CN107779696B - 一种多元合金化铝合金材料、气缸套及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多元合金化铝合金材料、气缸套及其制备方法。该多元合金化多元合金化铝合金气缸套由以下重量百分比的组分组成：硅20％～30％，镁5％～10％，钛0.1％～1％，锆0.1％～1.5％，余量为铝。本发明提供的多元合金化铝合金气缸套，是基于点阵匹配原理，通过适量添加Ti和Zr元素，有效细化Al‑Si‑Mg基体组织，其中Ti元素可以细化铝合金基体，Zr元素可以细化Mg的晶粒尺寸，有利于形成更多的MgSi₂第二相颗粒。该多元合金化铝合金气缸套的配方组成简单，且不含Ni等贵重元素，生产成本较低；各元素配比合理，协同作用，有助于细化铝合金基体组织，提高气缸套的抗拉强度等机械性能。

Description

一种多元合金化铝合金材料、气缸套及其制备方法

技术领域

本发明属于多元合金化铝合金气缸套的制备技术领域，具体涉及一种多元合金化铝合金材料、气缸套及其制备方法。

背景技术

随着社会环保意识的不断增强，汽车行业不断推出新的更加严苛的尾气排放标准，给整个汽车领域带来了不小的难题。优化机车设计结构、促进发动机的高效工作及减轻机车车重是解决目前燃油机车降低尾气排放的有效途径。

气缸套作为发动机中的一个关键零部件，决定着发动机的性能与寿命。目前，传统气缸套所用材质多用铸铁材料，虽然其工艺成熟，但铸铁缸套与铝合金活塞材质不同带来了诸多问题，如活塞缸套之间“配缸”间隙的控制，发动机工作过程中的气缸变形“漏气”的现象等。由于铸铁气缸套与铝合金活塞匹配性较差，在长期使用过程中，容易造成缸体和缸套结合强度降低，缸套定位尺寸变化，最终引发发动机缸体漏油、漏气、渗水、能效降低、排放超标等亟待解决的问题。因此，迫切需要改良气缸套材质，以实现发动机的装配过程中实现“无间隙”配缸，从而提高发动机的功率并降低成本。

铝硅合金材料具有优良的铸造性能、较低的热膨胀系数及优越的摩擦学性能，是一种先进的轻质耐磨材料。采用铝硅合金材料制备气缸套，与现行的铝合金活塞的热物理性能相容性好，有望实现汽车发动机的全铝化，其具有优越的抗震降噪及高导热特性等综合正效应，有利于改善活塞“烧顶”热蚀失效现象，降低“拉缸”失效等风险。

国内外开展铝合金缸套的制备技术主要有以下两种方式：一是快速凝固/粉末冶金法制备铝硅合金缸套；二是喷射沉积高硅铝合金缸套。上述两种技术均存在着工艺复杂难于控制而且生产成本高的缺点，因此严重限制了铝合金气缸套的推广应用。

授权公告号为CN101709414B的专利公开了高硅梯度复合铝合金缸套材料及其制备方法，该缸套材料的重量百分比组成为：Si 13.0％-27％、Fe 0.3％-2.0％、Ni 1.5％-5％、Cu 1.5％-4.0％、Mg 0.3％-0.8％、Mn 0.3％-0.8％、V 0.1％-0.5％、Sr 0.05％-0.1％、RE 0.04％-0.1％、P 0.01-0.1％，余量为Al。该铝合金气缸套的配方组成复杂，且贵重元素Ni的用量较大，造成生产成本较高，所得气缸套的抗拉强度等机械性能也有待进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多元合金化铝合金气缸套，从而解决现有铝合金气缸套的配方组成复杂、抗拉强度有待提高的问题。

本发明的第二个目的在于提供上述多元合金化铝合金气缸套的制备方法。

本发明同时还提供了一种多元合金化铝合金材料及其制备方法。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种多元合金化铝合金气缸套，由以下重量百分比的组分组成：硅20％～30％，镁5％～10％，钛0.1％～1％，锆0.1％～1.5％，余量为铝。

