的方向虽然不同，但是增强颗粒在两种磁场中所受电磁力方向与大小变化规律是等效的，可以根据需要选择合适的类型。
以下实施例中，实施例1-4为SiC颗粒增强Al-Si合金复合材料气缸套的制备实施例，实施例5、6为Al2O3颗粒增强Al-Si合金复合材料气缸套的制备实施例，实施例7为SiC和Al2O3混合颗粒增强Al-Si合金复合材料气缸套的制备实施例。
实施例1：
本实施例离心铸造外加颗粒增强气缸套的方法，包括以下步骤：1、制备熔浆：以Al-Si合金和粒径为60-80μm的SiC颗粒为原料，配制SiC颗粒体积分数为5%的复合熔浆，控制熔浆浇注温度为720-740℃；2、预热铸型：浇注前对铸型进行预热，本实施例中铸型预热温度为200℃；3、浇注充型：将步骤1制备的复合材料熔浆均匀的浇注到步骤2预热的铸型中，本实施例浇注时离心转速逐渐增加，浇注完毕时达到600r/min；4、离心成型：浇注充型结束后熔浆在离心力及磁场的作用下凝固成型，离心速度恒为600r/min，磁场强度为0.01T；5、脱模冷却：取出步骤4所得产品空冷冷却制得气缸套毛坯；6、机械加工：取步骤5所得毛坯，去除中部过渡区7和内层杂质聚集区8均即得产品。
本实施例所制得的气缸套，增强颗粒的体积分数约为10%，基本无粘连、团聚现象；基体中的共晶Si呈短条状。
实施例2：
本实施例离心铸造外加颗粒增强气缸套的方法，包括以下步骤：1、制备熔浆：以Al-Si合金和粒径为40-60μm的SiC颗粒为原料，配制SiC颗粒体积分数为15%的复合熔浆，控制熔浆浇注温度为720-740℃；2、预热铸型：浇注前对铸型进行预热，本实施例中铸型预热温度为300℃；3、浇注充型：将步骤1制备的复合材料熔浆均匀的浇注到步骤2预热的铸型中，本实施例浇注时离心转速逐渐增加，浇注完毕时达到1000r/min；4、离心成型：浇注充型结束后熔浆在离心力及磁场的作用下凝固成型，离心速度恒为1000r/min，磁场强度为0.05T；5、脱模冷却：取出步骤4所得产品空冷冷却制得气缸套毛坯；6、机械加工：取步骤5所得毛坯，去除中部过渡区7和内层杂质聚集区8均即得产品。
本实施例所制得的气缸套，增强颗粒的体积分数约为30%，无粘连、团聚现象；基体中的共晶Si呈短棒状。与实施例1相比，本实施例气缸套中颗粒的体积分数更高，粒径更小，其力学性能进一步提高。
实施例3：
本实施例离心铸造外加颗粒增强气缸套的方法，包括以下步骤：1、制备熔浆：以Al-Si合金和粒径为20-40μm的SiC颗粒为原料，配制SiC颗粒体积分数为20%的复合熔浆，控制熔浆浇注温度为720-740℃；2、预热铸型：浇注前对铸型进行预热，本实施例中铸型预热温度为350℃；3、浇注充型：将步骤1制备的复合材料熔浆均匀的浇注到步骤2预热的铸型中，本实施例浇注时离心转速逐渐增加，浇注完毕时达到1500r/min；4、离心成型：浇注充型结束后熔浆在离心力及磁场的作用下凝固成型，离心速度恒为1500r/min，磁场强度为0.1T；5、脱模冷却：取出步骤4所得产品空冷冷却制得气缸套毛坯；6、机械加工：取步骤5所得毛坯，去除中部过渡区7和内层杂质聚集区8均即得产品。
本实施例所制得的气缸套，增强颗粒的体积分数约为40%，无粘连、团聚现象；基体中的共晶Si呈短棒状。与实施例2相比，本实施例气缸套中颗粒的体积分数更高，粒径更小，其力学性能进一步提高。
实施例4：
