CN103894586B - 一种铝合金发动机铸铁缸套处理工艺 - Google Patents

一种铝合金发动机铸铁缸套处理工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种铝合金发动机铸铁缸套处理工艺,将经表面处理的HT250铸铁缸套浸入温度为60-70℃的助镀剂中使表面在其中助镀处理6-10分钟,然后烘干;将助镀处理的HT250铸铁缸套置于锌铝合金熔体中热浸,冷却;然后置于铝合金熔体中热浸;将浸镀铝合金后的HT250铸铁缸套取出,铝合金熔体浇铸;冷却,开型取出铝合金发动机缸体复合材料。本发明通过配制的助镀剂对铸铁缸套进行处理,并结合两步热浸处理和复合铸造工艺实现了ZL101A铝合金与HT250铸铁两种金属之间99.9%以上的冶金结合,制备工艺简单实用,成本低廉,效果突出。

Description

一种铝合金发动机铸铁缸套处理工艺
技术领域
本发明涉及一种铝合金发动机铸铁缸套处理工艺,属于金属材料制备技术领域。
背景技术
发动机轻量化作为汽车轻量化的重要组成部分,使铝合金发动机得到越来越广泛的应用。为了满足铝合金发动机性能及成本要求,其普遍采用铝合金缸体复合铸铁缸套形式。而提高铝合金缸体和铸铁缸套间的结合强度及其热传导系数可以进一步提高发动机性能,因此它一直是国内外研究人员关注的焦点。目前,普遍采用发动机缸体缸套装配方式有:过盈机械配合、铝包容缸套镶铸等。这里铝合金缸体缸套间仅通过物理结合方式结合,结合强度低,导热性能差,且使用寿命有限。
美国专利(US2012/0048106A1)提出通过对铝包容铸铁缸套外表面沉积一层热喷涂涂层,该缸套带有蘑菇状凸起,热喷涂涂层由含铁材料组成,以此来提高缸体缸套间的结合强度和导热性能。
中国专利(CN201620959U)通过对铝合金缸套外表面沿轴向设置连续的弧形螺旋凹槽处理来提高汽缸套的结合性能,以增加汽缸套与汽缸体之间的接触面来改善其散热性能。中国专利(CN202884001U)设计一种铝包容汽缸套,该汽缸套的外表面具Ω状凸刺形颗粒,通过此外形提高汽缸套及其外铝套之间的咬合力。中国专利(CN102534451A)通过热浸镀铝合金对铸铁缸套进行表面处理后复合铸造工艺使其与铝合金缸体间形成冶金结合,有效地提高了结合强度,但其铝合金熔体处理时间较短则不能形成有效地冶金结合,而延长处理时间,则易导致铸铁缸套本身的耐磨性及强度受损。
发明内容
为弥补现有工艺和材料的不足,本发明提供一种铝合金发动机铸铁缸套处理工艺。
本发明是通过以下技术方案实现的:
一种铝合金发动机铸铁缸套处理工艺,包括步骤如下:
(1)用HT250铸铁做缸套,将HT250铸铁缸套外表面先经脱脂、打磨表面处理;
(2)将经表面处理的HT250铸铁缸套浸入温度为60-70℃的助镀剂中使表面在其中助镀处理6-10分钟,然后烘干;
(3)将助镀处理的HT250铸铁缸套置于用中频感应加热炉熔炼的锌铝合金熔体中热浸,热浸温度在450~500℃,热浸时间10-20分钟,然后停止加热,将铸铁缸套取出,冷却;
(4)将热浸镀锌铝合金后的缸套表面打磨除氧化层,然后置于用中频感应加热炉熔炼的铝合金熔体中热浸,热浸温度为680-750℃,热浸时间5-10s;
(5)将浸镀铝合金后的HT250铸铁缸套取出,并迅速固定在预热到400-450℃的金属型浇铸模具的型腔中,用中频感应加热炉熔炼出新鲜的铝合金,倒入型腔中,完成整个浇铸过程;
(6)冷却,开型取出铝合金发动机缸体复合材料。
