薄壁管的製造方法
2023-10-18 17:25:39 2
專利名稱：薄壁管的製造方法
技術領域：
本發明涉及的是一種薄壁管的製造方法，所述薄壁管是由耐熱、耐磨鋁基材料製成，其特別適用於內燃機上的氣缸套。
氣缸套是承受摩擦力的部件，其被設置、壓入或鑄入在內燃機曲軸箱上的氣缸孔內。
內燃機的氣缸工作面需要承受來自於活塞、特別是活塞環的強烈的摩擦應力並且局部區域需要承受高溫。因此，該工作面需要由耐磨及耐熱材料製成。
為此目的，已有許多在氣缸孔表面塗敷耐磨層的方法。此外，還有一種方案是在氣缸內設置用耐磨材料製成的套筒，如採用灰鑄鐵套筒。不過，這種套筒與鋁基材料相比，耐熱性差，並且存在一些其他的缺點。
為解決上述問題，人們首先採用過共晶矽鋁合金鑄造的氣缸體。由於採用鑄造技術的原因，矽含量最大重量比不得超過20％。鑄造工藝的另一缺點是，在熔融矽顆粒固化的過程中會析出尺寸較大的矽單晶顆粒(約30-80μm)。由於這些顆粒尺寸較大且具有尖銳的角、稜，因而對活塞及活塞環產生磨損。為此，人們不得不在活塞及活塞環上塗敷相應的覆蓋層/塗層以施加保護。矽顆粒與活塞/活塞環之間的接觸面可通過機械加工磨平。在這樣的機械加工之後進行電化學處理，以使位於各個矽顆粒之間的鋁基材還原，從而使矽顆粒從氣缸工作表面略微突出作為承載支撐構架。這樣製成的氣缸工作面的缺點一方面是製造成本過高(昂貴的合金、成本較高的機械加工、鐵塗層活塞、鎧裝活塞環)，另一方面是矽顆粒分布不均。因此，在組織結構中存在大量沒有矽顆粒的區域因而易受到較強的摩損。為避免這種摩損，在工作面與相對摩擦面之間需要設置相對較厚的油膜作為隔離介質。此外，為了控制油膜厚度還需要確定矽顆粒露出的程度。油膜較厚會導致機械中摩擦損失增加及有害物質排放量的明顯增加。
DE42 30 228中公開了一種氣缸體，其由亞共晶矽鋁合金鑄造而成。在氣缸內安裝有由過共晶矽鋁合金製成的氣缸套。這種方案造價較低，但仍未解決前面所提到的問題。
為充分利用過共晶矽鋁合金作為氣缸套材料的優點，需要改變矽晶核的晶體結構。通過已知的粉末冶金方法或噴壓方法可製成用鑄造工藝不能得到的鋁合金。
這樣，通過上述方法可生產過共晶合金，由於該合金中矽含量較高、矽顆粒較細並且分布較均勻，因而具有較好的耐磨性。通過在該合金中加入諸如Fe、Ni或Mn等元素可以獲得所需要的耐熱性。存在於該合金中的矽顆粒的粒度約為0.5至20μm。用這種方法生產出的合金特別適合做氣缸套零件。
儘管鋁合金通常是便於加工的，但這種過共晶合金存在變形問題。EP0 635 318中公開了一種用過共晶矽鋁合金製造氣缸套的方法。其中氣缸套是在高壓力下、擠壓速度為0.5-12m/min的情況下擠壓成型的。為減少通過擠壓將氣缸套製成最終尺寸的生產成本，需要相當高的擠壓速度。事實表明，對於承受較高壓力的合金來說，若氣缸套管壁厚較小，則在較高的擠壓速度下會導致管件在擠壓時被撕裂。
本發明的目的是提供一種改進的、造價較低的生產薄壁管、特別是生產內燃機氣缸套的方法。用該方法生產的氣缸套可在耐磨性、耐熱性及減少有害物質排放量等性能上獲得所需要的改善。
本發明目的是通過如權利要求1所述的方法步驟而實現的。
本發明的其他方案在其從屬權利要求中已經給出。
氣缸套所需要的摩擦特性特別是通過如下方案獲得的，使材料中作為析出顆粒的矽顆粒的粒度為0.5至20μm，或使作為添加顆粒的粒度為80μm。為獲得這種鋁合金，必須採用一些方法使得高合金熔液所容許的固化速度高於傳統的鑄造工藝中所容許的固化速度。
