CN104988365B - 过共晶Al‑Si合金汽车用发动机缸套制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种过共晶Al‑Si合金汽车用发动机缸套制备方法,包括：将熔体经精炼、除气和静置后加入预热的Al‑P‑Cu变质剂进行搅拌，静置30‑50分钟后采用半连续浇铸生产铸锭；将铸锭加工成管状挤压坯料后加入炉中预热，铸锭预热温度在420‑460℃，铸锭保温3小时；采用反向挤压方法，将预热后的铸锭在3200t水压机上进行挤压，挤压速度为0.1‑0.2mm/s，挤压温度为430‑460℃；对挤压成形的过共晶Al‑Si合金管材平放在淬火料筐内，然后放入炉中随炉进行加热，炉温在100‑200℃，逐渐加热至管材温度指温度在420℃，其中，加热速度不高于5℃/min；然后先后进行固溶热处理和时效热处理。本发明生产效率高，加工量小，而且生产的发动机缸套机械性能高，耐磨性好。

Description

过共晶Al-Si合金汽车用发动机缸套制备方法

技术领域

本发明涉及汽车设备制备技术领域，尤其涉及一种过共晶Al-Si合金汽车用发动机缸套制备方法。

背景技术

目前多采用铝合金缸体镶嵌缸套的方法，而传统的缸套材料多以铸钢、铸铁为主，其不足之处为密度大、散热性差、摩擦系数高、铸铁缸套与铝合金缸体熔点及热膨胀系数相差较大，缸体与缸套结合较差，同时会产生应力。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种能够解决铸铁缸套结合性差，使用寿命短等问题、同时减轻缸体重量的过共晶Al-Si合金汽车用发动机缸套制备方法。

一种过共晶Al-Si合金汽车用发动机缸套制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将熔体经精炼、除气和静置后加入预热的Al-P-Cu变质剂进行搅拌，静置30-50分钟后采用半连续浇铸,生产直径为310-320mm的铸锭；

步骤2：将铸锭加工成管状挤压坯料后加入炉中预热，铸锭预热温度在420-460℃，铸锭保温3小时；

步骤3：采用反向挤压方法，将预热后的铸锭在3200t水压机上进行挤压，挤压速度为0.1-0.2mm/s，挤压温度为430-460℃；

步骤4：对挤压成形的过共晶Al-Si合金管材平放在淬火料筐内，然后放入炉中随炉进行加热，炉温在100-200℃，逐渐加热至管材温度指温度在420℃，其中，加热速度不高于5℃/min；

步骤5：将经过加热的过共晶Al-Si合金管材进行固溶热处理；固溶 热处理工艺为：420±5℃，保温2小时，480±5℃，保温6小时；

步骤6：水淬，水温为50℃-60℃，淬火转移时间不大于10秒，淬火料筐在水中往复升降，每次在水中停留10分钟，至管材温度低于50℃后取出；

步骤7：水淬后在油压矫直机上进行矫直；

步骤8：对矫直后的管材采用采用单级时效进行热处理，时效的温度为190±5℃，保温6小时，时效总加热时间6-8小时，时效结束后空冷到室温；

步骤9：将时效热处理后的过共晶Al-Si合金管材加工成一定尺寸的缸套。

进一步地，如上所述的过共晶Al-Si合金汽车用发动机缸套制备方法，所述熔体成分如下：Si:18-20％,Cu:4-5.5％,Fe:0.5-0.8％,Mg:0.5-0.7％,Mn<0.3％,Zn<0.1％，其余为Al。

进一步地，如上所述的过共晶Al-Si合金汽车用发动机缸套制备方法，步骤3中在挤压到剩最后一米时要慢速挤压，以减小缩尾长度，挤压速度应控制在0.08-0.1mm/s。

进一步地，如上所述的过共晶Al-Si合金汽车用发动机缸套制备方法，所述步骤2包括将铸锭加工成外径为297mm，内径83mm，长为300mm的管状挤压坯料，然后加入炉中预热；在装炉预热前将铸锭表面的灰尘、铝屑以及其他杂物清理干净。

进一步地，如上所述的过共晶Al-Si合金汽车用发动机缸套制备方法，在步骤4之前，包括对挤压成形的过共晶Al-Si合金管材去除表面毛刺后校直，切除端部，然后将Al-Si合金管材平放在淬火料筐内，然后放入炉中随炉加热。

进一步地，如上所述的过共晶Al-Si合金汽车用发动机缸套制备方法，步骤7包括：在油压矫直机上进行矫直时，其采用的胎具单面间距小于1mm。

本发明提供的过共晶Al-Si合金汽车用发动机缸套制备方法，通过挤压成型管材制备汽车用发动机缸套，其生产效率高，加工量小，而且生产的发动机缸套机械性能高，耐磨性好。

附图说明

图1为本发明过共晶Al-Si合金在不同载荷下磨损量的变化趋势图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

