一種梯度鋁合金缸套材料及其製備方法
2023-06-01 19:51:26 2
專利名稱：一種梯度鋁合金缸套材料及其製備方法
一種梯度鋁合金缸套材料及其製備方法技術領域
本發明屬於金屬合金及其製備技術領域，尤其涉及一種耐熱、耐磨、低膨脹係數的梯度鋁合金缸套材料及其製備方法。
背景技術：
鑄鐵、鋼缸套材料與活塞鋁合金材料熱物理性能相容性差，難於進一步縮小配缸間隙，不能高經濟性的解決高功率密度、高經濟性發動機動力技術問題。而高矽鋁合金缸套與活塞鋁合金材料熱物理性能相容性好，可以顯著地縮小配缸間隙，可解決或克服鑄鐵、鋼缸套的缺點與不足。
高矽鋁合金的摩擦機理是軟基體上分布高硬度質點相，質點相越細小、分布越均勻，其摩擦學性能越好；添加的合金化元素種類越多、含量越高，產生的高硬度化合物硬質點相越多，對摩擦學性能和高溫性能越有益。
英國專利GB972095公布的一種高矽鋁合金缸套材料含銅、鎳、鐵、錳等合金化元素，但合金元素總含量低，將使合金耐高溫性能與摩擦學性能不足；而且採用的是壓鑄成形方法難以獲得細小均勻的高硬度化合物質點相以及高矽質點相，將造成加工性能差；還存在補縮壓力不足、內在氣孔、不能通過熱處理強化等問題。
英國專利GB2302695及歐洲專利EP367229公布的不含鎳、鐵、錳等過渡族元素的一種高矽鋁合金缸套材料，將使該種合金高溫、室溫力學性能低，且採用粉末冶金工藝，將造成製造成本極高，製造厚大尺寸缸套產品還存在質量均勻性與性能一致性等問題。
中國專利CN00124660.7、CN200510048662.7、CN101457318 公開的高矽鋁合金，採用的是噴射沉積製造方法，顯示出所製備材料組織、摩擦學性能以及力學性能的優越性，但存在製造成本極高、金屬收得率低下等問題。
發動機缸套的摩擦面僅僅發生在與活塞、活塞環接觸的內側，而外側僅僅起到承力支撐作用。為此，對鑄鐵、鋼缸套內側面進行強化，如鍍鉻、滲氮，噴陶以及雷射重熔、離子注入等多種強化途徑，來提高缸套的摩擦學性能，已獲得了成功應用。但對於鋁合金缸套採用此類強化方法，目前未見報導，而且這些強化方法也不一定是解決摩擦學問題的唯一方法。
採用離心力場作用的凝固技術原理，可以在凝固過程中採用高旋轉速度，高離心力的作用下實現低密度 、高硬度耐磨相S1、Mg2Si質點偏聚在缸套內側，獲得高體積分數，從而實現缸套由內至外的剃度組織結構。內側高硬度剃度組織結構顯著提高了缸套的摩擦學性能，而外側高體積分數的共晶、α組織以及含鎳相的匹配將具有良好的韌性顯著提高缸套的承力能力，並能獲得低成本化製造的技術效果，既避免鑄鐵、鋼缸套的缺點與不足，又避免上述高矽鋁合金缸套製造高成本問題以及製造方法的不足。
中國專利CN101709414A公開的高矽剃度複合鋁合金缸套材料及製備方法，存在合金成分設計合理性問題，特別是鐵含量過高，在離心力場作用下很難克服鐵的不利作用，將導致組織中鐵的針狀、棒狀相對材料及製品的性能以及加工性不利，尤其是對塑性有害性更大。發明內容
本發明所要解決的第一個技術問題是提供一種具有耐熱、耐磨、低膨脹係數的梯度鋁合金缸套材料，其配方通過多元化合金設計，具有高矽、高鎂以及高鎳含量的特點。
本發明所要解決的第二個技術問題是提供一種具有耐熱、耐磨、低膨脹係數的梯度鋁合金缸套材料的製備方法，通過設計高矽、高鎂以及高鎳含量合金配方、精煉、雙重複合變質以及高轉速下的離心力場凝固成型。
本發明解決上述第一個技術問題所採用的技術方案為:一種梯度鋁合金缸套材料，其特徵在於該材 料各組分按重量百分比為=S1:15.0 % 25.0% ；N1:3.0% 7% ;Mg:0.8 % 1.8 % ;Cu:0.5 % 2.5 % ；Mn:0.3 % 0.7 % ；RE:0.04 % 0.10 % ；P:0.01 0.10% ；A1:餘量；所述RE是以La為主的La-Ce-Pr-Nd系混合稀土。
作為優選，所述各組分按重量百分比為:
Si:20.0%；Ni:5.00%；Mg:1.50%；Cu:2.00%；Mn:0.50%；RE:0.08% ；P:0.08%；Al:餘量。
最後，所述RE是以La為主的La-Ce-Pr-Nd系混合稀土,該混合稀土的成分按重量百分比；La:50 60%、Ce:10 20%、Pr:10 15% 以及 Nd:10 15%。
所述的缸套材料及製品:內側具有38 47%體積分數的Si相、Mg2Si相以及少量的含銅、含Ni相與含Mn相，Mg2Si相尺寸最大氺35 μ m ;Si相尺寸最大氺45 μ m。
本發明解決上述第二個技術問題所採用的技術方案為:一種梯度鋁合金缸套材料的製備方法，其特徵在於包括以下步驟:
