CN1194012A - 薄壁管的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种由耐热、耐磨轻铝基材料构成的薄壁管的制造方法。该方法包括用过共晶硅铝材料制备棒材或管材坯料的步骤及随后的过时效退火过程以及通过后面的挤压工艺将坯料制成厚壁管或圆材的步骤和通过对该管进行热成型制成薄壁管的步骤。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

薄壁管的制造方法
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，在熔融硅颗粒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。
DE42 30 228中公开了一种气缸体，其由亚共晶硅铝合金铸造而成。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。EP0 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。
本发明的目的是提供一种改进的、造价较低的生产薄壁管、特别是生产内燃机气缸套的方法。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。
本发明目的是通过如权利要求1所述的方法步骤而实现的。
本发明的其他方案在其从属权利要求中已经给出。
气缸套所需要的摩擦特性特别是通过如下方案获得的，使材料中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转动着的转盘上。该转盘在工作过程中连续向下移动。通过这两种运动的合成便获得一个棒材，该棒的长度约为1000至3000mm、直径最大为400mm。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，从而使所获得的棒材的过饱和状态呈准“凝固”状态。
除制造棒材外，也可通过喷压制造内径为50-120mm、壁厚达250mm的厚壁管件坯材。为此，将颗粒流喷射到一个在水平面上绕其纵向轴转动的支撑管上并在该处进行压缩。用该方法通过连续地沿水平方向进行有控制的进给，可获得一个管件坯料。该坯料作为后加工工艺、即管件挤压和/或其他热加工工艺中使用的原材料。所述的支撑管是由普通的锻压铝合金或类似的合金制成的，其本身也是通过喷压工艺制成的(工艺相同)。
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，因而能够实现对多种晶体结构的控制。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。
另一种方案是，为获得合适的晶体结构，使含有硅的过饱和铝合金熔液快速固化(下称“粉末流”)。在此方案中通过向熔融液体喷射空气或惰性气体生产出粉末。该粉末可以是完全合金。这意味着，在熔融的液体中包含的全部是合金元素。或者该粉末在下一步骤中与多种合金或其他元素的粉末相互混合。接着，所述完全合金粉末或混合粉末通过冷压工艺或热压工艺或真空压力工艺被压成棒材或厚壁中空管柱(管材)。
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。在退火过程中长得较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。不过，在该过程中时间仅起辅助作用。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。
通过热成形工艺、特别是通过挤压工艺将经“喷压”或通过“粉末流”步骤获得的管材制成壁厚为6至20mm的厚壁管。这里，挤压温度为300至550℃。
该挤压工艺的作用不仅在于成形，而且还可将经过喷压成形的棒材或管材的孔隙(1-5％)或经过粉末流工艺制成的棒材或管材的孔隙(1-40％)密封并最终压实。
通过在250℃至500℃下进行圆材锻压或其他热成形工艺可使壁厚进一步减小到所需要的尺寸。
而后，将管壁厚度已被成形到最终尺寸时管件截成所需要的管段。
本发明方法具有如下优点，用此方法可获得合适的气缸套材料。借助于后续的第二热变形工艺步骤可以降低在挤压过程中相对于挤压压力、挤压速度以及产品质量所产生的高成本。
实施例1：
在喷压工艺后，将组合物Al Si25 Cu2.5 Mg1 Ni1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/金属比例将其压缩成棒材。在上述条件下，喷压而成的棒材中的硅析出颗粒粒度范围为1μm至10μm(图1中的状态)。随后，在520℃下对喷压而成的棒材进行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℃、成形出口速度为0.5m/min条件下用成形工具热挤压出外径为94mm、内径为69.5mm的管材(如图2所示)。而后通过在420℃下进行圆材锻压并通过一个芯杆将一个外径94mm的管件成形出一个外径为79mm、内径为69mm的管材。此过程不会导致晶体结构改变。
实施例2：
在喷压工艺后，将组合物Al Si8 Fe3 Ni2的合金置于850℃熔融温度下并以2.0m3/kg(每公斤熔液立方米气体)的气体/金属比例将其压缩成棒材。通过颗粒喷射装置将20％的粒度为40μm至71μm的硅颗粒导入到这种合金中。通过该工艺步骤可以获得均匀的金属结构(如图3所示)。由于通过喷压工艺可以获得理想的晶体结构，因而不需要进行退火处理。通过在温度为450℃、成形出口速度为0.3m/min条件下，用成形工具热挤压出外径为94mm、内径为69.5mm的管材(如图4所示)。而后通过在440℃下进行圆材锻压成形出一个外径94mm、外径为79mm的管材。此过程不会导致晶体结构改变。
实施例3：
将组合物Al Si25 Cu2.5 Mg1 Ni1的合金置于830℃熔融温度下并用空气对其进行喷射。将所产生的粉末收集起来并在2700巴下冷压成外径为250mm长度为350mm的棒材。该棒材的厚度占合金理论厚度的80％。所析出的硅颗粒粒度范围为1μm至10μm。对该冷压成的棒材在520℃下进行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℃、成形出口速度为0.5m/min条件下用成形工具热挤压出外径为94mm、内径为69.5mm的管材。而后通过在420℃下进行圆材锻压并通过一个芯杆将一个外径94mm的管件成形出一个外径为79mm、内径为69mm的管材。此过程不会导致晶体结构改变。
实施例4：
在喷压工艺后，将组合物Al Si25 Cu2.5 Mg1 Mn1的合金置于860℃熔融温度下并以2.5m3/kg(每公斤熔液立方米气体)的气体/金属比例将其压缩成外径250mm、内径80mm的管材。在此过程中，一个由普通锻压铝合金(AlMgSi0.5)材料构成的、外径为84mm、壁厚为2mm的薄壁管作为转动支撑管，上述合金即喷射到该支撑管上。在上述条件下经过喷压工艺成形的管材中，所析出的硅颗粒粒度为0.5μm至7μm。为获得粒度为2μm至30μm的析出硅颗粒，还需要将喷压而成的管材在520℃下进行5小时的退火处理。通过在温度为400℃、成形出口速度为1.5m/min条件下挤压出外径为94mm、内径为69.5mm的管材。这里，支撑管材料AlMgSi0.5对所需要的压力和速度产生积极的作用，因为它对芯杆起润滑作用。而后通过在430℃下进行圆材锻压并通过一个芯杆将一个外径94mm的管件成形为一个外径79mm、内径为69mm的管材。此过程不会导致晶体结构改变。

