CN1066493C - 气缸套的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种由耐热、耐磨铝基材料构成的气缸套的制造方法。该方法包括用过共晶硅铝材料制备厚壁管的喷压步骤及随后的过时效退火过程和通过对该管进行热成形制成薄壁管的步骤。该方法特别适合于制造轻金属材料的内燃机气缸套，因为这种气缸套可以满足所需要的耐磨性、耐热性及减少有害物质排放量等特性要求。

Description

气缸套的制造方法
本发明涉及的是一种薄壁管的制造方法，所述薄壁管是由耐热、耐磨铝基材料制成，其特别适用于内燃机上的气缸套。
气缸套是承受摩擦力的部件，其被设置、压入或铸入在内燃机曲轴箱上的气缸孔内。
内燃机的气缸工作面需要承受来自于活塞、特别是活塞环的强烈的摩擦应力并且局部区域需要承受高温。因此，该工作面需要由耐磨及耐热材料制成。
为此目的，已有许多在气缸孔表面涂敷耐磨层的方法。此外，还有一种方案是在气缸内设置用耐磨材料制成的套筒，如采用灰铸铁套筒。不过，这种套筒与铝基材料相比，耐热性差，并且存在一些其他的缺点。
为解决上述问题，人们首先采用过共晶硅铝合金铸造的气缸体。由于采用铸造技术的原因，硅含量最大重量比不得超过20％。铸造工艺的另一缺点是，在固化的过程中会析出尺寸较大的硅单晶颗粒(约30-80μm)。由于这些颗粒尺寸较大且具有尖锐的角、棱，因而对活塞及活塞环产生磨损。为此，人们不得不在活塞及活塞环上涂敷相应的覆盖层/涂层以施加保护。硅颗粒与活塞/活塞环之间的接触面可通过机械加工磨平。在这样的机械加工之后进行电化学处理，以使位于各个硅颗粒之间的铝基材还原，从而使硅颗粒从气缸工作表面略微突出作为承载支撑构架。这样制成的气缸工作面的缺点一方面是制造成本过高(昂贵的合金、成本较高的机械加工、铁涂层活塞、铠装活塞环)，另一方面是硅颗粒分布不均。因此，在组织结构中存在大量没有硅颗粒的区域，因而易受到较强的摩损。为避免这种摩损，在工作面与相对摩擦面之间需要设置相对较厚的油膜作为隔离介质。此外，为了控制油膜厚度还需要确定硅颗粒露出的程度。油膜较厚会导致机械中摩擦损失增加及有害物质排放量的明显增加。
DE 42 30 228中公开了一种气缸体，其由亚共晶硅铝合金铸造而成。而且在气缸内安装有由过共晶硅铝合金制成的气缸套。这种方案造价较低，但仍未解决前面所提到的问题。
为充分利用过共晶硅铝合金作为气缸套材料的优点，需要改变硅晶核的晶体结构。通过已知的粉末冶金方法或喷压方法可制成用铸造工艺不能得到的铝合金。
这样，通过上述方法可生产过共晶合金，由于该合金中硅含量较高、硅颗粒较细并且分布较均匀，因而具有较好的耐磨性。通过在该合金中加入诸如Fe、Ni或Mn等元素可以获得所需要的耐热性。存在于该合金中的硅颗粒的粒度约为0.5至20μm。用这种方法生产出的合金特别适合做气缸套零件。
尽管铝合金通常是便于加工的，但这种过共晶合金存在变形问题。EP 0 635 318中公开了一种用过共晶硅铝合金制造气缸套的方法。其中气缸套是在高压力下、挤压速度为0.5-12m/min的情况下挤压成型的。为减少通过挤压将气缸套制成最终尺寸的生产成本，需要相当高的挤压速度。事实表明，对于承受较高压力的合金来说，若气缸套管壁厚较小，则在较高的挤压速度下会导致管件在挤压时被撕裂。
在WO 87/03012中公开了生产中空柱形件、即上述管材的喷压工艺。其中例举了壁厚25至40mm的管材的生产方法。在通过诸如挤压方法将上述管材成形为薄壁管的过程中也同样会产生上述问题。
本发明的目的是提供一种改进的、造价较低的生产气缸套的方法。用该方法生产的气缸套可在耐磨性、耐热性及减少有害物质排放量等性能上获得所需要的改善。
本发明涉及一种由过共晶硅铝材料构成的内燃机气缸套的制造方法，其特征在于，
-通过喷压工艺将该硅铝合金熔液喷涂到一个本身旋转的支撑管上，由此，直接获得一个壁厚为6至20mm的由过共晶硅铝材料构成的厚壁管，其中所含硅颗粒的粒度为0.5至20μm，最好是1至10μm；