所述的助镀剂为下列重量份比的盐的水溶液:氯化锌ZnCl235-45份、氟化钾KF20-25份、氯化钾KCl15-20份、硝酸钠NaNO31-5份、亚硝酸钠NaNO21-3份、磷酸二氢亚铁Fe(H2PO4)21-5份、表面活性剂CH3(CH2)11SO3Na0.1-0.6份。助镀剂溶质浓度为100-200g/L。
步骤(2)所述的烘干为在100-200℃烘干,时间为30-60分钟。
所述的锌铝合金含2-5wt%铝Al、0.1-0.3wt%硅Si、0.1-0.5wt%锰Mn、余量为锌。
所述的铝合金优选ZL101A铝合金。
本发明的优势在于:
(1)本发明采用两步热浸镀,先在锌铝合金浸镀,再在铝合金中浸镀。选用锌铝合金作为浸镀熔体,其熔点较低,热浸过程不会对铸铁缸套产生负面影响,其添加的铝元素及硅元素可以抑制锌和铁反应以及减少铁在锌熔体中的溶解量,有利于浇铸的ZL101A铝合金与铸铁缸套形成冶金结合;而且,本发明的锌铝合金中添加一定含量的锰元素,能有效地改善结合界面,提高结合强度。第二步热浸ZL101A铝合金可以有效地提高铸铁缸套和铝合金缸体间的冶金结合率,并防止第一步浸镀的锌合金层对铝合金缸体其他部分产生负面影响。
(2)本发明通过自行配制助镀剂对铸铁缸套进行处理,对铸铁表面有较强的活化作用,降低两种金属之间的表面张力,提高了润湿性,极大的改进了结合面性能。传统的热浸镀锌合金过程中使用的助镀剂很少针对铸铁制件使用,其主要有含氯化锌-铵盐助镀剂,在生产过程易产生大量烟尘;此外,传统的助镀剂易吸潮,这使得助镀处理后的制件保存时间较短。本发明配制的助镀剂主要针对本发明涉及的HT250铸铁制件热浸锌铝合金过程,所添加的硝酸盐可以使制件表面的亚铁离子氧化成有利于本发明涉及的锌铝合金镀层结合质量的三价铁离子,其配合亚硝酸盐能促进反应进行,是必不可少的促进剂;添加的磷酸二氢盐配合锌盐可以在制件表面形成难溶性盐膜,其有助于延长助镀处理后制件的保存时间;添加的表面活性剂能降低制件表面张力,它们配合其他助镀剂成分使其效果不比传统使用的助镀剂差甚至更优于传统的助镀剂。
本发明通过配制的助镀剂对铸铁缸套进行处理,并结合两步热浸处理和复合铸造工艺实现了ZL101A铝合金与HT250铸铁两种金属之间99.9%以上的冶金结合,制备工艺简单实用,成本低廉,效果突出。从附图中看一看出,图1为未经助镀处理的缸套难以和铝合金形成冶金结合;图2为通过热浸锌铝合金的缸套浇铸后能和铝合金形成部分冶金结合,冶金结合率较低;对于仅通过短时间热浸铝合金处理的缸套浇铸后也难以和铝合金形成冶金结合,如图3所示;图4、5、6为经过助镀、热浸锌铝合金和铝合金三步处理后浇铸的试样图片,我们可以发现处理后的缸套和铝合金间形成了有效地冶金结合,结合率达到99.9%以上。
附图说明
图1为未使用助镀剂处理所得试样(对比例1)的SEM图片;
图2为只经过浸镀锌铝合金处理后所得试样(对比例2)的SEM图片;
图3为只经过浸镀铝合金后所得试样(对比例3)的SEM图片;
图4为经过助镀、浸镀锌铝合金并浸镀铝合金后所得试样(对应的实施例1)的SEM图片a;
图5为经过助镀、浸镀锌铝合金并浸镀铝合金后所得试样(对应的实施例2)的SEM图片b;
图6为经过助镀、浸镀锌铝合金并浸镀铝合金后所得试样(对应的实施例3)的SEM图片c。
具体实施方式
下面结合实施例进一步说明:
实施例1:
原材料有:HT250铸铁缸套、工业ZL101A铝合金、锌铝合金和自行配制的助镀剂(主要成分氯化锌ZnCl2、氟化钾KF、氯化钾KCl、硝酸钠NaNO3、亚硝酸钠NaNO2、磷酸二氢亚铁Fe(H2PO4)2和表面活性剂CH3(CH2)11SO3Na)。
