专利名称：高硅铝合金缸套材料及其制备方法
技术领域：
本发明属于金属合金及其制备技术领域，尤其涉及一种耐热、耐磨、低膨胀系数的高硅铝合金缸套材料及其制备方法。
背景技术：
发动机配缸间隙决定和影响着发动机功率密度、废气压力、燃油消耗以及燃油经济性指标的重要参数。铸铁、钢缸套材料与活塞铝合金材料热物理性能相容性差，难于进一步縮小配缸间隙，不能高效经济的解决高功率密度、高经济性发.动机动力技术问题。而高硅铝合金缸套与活塞铝合金材料热物理性能相容性好，可以显著地縮小配缸间隙，可解决或克服铸铁、钢缸套的缺点与不足。
高硅铝合金的摩擦机理是软基体上分布高硬度质点相，质点相越细小、分布越均匀，其摩擦学性能越好；过渡族合金元素含量越高，对摩擦学性能和高温性能越有益。英国专利GB972095分布的一种高硅铝合金缸套材^1"含铜、镍、铁、锰等过渡族元素，但含量低，将使合金耐高温性能与摩擦学性能不足，而且采用压铸成形方法难以获得细小均匀的高硬度化合物质点相以及高硅质点，还将造成加工性能差等问题。英国专利GB2302695、欧洲专利EP367229及美国专利PS4155756、 4938810公布的不含镍、铁、锰等过渡族元素，且硅含量过高，将使该种合金高温、室温力学性能严重过低，且这几份专利均采用粉末冶金工艺，还将造成制造成本高以及力学性能均匀性差等缺点。
而中国专利CN00124660.7、 CN200510048662.7公开的合金及喷射沉积制造方法，显示出所制备材料组织的优越性，但存在所制造的材料脆性大，室温、高温力学性能不高等缺点与问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，进行多元合金化设计与制造，提供一种综合性能先进的新型高硅铝合金缸套材料及其制备方法。本发明的目的通过以下技术方案实现
一种高硅铝合金缸套材料，其特征在于该高硅铝合金缸套材料各组分按重量百分比处理为Si: 18.0% 25.0%; Fe: 3.5o/o 6.0o/o; Ni: 1% 2%; Cu: 1.5% 3.0%;Mg: 0.5% 1.0%; Mn: 0.5% 1.5%; V: 0.1% 0.5%; Sr: 0.05% 0.15%;Al:余量。
所述的高硅铝合金缸套材料各组分的优选成分按重量百分比处理为Si: 20.52%; Fe: 5.11%; Ni: 1.88%; Cu: 2.52%; Mg: 0.73%; Mm 1.22%;V: 0.35%; Sr: 0.1%; Al:余量。
高硅铝合金缸套的制备方法，其特征在于该方法包括下列步骤
① 成分设计与精确配料
成分设计各组分按重量百分比处理为Si: 18.0% 25.0%; Fe: 3.5% 6.0%;
Ni: 1% 2%; Cu: 1.5% 3.0%; Mg: 0.5% 1.0%; Mn: 0.5% 1.5%; V: 0.1% 0.5%; Sn 0.05% 0.15%; Al:余量；精确配料按照本发明的合金，采用铝硅、
铝铁、铝镍、铝铜、铝锰、铝钒、铝锶中间合金以及纯铝、纯镁炉料，进行定量
配料；
② 熔炼、覆盖与精炼
采用中频电磁感应炉熔炼，熔炼时硅、铁、镍、铜、锰、钒、锶以铝中间合
金形式加入，加入熔化后调整铝液温度为72(TC士10'C，加入铝、镁炉料；
覆盖剂的加入，保护铝液避免氧化烧损，分别在装炉、熔炼、加镁及浇注时
均匀撒入覆盖剂，避免液体金属裸露；
精炼处理，调整铝液温度74(TC 780'C，加入2 6%的以氯化钾一氯化镁
为基础成分的熔剂，对合金液进行搅拌、净化，使镁不被烧损，去除合金中氧化
物和有害气体；
③ 喷射沉积