屬於這類方法的一種工藝為噴壓方法(以下簡稱「噴壓」)。為獲得理想的特性，將含有高矽合金的鋁合金熔液噴出並通過氮氣流以1000℃/s冷卻速度將其冷卻。部分仍處於液態的粉末顆粒被噴到一個轉動著的轉盤上。該轉盤在工作過程中連續向下移動。通過這兩種運動的合成便獲得一個棒材，該棒的長度約為1000至3000mm、直徑最大為400mm。由於冷卻速度較高，因而在該噴壓過程中產生的矽顆粒的粒度不超過20μm。為獲得合適的析出矽顆粒粒度，人們採用一定的「氣體與金屬的比例」(每公斤熔液立方米氣體)，通過該比例可以確定該過程中的固化速度。根據固化速度和熔液的過飽和度，該合金中的矽含量可達到40％重量比。由於鋁熔液在氣流下快速延伸，從而使所獲得的棒材的過飽和狀態呈準「凝固」狀態。
除製造棒材外，也可通過噴壓製造內徑為50-120mm、壁厚達250mm的厚壁管件坯材。為此，將顆粒流噴射到一個在水平面上繞其縱向軸轉動的支撐管上並在該處進行壓縮。用該方法通過連續地沿水平方向進行有控制的進給，可獲得一個管件坯料。該坯料作為後加工工藝、即管件擠壓和/或其他熱加工工藝中使用的原材料。所述的支撐管是由普通的鍛壓鋁合金或類似的合金製成的，其本身也是通過噴壓工藝製成的(工藝相同)。
噴壓工藝還可以提供這樣的可能性，通過顆粒噴射裝置將熔液中未包含的顆粒噴到棒材或管材中。由於這些顆粒可以是粒度為2μm至400μm的任意幾何形狀的顆粒，因而能夠實現對多種晶體結構的控制。例如該顆粒可以是粒度為2μm至400μm的矽顆粒或在上述粒度範圍內的氧化陶瓷顆粒(如Al2O3)或無氧陶瓷顆粒(如SiC，B4C)等，這些都是在市場上可獲得且對摩擦特性有意義的材料。
另一種方案是，為獲得合適的晶體結構，使含有矽的過飽和鋁合金熔液快速固化(下稱「粉末流」)。在此方案中通過向熔融液體噴射空氣或惰性氣體生產出粉末。該粉末可以是完全合金。這意味著，在熔融的液體中包含的全部是合金元素。或者該粉末在下一步驟中與多種合金或其他元素的粉末相互混合。接著，所述完全合金粉末或混合粉末通過冷壓工藝或熱壓工藝或真空壓力工藝被壓成棒材或厚壁中空管柱(管材)。
通過後續的過時效退火工藝可改變經噴壓工藝獲得的棒材或管材的晶體結構。通過退火可將晶體結構改造成矽顆粒粒度為2至30μm，由此獲得所需的摩擦特性。在退火過程中長得較大的矽顆粒受到固定顆粒擴散的影響而成為理想的較小的矽顆粒。擴散效果取決於過時效溫度及退火處理時間的長短。選擇的溫度越高，則矽晶核生長的速度越快。不過，在該過程中時間僅起輔助作用。理想的溫度大致為500℃，此時退火時間應當為3至5小時。
這樣獲得並確定的晶體結構在後續的工藝步驟中不再改變或者只是為得到所需要的理想摩擦特性作適當的改變。
通過熱成形工藝、特別是通過擠壓工藝將經「噴壓」或通過「粉末流」步驟獲得的管材製成壁厚為6至20mm的厚壁管。這裡，擠壓溫度為300至550℃。
該擠壓工藝的作用不僅在於成形，而且還可將經過噴壓成形的棒材或管材的孔隙(1-5％)或經過粉末流工藝製成的棒材或管材的孔隙(1-40％)密封並最終壓實。
通過在250℃至500℃下進行圓材鍛壓或其他熱成形工藝可使壁厚進一步減小到所需要的尺寸。
而後，將管壁厚度已被成形到最終尺寸時管件截成所需要的管段。
本發明方法具有如下優點，用此方法可獲得合適的氣缸套材料。藉助於後續的第二熱變形工藝步驟可以降低在擠壓過程中相對於擠壓壓力、擠壓速度以及產品質量所產生的高成本。