本实施例离心铸造外加颗粒增强气缸套的方法，包括以下步骤：1、制备熔浆：以Al-Si合金和粒径为5-20μm的SiC颗粒为原料，配制SiC颗粒体积分数为25%的复合熔浆，控制熔浆浇注温度为720-740℃；2、预热铸型：浇注前对铸型进行预热，本实施例中铸型预热温度为350℃；3、浇注充型：将步骤1制备的复合材料熔浆均匀的浇注到步骤2预热的铸型中，本实施例浇注时离心转速逐渐增加，浇注完毕时达到2000r/min；4、离心成型：浇注充型结束后熔浆在离心力及磁场的作用下凝固成型，离心速度恒为2000r/min，磁场强度为0.5T；5、脱模冷却：取出步骤4所得产品空冷冷却制得气缸套毛坯；6、机械加工：取步骤5所得毛坯，去除中部过渡区7和内层杂质聚集区8均即得产品。
本实施例所制得的气缸套，增强颗粒的体积分数约为50%，无粘连、团聚现象；基体中的共晶Si呈短棒状。与实施例3相比，本实施例气缸套中颗粒的体积分数更高，粒径更小，其力学性能进一步提高。
实施例5：
本实施例离心铸造外加颗粒增强气缸套的方法，包括以下步骤：1、制备熔浆：以Al-Si合金和的Al2O3颗粒（由粒径为40-60μm和60-80μm的Al2O3颗粒按质量比为1:2的比例混合）为原料，配制Al2O3颗粒体积分数为20%的复合熔浆，，控制熔浆浇注温度为720-740℃；2、预热铸型：浇注前对铸型进行预热，本实施例中铸型预热温度为300℃；3、浇注充型：将步骤1制备的复合材料熔浆均匀的浇注到步骤2预热的铸型中，本实施例浇注时离心转速逐渐增加，浇注完毕时达到600r/min；4、离心成型：浇注充型结束后熔浆在离心力及磁场的作用下凝固成型，离心速度恒为600r/min，磁场强度为0.02T；5、脱模冷却：取出步骤4所得产品空冷冷却制得气缸套毛坯；6、机械加工：取步骤5所得毛坯，去除中部过渡区7和内层杂质聚集区8均即得产品。
本实施例所制得的气缸套，增强颗粒的体积分数约为35%，无粘连、团聚现象；基体中的共晶Si呈短棒状。
实施例6：
本实施例离心铸造外加颗粒增强气缸套的方法，包括以下步骤：1、制备熔浆：以Al-Si合金和的Al2O3颗粒（由粒径为5-20μm和20-40μm的Al2O3颗粒按质量比为1:2的比例混合）为原料，配制Al2O3颗粒体积分数为30%的复合熔浆，，控制熔浆浇注温度为720-740℃；2、预热铸型：浇注前对铸型进行预热，本实施例中铸型预热温度为350℃；3、浇注充型：将步骤1制备的复合材料熔浆均匀的浇注到步骤2预热的铸型中，本实施例浇注时离心转速逐渐增加，浇注完毕时达到2000r/min；4、离心成型：浇注充型结束后熔浆在离心力及磁场的作用下凝固成型，离心速度恒为2000r/min，磁场强度为0.1T；5、脱模冷却：取出步骤4所得产品空冷冷却制得气缸套毛坯；6、机械加工：取步骤5所得毛坯，去除中部过渡区7和内层杂质聚集区8均即得产品。
本实施例所制得的气缸套，增强颗粒的体积分数约为60%，无粘连、团聚现象；基体中的共晶Si呈短棒状。与实施例5相比，虽然颗粒体积分数增大，粒径减小，但由于基体合金较少，颗粒与基体的结合强度降低，因此，其力学性能有所下降。
实施例7：