本发明提供的多元合金化铝合金气缸套，是基于点阵匹配原理，通过适量添加Ti和Zr元素，有效细化Al-Si-Mg基体组织，其中Ti元素可以细化铝合金基体，Zr元素可以细化Mg的晶粒尺寸，有利于形成更多的MgSi₂第二相颗粒。该多元合金化铝合金气缸套的配方组成简单，且不含Ni等贵重元素，生产成本较低；各元素配比合理，协同作用，有助于细化铝合金基体组织，提高气缸套的抗拉强度等机械性能。

上述多元合金化铝合金气缸套可采用离心铸造法等现有气缸套的制造方法进行制备。本发明另外提供一种利用电磁离心铸造技术制造上述多元合金化铝合金气缸套的方法，其可有效细化铝合金基体组织，改善多元合金化铝合金气缸套在传统浇注过程中产生的铸造缺陷以及成分偏析等质量缺陷，综合而言，其可以在传统工业化大生产的条件下，生产出高质量的多元合金化铝合金气缸套。

本发明的多元合金化铝合金气缸套的制备方法所采用的技术方案是：

上述多元合金化铝合金气缸套的制备方法，包括将铝合金熔液在磁场作用下离心铸造成型的步骤。

通过在磁场作用下离心铸造成型，铝合金熔液与铸型一起高速旋转，铝合金熔液中产生感应电流，使铝合金熔液受到与运动方向相反的电磁力，产生电磁搅拌作用来改善铸件质量，与此同时，结合本发明的多元合金化铝合金气缸套的配方成分设计，可以调控浇注过程中相应的组织转变，从而达到显著改善铸件的性能指标和铸造质量的目的。采用该电磁离心铸造技术制备的多元合金化铝合金气缸套，缩孔、夹杂等铸造缺陷明显减少，显示出组织致密、显微组织细化等特征。

在磁场作用下的电磁离心铸造过程中，铝合金熔液在高速旋转的铸型带动下绕轴线运动，除受重力外，电磁力引起的受迫对流运动对铝合金熔液起到电磁搅拌作用，克服了普通离心铸造的缺点，使粗大的柱状晶组织转变为均匀的等轴晶组织，并使第二相的分布均匀，成分偏析得到有效控制，上述微观组织的改善直接带来多元合金化铝合金气缸套强度指标和服役寿命的显著提高，多元合金化铝合金气缸套的性能指标与快速凝固/粉末冶金法和喷射沉积法制备的铝合金缸套相当，在较低成本、较少投资、工艺简单的条件下，达到节能减排、减轻自重的终极目标。

所述磁场为稳恒直流磁场。所述磁场的磁场强度为0.05T～0.2T。离心铸造可在稳恒直流或交流磁场条件下进行，在稳恒直流磁场和上述优选磁场强度下，具有更佳的细化金相组织的效果。

离心铸造时，转速为1200～3500r/min。采用该优选转速的离心铸造工艺，与磁场的配合效果更好，所制备出的多元合金化铝合金气缸套的质量更好。

铝合金熔液为制备铝合金的原料熔炼后的熔体。可采用现有多元合金化铝合金气缸套材料的制备方法来获得上述铝合金熔液。优选的，将原料熔化后，依次进行精炼、变质处理，得到所述铝合金熔液。

进一步优选的，精炼所用精炼剂为C₂Cl₆。所述精炼剂的加入量为原料熔体质量的0.5～0.8％。精炼剂的加入温度控制在750℃～800℃。

进一步优选的，变质处理所用变质剂为Al-Sr中间合金。所述Al-Sr中间合金的加入量为原料熔体质量的0.1％～0.4％。Al-Sr中间合金可选择AlSr10中间合金(其中Sr含量8％～10％)。精炼剂的加入温度控制在800℃～850℃。采用该变质剂进行处理，可有效抑制粗大初生相的形成并改善共晶组织形貌。

原料的熔化过程可采用现有技术，为进一步避免元素的烧损，原料熔化过程优选采用以下步骤：将Al块覆盖在Si粉之上，熔化后形成Al-Si熔体，然后将Mg块压入Al-Si熔体内部，再加入Al-10Ti中间合金熔化，最后加入Zr熔化。Al-10Ti中间合金加入时，优选将Al-10Ti中间合金碎成10-15mm的颗粒状并用铝箔包裹，然后压入熔体中。

