CN104480357B - 一种高硅铝合金缸套及其制备方法 - Google Patents

一种高硅铝合金缸套及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高硅铝合金缸套及其制备方法，其合金元素的重量百分比为：Si 17‑35%，Mg 0.5‑5%，Ti 0.3‑1.5%，Mn 1‑2%，P或S 0.03‑0.3%，RE 0.3‑2.5%，Fe 0.3‑0.6%，C 0.02‑0.3%，余量为Al，按上述配方进行配料后，经过熔炼、精炼细化，内冷式半固态搅拌、挤压铸造、T6热处理、机械加工与衍磨等具体步骤，制得所述高硅铝合金缸套，其可有效避免离心铸造的加工余量过大、易产生氧化夹杂的现象，同时，由于采用半固态流变铸造工艺，避免了二次加热重熔的工序，减少了工艺复杂性，降低了成本，具有极大的应用价值。

Description

一种高硅铝合金缸套及其制备方法
技术领域
本发明具体涉及一种高硅铝合金缸套及其制备方法。
背景技术
铝合金发动机气缸壁耐磨性差，而内嵌灰铸铁缸套，不但容易造成气缸变形，还增加了发动机的重量。高硅铝合金材料由于具有优越的摩擦性能，可作为先进的轻质耐磨材料，在各类交通运输工具动力机械、机床及特殊紧固件中得到了广泛的应用。如何开发这一先进的摩擦材料，一直是世界各国材料学家奋斗的目标。
采用高硅铝合金制造的缸套，摩擦学性能优异，其摩擦学机制是软基体上镶嵌高硬度的硅颗粒以及高硬度化合物相质点，像“砂轮”或“镶牙”的作用机制。当摩擦发生时高硬度颗粒起到耐磨、承力的作用，硅颗粒在干摩擦时还起到减磨润滑作用。高硅铝合金缸套材料避免了缸套与钢、铸铁缸体或铝合金活塞材料之间存在的热膨胀系数匹配差的缺点，可减小配缸间隙，降低敲缸震动及噪声，声学特性优异；降低对润滑机油的苛刻要求与润滑技术上的难度（即传统的油膜密封理论或机制）；显著减小漏气量，提高爆压，增加发动机功率；燃油可充分燃烧，从而提高燃油经济性（>20％），降低污染排放与HC排放（>30％）。
专利CN101709414A公开了一种高硅梯度复合铝合金缸套材料及其制备方法，其采用离心铸造方式与传统的Sr-P-RE三元复合变质处理加工制造发动机缸套。该专利技术由于采用离心铸造方式，易产生氧化与卷气现象，且加入的三元复合变质剂是针对共晶硅与初生硅的变质进行合成设计的，变质效果差，变质元素之间会产生抵消效果。
专利CN102764957A公开了一种过共晶铝硅合金发动机缸套的制造方法，采用Cr或P和Cr对过共晶铝合金材料进行变质处理，经连续铸造方式生产出空心铝合金铸锭，切割后重新高温加热至500-600℃，再进行半固态挤压成缸套毛坯，最后进行机加工。该专利由于需要先制成空心铸锭，再进行半固态挤压加工，属于半固态触变成型工艺，工艺复杂，流程较长，成本过高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高硅铝合金缸套及其制备方法，可有效避免离心铸造的加工余量过大、易产生氧化夹杂的现象，避免二次加热重熔的工序，减少了工艺复杂性，降低成本，具有极大的应用价值。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高硅铝合金缸套，是将纯铝、纯镁、铝镁、工业结晶硅、铝锰、铝稀土、Al-Ti-C-RE、磷铜或硫按所需合金元素的量进行配料，经过熔炼、精炼细化，内冷式半固态搅拌，挤压铸造、T6热处理、机械加工与衍磨制得所述高硅铝合金缸套。
其具体包括如下步骤：
1）配料：将纯铝、纯镁、铝镁、工业结晶硅、铝锰、铝稀土、Al-Ti-C-RE、磷铜或硫按所需合金元素的量进行配料；所需合金元素及各元素的重量百分比为：Si 17-35%，Mg 0.5-5%，Ti 0.3-1.5%，Mn 1-2%，P或S 0.03-0.3%，RE 0.3-2.5%，Fe 0.3-0.6%，C 0.02-0.3%，余量为Al；
各合金元素的重量百分比优选：Si 25%，Mg 1.2%，Ti 1.5%，Mn 1.0%，P或S 0.05%，RE 2.5%，Fe 0.3%，C 0.2%，余量Al；
