專利名稱：一種耐磨鋁合金缸套及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸部件，特別是一種耐磨鋁合金缸套及其制備方法。
背景技術(shù)：
減重降排目前已成為汽車行業(yè)發(fā)展的方向之一。汽車、摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)中的活塞、缸體等均已實(shí)現(xiàn)了鋁合金材料替代。而作為提供動(dòng)力的部件-缸套卻大多依然沿用鑄鐵材料。這主要是由于缸套內(nèi)表面受到高溫高壓燃?xì)獾淖饔?，并與高速運(yùn)動(dòng)的活塞接觸摩擦而極易磨損，而一般的鋁合金材料制備的缸套無(wú)法達(dá)到高溫耐磨的性能要求。近年來(lái)，耐磨鋁合金材料缸套的技術(shù)開(kāi)發(fā)備受關(guān)注，已有技術(shù)中出現(xiàn)了高硅鋁合金缸套噴射成形法、鋁合金汽缸內(nèi)表面涂覆處理法以及離心鑄造法制備顆粒增強(qiáng)鋁合金缸套內(nèi)層的工藝。其中，高硅鋁合金噴射成形法制備缸套的工藝主要是采用快速凝固噴射成形與高溫?cái)D壓工藝，使成形缸套中的Si顆粒起到耐磨的作用。該種工藝的流程長(zhǎng)，工藝參數(shù)控制難度大，缸套制造成本很高，因此未能廣泛采用；而鋁合金氣缸內(nèi)表面涂覆工藝則主要是對(duì)鋁合金缸套內(nèi)表面進(jìn)行陶瓷化處理，如噴涂耐磨涂層或激光燒結(jié)Si，Al2O3等耐磨顆粒。該方法首先將發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和缸套同時(shí)整體鑄出，為了提高缸套的耐磨性，用激光熔化缸套的內(nèi)表面，同時(shí)將耐磨顆粒熔覆至缸套內(nèi)表面，然后機(jī)械加工成形。該法的主要不足在于熔覆層有孔洞，且缸套內(nèi)表面涂層與基體合金部分的結(jié)合過(guò)渡劇烈，容易形成應(yīng)力集中， 在使用過(guò)程中出現(xiàn)熔覆層脫落的現(xiàn)象，目前也未能得到推廣；離心鑄造法制備耐磨顆粒初晶Si/Mg2Si增強(qiáng)鋁合金缸套內(nèi)層技術(shù)是最近發(fā)明的。這種方法是利用離心力的作用使液態(tài)鋁合金熔體中自生析出的第二相耐磨顆粒偏移到缸套一側(cè)，從而使其具備良好的耐磨性能。其最大特點(diǎn)是遵循了現(xiàn)有普通鑄鐵缸套的制造方法，生產(chǎn)效率高且工藝簡(jiǎn)單，成本低。 然而，這種缸套中的耐磨顆粒初晶Si/Mg2Si密度小，在離心鑄造過(guò)程中與鑄造夾渣、氣孔等缺陷同時(shí)偏移至鑄件內(nèi)層區(qū)域，致使缸套機(jī)械加工難度增大，成品率降低并影響了其耐磨性能?？紤]到離心鑄造法制備耐磨顆粒初晶Si/Mg2Si增強(qiáng)鋁合金缸套內(nèi)層工藝的缺點(diǎn)，可以發(fā)明一種自生耐磨顆粒增強(qiáng)鋁合金缸套外層的制備方法。金屬Ni、Ti與Al — 起熔煉，可以形成具有高硬度和高耐磨性能的初生金屬間化合物TiAl3、NiAl3，且TiAl3、 NiAl3相的密度均大于鋁合金基體，在離心鑄造過(guò)程中將偏聚至鑄件外層，從而增強(qiáng)基體材料。