铝合金原料的熔炼、精炼以及变质处理过程，均在保护气氛下进行，且均进行造渣处理。变质处理后静置10min，即得用于浇注的铝合金熔液。

铝合金熔液的浇注温度为650～720℃。离心铸造时的转速为1200～3500r/min。

离心铸造成型后得到铸件，控制铸件的出模温度为250～350℃，出模后冷却至100～200℃，然后在100～200℃保温3～4h，空冷至室温，即得所述多元合金化铝合金气缸套。所述冷却至100～200℃是采用水激冷方式。水激冷的时间为5～15s。水激冷作用是增大其过冷度细化铝合金基体晶粒尺寸，在100～200℃保温是对其进行相应的时效处理，以便析出更多的强化相来增强基体组织强度。

为进一步便于铸造过程的进行、减少铸造缺陷以及对铸型进行保护，在浇注前，控制铸型的温度为120～200℃。同时，在浇注前，在模具内壁喷涂涂料，涂料的厚度为0.2～0.5mm。所用涂料为W110GAL型。

采用上述优选工艺制备的多元合金化铝合金气缸套，具有以下有益效果：

(1)多元合金化铝合金气缸套的抗拉强度可达450MPa左右，远高于目前现有多元合金化铝合金气缸套材质的强度水平，与超高强度贝氏体铸铁气缸套强度相当。

(2)与传统的铸铁气缸套相比，本发明多元合金化铝合金气缸套的密度只有铝合金材料的1/3，极大的减轻了发动机重量，符合当前行业内减重降排的发展要求。

(3)本发明的多元合金化铝合金气缸套的热膨胀系数与铝合金活塞相近，在使用过程中具有近似的膨胀量，热机工况更加稳定，在装机时可以适当降低缸套与活塞之间的配缸间隙，有利于减小内燃机燃烧室内串气的发生，从而减少尾气排放量。

(4)本发明的多元合金化铝合金气缸套的导热性能优良，能有效降低发动机工作缸温，改善发动机整机工作环境，也能起到降低尾气排放的作用。

(5)多元合金化铝合金气缸套的制造工艺简单，可在现有的离心铸造工艺制备铸铁气缸套的基础上进行，设备投入小，现行的生产铸铁气缸套的设备即可胜任，生产成本低，生产效率高，具备广泛推广应用的可能性。

本发明的多元合金化铝合金材料所采用的技术方案是：

一种多元合金化铝合金材料，由以下重量百分比的组分组成：硅20％～30％，镁5％～10％，钛0.1％～1％，锆0.1％～1.5％，余量为铝。

上述多元合金化铝合金材料的制备方法，包括将铝合金熔液在磁场作用下离心铸造成型的步骤。

多元合金化铝合金材料及其制备方法的优选技术方案，与上述多元合金化铝合金气缸套、制备方法的技术方案中涉及的优选工艺参数相同，在此不再详述。

容易理解，多元合金化铝合金气缸套是上述多元合金化铝合金材料的一个典型应用实例，该铝合金材料不仅可以制备与气缸套相匹配的产品，如缸盖、活塞等，还适用于对抗拉强度要求较高的场合，其具有的减重、抗拉强度优良等特性同样可以胜任相关领域对铝合金制品的要求。

附图说明

图1为制造本发明的气缸套所采用的电磁离心铸造装置的结构示意图；

图2为实施例1-4的气缸套的金相组织图，其中，a-实施例1、b-实施例2、c-实施例3、d-实施例4；

图3为对比例和实施例5-7的气缸套的金相组织图，其中，a-对比例、b-实施例5、c-实施例6、d-实施例7。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。以下实施例中，所用的电磁离心铸造装置的结构示意图如图1所示，包括磁场感应发生器1，以及与磁场反应发生器1连接的N极板2、S极板3，N极板2、S极板3均为倒L形结构，在N极板2、S极板3之间设置离心铸造模具4。该设备在工作时，在N极板、S极板之间产生稳恒直流磁场，将铝合金熔液浇注到离心铸造模具中完成电磁离心铸造过程。

