专利名称：一种过共晶铝硅合金发动机缸套的制造方法
技术领域：
本发明属于铝合金加工技术领域，具体涉及一种过共晶铝硅合金发动机缸套的制造方法。
背景技术：
随着我国经济建设的快速发展，资源和能源的高消耗问题成为人们日益关注的热点，与此相对应，开发、应用低能耗的技术和产品也称为当今世界的发展趋势。据中国汽车工业协会统计，我国2011年累计生产汽车1841. 89万辆，同比增长0.8%，销售汽车1850. 51万辆，同比增长2. 5%。汽车工业的发展和应用的普及是与能源、环保与安全这三大问题息息相关的，虽然汽车作为社会发达与现代化的标志，带来了社会进步和繁荣，但 是，同时也带来了能源、环保、交通、土地等一系列问题，无疑，这些都需要汽车工业自身和相关行业共同研究探索，以求得解决。为此，汽车行业多年来一直在从三方面着手，努力开发研制现代型汽车一是在保证性能和功能的前提下，寻求零部件的减薄，数量的精简和结构的整体化、合理化；二是更换材料，尽量使用高轻度轻质材料来取代传统的钢铁材料，铝合金的比重仅为钢的1/3左右，用铝合金代钢铁可减重50%左右，通过提高铝合金在汽车上的应用实现汽车轻量化的潜力很大；三是革新材料，在优化设计和更换材料实现汽车减重时，常常需要革新工艺以最大程度地发挥材料的使用性能。气缸套是镶在内燃机缸体内部的筒形零件，它与气缸盖、活塞、活塞环组成燃烧室。在气缸套内完成进气、压缩、燃烧、膨胀等过程，实现将热能转换为机械能。气缸套工作表面由于与高温、高压的燃气相接触，有活塞环在其表面作高速往复运动，这就决定缸套不仅要有足够的强度和刚性，而且还必须耐高温、耐腐蚀、耐磨损。目前，一般汽车发动机中应用最广泛的是铁质气缸套，如灰铸铁(有时为提高强度和硬度，还要在铸铁中加入一种或几种合金元素，如高磷铸铁、含硼铸铁、钒钛合金铸铁等)、钢质薄壁镀铬气缸套，也有铝合金气缸套、双金属气缸套和陶瓷气缸套等。在目前发动机气缸体广泛采用铝合金材料的前提下，密度小、耐磨性好、热膨胀性能合理的高硅铝合金气缸套和传统的铁质气缸套相比，具有如下的显著优点每个气缸套可以减重60%左右；可以增强其与通用铝合金活塞的匹配性，降低活塞间隙，降低发动机噪音，增加发动机功率；可以提高其与铝合金缸体的束缚性与相容性，降低气缸套的扭曲变形，增大发动机功率，提高发动机寿命。以Si为主加元素，辅助添加Cu、Mg、Ni，Fe等元素的Al-Si合金，不但比重比传统铝合金更轻，且具有良好的高温强度、耐磨性、耐热性和较低的热膨胀系数等优点，是代替铁基材料制备发动机缸套的理想材料，应用前景十分广阔。铸造铝硅系合金是铸造铝合金中应用最广泛的一种合金材料之一，它们具有密度低、强度高、铸造成形性好和加工性能优良等一系列优点，已成为制造行业中最受重视的结构材料之一。亚共晶与共晶Al-Si合金已广泛应用于汽车部件如汽缸体、汽缸盖、活塞、轮毂传动箱和转向器等。随着发动机性能不断提高，亚共晶与共晶Al-Si合金已难以满足发动机的使用要求，而过共晶铝硅合金的比重更小、线膨胀系数更低、耐磨性和体积稳定性更高，添加一些合金元素能获得较好的耐热性能，这些优点已经引起了人们的极大关注。德国、日本、英国等均已采用喷射沉积的方法制备出Si含量达到25%的高硅铝合金气缸套，并能小批量生产，应用于部分高档发动机气缸套。但是，过共晶铝硅合金产品通常都是通过铸造获得，不能够进行塑性变形，这是由于过共晶铝硅合金中含有粗大的初生硅和共晶硅，在变形过程中容易造成应力集中，使产品在变形过程中开裂，即使在铸态下使用，其使用性能也因此大大下降。为了改善这些粗大的初生硅和共晶硅，通常在铸造前加入变质剂，如P，Na等。另外，由于初生硅的密度低于铝熔体的密度，在铸造过程中上浮，极易产生偏聚，进一步增加了塑性变形难度。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种过共晶铝硅合金发动机缸套的制造方法，目的是克服过共晶铝硅合金变形能力差的缺点，生产制造出符合行业标准的发动 机缸套。为了达到以上目的，本发明的过共晶铝硅合金发动机缸套的制造方法按照以下步骤进行
