CN104846240B - 一种过共晶铝硅合金缸套及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种过共晶铝硅合金缸套及其制备方法，所述缸套化学成分为：Si：23％‑26％；Mg：1.2％‑1.5％；Cu：2.5％‑3％；Fe：2.8％‑3.5％；Ni：1.5％‑2％；Cr：0.4％‑0.5％；Al：余量；所述制备方法，采用负压重力精密铸造工艺，按以下步骤进行：步骤一：按重量百分比配料；步骤二：熔炼；步骤三：浇注；步骤四：楔压加工处理；步骤五：耐磨处理。本发明所述缸套，重量极大降低，符合业内减重降排的发展要求；采用负压重力精密铸造工艺，不仅制造工艺简单，而且铸件成品率高，这样成本比较低，经检测，缸套的硬度＞90HRB，抗拉强度＞410MPa。
Description
技术领域
本发明涉及一种汽车发动机缸套，尤其是一种过共晶铝硅合金缸套，以及该缸套的制备方法，属于发动机技术领域。
背景技术
缸套是汽车、摩托车等交通工具的发动机上必不可少的关键部件，由于其工作环境恶劣，其性能要求比较严格。缸套是配合活塞一起作用，活塞在缸套里面往复运动，缸套的内壁和活塞外壁摩擦，缸套必须具有良好的耐磨性、足够强度硬度及耐高温性能。
目前发动机上缸套有铸铁缸套和铝合金缸套，铸铁缸套不符合轻量化、节能降耗的主流，铝合金缸套多采用喷射沉积技术、离心铸造等制造，喷射沉积工艺设备要求高，还难以大规模普遍应用，离心铸造生产的铸件在力学性能上稍有不足，难以生产质量较高的缸套。
由于现在汽车的轻量化、节能减排的发展趋势，新型的过共晶铝硅缸套由于其质轻、传热性能好、抗震降噪、耐磨及与现有的铝合金活塞物理相容性好等优点，将会越来越受到认可。
发明内容
本发明正是针对现有技术存在的不足，提供一种过共晶铝硅合金缸套，代替传统的铸铁缸套等，以及该缸套的制备方法。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案如下：
一种过共晶铝硅合金缸套，其特征在于，所述缸套化学成分为：
一种过共晶铝硅合金缸套的制备方法，采用负压重力精密铸造工艺，按以下步骤进行：
步骤一：按重量百分比配料；
按如下化学成分百比含量进行配料，质量分数％：纯铝、结晶硅、纯镁、纯镍及Al-20Fe、Al-10Cr、Al-50Cu，配制Al-25Si-1.4Mg-3.5Fe-3Cu-2Ni-0.5Cr合金浆料；
步骤二：熔炼
熔炼设备为电阻炉，熔炼前对合金原料进行去水并放入熔炼炉内熔化，Mg用自制钟罩压入溶液；待熔体完全熔化加入白色固体六氯乙烷精炼剂，选用牌号为HT-LQ的清渣剂净化熔体；加入磷盐复合变质剂，加入量为熔体总量的0.15％，搅拌后静置30分钟，搅拌过程吹氩气保护熔体表面避免氧化；
步骤三：浇注；
熔体静置的同时预热浇注模具，采用金属模具浇注，待熔体温度在740℃时进行浇注，浇注时保持整个金属型腔内气压为0.4个标准大气压；
步骤四：楔压加工处理；
铸件冷却后，采用楔压加工处理铸件，以减少铸造缺陷及获得细小的硅颗粒及共晶相；铸件管壁的楔压变形程度为20％；
步骤五：耐磨处理；
采用8wt％的NaOH溶液在25℃条件下对合金铸件内表面腐蚀40min。