实施例1

本实施例的多元合金化铝合金气缸套，由以下重量百分比的组分组成：硅25％，镁6％，钛0.5％，锆1％，余量为Al。

本实施例的多元合金化铝合金气缸套的制备方法，包括以下步骤：

1)将结晶硅、铝块、镁块、Al-10Ti中间合金、锆块加热至850℃熔炼，得到铝合金熔体；

待铝合金熔体下降至780℃后，加入精炼剂对铝合金熔体进行精炼处理，精炼后将铝合金熔体加热至830℃，加入变质剂进行变质处理，熔炼、精炼以及变质处理过程均进行造渣处理且在氩气保护下进行；变质处理后静置10min，得到铝合金熔液；

所用精炼剂为C₂C1₆，加入量为熔体总重量的0.5％；所用变质剂为Al-Sr中间合金(牌号为华孚AlSr10合金)，加入量为熔体总重量的0.2％；

2)将铝合金熔液浇注到模具中进行离心铸造成型，浇注的温度为680℃，离心铸造的转速为1350r/min；控制铸件的出模温度为270℃，出模后采用水激冷5s将铸件迅速冷至150℃，然后在150℃的保温箱中保温4h，空冷至室温，即得所述多元合金化铝合金气缸套。

步骤1)熔炼前对各合金原料进行加热预处理去除水分，将块状的结晶硅打碎成直径20-40mm的细小块状。熔炼时将铝块覆盖在结晶硅上进行熔化，将镁块压入熔体内部以减少Mg的烧损；加入Al-10Ti中间合金时，将Al-10Ti中间合金打碎成直径10-15mm的颗粒状并用铝箔包裹，在氩气气氛中压入熔体中，避免Ti的烧损，最后加入Zr进行熔化。

加入变质剂后，采用搅拌器进行机械搅拌，加速变质过程，搅拌时间为15min，在搅拌时吹氩气于熔体表面，避免熔体氧化。变质处理结束后将打渣剂抛洒在熔体表面，将周围的悬浮夹渣聚拢成渣，进一步净化熔体。打渣剂采用ZS-AJ1A，使用前经高温烘干，除去水分。在熔炼和浇注过程中均使用涂料对所用工具进行保护处理，所用涂料为W110GAL型。

实施例2

本实施例的多元合金化铝合金气缸套，由以下重量百分比的组分组成：硅25％，镁6％，钛0.5％，锆1％，余量为Al。

本实施例的多元合金化铝合金气缸套的制备方法，采用图1所示的电磁离心铸造设备，包括以下步骤：

1)将结晶硅、铝块、镁块、Al-10Ti中间合金、锆块加热至850℃熔炼，得到铝合金熔体；

待铝合金熔体下降至780℃后，加入精炼剂对铝合金熔体进行精炼处理，精炼后将铝合金熔体加热至830℃，加入变质剂进行变质处理，熔炼、精炼以及变质处理过程均进行造渣处理且在氩气保护下进行；变质处理后静置10min，得到铝合金熔液；

所用精炼剂为C₂C1₆，加入量为熔体总重量的0.5％；所用变质剂为Al-Sr中间合金(牌号为华孚AlSr10合金)，加入量为熔体总重量的0.2％；

2)在稳恒直流磁场作用下，将铝合金熔液浇注到模具中进行离心铸造成型，浇注的温度为680℃，离心铸造的转速为1350r/min，磁场强度为0.05T；控制铸件的出模温度为270℃，出模后采用水激冷5s将铸件迅速冷至150℃，然后在150℃的保温箱中保温4h，空冷至室温，即得所述多元合金化铝合金气缸套。