步骤1：半连续铸造过共晶Al-Si合金坯锭：将熔体经精炼、除气和静置后加入预热的Al-P-Cu变质剂进行搅拌，静置30-50分钟后采用半连续浇铸,生产大尺寸铸锭，铸锭直径310-320mm；其中，熔体的成分如下：Si:18-20％,Cu:4-5.5％,Fe:0.5-0.8％,Mg:0.5-0.7％,Mn<0.3％,Zn<0.1％，其余为Al；

具体地，利用该方法制备的过共晶Al-Si合金坯锭的Si晶粒尺寸在30-40微米，且分布均匀，从而有利于改善最终制备的发动机缸套的机械性能和磨损性能。大尺寸铸锭可以保证后续管材挤压比，利于致密化和Si晶粒破碎，进一步提高性能；采用高纯干燥氮气精炼除气，精炼温度730±5℃，精炼时间10分钟，精炼后静止5分钟。

铝合金熔体中溶解氢的量较高，在凝固过程中由于溶解度的降低要析出，形成气孔，降低了材料的机械性能，因此在熔体处理过程中要除气。精炼与除气同时实现：具体方法为：在铝合金熔体中通入惰性气体氮气或氩气，由于氮气或氩气不溶解于铝合金熔体中，在熔体中形成汽包，汽包的比重远小于铝合金熔体，因此上浮，在上浮过程中，溶解在铝合金熔体中的氢向氮气或氩气气泡中扩散，随气泡浮出熔体，达到降低铝合金熔体中氢的含量的目的，同时气泡在上浮过程将熔体中一些夹杂物同时带走，提高熔体的纯净度。通入惰性气体的含量根据熔化铝合金的量而定。所述 熔体采用以下原料制备而成：工业纯Al、Al-50％Si中间合金、Al-20％Cu中间合金和Al-8％Fe中间合金和纯Mg。

所述Al-P-Cu变质剂为A l-4.5P-0.2Cu变质剂，其生产厂家为：山东吕美熔体技术有限公司，型号：SDL-3。

步骤2：将大尺寸铸锭加工成外径为297mm，内径83mm，长为300mm的挤压坯料；在装炉前将铸锭表面的灰尘、铝屑等杂物清理干净，然后加热炉中对铸锭进行预热，预热温度在420-460℃，铸锭保温3小时；

具体地，外径为297mm，内径83mm，长为300mm该尺寸是根据挤压设备和模具确定的，铸锭预热温度在420-460℃，铸锭保温3小时是为了铸锭温度均匀，提高变形能力。

步骤3：采用反向挤压方法，将铸锭在3200t水压机上采用Φ300mm筒单孔反向挤压，挤压速度0.1-0.2mm/s，挤压温度430-460℃；挤压管材规格为外径Φ84mm，内径Φ64mm；

具体地，由铸锭经过挤压，形成管材，挤压管材规格是根据发动机缸套尺寸决定的。针对不同的发动机型号，可以改变管材的尺寸。挤压速度和挤压温度的确定保证管材的质量，挤压速度确定为0.1-0.2mm/s,挤压温度为430-460℃可以确保挤压管材不出现开裂等缺陷；Φ300筒是挤压模具的尺寸。

步骤4：在挤压到剩最后一米时要慢速挤压，以减小缩尾长度；然后检查挤压坯料是否有起皮、气泡、裂纹等缺陷；

具体地，最后采取慢速挤压，可以减少缩尾，提高铸锭使用率，挤压速度应控制在0.08-0.1mm/s。

步骤5：对挤压成形的过共晶Al-Si合金管材去除表面毛刺后校直，切除端部，然后将Al-Si合金管材平放在淬火料筐内，然后放入炉中随炉加热，炉温在100-200℃，400℃下加热速度不高于5℃/min；

步骤6：对加热后的管材进行固溶热处理，其工艺为：420±5℃，保温2小时，480±5℃，保温6小时，水淬，水温为50℃-60℃，淬火转移时间不大于10秒，且淬火料筐在水中往复升降5次以上，每次在水中停 留10分钟，直到管材温度低于50℃后方可取出；

具体地，挤压后去除表面毛刺后校直，切除端部，然后进行固溶热处理，固溶热处理采用双极保温，然后水淬，有利于提高性能，可以最大程度的提高挤压管材的性能。炉温在100-200℃，加热时间由后面的加热速度确定的，加热时间没有具体的规定，只要加热速度不高于5℃/min，直到温度达到400℃即可。最后固溶的温度为420±5℃，保温2小时，然后加热到480±5℃，保温6小时，但是要在低温下把管材放入加热炉中，然后加热至固溶温度，如果高温放入管材，由于温差大，容易造成变性和开裂。淬火转移时间是指从加热炉中取出管材到管材进入水中的时间。

步骤7：热处理后在油压矫直机上进行矫直，设计专用胎具，单面间隙小于等于1mm；

具体地，该步骤为管材矫直步骤，改变挤压过程中产生的变形，有利于后续管材的加工，固溶后水淬过程中产生变形，所以要有步骤6矫直工艺，然后再时效，专用胎具和单面间距小于1mm是为了保证管材矫直而设计的，即采用专用胎具和单面间距小于1mm能够使管材在挤压造成变形后矫直过来。