實施例1在噴壓工藝後，將組合物Al Si25 Cu2.5 Mg1 Ni1的合金置於830℃熔融溫度下並以4.5m3/kg(每公斤熔液立方米氣體)的氣體/金屬比例將其壓縮成棒材。在上述條件下，噴壓而成的棒材中的矽析出顆粒粒度範圍為1μm至10μm(
圖1中的狀態)。隨後，在520℃下對噴壓而成的棒材進行4小時的退火處理。在該退火處理之後，析出的矽顆粒粒度範圍為2μm至30μm。通過在溫度為420℃、成形出口速度為0.5m/min條件下用成形工具熱擠壓出外徑為94mm、內徑為69.5mm的管材(如圖2所示)。而後通過在420℃下進行圓材鍛壓並通過一個芯杆將一個外徑94mm的管件成形出一個外徑為79mm、內徑為69mm的管材。此過程不會導致晶體結構改變。
實施例2在噴壓工藝後，將組合物Al Si8 Fe3 Ni2的合金置於850℃熔融溫度下並以2.0m3/kg(每公斤熔液立方米氣體)的氣體/金屬比例將其壓縮成棒材。通過顆粒噴射裝置將20％的粒度為40μm至71μm的矽顆粒導入到這種合金中。通過該工藝步驟可以獲得均勻的金屬結構(如圖3所示)。由於通過噴壓工藝可以獲得理想的晶體結構，因而不需要進行退火處理。通過在溫度為450℃、成形出口速度為0.3m/min條件下，用成形工具熱擠壓出外徑為94mm、內徑為69.5mm的管材(如圖4所示)。而後通過在440℃下進行圓材鍛壓成形出一個外徑94mm、外徑為79mm的管材。此過程不會導致晶體結構改變。
實施例3將組合物Al Si25 Cu2.5 Mg1 Ni1的合金置於830℃熔融溫度下並用空氣對其進行噴射。將所產生的粉末收集起來並在2700巴下冷壓成外徑為250mm長度為350mm的棒材。該棒材的厚度佔合金理論厚度的80％。所析出的矽顆粒粒度範圍為1μm至10μm。對該冷壓成的棒材在520℃下進行4小時的退火處理。在該退火處理之後，析出的矽顆粒粒度範圍為2μm至30μm。通過在溫度為420℃、成形出口速度為0.5m/min條件下用成形工具熱擠壓出外徑為94mm、內徑為69.5mm的管材。而後通過在420℃下進行圓材鍛壓並通過一個芯杆將一個外徑94mm的管件成形出一個外徑為79mm、內徑為69mm的管材。此過程不會導致晶體結構改變。
實施例4在噴壓工藝後，將組合物Al Si25 Cu2.5 Mg1 Mn1的合金置於860℃熔融溫度下並以2.5m3/kg(每公斤熔液立方米氣體)的氣體/金屬比例將其壓縮成外徑250mm、內徑80mm的管材。在此過程中，一個由普通鍛壓鋁合金(AlMgSi0.5)材料構成的、外徑為84mm、壁厚為2mm的薄壁管作為轉動支撐管，上述合金即噴射到該支撐管上。在上述條件下經過噴壓工藝成形的管材中，所析出的矽顆粒粒度為0.5μm至7μm。為獲得粒度為2μm至30μm的析出矽顆粒，還需要將噴壓而成的管材在520℃下進行5小時的退火處理。通過在溫度為400℃、成形出口速度為1.5m/min條件下擠壓出外徑為94mm、內徑為69.5mm的管材。這裡，支撐管材料AlMgSi0.5對所需要的壓力和速度產生積極的作用，因為它對芯杆起潤滑作用。而後通過在430℃下進行圓材鍛壓並通過一個芯杆將一個外徑94mm的管件成形為一個外徑79mm、內徑為69mm的管材。此過程不會導致晶體結構改變。
權利要求