实施例3～4

实施例3～4的多元合金化铝合金气缸套，组分组成与实施例1相同。

实施例3～4的多元合金化铝合金气缸套的制备方法，与实施例2的制备方法基本相同，区别仅在于磁场强度分别为0.1T、0.2T。

实施例5

本实施例的多元合金化铝合金气缸套，由以下重量百分比的组分组成：硅24％，镁6％，钛0.5％，锆0.1％，余量为Al。

本实施例的多元合金化铝合金气缸套的制备方法，包括以下步骤：

1)将结晶硅、铝块、镁块、Al-10Ti中间合金、锆块加热至850℃熔炼，得到铝合金熔体；

待铝合金熔体下降至780℃后，加入精炼剂对铝合金熔体进行精炼处理，精炼后将铝合金熔体加热至830℃，加入变质剂进行变质处理，熔炼、精炼以及变质处理过程均进行造渣处理且在氩气保护下进行；变质处理后静置10min，得到铝合金熔液；

所用精炼剂为C₂C1₆，加入量为熔体总重量的0.5％；所用变质剂Al-Sr中间合金(牌号为华孚AlSr10合金)，加入量为熔体总重量的0.1％；

2)在稳恒直流磁场作用下，将铝合金熔液浇注到模具中进行离心铸造成型，浇注的温度为680℃，离心铸造的转速为1350r/min，磁场强度为0.1T；控制铸件的出模温度为270℃，出模后采用水激冷7s将铸件迅速冷至120℃，然后在120℃的保温箱中保温4h，空冷至室温，即得所述多元合金化铝合金气缸套。

实施例6

本实施例的多元合金化铝合金气缸套，由以下重量百分比的组分组成：硅24％，镁6％，钛0.5％，锆1％，余量为Al。

本实施例的多元合金化铝合金气缸套的制备方法，各步骤的工艺参数同实施例5。

实施例7

本实施例的多元合金化铝合金气缸套，由以下重量百分比的组分组成：硅24％，镁6％，钛0.5％，锆1.5％，余量为Al。

本实施例的多元合金化铝合金气缸套的制备方法，各步骤的工艺参数同实施例5。

实施例8

本实施例的多元合金化铝合金气缸套，由以下重量百分比的组分组成：硅20％，镁10％，钛0.1％，锆0.5％，余量为Al。

1)将结晶硅、铝块、镁块、Al-10Ti中间合金、锆块加热至800℃熔炼，得到铝合金熔体；

待铝合金熔体下降至750℃后，加入精炼剂对铝合金熔体进行精炼处理，精炼后将铝合金熔体加热至820℃，加入变质剂进行变质处理，熔炼、精炼以及变质处理过程均进行造渣处理且在氩气保护下进行；变质处理后静置10min，得到铝合金熔液；

所用精炼剂为C₂C1₆，加入量为熔体总重量的0.7％；所用变质剂为Al-Sr中间合金(牌号为华孚AlSr10合金)，加入量为熔体总重量的0.2％；

2)在稳恒直流磁场作用下，将铝合金熔液浇注到模具中进行离心铸造成型，浇注的温度为650℃，离心铸造的转速为1200r/min，磁场强度为0.1T；控制铸件的出模温度为250℃，出模后采用水激冷10s将铸件迅速冷至100℃，然后在100℃的保温箱中保温3h，空冷至室温，即得所述多元合金化铝合金气缸套。

实施例9

本实施例的多元合金化铝合金气缸套，由以下重量百分比的组分组成：硅30％，镁5％，钛1.0％，锆1.5％，余量为Al。

1)将结晶硅、铝块、镁块、Al-10Ti中间合金、锆块加热至900℃熔炼，得到铝合金熔体；

待铝合金熔体下降至800℃后，加入精炼剂对铝合金熔体进行精炼处理，精炼后将铝合金熔体加热至850℃，加入变质剂进行变质处理，熔炼、精炼以及变质处理过程均进行造渣处理且在氩气保护下进行；变质处理后静置10min，得到铝合金熔液；

所用精炼剂为C₂C1₆，加入量为熔体总重量的0.7％；所用变质剂为Al-Sr中间合金(牌号为华孚AlSr10合金)，加入量为熔体总重量的0.2％；

2)在稳恒直流磁场作用下，将铝合金熔液浇注到模具中进行离心铸造成型，浇注的温度为720℃，离心铸造的转速为2500r/min，磁场强度为0.1T；控制铸件的出模温度为350℃，出模后采用水激冷10s将铸件迅速冷至200℃，然后在200℃的保温箱中保温3h，空冷至室温，即得所述多元合金化铝合金气缸套。