(1)按照重量比13-30wt%Si，其他主合金元素为Cu、Mg、Fe、Ni、Mn和Zn中的一种或多种，余量为铝配制铝合金原料，其中铝含量至少为70wt%，将上述铝合金原料熔炼获得铝合金熔体，向铝合金熔体中加入Cr或P+Cr进行变质处理，单独使用Cr变质时，其使用量为铝合金熔体重量的0. 05-lwt%,使用P+Cr复合变质时，P使用量为铝合金熔体重量的0. 01-0. 5wt%，Cr使用量为铝合金熔体重量的0. 02-lwt%, Cr/P重量比为0. 1-50 ；
(2)将变质处理后的铝合金熔体浇注在结晶器中进行半连续铸造，得到空心铝合金铸
锭；
(3)将上述空心铝合金铸锭于500-600°C进行高温加热0.2-5小时，然后升温至铝合金的液固混合相温度，进行半固态挤压；
(4 )对挤压后的铝合金铸锭进行机械加工，得到过共晶铝硅合金发动机缸套产品。其中，半固态挤压后的铝合金铸锭也可以进行T5热处理后，再进行机械加工。与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是
(1)本发明方法采用Cr或P+Cr对铝合金熔体进行变质处理，配合半连续铸造空心铸锭，其中使用Cr变质主要有两个优点，首先，可以细化初生硅；其次，能够有效地改变宏观偏聚，这是由于在合金凝固时CrSi2相先析出，初生硅会依附于CrSi2相形核长大，那么CrSi2相就成了形核质点，从而细化初生硅；另外，CrSi2相的密度要大于合金熔体，当初生硅依附在CrSi2相时，平均密度与合金液相差不大，从而大大降低了宏观偏聚，但是，单独使用Cr变质细化效果有限，所以使用P+Cr复合变质，其细化效果明显，且宏观偏聚改善明显；
(2)本发明将铝合金铸锭加热到500-600°C，可以使铸锭的初生硅尖角圆化，减小后续变形过程中产生的应力集中，另外这种方法还可以使共晶硅球化且弥散分布，并且通过不同的加热温度和时间，来调控Si颗粒的大小和形态；
(3)本发明在高温加热后，还需将铝合金铸锭升温至铝合金的液固混合相温度，在合金半的固态温度区间内进行挤压，这是由于在挤压前，铸锭被高温加热，其加热温度随合金不同而不同，唯一的判断标准就是初生硅尖角圆化和共晶硅弥散球化，这就使得合金加热温度有可能低于合金固相线也有可能高于半固态，所以为了达到挤压温度，就要将其短时加热到半固态区间，然后进行挤压，采用半固态挤压可以获得表面光洁，组织细小，分布均匀的产品并且还可以大大降低挤压力；
(4)采用本发明方法获得的过共晶铝硅合金发动机缸套，其Si含量为13-30wt%，内部组织均匀细小，Si颗粒弥散分布且小于5微米，其机械加工性能好，符合行业标准。
图I为本发明提供的生产发动机缸套的工艺流程；
图2为本发明实施例I所得过共晶铝硅合金发动机缸套的金相组织图。
具体实施方式
对本发明实施例的过共晶招娃合金发动机缸套产品进行磨损量实验如下在摩擦磨损试验机上进行试验，条件为压力为3. Okg/cm2,速度为10mm/s,滑动距离为1500m,磨损基体为表面硬化的铸铁。进行工具磨损和切削阻力实验如下在车床上使用渗碳刀具，切削速度200mm/min,进刀量0. 3mm/rev,切削深度0. 7m,切削长度10，000m。
实施例I
生产制造Al-20Si发动机缸套工艺步骤为
(1)按照重量比20Wt%Si，80Wt%Al配制铝合金原料，将上述铝合金原料熔炼获得铝合金熔体，向铝合金熔体中加入占熔体重量0. lwt% P和0. 7wt%Cr，对铝合金熔体进行变质处理；
(2)将变质处理后的铝合金熔体于950°C浇注在结晶器中进行半连续铸造，铸造速度为120mm/min,得到内孔尺寸为60mm,外径尺寸为210mm的空心招合金铸锭；