步骤8：时效采用单级时效，时效的温度为190±5℃，按金属保温6小时，总加热时间6-8小时，时效结束后在空气中冷却到室温。

具体地，该部分为时效处理，针对该合金经行时效工艺优化，强度可以达到最高值，提高挤压管材的机械性能和磨损性能，时效是在固溶后进行的，时效温度为190±℃，保温时间为6小时，总加热时间不大于8小时(包括保温时间)。

步骤9：将热处理后的过共晶Al-Si合金管材加工成一定尺寸的缸套，为提高与发动机缸体结合强度，缸套外表加工出螺纹，表面清理后预热至200-220℃，在高压铸造机上镶嵌成型。

具体地，该步骤是镶嵌成型工艺，镶嵌后成为整体发动机。该方法提高了缸套与发动机缸体的冶金结合，结合强度高。

挤压缸套热处理后室温抗拉强度为320MPa，延伸率2.0％；300℃时， 抗拉强度不低于190MPa，延伸率高于3％。

利用本发明方法制备的挤压缸套热处理后室温抗拉强度为320MPa，延伸率2.0％；300℃时，抗拉强度不低于190MPa，延伸率高于3％。

试验例：

将利用本发明方法制备的汽车发动机缸套进行磨损实验，磨损实验在俄罗斯进口设备УТИTB-1000型销盘式摩擦磨损试验机上进行，实验采用干磨法，滑动速度为0.8m/s，载荷分别选择10N、20N、30N、40N、50N、60N，磨损时长30min。磨损后用酒精棉清理试样，用精度十万分之一的Sartius Micr电子天平称重，测试磨损量。摩擦副材料为GCr15钢盘，硬度为62HRC。

测试结果：

通过上述磨损实验，说明过共晶Al-Si合金经挤压后磨损性能提高，因而通过该方法制备汽车用发动机缸套效率高，加工量小，耐磨性能好。(因为挤压成型的管材尺寸接近缸套的尺寸，所以加工量小，效率高，同时机械性能和耐磨损性能提高)。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种过共晶Al-Si合金汽车用发动机缸套制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将熔体经精炼、除气和静置后加入预热的Al-P-Cu变质剂进行搅拌，静置30-50分钟后采用半连续浇铸，生产直径为310-320mm的铸锭；

所述熔体成分如下：Si:18-20％，Cu:4-5.5％，Fe:0.5-0.8％，Mg:0.5-0.7％，Mn<0.3％，Zn<0.1％，其余为Al；

步骤2：将铸锭加工成管状挤压坯料后加入炉中预热，铸锭预热温度在420-460℃，铸锭保温3小时；

步骤3：采用反向挤压方法，将预热后的铸锭在3200t水压机上进行挤压，挤压速度为0.1-0.2mm/s，挤压温度为430-460℃；

步骤4：对挤压成形的过共晶Al-Si合金管材平放在淬火料筐内，然后放入炉中随炉进行加热，炉温在100-200℃，逐渐加热至管材温度指温度在420℃，其中，加热速度不高于5℃/min；

步骤5：将经过加热的过共晶Al-Si合金管材进行固溶热处理；固溶热处理工艺为：420±5℃，保温2小时，480±5℃，保温6小时；

步骤6：水淬，水温为50℃-60℃，淬火转移时间不大于10秒，淬火料筐在水中往复升降，每次在水中停留10分钟，至管材温度低于50℃后取出；

步骤7：水淬后在油压矫直机上进行矫直；

步骤8：对矫直后的管材采用采用单级时效进行热处理，时效的温度为190±5℃，保温6小时，时效总加热时间6-8小时，时效结束后空冷到室温；

步骤9：将时效热处理后的过共晶Al-Si合金管材加工成一定尺寸的缸套。

2.根据权利要求1所述的过共晶Al-Si合金汽车用发动机缸套制备方法，其特征在于，步骤3中在挤压到剩最后一米时要慢速挤压，以减小缩尾长度，挤压速度应控制在0.08-0.1mm/s。

3.根据权利要求1所述的过共晶Al-Si合金汽车用发动机缸套制备方法，其特征在于，所述步骤2包括将铸锭加工成外径为297mm，内径83mm，长为300mm的管状挤压坯料，然后加入炉中预热；在装炉预热前将铸锭表面的灰尘、铝屑以及其他杂物清理干净。

4.根据权利要求1所述的过共晶Al-Si合金汽车用发动机缸套制备方法，其特征在于，在步骤4之前，包括对挤压成形的过共晶Al-Si合金管材去除表面毛刺后校直，切除端部，然后将Al-Si合金管材平放在淬火料筐内，然后放入炉中随炉加热。

5.根据权利要求1所述的过共晶Al-Si合金汽车用发动机缸套制备方法，其特征在于，步骤7包括：在油压矫直机上进行矫直时，其采用的胎具单面间距小于1mm。