在中频熔炼炉进行合金熔炼、除气与净化处理，浇注到漏斗与导流嘴中控制导流，进入喷射沉积雾化器中雾化沉积，产生高度雾化的高速半固态溅射流，高速溅射沉积到底盘接收设备上，通过底盘向下的移动速度、旋转速度以及与雾化
器的摆角的偶合，制备成不同直径大小的圆形锭坯；金属导流浇注参数
浇注温度760 860°C金属流量6 8Kg/min喷射沉积参数扫描速度20.9 23.3Hz;气体流量16 23NmVmin; 氮气压力6.5 9.5ato; 喷射高度670 730mm; 沉积坯接收参数
接收底盘旋转速度2.45 3.16r/S; 接收底盘移动速度0.57 0.70mm/s;
④ 挤压加工
切割下料成要求的挤压坯，加热到挤压温度，保温一定时间，送入到挤压机 中，在挤压冲头和芯轴共同作用下，挤压成形厚壁管材； 挤压参数 挤压比14 17;
挤压速度1.2 1.5m/min;. 挤压温度420 480。C;
⑤ 热处理
将高硅铝合金管坯及材料放在热处理炉中进行固溶处理与时效处理； 固溶处理参数
固溶温度480 535'C; 保温时间1.0 2.5h; 热水淬火温度60 100'C; 时效处理参数 时效温度160 220'C; 保温时间6.0 12.0h;
⑥ 机加工与绗磨加工 润滑冷却剂煤油；
缸套机械成型加工刀头合金钢或金刚石刀头； 缸套内表面珩磨加工刀头硬质合金珩磨头。
所述的覆盖剂采用5%KCl + 25%NaCl + 70%CaC12组合的覆盖剂，或采用 40-60%MgCl+40-60%KC1组合的覆盖剂，其加入量为总炉料量的2%-5%。 所述的喷射沉积中的优选金属导流浇注参数为 浇注温度780 820°C 金属流量6.5 7Kg/min;喷射沉积参数-扫描速度22.3 23.3Hz; 气体流量20 23NmVmin; 氮气压力7.5 8.5atm; 喷射高度700 720mm; 沉积坯接收参数-
接收底盘旋转速度2.45 2.78r/s; 接收底盘移动速度0.57 0.60mm/s。 所述的挤压加工中优选挤压参数为 挤压比16;
挤压速度1.3 1.4m/min; 挤压温度430 450。C。 所述的热处理中优选固溶处理参数为 固溶温度510 52(TC;
保温时间2 2.5h;
热水淬火温度60 70°C; 时效处理参数 时效温度165 175°C;
保温时间7.30 8.30h。
与现有技术相比，本发明的有益效果采用本发明材料及方法制造的高硅铝 合金缸套材料及制品具有高的综合力学性能特点，优越于铸铁缸套材料的力学性 能特点；摩擦学性能优越于钢、铸铁缸套材料；与活塞铝合金相容性好。
本发明的高硅铝合金发动机缸套制备技术特点之一是采用喷射沉积制造工 艺，而喷射沉积是高硅铝合金制备中的主要手段，比粉末冶金工艺与压铸工艺优 越，制造的缸套制品可沿用铸铁缸套加工设备及工艺条件加工。也可设计与制造 适用于高硅铝合金加工的专用珩磨头，其缸套加工面质量与使用效应将更为优 越。
图1为本发明材料制备的喷射雾化沉积工艺装置图； 图2为本发明材料挤压加工工艺装置图； 图3为本发明材料热处理炉中工艺装置图；图4为本发明材料制造的发动机缸套结构图。
具体实施例方式
包含在本发明中的高硅铝合金缸套材料，其金属元素主要为铝、硅、铁、镍、 锰、铜、镁、钒、锶等元素。
在本发明中，优选Si的含量为18.0% 25.0%;其作用是提高合金耐磨性能 与热物理性能，并对力学性能提高有益。在同时含镁时，作为Mg2Si析出相起强 化作用，为最大化发挥Mg的强化效果，应有过剩硅存在。此外，过剩硅的作用 是形成细小、分布均匀的硅晶体颗粒，对耐磨性能作用极大。采用喷射沉积技术 可开发硅为17 19%、 19 22%、 25 27%或更高硅的高硅铝合金材料。