2）熔炼：在熔点较高的纯铝、工业结晶硅、铝锰、铝稀土及硫组成的合金锭上覆盖一层保护熔剂，以防止氧化，再将合金锭加入电炉中进行熔炼，然后调整熔化后铝液的温度为800-850℃，采用钟罩方式将低熔点的铝镁或纯镁压入熔体中，移动直至熔化；
所述保护熔剂为NaCl、KCl、NaF、NaSiF6、NaAlF6中的两种或两种以上混合而成，其加入量为合金锭重量的1-3%；
3）精炼细化：合金熔化完毕后，将铝液温度控制在830℃，通入氮气或氩气进行除气，除气时间为15 min，然后静置7-10 min，以清理铝液表面的氧化夹杂，补加一层保护熔剂后，调整铝液温度至800-850℃，再添加变质细化剂处理10 min；
所述变质细化剂为Al-Ti-C-RE与铜磷合金或含硫合金的混合物，如Al-6Ti-2C-3RE与Cu-10P及S，或Al-Ti-C-RE-P的中间合金；变质细化剂中P或S的含量为0.01-0.2%，Ti的含量为0.5-1%；
4）内冷式半固态搅拌：高硅铝合金熔解完毕后，控制温度保持在液相线的10-20℃之上，对高硅铝合金熔体进行内冷式半固态搅拌变质处理，至搅拌头完全溶解于高硅铝合金液中；
搅拌头是采用亚共晶铝硅合金，如Al-7%Si，或由含细化剂的Al-Ti、Al-Ti-C、Al-Ti-C-RE合金，或含变质剂的铝锶合金、铝硅磷合金制成的；其重量为缸套铸件重量的3-10%；
5）挤压铸造：先将模具预热至200-300℃，然后进行挤压铸造，浇注温度为800-850℃，压射比压为30-80MPa，增压时间70-100 ms，挤压速度0.1-0.3m/s，一次循环时间为120s；浇注合模结束时，对模具进行快速冷却，冷却速度控制在200-500℃/s；激冷结束后，开模，取出铸件；
6）T6热处理：将温度控制在460-540℃，保温时间为3-8 h，进行淬水处理；淬水结束后，将温度控制在170-280℃，时间为8-24 h，进行时效处理；
7）机械加工与衍磨：将铸件毛坯进行机械加工与衍磨而得到所述高硅铝合金缸套。
本发明的显著优点在于：
（1）本发明针对高硅铝合金缸套的制造工艺问题，采用的Al-Ti-C-RE变质细化剂与含磷合金对高硅铝合金进行多元变质处理，Al-Ti-C-RE细化剂中含有TiAl3、TiC，RE等多相粒子与含磷合金共用可以同时细化高硅铝合金中的初生硅、含共晶硅及α-Al晶粒的共晶团，且这几种细化相粒子可以相互作用促进硅相的变质效果。
（2）本发明采用半固态间接挤压铸造方式，一次性从模具中直接成型为发动机缸套，且在材料凝固过程，对模具进行快速激冷，使高硅铝合金缸套在凝固过程中快速冷却，可使初生硅与共晶团晶粒细化，提高变质细化效果。
（3）本发明对铸造后的产品进行T6热处理，消除产品由于快速冷却产生的应力，并提高材料的强度与伸长率，其抗拉强度大于250MPa，屈服强度大于170MPa，伸长率大于5%，平均磨擦系数为0.3-0.38。
（4）本发明制备方法可避免离心铸造的加工余量过大、易产生氧化夹杂的现象，同时，由于采用流变铸造工艺，避免了二次加热重熔的工序，减少了工艺复杂性，降低了成本。
附图说明
图1为本发明制备方法中内冷式半固态搅拌步骤的示意图。
图2为本发明实施例1所制铝合金表面的显微图。
具体实施方式
为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。
实施例1
一种高硅铝合金缸套，其制备方法具体包括如下步骤：
1）配料：将纯铝、纯镁、铝镁、工业结晶硅、铝锰、铝稀土、Al-Ti-C-RE、磷铜或硫按所需合金元素的量进行配料；所需合金元素及各元素的重量百分比为：Si 25%，Mg 1.2%，Ti1.5%，Mn 1.0%，P 0.05%，RE 2.5%，Fe 0.3%，C 0.2%，余量Al；
2）熔炼：在熔点较高的纯铝、工业结晶硅、铝锰、铝稀土及硫组成的合金锭上覆盖一层由NaCl和KCl混合制成的保护熔剂，以防止氧化，保护熔剂的用量为合金锭重量的2%；再将合金锭加入电炉中进行熔炼，然后调整熔化后铝液的温度为820℃，采用钟罩方式将低熔点的铝镁或纯镁压入熔体中，移动直至熔化；