1.一種由耐熱、耐磨輕金屬材料構成的薄壁管的製造方法，其特徵在於，-通過對合金熔液的噴壓工藝或通過對粉末混合體或用空氣或惰性氣體噴射出粒度為250μm的合金混合體進行熱壓或冷壓工藝，生產出由過共晶矽鋁材料構成的棒材或管材，其中，所含矽顆粒的粒度為0.5至20μm、最好是1至10μm；-根據需要對所述棒材或管件進行使其所含矽顆粒變大的過時效退火處理，使矽顆粒的粒度增長到2至30μm。-在300至550℃的擠壓溫度下，將所獲得的棒材或管材擠壓成壁厚為6至20mm的厚壁管；以及-在250至500℃下，通過熱成形工藝將厚壁管的壁厚減至1.5至5mm。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，用於生產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組合物Al Si(17-35) Cu(2.5-3.5) Mg(0.2-2.0) Ni(0.5-2)。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，用於生產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組合物Al Si(17-35) Fe(3-5) Ni(1-2)。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，用於生產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組合物Al Si (25-35)。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，用於生產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組合物Al Si(17-35) Cu(2.5-3.3) Mg(0.2-2.0) Mn(0.5-5)。
6.如權利要求1至5所述的方法，其特徵在於，在噴壓過程中，一部分矽通過包含有矽鋁合金的熔液被帶入棒材或管材中，而另一部分矽則藉助於顆粒噴射裝置以矽粉末的形式被帶入到棒材或管材中。
7.如權利要求1至6所述的方法，其特徵在於，粗化矽晶粒的過時效退火是在460至540℃下、0.5至10小時內進行的。
8.如權利要求1至7所述的方法，其特徵在於，厚壁管的熱成形是通過圓材鍛壓或圓材壓延工藝實現的。
9.如權利要求1至7所述的方法，其特徵在於，厚壁管的熱成形是通過內模進行管件軋制實現的。
10.如權利要求1至7所述的方法，其特徵在於，厚壁管的熱成形是通過輥壓實現的。
11.如權利要求1至7所述的方法，其特徵在於，厚壁管的熱成形是通過管件拉拔工藝實現的。
12.如權利要求1至7所述的方法，其特徵在於，厚壁管的熱成形是通過環形件軋制實現的。
13.如權利要求1至12所述的方法，其特徵在於，將直徑及壁厚已經成形到最終尺寸的管件截成所需要的長度。
14.如權利要求1至13所述的方法，其特徵在於，用該方法製造的管段用作輕金屬的內燃機氣缸套。
全文摘要
本發明涉及一種由耐熱、耐磨輕鋁基材料構成的薄壁管的製造方法。該方法包括用過共晶矽鋁材料製備棒材或管材坯料的步驟及隨後的過時效退火過程以及通過後面的擠壓工藝將坯料製成厚壁管或圓材的步驟和通過對該管進行熱成型製成薄壁管的步驟。該方法特別適合於製造輕金屬材料的內燃機氣缸套,因為這種氣缸套可以滿足所需要的耐磨性、耐熱性及減少有害物質排放量等特性要求。
文檔編號C22C1/04GK1194012SQ96196543
公開日1998年9月23日 申請日期1996年8月28日 優先權日1995年9月1日
發明者考曼德爾·伯恩哈德, 沙特福依·羅爾夫, 胡梅爾特·克勞斯 申請人:埃爾波斯裡赫股份有限公司