作为上述技术方案的改进，在步骤三中，其具体操作为：在原金属型模具的适当位置，重新开设排气道，并将其置于一特制的金属罩中，该金属罩形状视金属型而定，浇铸前真空系统经金属罩的抽气孔，直接抽出罩内和型腔的气体，型腔内保持0.4个大气压。
作为上述技术方案的改进，在步骤四中，具体操作为：首先将管坯套在蕊模上一起加热至470℃，并保温1.5h，楔压时管坯静止不动，每压一次后管坯转过4°～5°，进行下一位置的压制，完成一周压制后，再加热至470℃保温30min进行下一周循环的压制，直至完成整个楔压过程，楔压变形程度为20％，
作为上述技术方案的改进，在步骤五中，具体操作为：在25℃条件下，堵住缸套一端，在缸套中间倒入8wt％的NaOH溶液，腐蚀40min后清洗缸套内表面。
一种过共晶铝硅合金缸套的制备方法，采用负压重力精密铸造工艺，按以下步骤进行：
步骤一：按重量百分比配料；
按如下化学成分百比含量进行配料：纯铝、结晶硅、纯镁、纯镍及Al-20Fe、Al-10Cr、Al-50Cu，质量分数％，Al-24Si-1.2Mg-3.0Fe-2.8Cu-1.6Ni-0.5Cr；
步骤二：熔炼
熔炼设备为电阻炉，熔炼前对合金原料进行去水并放入熔炼炉内熔化，Mg用自制钟罩压入溶液；待熔体完全熔化加入白色固体六氯乙烷精炼剂，选用牌号为HT-LQ的清渣剂净化熔体；加入磷盐复合变质剂，加入量为熔体总量的0.15％，搅拌后静置30分钟，搅拌过程吹氩气保护熔体表面避免氧化；
步骤三：浇注；
熔体静置的同时预热浇注模具，采用金属模具浇注，待熔体温度在740℃时进行浇注，浇注时保持整个金属型腔内气压为0.4个标准大气压。
步骤四：楔压加工处理；
铸件冷却后，采用楔压加工处理铸件，以减少铸造缺陷及获得细小的硅颗粒及共晶相；铸件管壁的楔压变形程度为20％；
步骤五：耐磨处理；
采用8wt％的NaOH溶液在25℃条件下对合金铸件内表面腐蚀40min。
本发明与现有技术相比较，本发明的实施效果如下：
本发明所述过共晶铝硅缸套的优点如下：
(1)用新设计的铝硅合金制造的缸套与传统的铸铁缸套相比，重量极大降低，符合业内减重降排的发展要求。导热性能好，能够一定程度上降低发动机缸的温度，提高发动机工作效率。目前发动机上的活塞大多是铝合金，这样就减少了缸套与活塞之间的磨损量，发动机的使用寿命也得到提高。
(2)采用负压重力精密铸造工艺与国内外应用比较多的喷射沉积工艺制造过铝合金缸套，不仅制造工艺简单，而且铸件成品率高，这样成本就比较低。辅以简单的楔压加工，一定程度上消除了铸造缺陷，使粗大的共晶组织变细小、分布更均匀，很好的提高了缸套的性能。采用特制的金属模具浇注，经过楔压加工及化学腐蚀后，经检测，缸套的硬度＞90HRB，抗拉强度＞410MPa。
(3)针对本发明的铝硅合金成分，为了使缸套的性能达到最优，经过大量实验，具体的设计了：
a、保持型腔内0.4个大气压的负压重力精密铸造工艺。
b、铸件管壁的楔压变形程度为20％的楔压加工工艺。
c、在保持25℃条件下，对缸套内表面以8wt％的NaOH溶液腐蚀40min的碱腐蚀工艺。
具体实施方式
下面将结合具体的实施例来说明本发明的内容。
一种过共晶铝硅合金缸套，其化学成分为：
本发明所述过共晶铝硅合金缸套的各组成化学元素作用如下：