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于離心鑄造TiAl3增強(qiáng)招合金復(fù)合材料的研究主要有Watanabe等通過(guò)離心鑄造方法研究了 Al-5wt. % Ti合金中的自生Al3Ti相在三維空間內(nèi)的形貌特征 (ActaMaterialia, 2001, Vol. 49 ；No. 5 P 775-783);張寶生等在鋁液中加入純 Ti 金屬， 采用金屬型內(nèi)嵌砂套離心鑄造(2000rpm)制備了 Al-(2. Owt. %,4. 7wt. %, 5. 5wt. % )Ti 二元系金屬間化合物梯度功能材料(功能材料，1994年第25卷第5期，P446-451)。關(guān)于離心鑄造NiAl3增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料的研究主要有=Watanabe等研究了離心鑄造制備的Al-Al3Ni功能梯度材料的顆粒尺寸、形狀，以及重力系數(shù)和冷卻速度等對(duì)顆粒梯度分布的影響(Science and Engineering of Composite Materials, 2004, Vol. 11 ；Nos. 2-3 P185-199) ;Rajan 等研究了 Al- (10wt. %, 20wt. %, 30wt. %, 40wt. % )Ni 合金在離心鑄造條件下制備Al-Al3Ni金屬間化合物梯度功能材料，并發(fā)現(xiàn)Al-20wt. % Ni材料能形成更好的梯度分布(Journal ofAlloys and Compounds, 2008, Vol. 453 L4-L7);張寶生等對(duì) Al-IONi和Al-13Ni金屬間化合物梯度功能材料進(jìn)行研究后認(rèn)為沿離心力的方向初生金屬間化合物相體積濃度和尺寸均呈現(xiàn)明顯的梯度分布(哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1998年第30 卷第2期)。另外,Watanabe與Nakamura研究了離心鑄造Al_20Ni_5Ti合金的組織與耐磨性能，發(fā)現(xiàn)合金中形成的Ni3Al, Ti3Al顆粒能有效提高材料的耐磨性能(Intermetallics, 2001，Vol. 9 ；No. I P 33-43)而關(guān)于離心鑄造制備Al-Si-Ni-Ti復(fù)合材料的研究以及制備耐磨相TiAlSi與 NiAl3共同增強(qiáng)Al-Si基復(fù)合材料的研究尚未見(jiàn)諸報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種耐磨鋁合金缸套及其制備方法，該缸套由 Al-Si合金和一定量的Ni、Ti構(gòu)成，缸套中含有大量的初生TiAlSi和NiAl3兩種耐磨顆粒， 體積分?jǐn)?shù)高，比單一顆粒增強(qiáng)鋁合金缸套具有更好的耐磨性。該缸套中的耐磨顆粒與基體之間結(jié)合良好，高溫耐磨性能優(yōu)良，且缸套制備工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高。—種耐磨鋁合金缸套是采用離心鑄造工藝，實(shí)現(xiàn)鋁合金熔體中自生析出的耐磨顆粒向缸套毛坯外側(cè)偏聚，形成外層增強(qiáng)層(I)及內(nèi)層非增強(qiáng)層(2)，增強(qiáng)層與非增強(qiáng)層之間通過(guò)冶金的方式進(jìn)行結(jié)合。進(jìn)一步，所述缸套毛坯的增強(qiáng)層(I)中分布有大量的初晶TiAlSi和NiAl3 ;非增強(qiáng)層(2)中不含顆粒，為夾渣(3)、氣孔(4)等缺陷聚集區(qū)。進(jìn)一步，增強(qiáng)層(I)中的初晶TiAlSi和NiAl3增強(qiáng)顆粒的體積百分含量為 15% -40% ο進(jìn)一步，所述缸套基體材料為Al-Si合金。