Claims (14)

1、一种由耐热、耐磨轻金属材料构成的薄壁管的制造方法，其特征在于，
-通过对合金熔液的喷压工艺或通过对粉末混合体或用空气或惰性气体喷射出粒度为250μm的合金混合体进行热压或冷压工艺，生产出由过共晶硅铝材料构成的棒材或管材，其中，所含硅颗粒的粒度为0.5至20μm、最好是1至10μm；
-根据需要对所述棒材或管件进行使其所含硅颗粒变大的过时效退火处理，使硅颗粒的粒度增长到2至30μm。
-在300至550℃的挤压温度下，将所获得的棒材或管材挤压成壁厚为6至20mm的厚壁管；以及
-在250至500℃下，通过热成形工艺将厚壁管的壁厚减至1.5至5mm。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，用于生产棒材或管材的粉末混合物、合金混合物或合金熔液中包括如下组合物：
Al Si(17-35) Cu(2.5-3.5) Mg(0.2-2.0) Ni(0.5-2)。
3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，用于生产棒材或管材的粉末混合物、合金混合物或合金熔液中包括如下组合物：
Al Si(17-35) Fe(3-5) Ni(1-2)。
4、如权利要求1所述的方法，其特征在于，用于生产棒材或管材的粉末混合物、合金混合物或合金熔液中包括如下组合物：
Al Si (25-35)。
5、如权利要求1所述的方法，其特征在于，用于生产棒材或管材的粉末混合物、合金混合物或合金熔液中包括如下组合物：
Al Si(17-35) Cu(2.5-3.3) Mg(0.2-2.0) Mn(0.5-5)。
6、如权利要求1至5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棒材或管材中，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棒材或管材中。
7、如权利要求1至6所述的方法，其特征在于，粗化硅晶粒的过时效退火是在460至540℃下、0.5至10小时内进行的。
8、如权利要求1至7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。
9、如权利要求1至7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。
10、如权利要求1至7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。
11、如权利要求1至7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。
12、如权利要求1至7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。
13、如权利要求1至12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。
14、如权利要求1至13所述的方法，其特征在于，用该方法制造的管段用作轻金属的内燃机气缸套。
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