a、硅的作用：在过共晶铝硅合金中，硅含量越高，合金的耐磨性、耐热性越好，热膨胀系数越低，但是初晶硅会变得粗大，合金的抗拉强度及硬度等力学性能降低，故综合考虑选择硅含量为23％-26％。
b、镁的作用：加入适量的镁后，会在合金中生成Mg2Si相、Al2CuMg、W相及Q相等，起一定弥散强化作用提高合金强度，但是镁含量过多，会降低合金的伸长率，并使合金中空隙率增大，降低合金整体的力学性能，故综合考虑镁含量为1.2％-1.5％。
c、铜的作用：加入适量的铜能提高合金的高温力学性能，与Ni生成Al-Ni-Cu高温强化相，但铜含量过多会降低合金的耐腐蚀性和铸造性能，热裂倾向增大，故综合考虑铜含量为2.5％-3％。
d、铁的作用：合金中加入适量的铁，可形成稳定的富铁相，提高合金的耐热性能，同时附着于初晶硅周围，堵塞并分割了硅原子的扩散通道，避免了铝合金基体和初晶硅的高温粗化。但铁含量过多会降低合金的强度，故综合考虑铁含量为2.8％-3.5％。
e、镍的作用：Ni多与Fe、Cu一起加入，提高合金的耐热性能，加入量为1.5％-2％。合金中的镍主要分布于晶粒内部，能起到固溶强化、第二相强化及弥散强化等作用，还能抵消Fe加入后的有害影响。
f、铬的作用：合金中加入0.4％-0.5％的铬，会形成Al7CrFe等金属间化合物，阻碍再结晶形核和长大过程，对合金有一定强化作用，还能减少Fe的有害影响。
以下以具体实施例为例，详细说明过共晶铝硅合金缸套的制备方法。
【实施例一】一种过共晶铝硅合金缸套的制备方法，采用负压重力精密铸造工艺，按以下步骤进行：
步骤一：按重量百分比配料；
按如下化学成分百比含量进行配料：纯铝、结晶硅、纯镁、纯镍及Al-20Fe、Al-10Cr、Al-50Cu(质量分数％)，配制Al-25Si-1.4Mg-3.5Fe-3Cu-2Ni-0.5Cr合金浆料；
步骤二：熔炼
熔炼设备为电阻炉，熔炼前对合金原料进行去水并放入熔炼炉内熔化，Mg用自制钟罩压入溶液；待熔体完全熔化加入白色固体六氯乙烷精炼剂，选用牌号为HT-LQ的清渣剂净化熔体；加入磷盐复合变质剂，加入量为熔体总量的0.15％，搅拌后静置30分钟，搅拌过程吹氩气保护熔体表面避免氧化；
步骤三：浇注；
熔体静置的同时预热浇注模具，采用金属模具浇注，待熔体温度在740℃时进行浇注，浇注时保持整个金属型腔内气压为0.4个标准大气压。
步骤四：楔压加工处理；
铸件冷却后，采用楔压加工处理铸件，以减少铸造缺陷及获得细小的硅颗粒及共晶相；铸件管壁的楔压变形程度为20％；
步骤五：耐磨处理；
采用8wt％的NaOH溶液在25℃条件下对合金铸件内表面腐蚀40min，一定程度增加合金耐磨性。
本发明是结合金属性重力铸造的结构和负压铸造的思路。在步骤三中，其具体操作为：在原金属型模具的适当位置，重新开设排气道，并将其置于一特制的金属罩中，该金属罩形状视金属型而定，浇铸前真空系统经金属罩的抽气孔，直接抽出罩内和型腔的气体，型腔内保持0.4个大气压。浇注时铝液快速经浇注系统充入呈真空的型腔内部，边浇注边抽气，始终维持预定的气压，使铝液在此环境中结晶凝固。合金在凝固过程中气压过低(低于0.4个大气压)，则由于凝固速度更快，合金中易产生偏析，成分不均匀，影响正常的硬质相生成，对合金性能不利。如果过高(高于0.4个大气压)会使缩孔等缺陷增多，合金的致密性较差。采用这种工艺，铸造设备简单，铸件尺寸精确，表面光洁，几乎没有缩孔、缩松等缺陷，而且大大减少了熔炼过程中化学元素的氧化。