一種耐磨鋁合金缸套的制備方法，包括液態(tài)復(fù)合材料的熔制和離心鑄造工藝。在液態(tài)Al-Si合金中加入Ni、Ti，形成Al-Si-Ni-Ti合金，其中，Si含量為12-20wt%, Ni含量為6-12wt %，Ti含量為5-lOwt %，及其少量的Mg、Cu、Mn，其余為Al ;離心鑄造過(guò)程中，離心轉(zhuǎn)速為1000-5000rpm，澆注溫度為800-1200°C，模具預(yù)熱溫度為100-500°C。進(jìn)一步，所述耐磨顆粒TiAlSi、NiAl3與缸套基體材料之間存在密度差，通過(guò)離心鑄造方式實(shí)現(xiàn)兩種耐磨顆粒向外偏聚，致使外層增強(qiáng)層(I)的形成。進(jìn)一步，對(duì)離心鑄造制備的缸套鑄件毛坯按缸套幾何尺寸要求進(jìn)行車削加工，內(nèi)孔加工量為l_4mm，以去除缸套毛坯中含有夾渣(3)、氣孔(4)的非增強(qiáng)層(2)，從而在顆粒增強(qiáng)層(I)中獲得含有初晶TiAlSi和NiAl3顆粒的耐磨缸套。本發(fā)明缸套是一種Al-Si-Ni-Ti復(fù)合材料耐磨鋁合金缸套，缸套毛坯的外層為合金在凝固過(guò)程中自生析出的初生TiAlSi及初生NiAl3所形成的增強(qiáng)區(qū)域，內(nèi)層為不含增強(qiáng)相的非增強(qiáng)區(qū)域。增強(qiáng)區(qū)域與非增強(qiáng)區(qū)域組織為冶金結(jié)合。增強(qiáng)區(qū)域內(nèi)增強(qiáng)相的體積分?jǐn)?shù)高達(dá)15-40%，保證了缸套內(nèi)表面的耐磨性。本發(fā)明采用離心鑄造方法，其工藝簡(jiǎn)單，便于操作。在離心鑄造過(guò)程中，初生初生 TiAlSi及初生NiAl3 —起向缸套毛坯外層聚集，而鑄造過(guò)程中產(chǎn)生的夾渣、氣孔等缺陷則向著反方向積聚，形成集渣層，最大程度的凈化了鑄件中的雜質(zhì)。通過(guò)機(jī)械加工切除掉集渣層就得到不含任何夾渣物的外層增強(qiáng)層的缸套零件，其機(jī)械性能優(yōu)良，熱性能好，抗耐磨性能強(qiáng)。與噴射成形鋁合金缸套工藝相比，本發(fā)明制造工藝簡(jiǎn)單，可參照現(xiàn)行的離心鑄造制備鑄鐵缸套的工藝；設(shè)備投入小，現(xiàn)行的生產(chǎn)鑄鐵缸套的設(shè)備完全可以勝任；生產(chǎn)效率高。因此，具有廣泛推廣的可能性；與鋁合金氣缸內(nèi)表面涂覆工藝相比，本發(fā)明缸套中的增強(qiáng)顆粒為自生顆粒，即增強(qiáng)顆粒在離心鑄造冷卻過(guò)程中自熔體中產(chǎn)生，自生顆粒與基體結(jié)合牢固，降低了缸套使用過(guò)程中耐磨顆粒失效脫落的幾率，延長(zhǎng)了缸套的使用壽命；與離心鑄造制備耐磨顆粒初晶Si/Mg2Si增強(qiáng)鋁合金缸套內(nèi)層工藝相比，本發(fā)明缸套中的增強(qiáng)顆粒為初生TiAlSi及初生NiAl3，具有較大的密度，在離心場(chǎng)中將偏聚到鑄件外層，而鑄造過(guò)程中產(chǎn)生的氣孔、夾渣等缺陷將偏聚到鑄件內(nèi)層，這樣就最大程度的凈化了鑄件外層組織，即缸套的內(nèi)層使用表面不含任何缺陷，提高了零件的強(qiáng)度和耐磨性。