CN105950929B - 过共晶Al‑Si合金与镁合金复合发动机缸体及其铸造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种过共晶Al‑Si合金与镁合金复合制备发动机缸体的方法，所用的过共晶Al‑Si合金含量为Si15%‑22%，Cu0.5‑5.0%,Mg0.1‑3.0%，余量为Al；镁合金成分为：Al 1.0%‑10.0%，Zn 0.1%‑1.5%，Mn 0.1%‑1.5%，Re0.05‑5%，余量为Mg。本发明的复合方法包括完成配料后熔炼，至熔体完全熔化，保温，加入六氯乙烷均匀搅拌，静置后扒渣，准备浇铸，本发明采用挤压铸造方法制备过共晶Al‑Si合金缸套，然后将镁合金溶液浇铸在过共晶Al‑Si合金外层，将得到的复合件进行扩散退火。本发明得到的发动机缸体具有重量轻、耐磨性好等优点。

Description

过共晶Al-Si合金与镁合金复合发动机缸体及其铸造方法
技术领域
本发明属于铝合金熔炼技术领域，具体为一种过共晶Al-Si合金与镁合金复合发动机缸体及其铸造方法。
背景技术
铝硅合金由于其密度小、比强度高，同时具有优异的铸造性能、耐蚀性能、可焊性及热膨胀性，可以用来生产形状复杂、薄壁、耐蚀、气密性要求高、承受中高静载荷或冲击载荷，以成为制造业中最受重视的结构材料之一。与亚共晶、共晶铝硅合金相比，过共晶铝硅合金具有耐磨性好、耐蚀性好、热裂倾向小、体积稳定性高等特点，合金的力学性能、耐磨性、尺寸稳定性、抗咬合性均有大幅度提高。但其不足是脆性大，切削加工性差。
镁合金是目前工业应用中最轻的金属结构材料之一,在航空、汽车和电子通信等领域得到日益广泛的应用.镁合金具有资源较为丰富,其产品易于回收利用等特点,在能源与资源日益成为影响社会可持续发展的形势下,其开发和利用越来越受到重视.
本发明中采用过共晶Al-Si合金和镁合金复合的方法制备发动机缸体，即满足了耐磨性要求又可减轻铸件的重量，而且采用挤压铸造的方法制备过共晶Al-Si合金，使得合金组织中粗大的初生Si相大大减少甚至消失，明显改善了合金的显微组织，提高了合金的力学性能。所以过共晶Al-Si合金和镁合金复合方法的研究具有较大的应用意义。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于克服单一的或过共晶Al-Si合金生产的铸件在使用过程中存在的问题，提供一种通过两种合金复合铸造的方法来制备高性能的发动机缸体。这种缸体即满足了耐磨性要求又可降低铸件的重量。
技术方案：
一种过共晶Al-Si合金与镁合金复合发动机缸体，包括缸体和缸套，所述缸体由镁合金制成，所述镁合金成分及重量百分比为：
Al 1.0%～10.0%；
Zn 0.1%～1.5%；
Mn 0.1%～1.5%；
Re 0.05～5%；
余量 Mg；
所述缸套由过共晶Al-Si合金制成，所述过共晶Al-Si合金成分及重量百分比为：
Si 15～22%；
Cu 0.5～5.0%；
Mg 0.1～3.0%；
余量 Al。
所述的过共晶Al-Si合金与镁合金复合发动机缸体的铸造方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将权利要求1所述成分比例的过共晶Al-Si合金通过挤压铸造方法制成缸套；
（2）将步骤（1）中制备的过共晶Al-Si合金缸套机械加工成形，在180～220℃预热2h～3h后放入发动机缸体铸型中；
（3）将权利要求1所述成分比例的镁合金加热到700℃使其完全熔化并浇注到发动机缸体铸型中，在室温下冷却凝固；
（4）将步骤（3）制得的发动机缸体铸件进行T6热处理，其中热处理参数为在400℃～440℃固溶4～24小时，再170～210℃时效处理6小时。
所述的过共晶Al-Si合金与镁合金复合发动机缸体的铸造方法，其特征在于：所述步骤（1）的过共晶Al-Si合金由以下步骤制备：
（1）用石墨黏土坩埚在电阻炉中熔炼纯铝，熔炼温度为720℃；
（2）待纯铝熔化完全后，加入Al-26Si中间合金进行熔化并升温至780℃，直至完全反应，静置10min；
（3）在完全熔化的合金液中加入六氯乙烷均匀搅拌后，在合金液表面均匀涂撒一层由NaCl和KCl按照1:1混合成的覆盖剂，保温10min后扒渣、静置，得过共晶Al-Si合金。
所述的过共晶Al-Si合金与镁合金复合发动机缸体的铸造方法，其特征在于：步骤（3）中所述的镁合金在熔炼过程中通氮气和六氟化硫进行气体保护。