在步骤四中，楔压加工的思路是经过多次局部的小变形累计成整体变形。具体操作为：首先将管坯套在蕊模上一起加热至470℃，并保温1.5h，楔压时管坯静止不动，每压一次后管坯转过4°～5°，进行下一位置的压制，完成一周压制后，再加热至470℃保温30min进行下一周循环的压制，直至完成整个楔压过程，楔压变形程度为20％，即(管壁的原始厚度-实测厚度)/原始厚度×100％＝20％。
铸件成型后，组织会中出现大量硬而脆的初生硅，特别是粗大针片状的初生硅，严重割裂合金基体，并且这些硅相的尖端和棱角部分会引起应力集中，明显降低了合金的力学性能。采用楔压加工能够将这种粗大的初生硅碾压、破碎，细化了初生硅，提高合金力学性能，此外还能消除铝硅合金中少量的缩孔、缩松铸造缺陷。
在步骤五中，采用8wt％的NaOH溶液在25℃条件下对缸套内表面腐蚀40min这种工艺，腐蚀缸套的内表面。具体操作为：在25℃条件下，堵住缸套一端，在缸套中间倒入8wt％的NaOH溶液，腐蚀40min后清洗缸套内表面。目的是使缸套内层表面的硅颗粒和化合物硬质点凸出，极大增加了缸套的耐磨性能。
采用特制的金属模具浇注，经过楔压加工及化学腐蚀后，缸套的硬度＞90HRB，抗拉强度＞410MPa。
【实施例二】一种过共晶铝硅合金缸套的制备方法，采用负压重力精密铸造工艺，按以下步骤进行：
步骤一：按重量百分比配料；
按如下化学成分百比含量进行配料：纯铝、结晶硅、纯镁、纯镍及Al-20Fe、Al-10Cr、Al-50Cu(质量分数％)，Al-24Si-1.2Mg-3.0Fe-2.8Cu-1.6Ni-0.5Cr；
步骤二：熔炼
熔炼设备为电阻炉，熔炼前对合金原料进行去水并放入熔炼炉内熔化，Mg用自制钟罩压入溶液；待熔体完全熔化加入白色固体六氯乙烷精炼剂，选用牌号为HT-LQ的清渣剂净化熔体；加入磷盐复合变质剂，加入量为熔体总量的0.15％，搅拌后静置30分钟，搅拌过程吹氩气保护熔体表面避免氧化；
步骤三：浇注；
熔体静置的同时预热浇注模具，采用金属模具浇注，待熔体温度在740℃时进行浇注，浇注时保持整个金属型腔内气压为0.4个标准大气压。
步骤四：楔压加工处理；
铸件冷却后，采用楔压加工处理铸件，以减少铸造缺陷及获得细小的硅颗粒及共晶相；铸件管壁的楔压变形程度为20％；
步骤五：耐磨处理；
采用8wt％的NaOH溶液在25℃条件下对合金铸件内表面腐蚀40min，一定程度增加合金耐磨性。
【实施例二】一种过共晶铝硅合金缸套的制备方法，采用负压重力精密铸造工艺，按以下步骤进行：
步骤一：按重量百分比配料；
按如下化学成分百比含量进行配料：纯铝、结晶硅、纯镁、纯镍及Al-20Fe、Al-10Cr、Al-50Cu(质量分数％)，Al-24Si-1.2Mg-3.0Fe-2.8Cu-1.6Ni-0.5Cr；
步骤二：熔炼
熔炼设备为电阻炉，铝液浇注温度为740℃；熔炼前对合金原料进行去水并放入熔炼炉内熔化，Mg用自制钟罩压入溶液；待熔体完全熔化加入白色固体六氯乙烷精炼剂，选用牌号为HT-LQ的清渣剂净化熔体；加入磷盐复合变质剂，加入量为熔体总量的0.15％，搅拌后静置30分钟，搅拌过程吹氩气保护熔体表面避免氧化；