與傳統(tǒng)的鑄鐵缸套相比，本發(fā)明鋁合金缸套的密度只有鑄鐵材料的三分之一，因此能極大的減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量，這符合當(dāng)前行業(yè)內(nèi)減重降排的發(fā)展要求；因本發(fā)明鋁合金缸套具有與鋁合金活塞大致相同的熱膨脹系數(shù)，在使用過(guò)程中具有近似的膨脹量，熱機(jī)工況更加穩(wěn)定，因此，在裝機(jī)時(shí)可以適當(dāng)降低缸套與活塞之間的配缸間隙，有利于減小內(nèi)燃機(jī)燃燒室內(nèi)串氣的發(fā)生，從而減少尾氣排放量；此外，鋁合金缸套的導(dǎo)熱性能優(yōu)良，能有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)工作缸溫，也能起到降低尾氣排放的作用。該缸套的制造工藝與現(xiàn)有的鑄鐵離心鑄造工藝完全相同，且后續(xù)的加工，壓力鑄造等工序也基本相同，這為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)、替換鐵缸套提供了可能性。


下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。圖I為本發(fā)明缸套筒狀鑄件橫截面的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示本實(shí)施例的外層顆粒增強(qiáng)缸套包括外層的顆粒增強(qiáng)層(I)和內(nèi)層的非增強(qiáng)層(2)，增強(qiáng)層(I)由增強(qiáng)顆粒分布在缸套基體內(nèi)構(gòu)成，非增強(qiáng)層(2)內(nèi)沒(méi)有增強(qiáng)顆粒，為夾渣(3)、氣孔(4)等缺陷聚集區(qū)。顆粒增強(qiáng)層(I)與非增強(qiáng)層(2)通過(guò)冶金結(jié)合的方式進(jìn)行結(jié)合。其中，增強(qiáng)顆粒為初生TiAlSi 及初生NiAl3，基體材料為Al-Si合金。圖2為缸套鑄件毛坯機(jī)械加工后留下的顆粒增強(qiáng)層(I)的本發(fā)明耐磨鋁合金缸套橫截面的結(jié)構(gòu)示意圖
具體實(shí)施例方式以下為本發(fā)明缸套合金成分的實(shí)施例實(shí)施例一合金成分為Al-12Si-6Ni_5Ti，本實(shí)施例缸套具有優(yōu)良的耐高溫性能及抗耐磨性倉(cāng)泛。實(shí)施例二合金成分為Al-12Si-6Ni_10Ti，本實(shí)施例缸套的耐高溫性能及抗耐磨性能優(yōu)于實(shí)施例一。實(shí)施例三合金成分為Al-12Si-12Ni_5Ti，本實(shí)施例缸套的耐高溫性能及抗耐磨性能優(yōu)于實(shí)施例一。實(shí)施例四合金成分為Al-12Si-12Ni_10Ti，本實(shí)施例缸套的耐高溫性能及抗耐磨性能優(yōu)于實(shí)施例一、二和三。實(shí)施例五合金成分為Al-20Si-6Ni_5Ti，本實(shí)施例缸套的耐高溫性能及抗耐磨性能優(yōu)于實(shí)施例一。實(shí)施例六合金成分為Al-20Si-6Ni_10Ti，本實(shí)施例缸套的耐高溫性能及抗耐磨性能優(yōu)于實(shí)施例一和五。實(shí)施例七合金成分為Al-20Si-12Ni_5Ti，本實(shí)施例缸套的耐高溫性能及抗耐磨性能優(yōu)于實(shí)施例三和五。實(shí)施例八合金成分為Al-20Si-12Ni_10Ti，本實(shí)施例缸套的耐高溫性能及抗耐磨性能優(yōu)于其它實(shí)施例。