-根据需要对所述厚壁管进行使其所含硅颗粒变大的过时效退火处理，使所含硅颗粒的粒度增长到2至30μm；
-在250至500℃温度下对所述厚壁管进行热成形工艺使其壁厚减至1.5至5mm。
按照本发明所述的方法，其中所述的用于生产管材的熔融合金为由如下以重量％计的各组分组成的组合物：
Si 17-35，Cu 2.5-3.5，Mg 0.2-2.0，Ni 0.5-2，重量为Al；
或为Si 17-35，Fe 3-5，Ni 1-2，余量为Al；
或为Si 25-35，余量为Al；
或为Si 17-35，Cu 2.5-3.3，Mg 0.2-2.0，Mn 0.5-5，余量为Al；
按照本发明所述的方法，其中所述的在喷压过程中，一部分硅通过包含有硅铝合金的熔液被带入管材中，而另一部分硅则借助于颗粒喷射装置以硅粉末的形式被带入到管材中；
其中所述的在喷压过程中，借助于颗粒喷射装置将具有氧化陶瓷或非氧化陶瓷性质的耐磨颗粒添加到材料中；
其中所述的粗化硅颗粒的过时效退火是在460至540℃下、0.5至10小时内进行的；
其中所述的厚壁管的热成形可通过圆材锻压或圆材压延工艺、内模进行管件轧制、辊压、管件拉拔工艺、环形件轧制或是在带有背压或不带背压的条件下通过向前或向后中空状流动冲压工艺实现；
按照本发明所述的方法，可将直径及壁厚已经成形到最终尺寸的管件截成所需要的长度。
所需要的摩擦特性特别是通过如下方案获得的，使作为析出颗粒的硅颗粒的粒度为0.5至20μm，或使作为添加颗粒的粒度为80μm。为获得这种铝合金，必须采用一些方法使得高合金熔液中所容许的固化速度高于传统的铸造工艺中所容许的固化速度。
属于这类方法的一种工艺为喷压方法(以下简称“喷压”)。为获得理想的特性，将含有高硅合金的铝合金熔液喷出并通过氮气流以1000℃/s冷却速度将其冷却。部分仍处于液态的粉末颗粒被喷到一个由相同材料制成的、绕纵轴在水平面上转动着的支撑管或普通的铝制品(如AlMgSi0.5)上。该支撑管的壁厚为2-3mm，在工作过程中受射流的推动而做直线运动。通过支撑管的转动与平移这两种运动的合成便获得一个具有预定内径的柱形管材。该管材的外径取决于移动速度及有效压缩比。通过上述方式可制造出壁厚为6至20mm的管材。借助于支撑管的进、退控制系统可实现基本上连续的生产过程。
由于冷却速度较高，因而在该喷压过程中产生的硅颗粒的粒度不超过20μm。为获得合适的析出硅颗粒粒度，人们采用一定的“气体与金属的比例”(每公斤熔液立方米气体)，通过该比例可以确定该过程中的固化速度。根据固化速度和熔液的过饱和度，该合金中的硅含量可达到40％重量比。由于铝熔液在气流下快速延伸，从而使所获得的管材的过饱和状态呈准“凝固”状态。
喷压工艺还可以提供这样的可能性，通过颗粒喷射装置将熔液中未包含的颗粒喷到棒材或管材中。由于这些颗粒可以是粒度为2μm至400μm的任意几何形状的颗粒，因而可能实现多种晶体结构调整。例如该颗粒可以是粒度为2μm至400μm的硅颗粒或在上述粒度范围内的氧化陶瓷颗粒(如Al2O3)或无氧陶瓷颗粒(如SiC，B4C)等，这些都是在市场上可获得且对摩擦特性有意义的材料。
通过后续的过时效退火工艺可改变经喷压工艺获得的棒材或管材的晶体结构。通过退火可将晶体结构改造成硅颗粒粒度为2至30μm，由此获得所需的摩擦特性。在退火过程中长大的硅颗粒受到固定颗粒扩散的影响而成为理想的较小的硅颗粒。扩散效果取决于过时效温度及退火处理时间的长短。选择的温度越高，则硅晶核生长的速度越快。理想的温度大致为500℃，此时退火时间应当为3至5小时。
这样获得并确定的晶体结构在后续的工艺步骤中不再改变，或者只是为得到所需要的理想摩擦特性作适当的改变。
根据所需要的管件的最终壁厚，通过各种热成形方法将管材的壁厚减小到所需要的尺寸。这里，挤压温度为300至550℃。该热压成形工艺的作用不仅在于成形，而且还可将经过喷压成形的坯料的孔隙(1-5％))压实。
此后，将管壁厚度已被成形到最终尺寸的管件截成所需要的管段。
本发明方法具有如下优点，用此方法可裁切出合适的气缸套材料。同时，借助于上述工艺步骤可以降低在挤压薄壁管过程中相对于挤压压力、挤压速度和保证产品质量所产生的高成本。