上述实施例为本发明的铝合金材料及其制备方法的典型应用，将相应模具进行替换，采用上述实施例相同的工艺步骤，即可制备可适用于不同领域的铝合金制品。

对比例

对比例的多元合金化铝合金气缸套，由以下重量百分比的组分组成：硅24％，镁6％，钛0.5％，余量为Al。采用同实施例5的工艺步骤进行制备。

试验例1

本试验例对实施例的多元合金化铝合金气缸套的金相组织进行观察，结果如图2和图3所示。

由图2的金相组织图可以看出，实施例1在无磁场下进行离心铸造，铸造缺陷及成分偏析现象严重，基体组织较为粗大，实施例2-4在磁场作用下进行离心铸造，铸造缺陷及成分偏析等质量缺陷得到抑制，铝合金基体组织也得到明显细化，且随着磁场强度的增强，上述趋势愈加明显。

由图3的金相组织图可以看出，对比例不添加锆元素，基体组织有粗大初生相的形成，实施例5-7添加不同比例的锆元素后，有效抑制了粗大初生相的形成并改善了共晶组织形貌。

试验例2

本试验例将实施例和对比例的多元合金化铝合金气缸套进行单轴拉伸试验，其中，抗拉强度的检测方法参见《GB/T 228-2002金属材料室温拉伸试验方法》。实施例1-4的多元合金化铝合金气缸套的抗拉强度测试结果如表1所示，对比例和实施例5-7的多元合金化铝合金气缸套的抗拉强度测试结果如表2所示。

表1实施例1-4的多元合金化铝合金气缸套的抗拉强度测试结果

编号	抗拉强度，MPa
		实施例1	290
实施例2	370
		实施例3	460
实施例4	420

由表1的测试结果可知，在施加磁场作用下，多元合金化铝合金气缸套的抗拉性能得到显著提升，实施例3的抗拉性能最佳，可达到460MPa。

表2对比例和实施例5-7的多元合金化铝合金气缸套的抗拉强度测试结果

编号	抗拉强度，MPa
		对比例	260
实施例5	390
		实施例6	475
实施例7	430

由表2的测试结果可知，在本发明的铝合金基体中添加适量锆元素可以显著提升基体的抗拉性能，实施例6的抗拉性能达到475MPa。

Claims (2)

1.一种多元合金化铝合金气缸套，其特征在于，由以下重量百分比的组分组成：硅20%～30％，镁5%～10%，钛0.1%～1％，锆0.1%～1.5％，余量为铝；

所述多元合金化铝合金气缸套的制备方法，包括将铝合金熔液在磁场作用下离心铸造成型的步骤；所述磁场为稳恒直流磁场，磁场的磁场强度为0.05T～0.2T；

所述铝合金熔液采用以下方法进行制备：将原料熔化后，依次进行精炼、变质处理，即得；变质处理所用变质剂为Al-Sr中间合金，变质剂的加入量为原料熔体质量的0.1%～0.4%；

所述铝合金熔液的浇注温度为650～720℃；离心铸造时的转速为1200～3500r/min；

离心铸造成型后得到铸件，控制铸件的出模温度为250～350℃，出模后采用水激冷的方式冷却至100～200℃，然后在100～200℃保温3～4h，空冷至室温，即得所述多元合金化铝合金气缸套。

2.一种如权利要求1所述的多元合金化铝合金气缸套的制备方法，其特征在于，包括将铝合金熔液在磁场作用下离心铸造成型的步骤；所述磁场为稳恒直流磁场，磁场的磁场强度为0.05T～0.2T；

所述铝合金熔液采用以下方法进行制备：将原料熔化后，依次进行精炼、变质处理，即得；变质处理所用变质剂为Al-Sr中间合金，变质剂的加入量为原料熔体质量的0.1%～0.4%；

所述铝合金熔液的浇注温度为650～720℃；离心铸造时的转速为1200～3500r/min；

离心铸造成型后得到铸件，控制铸件的出模温度为250～350℃，出模后采用水激冷的方式冷却至100～200℃，然后在100～200℃保温3～4h，空冷至室温，即得所述多元合金化铝合金气缸套。