在本发明中，优选Fe的含量为3.5Q/。 6.0n/。；其作用机理是形成细小、分布 均匀的复合相化合物，对提高耐磨性能、高温力学性能与热物理性能有益。但铁 对合金成形工艺性能、变形加工性能带来难度，因此必须控制一定量。
在本发明中，优选Ni的含量为1% 2%;其作用是形成细小、分布均匀的 耐高温金属间化合物相，对提髙耐磨性能与高温力学性能有益，因此必须控制一 定量。
在本发明中，优选01的含量为1.5% 3.0%;其作用是形成细小、分布均匀 的铜镁金属间化合物相，提高合金的力学性能，但高温时铜化合物相有粗化倾向， 因此必须控制一定量。
在本发明中，优选Mg的含量为0.5% 1.0%;其作用是与硅、铜形成时效 析出相提高合金的力学性能，对合金塑性提高有利，但加入量过多会影响高温性 能等。
在本发明中，优选Mn的含量为0.5% 1.5%;其作用是与铁、硅、铝等形 成化合物相，对耐磨性能与高温力学性能以及热物理性能改善有有益影响，并改 善铁相化合物形态，使之有益于提高合金的综合力学性能。
在本发明中，优选￥的含量为0.1% 0.5%;其作用是细化合金组织以及高
温时阻碍晶界迁移，抑制组织粗化。
在本发明中，优选Sr的含量为0.05% 0.15%;其作用是去除铁相的有害作 用以及对共晶硅、初晶硅细化变质作用。在去除铁的有害作用中其作用原理与锰 不同，主要改变含铁相的析出形态，使之由粗大棒状、针状相直接由铸态转变成 汉字状，这对合金力学性能有益。
铝是合金中的基体元素，其含量受合金化元素加入量约束。
10高硅铝合金缸套的制备方法
①成分设计与精确配料按照本发明合金的成分配方进行精确配料。在配料 方法上，对硅、铁、镍、锰、铜、钒、锶等高熔点合金元素，采用中间合金的方 法，进行配料，以便于能将这些高熔点合金元素加入到低熔点的铝中，即以 Al-40%Si、 Al-30%Fe、 Al-20%Ni、 Al-50%Cu、 Al-15%Mn、 A1-15%V、 Al-10%Sr 中间合金的炉料形式进行配料。镁熔点与铝相近以纯金属炉料的方式进行配料。 在以中间合金的炉料方式配料后，铝量不足时，将以纯铝炉料的方式补足。
如图4所示，为本发明的高硅铝合金缸套结构形式，但不局限于此结构。可 借助铸铁、钢缸套加工机床与条件加工；也可采用常规机械加工设备与缸套专用 珩磨加工机床加工。加工成如图4所述的缸套结构形式，但不限于此。缸套可采
用压入或镶铸的方式与缸体(未示出)紧配合装配，并通过与缸盖(未示出)和 活塞(未示出)三者形成在燃油或燃气爆压下的功能关系，使活塞在受迫运动下
推动曲轴(未示出)作功，输出动力。借助132mm缸径单缸发动机试验装置(未 示出)进行爆压、爆温下的机械负荷、热负荷试验考核及检测。
本发明图l的喷射雾化沉积工艺装置中的l一中频熔炼炉，2_漏斗，3—导 流嘴，4一雾化器，5—溅射流，6—锭坯，7—底盘接收设备。
图2的挤压加工工艺装置中的8—挤压冲头，9一挤压机，IO—挤压坯，11 —芯轴，12—厚壁管材。
图3的热处理工艺装置13—热处理炉，14一铝合金管坯及材料。
图4为以本发明制备工艺制造的发动机缸套零件图。
测试用样品件采用
1、 高硅铝合金厚壁管材解剖，切取圆形拉伸试样；
2、 高硅铝合金厚壁管材解剖，切取热物理性能测试试样；
3、 高硅铝合金厚壁管材解剖，切取摩擦学性能测试试样；
4、 图4所示样品件。
实施例1、实施例2及实施例3
采用本发明材料及上述制备方法制造的本发明材料及制品具有的特点在于
表1各实施例化学分析(wt%)
实施例SiFeNiCuMgMnVSrAl
实施例124.164.191.901.820.961.400.160.09余量
实施例219.223.731.631.950.610.640.310.11余量