步骤三：浇注；
熔体静置的同时预热浇注模具，采用金属模具浇注，待熔体温度在740℃时进行浇注，浇注时保持整个金属型腔内气压为0.4个标准大气压。
步骤四：楔压加工处理；
铸件冷却后，采用楔压加工处理铸件，以减少铸造缺陷及获得细小的硅颗粒及共晶相；铸件管壁的楔压变形程度为20％；
步骤五：耐磨处理；
采用8wt％的NaOH溶液在25℃条件下对合金铸件内表面腐蚀40min，一定程度增加合金耐磨性。
本发明所述过共晶铝硅合金缸套的硬度、耐磨性及传热性能优良，密度小，质量轻，符合减重降排的绿色发展要求。而且采用负压重力铸造工艺，现行的设备能够满足要求，设备投入小，产品合格率高，生产的缸套品质高。
Claims (4)
1.一种过共晶铝硅合金缸套的制备方法，其特征在于，所述缸套化学成分为：
Si : 23%-26%；
Mg: 1.2%-1.5%；
Cu: 2.5%-3%；
Fe: 2.8%-3.5%；
Ni: 1.5%-2%；
Cr: 0.4%-0.5%；
Al： 余量；
所述缸套采用负压重力精密铸造工艺，按以下步骤进行：
步骤一：按重量百分比配料；
按如下化学成分百比含量进行配料，质量分数%：纯铝、结晶硅、纯镁、纯镍及Al-20Fe、Al-10Cr、Al-50Cu，配制Al-25Si-1.4Mg-3.5Fe-3Cu-2Ni-0.5Cr合金浆料；
步骤二：熔炼
熔炼设备为电阻炉，熔炼前对合金原料进行去水并放入熔炼炉内熔化，Mg用自制钟罩压入溶液；待熔体完全熔化加入白色固体六氯乙烷精炼剂，选用牌号为HT-LQ的清渣剂净化熔体；加入磷盐复合变质剂，加入量为熔体总量的0.15%，搅拌后静置30分钟，搅拌过程吹氩气保护熔体表面避免氧化；
步骤三：浇注；
熔体静置的同时预热浇注模具，采用金属模具浇注，待熔体温度在740℃时进行浇注，浇注时保持整个金属型腔内气压为0.4个标准大气压；
步骤四：楔压加工处理；
铸件冷却后，采用楔压加工处理铸件，以减少铸造缺陷及获得细小的硅颗粒及共晶相；铸件管壁的楔压变形程度为20%；
步骤五：耐磨处理；
采用8wt%的NaOH溶液在25℃条件下对合金铸件内表面腐蚀40min。
2.根据权利要求1所述的一种过共晶铝硅合金缸套的制备方法，其特征在于，在步骤三中，其具体操作为：在原金属型模具的适当位置，重新开设排气道，并将其置于一特制的金属罩中，该金属罩形状视金属型而定，浇注前真空系统经金属罩的抽气孔，直接抽出罩内和型腔的气体，型腔内保持0.4个大气压。
3.根据权利要求1所述的一种过共晶铝硅合金缸套的制备方法，其特征在于，在步骤四中，具体操作为：首先将管坯套在蕊模上一起加热至470℃，并保温1.5h，楔压时管坯静止不动，每压一次后管坯转过4°～5°，进行下一位置的压制，完成一周压制后，再加热至470℃保温30min进行下一周循环的压制，直至完成整个楔压过程，楔压变形程度为20%。
4.根据权利要求1所述的一种过共晶铝硅合金缸套的制备方法，其特征在于，在步骤五中，具体操作为：在25℃条件下，堵住缸套一端，在缸套中间倒入8wt%的NaOH溶液，腐蚀40min后清洗缸套内表面。
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