本发明的创新之处在于采用过共晶Al-Si合金和镁合金复合铸造的方法制备发动机缸体，即满足了耐磨性要求又可降低铸件的重量，而且采用挤压铸造的方法制备过共晶Al-Si合金，使得合金组织中粗大的初生Si相大大减少甚至消失，明显改善了合金的显微组织，提高了合金的力学性能。整个工艺操作简单，可以更好的应用到实际生产中。
具体实施方式：
本发明中采用过共晶Al-Si合金和镁合金复合的方法制备发动机缸体，即满足了耐磨性要求又可减轻铸件的重量，而且采用挤压铸造的方法制备过共晶Al-Si合金，使得合金组织中粗大的初生Si相大大减少甚至消失，明显改善了合金的显微组织，提高了合金的力学性能。
本发明中的缸体为镁合金制成，其成分为：
Al 1.0%～10.0%；
Zn 0.1%～1.5%；
Mn 0.1%～1.5%；
Re 0.05～5%；
余量 Mg；
本发明的缸套由过共晶Al-Si合金制成，其成分为：
Si 15～22%；
Cu 0.5～5.0%；
Mg 0.1～3.0%；
余量 Al。
本发明的制备方法为如下步骤：
（1）将过共晶Al-Si合金通过挤压铸造方法制成缸套；
（2）将步骤（1）中制备的过共晶Al-Si合金缸套机械加工成形，在180～220℃预热2h～3h后放入发动机缸体铸型中；
（3）将镁合金加热到700℃使其完全熔化并浇注到发动机缸体铸型中，在室温下冷却凝固；
（4）将步骤（3）制得的发动机缸体铸件进行T6热处理，其中热处理参数为在400℃～440℃固溶4～24小时，再170～210℃时效处理6小时。在此过程中，镁合金缸体显微组织中粗大的第二相形貌得到了改善，同时过共晶Al-Si合金缸套也在此完成了结合层的原子扩散过程。
所述步骤（1）的过共晶Al-Si合金由以下步骤制备：
（1）用石墨黏土坩埚在电阻炉中熔炼纯铝，熔炼温度为720℃；
（2）待纯铝熔化完全后，加入Al-26Si中间合金进行熔化并升温至780℃，直至完全反应，静置10min；
（3）在完全熔化的合金液中加入六氯乙烷均匀搅拌后，在合金液表面均匀涂撒一层由NaCl和KCl按照1:1混合成的覆盖剂，保温10min后扒渣、静置，得过共晶Al-Si合金。
其中，步骤（3）中所述的镁合金在熔炼过程中通氮气和六氟化硫进行气体保护。
结合本发明内容进一步描述，并提供实施例进一步说明：
实施例1
熔炼所用材料：高纯铝（99.99%）、Al-26Si中间合金、C2Cl6 、NaCl、KCl。
原材料配比（重量百分比）：过共晶Al-Si合金：Si 15%，余量为Al；镁合金为AZ91合金：Al 8.3-9.7%，Zn 0.35-1.0%，Mn 0.15-0.5%，余量为Al。
1） 配料：称取Al-26Si合金576.9g，纯铝锭423.1g；称取制备好的AZ91合金1Kg。
2）分别利用石墨黏土坩埚和铁制坩埚在电阻炉中熔炼纯铝和AZ91合金，熔炼温度分别为720℃和700℃。其中，在AZ91合金熔炼过程中需要通氮气和六氟化硫进行气体保护。
3）待纯铝熔化完全后，加入Al-26Si中间合金进行熔化并升温至780℃，直至完全反应，静置10min，
4）在完全熔化的合金液中加入六氯乙烷均匀搅拌后，在合金液表面均匀涂撒一层NaCl和KCl按照1:1混合的覆盖剂，保温10min后扒渣、静置。
5）将过共晶Al-15Si合金的金属液在598MPa下挤压成型后，机械加工成一定形状，在200℃左右预热3h后放入发动机缸体铸型中。
6）将完全熔化的AZ91金属液浇注到发动机缸体铸型中，在室温下冷却凝固；其中，在镁合金熔炼过程中需要通氮气和六氟化硫进行气体保护。
7）将复合铸造的发动机缸体铸件进行T6热处理，其中热处理参数为在420℃左右固溶4-24小时，再170-210℃时效处理6小时。
本例中的复合发动机缸体，对比传统工艺，重量减轻了17%，缸套部分耐磨性提高21%，同时通过电子显微镜观察可知，合金组织中的初生Si相减少显著。
实施例2
熔炼所用材料：高纯铝（99.99%）、Al-26Si中间合金、C2Cl6 、NaCl、KCl。。
原材料配比（重量百分比）：过共晶Al-Si合金：Si 17.5%，余量为Al；镁合金为AZ31合金：Al 3.0%-3.2%，Zn 0.8%，Mn 0.4%，余量为Al。
1） 配料：称取Al-26Si合金673.1g，纯铝锭326.9g；称取制备好的AZ31合金1Kg。
2）分别利用石墨黏土坩埚和铁制坩埚在电阻炉中熔炼纯铝和AZ31合金，熔炼温度分别为720℃和700℃。其中，在AZ31合金熔炼过程中需要通氮气和六氟化硫进行气体保护。