11实施例3 20.52 5.11 1.88 2.52 0.73 1.22 0.35 0.15 余量
以实施例3为例子做配料计算
1) 实施例3的化学成分如下
Si: 20.52%; Fe: 5.11%; Ni: 1.88% ; Cu : 2.52%; Mg : 0.73%; Mn: 1.22%; V: 0.35%; Sr: 0.1%; Al:余量的铝合金。
2) 按装炉100公斤炉料，进行配料计算 则需要各合金元素量为
Si: 20.52公斤；Fe: 5.11公斤；Ni: 1.88°/。公斤；Cu : 2.52公斤；Mg : 0.73公斤；Mn:1.22公斤；V: 0.35公斤；Sr: 0.1公斤；
Al:余量为100公斤-上述合金元素的总代数和(32.43公斤)，为67.57公斤。
3) 因硅、铁、镍、锰、铜、钒、锶采用中间合金的炉料形式加入。因此，必 须转换成中间合金的加入量。贝U:
① 要加入20.52公斤Si ，则需要加入Al-40%Si中间合金炉料为 20.52公斤/40%=51.3公斤;将带进Al量为51.3 -20.52=30.78公斤。
② 要加入5.11公斤Fe，则需要加入Al-30%Fe中间合金炉料为
5.11公斤/30%=17.03公斤；将带进A1量为17.03-5.11 = 11.92公斤。 同理可计算出加入Ni、、 Cu、 Mn、 V、 Sr的量。
③ 需要要加入Al-20%Ni中间合金炉料为9.4公斤，将带进Al量为7.52公
斤；
④ 需要要加入Al-50%Cu中间合金炉料为5.04公斤，将带进Al量为2.52公
斤；
⑤ 需要要加入Al-15%Mn中间合金炉料为8.13公斤，将带进Al量为6.91 公斤；
⑥ 需要要加入A1-15%V中间合金炉料为2.33公斤，将带进Al量为1.98公
斤；
⑦ 需要要加入Al-10%Sr中间合金炉料为1.00公斤，将带进Al量为0.99公斤。
4) 需要补加的A1为
因100公斤合金中需要Al量为67.57公斤；
而上述采用中间合金的形式加入硅、铁、镍、锰、铜、钒、锶带进的铝量为 (30.78 + 11.92+7.52+2.52+6.91 + 1.98+0.99) =62.62公斤。
12.57公斤-62.62公斤=4.95公斤。
5)到此为止全部炉料计算完毕，则应向炉中加入的炉料
Al-40%Si中间合金炉料为51.3公斤；
Al-30%Fe中间合金炉料为17.03公斤；
Al-20%Ni中间合金炉料为9.4公斤；
Al-50%Cu中间合金炉料为5.04公斤；
Al-15%Mn中间合金炉料为8.13公斤；
A1-15%V中间合金炉料为2.33公斤；
AM0%Sr中间合金炉料为1.00公斤；
需要补加的纯A1为4.95公斤；
需要加入的纯Mg为0.73公斤(没考虑烧损问题，是理论加入量)。 则总加入量验证为51.3 + 17.03 + 9.4 + 5.04 + 8.13+2.33 + 1.00+4.95 + 0.73
=99.91公斤(因计算中有小数点后面的省略,造成计算结果不是100公斤,这里的
误差为0.09公斤,属于精度范围内)
表2各实施例力学性能特点
实施例试验温度Rm/N/腿2A/%
实施例1常温4902.5
4952.5
250 °C3403.5
3203.0
实施例2常温5004.0
5103.0
250°C3403.0
3504.0
实施例3吊她5303.0
5653.3
250。C3553.6
3603.3
实施例4
采用本发明材料及制备方法制造的实施例3材料及缸套样品件,所具有的特 点在于
13其热物理性能特点
1) 热导率
室温25。C时，85W/m/k;高温250'C时，100W/m/k。
2) 膨胀系数