以下為缸套內(nèi)的顆粒按體積百分含量的實(shí)施例實(shí)施例一缸套內(nèi)的增強(qiáng)顆粒按體積百分含量大于等于15% ;耐磨顆粒為初生TiAlSi及初生NiAl3顆粒。實(shí)施例二缸套內(nèi)的增強(qiáng)顆粒按體積百分含量為30% ;耐磨顆粒為初生TiAlSi及初生NiAl3 顆粒。本實(shí)施例缸套內(nèi)的顆粒百分含量使缸套的耐磨性能優(yōu)于實(shí)施例一。實(shí)施例三缸套內(nèi)的增強(qiáng)顆粒按體積百分含量為40% ;耐磨顆粒為初生TiAlSi及初生NiAl3 顆粒。本實(shí)施例缸套內(nèi)的顆粒百分含量使缸套的耐磨性能優(yōu)于實(shí)施例二。以下為本發(fā)明缸套的制造方法實(shí)施例。制造實(shí)施例一一種耐磨鋁合金缸套及其制備方法，包括液態(tài)復(fù)合材料的制備、鑄造及鑄件后續(xù)加工。耐磨顆粒為初生TiAlSi及初生NiAl3顆粒。顆粒在離心場(chǎng)向鑄件外層偏移，最終形成徑向上的顆粒增強(qiáng)層與非增強(qiáng)層。其中，內(nèi)層非增強(qiáng)層為夾渣、氣孔等缺陷聚集區(qū)，在后續(xù)的機(jī)械加工中被切除。耐磨顆粒是材料呈液態(tài)時(shí)加入Ni、Ti，然后在鑄造凝固過(guò)程中自熔體中析出。離心鑄造過(guò)程中，轉(zhuǎn)速為lOOOrpm，澆注溫度為800-1200°C，模具預(yù)熱溫度為 100-500°C。鑄件在車床上進(jìn)行機(jī)械加工，內(nèi)孔車削量l_4mm，得到本發(fā)明的缸套零件。制造實(shí)施例二
一種耐磨鋁合金缸套及其制備方法，包括液態(tài)復(fù)合材料的制備、鑄造及鑄件后續(xù)加工。耐磨顆粒為初生TiAlSi及初生NiAl3顆粒。顆粒在離心場(chǎng)向鑄件外層偏移，最終形成徑向上的顆粒增強(qiáng)層與非增強(qiáng)層。其中，內(nèi)層非增強(qiáng)層為夾渣，氣孔等缺陷聚集區(qū)，在后續(xù)的機(jī)械加工中被切除。耐磨顆粒是在材料液態(tài)時(shí)加入Ni、Ti，然后在鑄造凝固過(guò)程中自熔體中析出。離心鑄造過(guò)程中，轉(zhuǎn)速為5000rpm，澆注溫度為800_1200°C，模具預(yù)熱溫度為 100-500°C。鑄件在車床上進(jìn)行機(jī)械加工，內(nèi)孔車削量l_4mm，得到本發(fā)明的缸套零件。本發(fā)明中通過(guò)調(diào)整鋁合金中Si、Ni與Ti的相對(duì)含量與離心成形工藝(澆注溫度、 模具溫度、離心轉(zhuǎn)速等)，可以實(shí)現(xiàn)缸套增強(qiáng)層厚度的變化控制以及增強(qiáng)層中增強(qiáng)顆粒的不同體積分?jǐn)?shù)的控制；通過(guò)調(diào)整合金成分(如加入Mn，Mg, Cu)、變質(zhì)處理及變化澆注參數(shù)，可以控制初生TiAlSi及初生NiAl3顆粒的顆粒形貌及尺寸大小。顆粒在離心場(chǎng)向鑄件外層偏移，形成顆粒增強(qiáng)層與非增強(qiáng)層。而通過(guò)對(duì)增強(qiáng)層厚度、增強(qiáng)顆粒體積分?jǐn)?shù)及增強(qiáng)顆粒的形貌大小等的設(shè)計(jì)控制，可以達(dá)到設(shè)計(jì)、控制缸套的耐磨性能、機(jī)械性能、導(dǎo)熱性能及熱穩(wěn)定性等。因此，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的工藝調(diào)整進(jìn)一步優(yōu)化該缸套的系列性能指標(biāo)，并且制造工藝簡(jiǎn)單，便于控制，生產(chǎn)成本低，生產(chǎn)效率高。需要說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種耐磨鋁合金缸套，其特征在于所述缸套中含有體積分?jǐn)?shù)為15-40%的耐磨初晶TiAlSi和NiAl3顆粒，缸套基體材料為Al-Si合金。