(1)用HT250铸铁做缸套,将HT250铸铁缸套外表面先经脱脂和抛丸或其他机械打磨除锈及表层游离态碳处理;
(2)配制助镀剂,按盐的质量百分比45%、24.9%、20%、3%、2%、5%、0.1%分别称取氯化锌ZnCl2、氟化钾KF、氯化钾KCl、硝酸钠NaNO3、亚硝酸钠NaNO2、磷酸二氢亚铁Fe(H2PO4)2、表面活性剂CH3(CH2)11SO3Na,将其和去离子水配制成浓度为100g/L盐溶液,然后将经表面脱脂除污的HT250铸铁缸套浸入到配制好的助镀剂溶液中,温度为60℃,10分钟后取出,并烘干备用;
(3)称取97.2wt%纯锌Zn、2wt%工业纯铝Al、0.3wt%硅Si和0.5wt%锰Mn一起放置到石墨坩埚中,置于中频感应加热炉中进行加热搅拌熔炼;
(4)将助镀处理的HT250铸铁缸套置于熔炼完成的锌铝合金熔体中热浸镀,保证铸铁缸套能充分在锌铝合金熔体中浸镀而不接触坩埚,热浸镀温度在500℃,热浸镀时间10分钟,然后停止加热,将铸铁缸套取出冷却;
(5)将热浸镀锌铝合金后的缸套表面打磨除氧化层,然后置于用中频感应加热炉熔炼的ZL101A铝合金熔体中热浸,热浸温度为750℃,热浸时间5s;
(6)将浸镀ZL101A铝合金后的HT250铸铁缸套取出,并迅速固定在预热到400℃的金属型浇铸模具的型腔中,用中频感应加热炉熔炼出新鲜的ZL101A铝合金,倒入型腔中,完成整个浇铸过程;
(7)冷却,开型取出铝合金发动机缸体复合材料,取样进行线切割,打磨试样并观察金相结合界面。
实施例2:
原材料有:HT250铸铁缸套、工业ZL101A铝合金、锌铝合金和自行配制的助镀剂(主要成分氯化锌ZnCl2、氟化钾KF、氯化钾KCl、硝酸钠NaNO3、亚硝酸钠NaNO2、磷酸二氢亚铁Fe(H2PO4)2和表面活性剂CH3(CH2)11SO3Na)。
(1)用HT250铸铁做缸套,将HT250铸铁缸套外表面先经脱脂和抛丸或其他机械打磨除锈及表层游离态碳处理;
(2)配制助镀剂,按盐的质量百分比45%、22%、19.7%、5%、3%、5%、0.3%称取氯化锌ZnCl2、氟化钾KF、氯化钾KCl、硝酸钠NaNO3、亚硝酸钠NaNO2、磷酸二氢亚铁Fe(H2PO4)2、表面活性剂CH3(CH2)11SO3Na,将其和去离子水配制成浓度为200g/L盐溶液,然后将经表面脱脂除污的HT250铸铁缸套浸入到配制好的助镀剂溶液中,温度为60℃,10分钟后取出,并烘干备用;
(3)称取97.2wt%纯锌Zn、2wt%工业纯铝Al、0.3wt%硅Si和0.5wt%锰Mn一起放置到石墨坩埚中,置于中频感应加热炉中进行加热搅拌熔炼;
(4)将助镀处理的HT250铸铁缸套置于熔炼完成的锌铝合金熔体中热浸镀,保证铸铁缸套能充分在锌铝合金熔体中浸镀而不接触坩埚,热浸镀温度在450℃,热浸镀时间20分钟,然后停止加热,将铸铁缸套取出冷却;
(5)将热浸镀锌铝合金后的缸套表面打磨除氧化层,然后置于用中频感应加热炉熔炼的ZL101A铝合金熔体中热浸,热浸温度为680℃,热浸时间10s;
(6)将浸镀ZL101A铝合金后的HT250铸铁缸套取出,并迅速固定在预热到400℃的金属型浇铸模具的型腔中,用中频感应加热炉熔炼出新鲜的ZL101A铝合金,倒入型腔中,完成整个浇铸过程;
(7)冷却,开型取出铝合金发动机缸体复合材料,取样进行线切割,打磨试样并观察金相结合界面。
实施例3:
原材料有:HT250铸铁缸套、工业ZL101A铝合金、锌铝合金和自行配制的助镀剂(氯化锌ZnCl2、氟化钾KF、氯化钾KCl、硝酸钠NaNO3、亚硝酸钠NaNO2、磷酸二氢亚铁Fe(H2PO4)2和表面活性剂CH3(CH2)11SO3Na。