室温25。C时，15X10—61/°C;高温200。C时，16.85X 10力。C。 高温300。C时，17.99X10—61/°C。
3) 密度
室温25。C时，2.86g/cm3。
其模拟发动机工况条件，在燃油爆压机械应力作用下的摩擦学性能特点:
表3模拟发动机工况条件的往复摩擦磨损试验数据
摩擦配副测量项测量次数平均值
第一次第二次第三次高硅铝合金(条) 65Mn (栓)摩擦系数0.140.160.140.15
磨损率/(x 10_10g/m.N条~0.621.85-1.770.180
栓2.241.620.540.147
高硅铝合金(条) 高镍铸铁(栓)摩擦系数0.140.140.14
磨损率/(x 10"Vm,N条0.7700細0.430
栓1.8500扁1.270
42MnCr52 (条) 65Mn (栓) (工况条件摩擦 副)摩擦系数0.160.16
磨损率/(x l(r10g/m.N条1.2301.23
栓0.0000.000
注明1)按最大爆发压力17MPa计算，加载压力800N，加载时间6小时 的往复摩擦磨损试验数据。2) 65Mn、高镍铸铁为现行发动机活塞环材料， 42MnCr52为现行发动机缸套材料。
在132mm缸径单缸发动机试验装置上，按照单缸功率55KW，燃油爆压 15-17MPa作用下，进行50小时试验验证。其特点
1) 缸套工作面磨损量测试表明，磨损量测不出，无明显肉眼可见磨损划痕， 尺寸在测量工具误差内；
2) 油耗，在转速2100r/min下，为216.14g/kWh(相应用铸铁的为221.4g/kWh)
3) 废气压力，在转速2100r/min下，为1.35mmHg(相应用铸铁的为1.55mmHg)
权利要求
1、一种高硅铝合金缸套材料，其特征在于该高硅铝合金缸套材料各组分按重量百分比处理为Si18. 0％～25.0％；Fe3.5％～6.0％；Ni1％～2％；Cu1.5％～3.0％；Mg0.5％～1.0％；Mn0.5％～1.5％；V0.1％～0.5％；Sr0.05％～0.15％；Al余量。
2、 根据权利要求1所述的高硅铝合金缸套材料，其特征在于所述的高硅铝合金缸套材料^"组分的优选成分按重量百分比处理为Si: 20.52%; Fe: 5.11%; Ni: 1.88%; Cu: 2.52%; Mg: 0.73%; Mn: 1.22%; V: 0.35%; Sr: 0.1%; Al:余量。
3、 一种如权利要求1所述的高硅铝合金缸套的制备方法，其特征在于该方法包括下列步骤① 成分设计与精确配料成分设计各组分按重量百分比处理为Si: 18.0% 25.0%; Fe: 3.5% 6.0%;Ni: 1% 2%; Cu: 1.5% 3.0%; Mg: 0.5% 1.0%; Mn: 0.5% 1.5%; V: 0.1% 0.5%; Sr: 0.05% 0.15%; Al:余量；精确配料按照本发明的合金，采用铝硅、 铝铁、铝镍、铝铜、铝锰、铝钒、铝锶中间合金以及纯铝、纯镁炉料，进行定量 配料；② 熔炼、覆盖与精炼采用中频电磁感应炉熔炼，熔炼时硅、铁、镍、铜、锰、钒、锶以铝中间合金形式加入，加入熔化后调整铝液温度为72(rc土icrc，加入铝、镁炉料；覆盖剂的加入，保护铝液避免氧化烧损，分别在装炉、熔炼、加镁及浇注时均匀撒入覆盖剂，避免液体金属裸露；精炼处理，调整铝液温度740°C 780°C，加入2 6%的以氯化钾一氯化镁 为基础成分的熔剂，对合金液进行搅拌、净化，使镁不被烧损，去除合金中氧化 物和有害气体；③ 喷射沉积在中频熔炼炉(1)进行合金熔炼、除气与净化处理，浇注到漏斗(2)与导 流嘴(3)中控制导流，进入喷射沉积雾化器(4)中雾化沉积，产生高度雾化的高速半固态溅射流(5)，高速溅射沉积到底盘接收设备(7)上，通过底盘向下 