3）精炼细化：合金熔化完毕后，将铝液温度控制在830℃，通入氮气或氩气进行除气，除气时间为15 min，然后静置8 min，以清理铝液表面的氧化夹杂，补加一层保护熔剂后，调整铝液温度至830℃，再添加Al-6Ti-2C-3RE与Cu-10P组成的变质细化剂处理10 min；变质细化剂中P的含量为0.05%，Ti的含量为0.8%；
4）内冷式半固态搅拌：采用亚共晶铝硅合金Al-7%Si制备搅拌头，其重量为缸套铸件重量的6%；高硅铝合金熔解完毕后，控制温度保持在液相线的10-20℃之上，对高硅铝合金熔体进行内冷式半固态搅拌变质处理，至搅拌头完全溶解于高硅铝合金液中；
5）挤压铸造：采用650吨左右的卧式挤压铸造设备，进行挤压铸造；先将模具预热至250℃，然后进行挤压铸造，浇注温度为830℃，压射比压为60MPa，增压时间80 ms，挤压速度0.2m/s，一次循环时间为120 s；浇注合模结束时，对模具进行快速冷却，冷却速度控制在300℃/s；激冷结束后，开模，取出铸件；
6）T6热处理：将温度控制在500℃，保温时间为6 h，进行淬水处理；淬水结束后，将温度控制在250℃，时间为12 h，进行时效处理；
7）机械加工与衍磨：将铸件毛坯进行机械加工与衍磨而得到所述高硅铝合金缸套。
实施例2
一种高硅铝合金缸套，其制备方法具体包括如下步骤：
1）配料：将纯铝、纯镁、铝镁、工业结晶硅、铝锰、铝稀土、Al-Ti-C-RE、磷铜或硫按所需合金元素的量进行配料；所需合金元素及各元素的重量百分比为：Si 17%，Mg 0.5%，Ti0.3%，Mn 1%，P 0.03%，RE 0.3%，Fe 0.3%，C 0.02%，余量为Al；
2）熔炼：在熔点较高的纯铝、工业结晶硅、铝锰、铝稀土及硫组成的合金锭上覆盖一层KCl和NaF混合制成的保护熔剂，以防止氧化，保护熔剂的用量为合金锭重量的3%；再将合金锭加入电炉中进行熔炼，然后调整熔化后铝液的温度为800℃，采用钟罩方式将低熔点的铝镁或纯镁压入熔体中，移动直至熔化；
3）精炼细化：合金熔化完毕后，将铝液温度控制在830℃，通入氮气或氩气进行除气，除气时间为15 min，然后静置7 min，以清理铝液表面的氧化夹杂，补加一层保护熔剂后，调整铝液温度至800℃，再添加Al-Ti-C-RE-P变质细化剂处理10 min；变质细化剂中P的含量为0.01%，Ti的含量为0.5%；
4）内冷式半固态搅拌：采用含细化剂的Al-Ti合金制备搅拌头，其重量为缸套铸件重量的3%；高硅铝合金熔解完毕后，控制温度保持在液相线的10-20℃之上，对高硅铝合金熔体进行内冷式半固态搅拌变质处理，至搅拌头完全溶解于高硅铝合金液中；
5）挤压铸造：采用650吨左右的卧式挤压铸造设备，进行挤压铸造；先将模具预热至200℃，然后进行挤压铸造，浇注温度为800℃，压射比压为30MPa，增压时间70 ms，挤压速度0.1m/s，一次循环时间为120 s；浇注合模结束时，对模具进行快速冷却，冷却速度控制在200℃/s；激冷结束后，开模，取出铸件；
6）T6热处理：将温度控制在460℃，保温时间为8 h，进行淬水处理；淬水结束后，将温度控制在170℃，时间为8 h，进行时效处理；
7）机械加工与衍磨：将铸件毛坯进行机械加工与衍磨而得到所述高硅铝合金缸套。
实施例3
一种高硅铝合金缸套，其制备方法具体包括如下步骤：
1）配料：将纯铝、纯镁、铝镁、工业结晶硅、铝锰、铝稀土、Al-Ti-C-RE、磷铜或硫按所需合金元素的量进行配料；所需合金元素及各元素的重量百分比为：Si 35%，Mg 5%，Ti1.5%，Mn 2%，S 0.3%，RE 2.5%，Fe 0.6%，C 0.3%，余量为Al；
2）熔炼：在熔点较高的纯铝、工业结晶硅、铝锰、铝稀土及硫组成的合金锭上覆盖一层NaCl、KCl和NaSiF6混合制成的保护熔剂，以防止氧化，保护熔剂的用量为合金锭重量的1%；再将合金锭加入电炉中进行熔炼，然后调整熔化后铝液的温度为850℃，采用钟罩方式将低熔点的铝镁或纯镁压入熔体中，移动直至熔化；
3）精炼细化：合金熔化完毕后，将铝液温度控制在830℃，通入氮气或氩气进行除气，除气时间为15 min，然后静置10 min，以清理铝液表面的氧化夹杂，补加一层保护熔剂后，调整铝液温度至850℃，再添加Al-6Ti-2C-3RE与S组成的变质细化剂处理10 min；变质细化剂中S的含量为0.2%，Ti的含量为1%；