(3)将上述空心铝合金铸锭于515°C进行高温加热2小时，然后升温至578°C，进行半固态挤压，挤压速度为20mm/s ；
(4)对挤压后的铝合金铸锭进行机械加工，得到外径90mm，内孔80mm的过共晶铝硅合金发动机缸套产品。通过使用本发明的方法生产出发动机缸套的金相组织图如图2所示，其内部组织均匀细小，Si颗粒弥散分布且小于5微米，其耐磨实验结果如表I所示
表I Al-20Si耐磨实验结果
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实施例2
生产制造A390发动机缸套工艺步骤为
(I)按照重量比16wt%Si，4wt% Cu , 0. 5wt%Mg, 0. 2wt% Fe , 0. 05wt% Mn , 0. 2wt% Zn，余量为Al配制铝合金原料，将上述铝合金原料熔炼获得铝合金熔体，向铝合金熔体中加入占熔体重量0. 05wt%的Cr，对铝合金熔体进行变质处理；
(2)将变质处理后的铝合金熔体于900°C浇注在结晶器中进行半连续铸造，铸造速度为150mm/min,得到内孔尺寸为60mm,外径尺寸为210mm的空心招合金铸锭；
(3)将上述空心铝合金铸锭于510°C进行高温加热4小时，然后升温至550°C，进行半固态挤压，挤压速度为20mm/s ；
(4)对挤压后的铝合金铸锭进行在线风冷淬火的T5热处理；
(5)对热处理后的铝合金铸锭进行机械加工，得到外径90mm，内孔80mm的过共晶铝硅合金发动机缸套产品。
通过使用本发明的方法生产出发动机缸套内部组织均匀细小，Si颗粒弥散分布且小于5微米。其耐磨实验结果如表2所示
表2 A390耐磨实验结果
权利要求
1.一种过共晶铝硅合金发动机缸套的制造方法，其特征在于按照以下步骤进行 (1)按照重量比13-30wt%Si，其他主合金元素为Cu、Mg、Fe、Ni、Mn和Zn中的一种或多种，余量为铝配制铝合金原料，其中铝含量至少为70wt%，将上述铝合金原料熔炼获得铝合金熔体，向铝合金熔体中加入Cr或P+Cr进行变质处理，单独使用Cr变质时，其使用量为铝合金熔体重量的O. 05-lwt%，使用P+Cr复合变质时，P使用量为铝合金熔体重量的O.01-0. 5wt%，Cr使用量为铝合金熔体重量的O. 02_lwt%，Cr/P重量比为O. 1-50 ； (2)将变质处理后的铝合金熔体浇注在结晶器中进行半连续铸造，得到空心铝合金铸锭； (3)将上述空心铝合金铸锭于500-600°C进行高温加热O.2-5小时，然后升温至铝合金的液固混合相温度，进行半固态挤压； (4 )对挤压后的铝合金铸锭进行机械加工，得到过共晶铝硅合金发动机缸套产品。
2.根据权利要求I所述的一种过共晶铝硅合金发动机缸套的制造方法，其特征在于半固态挤压后的铝合金铸锭也可以进行T5热处理后，再进行机械加工。
全文摘要
本发明属于铝合金加工技术领域，具体涉及一种过共晶铝硅合金发动机缸套的制造方法。本发明的过共晶铝硅合金发动机缸套的制造方法，按照以下步骤进行按照重量比13-30wt%Si和其他主合金元素，余量为铝配制铝合金原料，其中铝含量不低于70wt%进行熔炼获得铝合金熔体，向熔体中加入Cr或者加入P和Cr进行变质处理，将变质处理后的铝合金熔体浇注在结晶器中半连续铸造，得到空心铝合金铸锭，将空心铝合金铸锭于500-600℃高温加热0.2-5小时，然后升温进行半固态挤压，最后进行机械加工，得到过共晶铝硅合金发动机缸套产品。采用本发明方法获得的过共晶铝硅合金发动机缸套，其Si含量为13-30wt%，内部组织均匀细小，Si颗粒弥散分布且小于5微米，其机械加工性能好，符合行业标准。
文档编号C22F1/043GK102764957SQ201210240518
公开日2012年11月7日 申请日期2012年7月12日 优先权日2012年7月12日
发明者崔建忠, 张海涛, 秦克 申请人:东北大学