的移动速度、旋转速度以及与雾化器的摆角的偶合，制备成不同直径大小的圆形锭坯(6);金属导流浇注参数浇注温度760 860°C 金属流量6 8Kg/min 喷射沉积参数 扫描速度20.9 23.3Hz; 气体流量16 23Nra7min; 氮气压力6.5 9.5atm; 喷射高度670 730rnm;沉积坯接收参数接收底盘旋转速度2.45 3.16r/s; 接收底盘移动速度0.57 0.70mm/s;④ 挤压加工切割下料成要求的挤压坯(10)，加热到挤压温度，保温一定时间，送入到 挤压机(9)中，在挤压冲头(8)和芯轴(11)共同作用下，挤压成形厚壁管材 (12);挤压参数-挤压比14 17;挤压速度1.2 1.5m/min; 挤压温度420 480°C;⑤ 热处理将高硅铝合金管坯及材料(14)放在热处理炉(13)中进行固溶处理与时效 处理；固溶处理参数 固溶温度480 535°C; 保温时间1.0 2.5h; 热水淬火温度60 100。C;时效处理参数时效温度160 220°C;保温时间6.0 12.0h; ⑥机加工与珩磨加工 润滑冷却剂煤油；缸套机械成型加工刀头合金钢或金刚石刀头； 缸套内表面珩磨加工刀头硬质合金珩磨头。
4、 根据权利要求3所述的高硅铝合金缸套的制备方法，其特征在于所述的 覆盖剂采用5%KCl+25%NaCl + 70%CaC12组合的覆盖剂，或采用40-60%MgCl + 40-60%KCl组合的覆盖剂，其加入量为总炉料量的2%-5%。
5、 根据权利要求3所述的高硅铝合金缸套的制备方法，其特征在于所述的 喷射沉积中的优选金属导流浇注参数为浇注温度780 820'C 金属流量6.5 7Kg/rain; 喷射沉积参数 扫描速度22.3 23.3Hz; 气体流量20 23NmVmin; 氮气压力7.5 8.5atm; 喷射高度700 720mm; 沉积坯接收参数接收底盘旋转速度2.45 2.78r/s; 接收底盘移动速度0.57 0.60mm/s。
6、 根据权利要求3所述的高硅铝合金缸套的制备方法，其特征在于所述的 挤压加工中优选挤压参数为挤压比16;挤压速度1.3 1.4m/min; 挤压温度430 450°C。
7、 根据权利要求3所述的高硅铝合金缸套的制备方法，其特征在于所述的 热处理中优选固溶处理参数为固溶温度510 520。C; 保温时间2~2.5h; 热水淬火温度60 70°C;时效处理参数时效温度165 175°C; 保温时间7.30 8.30h。
全文摘要
高硅铝合金缸套材料及其制备方法，其材料组分按重量百分比为Si18.0％～25.0％；Fe3.5％～6.0％；Ni1％～2％；Cu1.5％～3.0％；Mg0.5％～1.0％；Mn0.5％～1.5％；V0.1％～0.5％；Sr0.05％～0.15％；Al余量。其制备方法包括①成分设计与精确配料，精确配料采用中间合金进行定量配料；②熔炼、覆盖与精炼；③喷射沉积；④挤压加工；⑤热处理；⑥机加工与珩磨加工。本发明的材料及制备方法使高硅铝合金制品具有高的综合力学性能特点，优越于铸铁缸套材料的力学性能特点，摩擦学性能优于钢、铸铁缸套材料，与活塞铝合金材料热物理性能相容性好，可显著缩小配缸间隙。本发明的制备特点是采用喷射沉积制造工艺，它是高硅铝合金制备中的主要手段，比粉末冶金工艺和压铸工艺优越，可采用常规加工设备及工艺条件。
文档编号C22C21/02GK101457318SQ20081016387
公开日2009年6月17日 申请日期2008年12月20日 优先权日2008年12月20日
发明者孙庭富, 辛海鹰, 珉 郭 申请人:中国兵器工业第五二研究所