(1)用HT250铸铁做缸套,将HT250铸铁缸套外表面先经脱脂和抛丸或其他机械打磨除锈及表层游离态碳处理;
(2)配制助镀剂,按质量百分比44%、24.5%、20%、5%、3%、4%、0.5%称取氯化锌ZnCl2、氟化钾KF、氯化钾KCl、硝酸钠NaNO3、亚硝酸钠NaNO2、磷酸二氢亚铁Fe(H2PO4)2、表面活性剂CH3(CH2)11SO3Na,将其和去离子水配制成浓度为100g/L盐溶液,然后将经表面脱脂除污的HT250铸铁缸套浸入到配制好的助镀剂溶液中,温度为70℃,10分钟后取出,并烘干备用;
(3)称取97.2wt%纯锌Zn、2wt%工业纯铝Al、0.3wt%硅Si和0.5wt%锰Mn一起放置到石墨坩埚中,置于中频感应加热炉中进行加热搅拌熔炼;
(4)将助镀处理的HT250铸铁缸套置于熔炼完成的锌铝合金熔体中热浸镀,保证铸铁缸套能充分在锌铝合金熔体中浸镀而不接触坩埚,热浸镀温度在500℃,热浸镀时间15分钟,然后停止加热,将铸铁缸套取出冷却;
(5)将热浸镀锌铝合金后的缸套表面打磨除氧化层,然后置于用中频感应加热炉熔炼的ZL101A铝合金熔体中热浸,热浸温度为700℃,热浸时间8s;
(6)将浸镀ZL101A铝合金后的HT250铸铁缸套取出,并迅速固定在预热到400℃的金属型浇铸模具的型腔中,用中频感应加热炉熔炼出新鲜的ZL101A铝合金,倒入型腔中,完成整个浇铸过程;
(7)冷却,开型取出铝合金发动机缸体复合材料,取样进行线切割,打磨试样并观察金相结合界面。
对比例1:
原材料有:HT250铸铁缸套、工业ZL101A铝合金和锌铝合金。
(1)用HT250铸铁做缸套,将HT250铸铁缸套外表面先经脱脂和抛丸或其他机械打磨除锈及表层游离态碳处理;
(2)称取97.2wt%纯锌Zn、2wt%工业纯铝Al、0.3wt%硅Si和0.5wt%锰Mn一起放置到石墨坩埚中,置于中频感应加热炉中进行加热搅拌熔炼;
(3)将表面处理的HT250铸铁缸套置于熔炼完成的锌铝合金熔体中热浸镀,保证铸铁缸套能充分在锌铝合金熔体中浸镀而不接触坩埚,热浸镀温度在500℃,热浸镀时间15分钟,然后停止加热,将铸铁缸套取出冷却;
(4)将热浸镀锌铝合金后的缸套表面打磨除氧化层,然后置于用中频感应加热炉熔炼的ZL101A铝合金熔体中热浸,热浸温度为700℃,热浸时间8s;
(5)将浸镀ZL101A铝合金后的HT250铸铁缸套取出,并迅速固定在预热到400℃的金属型浇铸模具的型腔中,用中频感应加热炉熔炼出新鲜的ZL101A铝合金,倒入型腔中,完成整个浇铸过程;
(6)冷却,开型取出铝合金发动机缸体复合材料,取样进行线切割,打磨试样并观察金相结合界面。
对比例2:
原材料有:HT250铸铁缸套、工业ZL101A铝合金、锌铝合金和自行配制的助镀剂(氯化锌ZnCl2、氟化钾KF、氯化钾KCl、硝酸钠NaNO3、亚硝酸钠NaNO2、磷酸二氢亚铁Fe(H2PO4)2和表面活性剂CH3(CH2)11SO3Na。
(1)用HT250铸铁做缸套,将HT250铸铁缸套外表面先经脱脂和抛丸或其他机械打磨除锈及表层游离态碳处理;
(2)配制助镀剂,按质量百分比44%、24.5%、20%、5%、3%、4%、0.5%称取氯化锌ZnCl2、氟化钾KF、氯化钾KCl、硝酸钠NaNO3、亚硝酸钠NaNO2、磷酸二氢亚铁Fe(H2PO4)2、表面活性剂CH3(CH2)11SO3Na,将其和去离子水配制成浓度为100g/L盐溶液,然后将经表面脱脂除污的HT250铸铁缸套浸入到配制好的助镀剂溶液中,温度为70℃,10分钟后取出,并烘干备用;