本实施例离心铸造外加颗粒增强气缸套的方法，包括以下步骤：1、制备熔浆：以Al-Si合金和的Al2O3和SiC混合颗粒（粒径为5-20μm、20-40μm的Al2O3颗粒和粒径为40-60μm、60-80μm和SiC颗粒的按质量比为1：1：1：1的比例混合）为原料，配制Al2O3和SiC混合颗粒体积分数为25%的复合熔浆，控制熔浆浇注温度为720-740℃；2、预热铸型：浇注前对铸型进行预热，本实施例中铸型预热温度为300℃；3、浇注充型：将步骤1制备的复合材料熔浆均匀的浇注到步骤2预热的铸型中，本实施例浇注时离心转速逐渐增加，浇注完毕时达到1500r/min；4、离心成型：浇注充型结束后熔浆在离心力及磁场的作用下凝固成型，离心速度恒为1500r/min，磁场强度为0.1T；5、脱模冷却：取出步骤4所得产品空冷冷却制得气缸套毛坯；6、机械加工：取步骤5所得毛坯，去除中部过渡区7和内层杂质聚集区8均即得产品。
本实施例所制得的气缸套，增强颗粒的体积分数约为50%，无粘连、团聚现象；基体中的共晶Si呈短棒状。与以上实施例相比，由于颗粒种类增加，粒径范围变大，体积分数合适，气缸套的硬度、耐磨性等力学性能均有所提高。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，上述实施例着重分析了离心力和磁场随时间变化以及磁场加载时间对产品性能的影响，但这并不排除其他离心力和磁场的加载方式，相关人员可以根据需要作出种种变化。本领域普通技术人员可以根据实际需要对离心铸造颗粒增强复合材料的工艺参数（如磁场和离心转速的大小及与时间关系，浇温、铸型温度等）、原材料种类及含量进行各种各样的调整。例如，通过调整复合材料基体及增强颗粒的种类、比例及离心成型工艺，可以制备其他种类的颗粒增强梯度复合材料，并可以实现增强层呈骤变梯度分布、增强层厚度的可控设计；通过调整基体及增强颗粒的成分、离心铸造工艺或采取后续变质处理工艺，可以实现增强颗粒直径的可控设计；通过在基体中添加微量合金元素（Cu、Ni、Mn、Ti等），可以实现非增强层机械性能调整。以上各种改变，只要其离心铸造过程中有外加磁场存在，均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种离心铸造外加颗粒增强气缸套的方法，包括制备熔浆，预热铸型，浇注充型，离心成型，脱模冷却和机械加工步骤，其特征在于：所述离心成型步骤在磁场下进行，所述制备熔浆步骤中基体材料为Al-Si系合金，外加颗粒为SiC颗粒、Al2O3颗粒或SiC、Al2O3混合颗粒。
2.如权利要求1所述离心铸造外加颗粒增强气缸套的方法，其特征在于：所述磁场方向与离心铸型轴线方向垂直或者平行，所述磁场的强度为0.01～0.5T。
3.如权利要求1所述离心铸造外加颗粒增强气缸套的方法，其特征在于：所述预热铸型步骤中的铸型由不导磁材料构成，预热温度为200-350℃。
4.如权利要求1所述离心铸造外加颗粒增强气缸套的方法，其特征在于：所述浇注充型步骤中熔浆浇注温度为700-750℃。
5.如权利要求1所述离心铸造外加颗粒增强气缸套的方法，其特征在于：所述离心成型步骤中离心转速为500～2000r/min。
6.如权利要求1-5任意一项所述离心铸造外加颗粒增强气缸套的方法，其特征在于：所述外加颗粒体积分数为熔浆的5-30%。
7.如权利要求1-5任意一项所述离心铸造外加颗粒增强气缸套的方法，其特征在于：所述SiC颗粒粒径为5-80μm，所述Al2O3颗粒粒径为5-80μm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20131218 |