实施例1：
通过喷压工艺，将组合物Si 25，Cu 2.5，Mg 1，Ni 1，余量为Al的合金置于830℃熔融温度下并以4.5m3/kg(每公斤熔液立方米气体)的气体/金属比例将其在一个移动速度为0.6m/min的支撑管(内径69.5mm、壁厚2.0mm)上压缩成壁厚为15.0mm的管材。在上述条件下，喷压而成的材料中的硅析出颗粒粒度范围为1μm至10μm。随后，在520℃下对喷压而成的管材进行4小时的退火处理。在该退火处理之后，析出的硅颗粒粒度范围为2μm至30μm。通过在温度为420℃下的圆形件锻压热成形工艺并借助于一个芯杆将外径为98mm的管材成形为外径为79mm、内径为69mm的管材。其变形度应足以将上述的在喷压成形管材中的残余孔隙压实。在圆材锻压过程中不出现额外的晶体结构改变。

Claims (16)

1、一种由过共晶硅铝材料构成的内燃机气缸套的制造方法，其特征在于，
-通过喷压工艺将该硅铝合金熔液喷涂到一个本身旋转的支撑管上，由此，直接获得一个壁厚为6至20mm的由过共晶硅铝材料构成的厚壁管，其中所含硅颗粒的粒度为0.5至20μm，最好是1至10μm；
-根据需要对所述厚壁管进行使其所含硅颗粒变大的过时效退火处理，使所含硅颗粒的粒度增长到2至30μm；
-在250至500℃温度下对所述厚壁管进行热成形工艺使其壁厚减至1.5至5mm。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所含硅颗粒的粒度为1至10μm。
3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，用于生产管材的熔融合金为由如下以重量％计的各组分组成的组合物：
Si 17-35，Cu 2.5-3.5，Mg 0.2-2.0，Ni 0.5-2，余量为Al。
4、如权利要求1所述的方法，其特征在于，用于生产管材的熔融合金为由如下以重量％计的各组分组成的组合物：
Si 17-35，Fe 3-5，Ni 1-2，余量为Al。
5、如权利要求1所述的方法，其特征在于，用于生产管材的熔融合金为由如下以重量％计的各组分组成的组合物：
Si 25-35，余量为Al。
6、如权利要求1所述的方法，其特征在于，用于生产管材的熔融合金为由如下以重量％计的各组分组成的组合物：
Si 17-35，Cu 2.5-3.3，Mg 0.2-2.0，Mn 0.5-5，余量为Al。
7、如权利要求1至6之任一项所述的方法，其特征在于，在喷压过程中，一部分硅通过包含有硅铝合金的熔液被带入管材中，而另一部分硅则借助于颗粒喷射装置以硅粉末的形式被带入到管材中。
8、如权利要求1至6之任一项所述的方法，其特征在于，在喷压过程中，借助于颗粒喷射装置将具有氧化陶瓷或非氧化陶瓷性质的耐磨颗粒添加到材料中。
9、如权利要求1至6之任一项所述的方法，其特征在于，粗化硅颗粒的过时效退火是在460至540℃下、0.5至10小时内进行的。
10、如权利要求1至6之任一项所述的方法，其特征在于，厚壁管的热成形是通过圆材锻压或圆材压延工艺实现的。
11、如权利要求1至6之任一项所述的方法，其特征在于，厚壁管的热成形是通过内模进行管件轧制实现的。
12、如权利要求1至6之任一项所述的方法，其特征在于，厚壁管的热成形是通过辊压实现的。
13、如权利要求1至6之任一项所述的方法，其特征在于，厚壁管的热成形是通过管件拉拔工艺实现的。
14、如权利要求1至6之任一项所述的方法，其特征在于，厚壁管的热成形是通过环形件轧制实现的。
15、如权利要求1至6之任一项所述的方法，其特征在于，厚壁管的热成形是在带有背压或不带背压的条件下通过向前或向后中空状流动冲压工艺实现的。
16、如权利要求1至6之任一项所述的方法，其特征在于，将直径及壁厚已经成形到最终尺寸的管件截成所需要的长度。
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