3）待纯铝熔化完全后，加入Al-26Si中间合金进行熔化并升温至780℃，直至完全反应，静置10min，
4）在完全熔化的合金液中加入六氯乙烷均匀搅拌后，在合金液表面均匀涂撒一层NaCl和KCl按照1:1混合的覆盖剂，保温10min后扒渣、静置。
5）将过共晶Al-17.5Si合金的金属液在598MPa下挤压成型后，机械加工成一定形状，在200℃左右预热2h后放入发动机缸体铸型中。
6）将完全熔化的AZ31金属液浇注到发动机缸体铸型中，在室温下冷却凝固；其中，在镁合金熔炼过程中需要通氮气和六氟化硫进行气体保护。
7）将复合铸造的发动机缸体铸件进行T6热处理，其中热处理参数为在420℃左右固溶4-24小时，再170-210℃时效处理6小时。
本例中的复合发动机缸体，对比传统工艺，重量减轻了22%，缸套部分耐磨性提高18%，同时通过电子显微镜观察可知，合金组织中的初生Si相减少显著。
实施例3
熔炼所用材料：高纯铝（99.99%）、Al-26Si中间合金、AM50合金、C2Cl6、NaCl、KCl。
原材料配比（重量百分比）：过共晶Al-Si合金：Si 22.%，余量为Al；镁合金为AM50合金：Al 4.5%-5.3%，Zn 0.2%，Mn 0.28-0.5%，Si 0.05%，Cu 0.008%，Be 0.0005-0.0015%，Fe 0.004%，Ni0,001%，余量为Al。
1） 配料：称取Al-26Si合金846.2g，纯铝锭153.8g；称取制备好的AM50合金1Kg。
2）分别利用石墨黏土坩埚和铁制坩埚在电阻炉中熔炼纯铝和AM50合金，熔炼温度分别为720℃和700℃。其中，在AM50合金熔炼过程中需要通氮气和六氟化硫进行气体保护。
3）待纯铝熔化完全后，加入Al-26Si中间合金进行熔化并升温至780℃，直至完全反应，静置10min，
4）在完全熔化的合金液中加入六氯乙烷均匀搅拌后，在合金液表面均匀涂撒一层NaCl和KCl按照1:1混合的覆盖剂，保温10min后扒渣、静置。
5）将过共晶Al-22Si合金的金属液在598MPa下挤压成型后，机械加工成一定形状，在200℃左右预热3h后放入发动机缸体铸型中。
6）将完全熔化的AM50金属液浇注到发动机缸体铸型中，在室温下冷却凝固；其中，在镁合金熔炼过程中需要通氮气和六氟化硫进行气体保护。
7）将复合铸造的发动机缸体铸件进行T6热处理，其中热处理参数为在420℃左右固溶4-24小时，再170-210℃时效处理6小时。
本例中的复合发动机缸体，对比传统工艺，重量减轻了23%，缸套部分耐磨性提高25%，同时通过电子显微镜观察可知，合金组织中的初生Si相几近消失。

Claims (2)

1.一种过共晶Al-Si合金与镁合金复合发动机缸体的铸造方法，其特征在于：
该方法制造的复合发动机缸体包括缸体和缸套，所述缸体由镁合金制成，所述镁合金成分及重量百分比为：
Al 1.0%～10.0%；
Zn 0.1%～1.5%；
Mn 0.1%～1.5%；
Re 0.05～5%；
余量 Mg；
所述缸套由过共晶Al-Si合金制成，所述过共晶Al-Si合金成分及重量百分比为：
Si 15～22%；
Cu 0.5～5.0%；
Mg 0.1～3.0%；
余量 Al；
该铸造方法包括以下步骤：
（1）将所述成分比例的过共晶Al-Si合金通过挤压铸造方法制成缸套；
（2）将步骤（1）中制备的过共晶Al-Si合金缸套机械加工成形，在180～220℃预热2h～3h后放入发动机缸体铸型中；
（3）将所述成分比例的镁合金加热到700℃使其完全熔化并浇注到发动机缸体铸型中，在室温下冷却凝固；
（4）将步骤（3）制得的发动机缸体铸件进行T6热处理，其中热处理参数为在400℃～440℃固溶4～24小时，在170～210℃时效处理6小时；
所述步骤（1）的过共晶Al-Si合金由以下步骤制备：
（1）用石墨黏土坩埚在电阻炉中熔炼纯铝，熔炼温度为720℃；
（2）待纯铝熔化完全后，加入Al-26Si中间合金进行熔化并升温至780℃，直至完全反应，静置10min；
（3）在完全熔化的合金液中加入六氯乙烷均匀搅拌后，在合金液表面均匀涂撒一层由NaCl和KCl按照1:1混合成的覆盖剂，保温10min后扒渣、静置，得过共晶Al-Si合金。
2.根据权利要求1所述的过共晶Al-Si合金与镁合金复合发动机缸体的铸造方法，其特征在于：步骤（3）中所述的镁合金在熔炼过程中通氮气和六氟化硫进行气体保护。
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