4）内冷式半固态搅拌：采用含变质剂的铝锶合金制备搅拌头，其重量为缸套铸件重量的10%；高硅铝合金熔解完毕后，控制温度保持在液相线的10-20℃之上，对高硅铝合金熔体进行内冷式半固态搅拌变质处理，至搅拌头完全溶解于高硅铝合金液中；
5）挤压铸造：采用650吨左右的卧式挤压铸造设备，进行挤压铸造；先将模具预热至300℃，然后进行挤压铸造，浇注温度为850℃，压射比压为80MPa，增压时间100 ms，挤压速度0.3m/s，一次循环时间为120 s；浇注合模结束时，对模具进行快速冷却，冷却速度控制在500℃/s；激冷结束后，开模，取出铸件；
6）T6热处理：将温度控制在540℃，保温时间为3 h，进行淬水处理；淬水结束后，将温度控制在280℃，时间为24 h，进行时效处理；
7）机械加工与衍磨：将铸件毛坯进行机械加工与衍磨而得到所述高硅铝合金缸套。
所得高硅铝合金缸套，其初生硅晶粒尺寸控制在9-20μm之间，抗拉强度大于250MPa，屈服强度大于170MPa，伸长率大于5%，平均磨擦系数为0.3-0.38，可有效避免离心铸造的加工余量过大、易产生氧化夹杂的现象，同时，由于采用流变铸造工艺，避免了二次加热重熔的工序，减少了工艺复杂性，降低了成本，具有极大的应用价值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种高硅铝合金缸套的制备方法，其特征在于：将纯铝、纯镁、铝镁、工业结晶硅、铝锰、铝稀土、Al-Ti-C-RE、磷铜或硫按所需合金元素的量进行配料，经过熔炼、精炼细化，内冷式半固态搅拌，挤压铸造、T6热处理、机械加工与衍磨制得所述高硅铝合金缸套；
所述挤压铸造是先将模具预热至200-300℃，然后进行挤压铸造，浇注温度为800-850℃，压射比压为30-80MPa，增压时间70-100 ms，挤压速度0.1-0.3m/s，一次循环时间为120s；浇注合模结束时，对模具进行快速冷却，冷却速度控制在200-500℃/s；激冷结束后，开模，取出铸件。
2.根据权利要求1所述高硅铝合金缸套的制备方法，其特征在于：所需合金元素及各元素的重量百分比为：Si 17-35%，Mg 0.5-5%，Ti 0.3-1.5%，Mn 1-2%，P或S 0.03-0.3%，RE0.3-2.5%，Fe 0.3-0.6%，C 0.02-0.3%，余量为Al。
3.根据权利要求1所述高硅铝合金缸套的制备方法，其特征在于：所述熔炼是在熔点较高的纯铝、工业结晶硅、铝锰、铝稀土及硫组成的合金锭上覆盖一层保护熔剂后，将合金锭加入电炉中进行熔炼，然后调整熔化后铝液的温度为800-850℃，采用钟罩方式将低熔点的铝镁或纯镁压入熔体中，移动直至熔化；
所述保护熔剂为NaCl、KCl、NaF、NaSiF6、NaAlF6中的两种以上混合而成，其加入量为合金锭重量的1-3%。
4.根据权利要求1所述高硅铝合金缸套的制备方法，其特征在于：所述精炼细化是在合金熔化完毕后，将铝液温度控制在830℃，通入氮气或氩气进行除气，除气时间为15 min，然后静置7-10 min，以清理铝液表面的氧化夹杂，补加一层保护熔剂后，调整铝液温度至800-850℃，再添加变质细化剂处理10 min；
所述变质细化剂为Al-Ti-C-RE与铜磷合金或含硫合金的混合物，或Al-Ti-C-RE-P的中间合金；变质细化剂中P或S的含量为0.01-0.2%，Ti的含量为0.5-1%。
5.根据权利要求1所述高硅铝合金缸套的制备方法，其特征在于：所述内冷式半固态搅拌的搅拌头采用亚共晶铝硅合金，或由含细化剂的Al-Ti、Al-Ti-C、Al-Ti-C-RE合金，或含变质剂的铝锶合金、铝硅磷合金制成；其重量为缸套铸件重量的3-10%。
6.根据权利要求1所述高硅铝合金缸套的制备方法，其特征在于：所述T6热处理是将温度控制在460-540℃，保温时间为3-8 h，进行淬水处理；淬水结束后，将温度控制在170-280℃，时间为8-24 h，进行时效处理。
7.一种如权利要求1所述方法制得的高硅铝合金缸套。
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