2.—種權(quán)利要求I所述的耐磨鋁合金缸套的制備方法，包括缸套毛坯的制備方法及毛坯的機(jī)械加工方法，其特征在于所述缸套毛坯中的初晶顆粒與基體之間存在密度差，通過(guò)離心鑄造的方式實(shí)現(xiàn)顆粒向毛坯外層偏聚，從而形成徑向方向上的外層顆粒增強(qiáng)層(I)與內(nèi)層非增強(qiáng)層(2)，增強(qiáng)層(I)中分布有初晶TiAlSi和NiAl3顆粒；非增強(qiáng)層(2)中不含顆粒，為夾渣(3)、氣孔(4)等缺陷聚集區(qū)。
3.—種權(quán)利要求2所述的耐磨鋁合金缸套毛坯的制備方法，包括液態(tài)復(fù)合材料的熔制和離心鑄造，其特征在于在液態(tài)Al-Si合金中加入Ni、Ti，形成Al-Si-Ni-Ti合金，其中， Si含量為12-20wt%，Ni含量為6_12wt%，Ti含量為5_10wt%，及其少量的Mg、Cu、Mn，其余為Al ;離心鑄造過(guò)程中，離心轉(zhuǎn)速為1000-5000rpm，澆注溫度為800-1200°C，模具預(yù)熱溫度為 100-500°C。
4.一種權(quán)利要求2所述的耐磨鋁合金缸套毛坯的機(jī)械加工方法，其特征在于對(duì)離心鑄造制備的缸套毛坯按缸套幾何尺寸要求進(jìn)行車削加工，內(nèi)孔加工量為1_4_，以去除毛坯中含有的夾渣(3)、氣孔(4)的非增強(qiáng)層(2)，從而在增強(qiáng)層(I)中獲得含有初晶TiAlSi和 NiAl3顆粒的耐磨招合金缸套。
5.一種權(quán)利要求1、4所述的耐磨鋁合金缸套，其特征在于所述增強(qiáng)層(I)中獲得的缸套的厚度為3-6mm。
全文摘要
一種耐磨鋁合金缸套由Al-Si合金和一定量的Ni、Ti構(gòu)成。該缸套的制備方法是將熔制好的均質(zhì)Al-Si-Ni-Ti熔體澆注到旋轉(zhuǎn)的離心模具中，在凝固過(guò)程中，初生的金屬間化合物TiAlSi和NiAl3分別從熔體中自生析出成為耐磨顆粒。在離心力的作用下，密度比熔體大的初生耐磨顆粒TiAlSi和NiAl3會(huì)偏聚到缸套毛坯的外層，共同增強(qiáng)Al-Si基體，從而獲得外層偏聚大量初生TiAlSi和NiAl3耐磨顆粒的增強(qiáng)層和內(nèi)層為Al-Si基體的非增強(qiáng)層的缸套毛坯鑄件。毛坯經(jīng)車削內(nèi)層后，留下含有高體積分?jǐn)?shù)耐磨顆粒的外層即為本發(fā)明耐磨鋁合金缸套。本發(fā)明采用離心鑄造工藝制備的耐磨鋁合金缸套，其中自生的耐磨顆粒體積分?jǐn)?shù)高，缸套具有優(yōu)良的機(jī)械性能和高溫耐磨性能，且耐磨顆粒和基體合金結(jié)合牢固，能延長(zhǎng)缸套的使用壽命。
文檔編號(hào)F02F1/00GK102588136SQ20121006288
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月12日
發(fā)明者劉昌明, 林雪冬 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)