(3)称取97.2wt%纯锌Zn、2wt%工业纯铝Al、0.3wt%硅Si和0.5wt%锰Mn一起放置到石墨坩埚中,置于中频感应加热炉中进行加热搅拌熔炼;
(4)将助镀处理的HT250铸铁缸套置于熔炼完成的锌铝合金熔体中热浸镀,保证铸铁缸套能充分在锌铝合金熔体中浸镀而不接触坩埚,热浸镀温度在500℃,热浸镀时间15分钟,然后停止加热,将铸铁缸套取出;
(5)将浸镀锌铝合金后的HT250铸铁缸套固定在预热到400℃的金属型浇铸模具的型腔中,用中频感应加热炉熔炼出新鲜的ZL101A铝合金,倒入型腔中,完成整个浇铸过程;
(6)冷却,开型取出铝合金发动机缸体复合材料,取样进行线切割,打磨试样并观察金相结合界面。
对比例3:
原材料有:HT250铸铁缸套和工业ZL101A铝合金。
(1)用HT250铸铁做缸套,将HT250铸铁缸套外表面先经脱脂和抛丸或其他机械打磨除锈及表层游离态碳处理;
(2)将表面处理的缸套置于用中频感应加热炉熔炼的ZL101A铝合金熔体中热浸,热浸温度为700℃,热浸时间8s;
(3)将浸镀ZL101A铝合金后的HT250铸铁缸套取出,并迅速固定在预热到400℃的金属型浇铸模具的型腔中,用中频感应加热炉熔炼出新鲜的ZL101A铝合金,倒入型腔中,完成整个浇铸过程;
(4)冷却,开型取出铝合金发动机缸体复合材料,取样进行线切割,打磨试样并观察金相结合界面。

Claims (5)

1.一种铝合金发动机铸铁缸套处理工艺,其特征是,包括步骤如下:
(1)用HT250铸铁做缸套,将HT250铸铁缸套外表面先经脱脂、打磨表面处理;
(2)将经表面处理的HT250铸铁缸套浸入温度为60-70℃的助镀剂中使表面在其中助镀处理6-10分钟,然后烘干;所述的助镀剂为下列重量份比的盐的水溶液:氯化锌ZnCl235-45份、氟化钾KF20-25份、氯化钾KCl15-20份、硝酸钠NaNO31-5份、亚硝酸钠NaNO21-3份、磷酸二氢亚铁Fe(H2PO4)21-5份、表面活性剂CH3(CH2)11SO3Na0.1-0.6份;
(3)将助镀处理的HT250铸铁缸套置于用中频感应加热炉熔炼的锌铝合金熔体中热浸,热浸温度在450~500℃,热浸时间10-20分钟,然后停止加热,将铸铁缸套取出,冷却;
(4)将热浸镀锌铝合金后的缸套表面打磨除氧化层,然后置于用中频感应加热炉熔炼的铝合金熔体中热浸,热浸温度为680-750℃,热浸时间5-10s;
(5)将浸镀铝合金后的HT250铸铁缸套取出,并迅速固定在预热到400-450℃的金属型浇铸模具的型腔中,用中频感应加热炉熔炼出新鲜的铝合金,倒入型腔中,完成整个浇铸过程;
(6)冷却,开型取出铝合金发动机缸体复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种铝合金发动机铸铁缸套处理工艺,其特征是,助镀剂溶质浓度为100-200g/L。
3.根据权利要求1所述的一种铝合金发动机铸铁缸套处理工艺,其特征是,步骤(2)所述的烘干为在100-200℃烘干,时间为30-60分钟。
4.根据权利要求1所述的一种铝合金发动机铸铁缸套处理工艺,其特征是,所述的锌铝合金含2-5wt%铝Al、0.1-0.3wt%硅Si、0.1-0.5wt%锰Mn、余量为锌。
5.根据权利要求1所述的一种铝合金发动机铸铁缸套处理工艺,其特征是,所述的铝合金选ZL101A铝合金。
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