I)按合金成分進行配料:按照各組分按重量百分比為S1:15.0% 25.0% ；Ni:3.0 % 7 % ;Mg:0.8 % 1.8 % ;Cu:0.5 % 2.5 % ；Mn:0.3 % 0.7 % ；RE:0.04 % 0.10% ；P:0.0l-0.10% ；A1:餘量；米用招娃、招鎮、招銅、招猛、招稀土、招憐中間合金以及純鋁、純鎂爐料進行配料；為解決合金化元素的加入與控制問題，上述合金化元素矽(Si)、鎳(Ni)、銅(Cu)、錳(Mn)以及磷⑵均採用鋁中間合金的方式加入。所述的稀土 RE是採用鋁混合稀土中間合金形式加入，即RE是以La為主的La-Ce-Pr-Nd系混合稀土，該混合稀土的成分按重量百分比；La:50 60%、Ce:10 20%、Pr:10 15%以及Nd: 10 15%。鎂採用純金屬爐料的形式加入；鋁大部分是通過中間合金的形式帶入，不足部分採用純鋁爐料的形式加入。
2)熔煉、覆蓋、精煉淨化與變質處理:採用中頻電磁感應爐，將上述鋁矽、鋁鎳、鋁銅、鋁錳中間合金一同加入進行熔煉，熔化後，調整鋁液溫度為710 730°C，加入鋁、鎂純金屬爐料，並在鋁液內攪動直至完全熔化；
覆蓋劑的加入，覆蓋劑保護不出現裸露金屬液面為準，以保護鋁液避免氧化燒損，分別在熔化後、加鎂後以及精煉淨化後均勻撒入；採用含鉀、鎂氯鹽覆蓋劑，用量為總爐料重量的I 3% ;
精煉淨化，調整鋁液溫度750°C 880°C，加入總爐料重量的0.5 1.0%的六氯乙烷與氟矽酸鈉的精煉熔劑，用鐘罩壓入鋁液中並均勻的移動，對鋁液進行精煉與淨化處理，以去除濾液中渣物和有害氣體；一直到無氣體、氣泡逸出為止，靜置10 15分鐘後扒去渣物，再均勻撒上一層覆蓋劑；
變質處理，調整鋁液溫度至820 900°C，加入鋁磷、鋁稀土中間合金進行變質處理,磷的加入量為總爐料重量的0.01 0.10%，稀土的加入量為總爐料重量的:0.04% 0.10% ;用漏勺加入；全部熔化後，靜置8 10分鐘；
3)離心力場成型:合金經步驟2)處理後連續澆注到預熱的導流槽中控制導流，連續導入到預熱的筒形模具中，啟動離心機至規定轉速，同時，打開水閥噴水冷卻系統，對模具進行噴淋冷卻；在離心機高速旋轉的離心力場作用下，鋁液在高於重力鑄造幾十 幾百倍凝固壓力的作用下凝固結晶，通過採用不同尺寸筒形模具與控制不同的鋁液澆入量，以及控制離心機鑄造成型工藝參數，可製備不同尺寸的筒形管坯；
4)熱處理:將梯度鋁合金缸套材料筒形管坯放入熱處理爐中按固溶處理參數和時效處理參數進行固溶處理與時效處理；
5)最後經機加工與 行磨加工得到所需成品。
作為優選，所述步驟2)中的所述覆蓋劑採用100% MgCl2.KCl溶劑，兩者加入質量比例為1: 0.9 1.1，覆蓋劑使用前應加熱到溫度660 700°C熔化，冷卻後破碎、球磨成粉，用20 50目篩過篩後使用或存放於乾燥器中待用。
優選，所述步驟2)中的精煉劑採用質量比例是65 75%的六氯乙烷與35 25%的氟娃酸鈉溶劑組成，精煉劑使用前稱重混合，壓製成直徑為Φ45 55mm,厚度為30 50mm的圓料塊，用鋁箔分包後使用或存於乾燥器中待用。
作為改進，所述步驟3)中的離心力場成型中的鋁液導流澆注的參數為:
導流槽採用鎂砂耐火材料搗成，預熱溫度500 600°C ；
筒形模具預熱溫度200 300°C ；
澆注溫度:700 900°C ；
招液流量:5 15Kg/s ；
離心機鑄造成型控制參數:旋轉速度:200 2000r/min ；
水冷冷卻:常壓，噴淋冷卻；採用Φ 2 3mm噴水孔，間隔2mm，沿軸向密布；
製備材料及產品參數:
製備的筒形管還尺寸:外直徑Φ90 300mm,內直徑Φ70 270mm,長度150 350mmo
作為優選，所述離心力場成型`中的鋁液導流澆注的參數為:
導流槽預熱溫度550 600°C ；
筒形模具預熱溫度200 230°C ；
澆注溫度:700 750°C ；
招液流量:5 8Kg/s ；
所述的離心力場成型控制的優選參數:
旋轉速度:1200 1800r/min。
再改進，所述步驟4)中的熱處理參數為:
固溶處理參數:
固溶溫度:480 525 °C ；
保溫時間:2.0 4.0h ;
熱水淬火溫度:60 100°C ；
時效處理參數:
時效溫度:165 185°C ；
保溫時間:6.0 12.0h。
所述的熱處理中固溶處理參數與時效處理參數的優選方案是:
固溶處理參數:
固溶溫度:510 520°C ；
保溫時間:2.5 3.0h ;
熱水淬火溫度:60 100°C ；
時效處理參數:
時效溫度:170 175°C ;
保溫時間:7 10h。
最後，所述步驟5)中的機加工與珩磨加工中的潤滑冷卻劑:煤油；
缸套機械成型加工刀頭:硬質合金或金剛石刀頭；
缸套內表面珩磨加工刀頭:硬質合金珩磨頭。
與現有技術相比，本發明的優點在於:
本發明的梯度鋁合金缸套材料製備技術特點為:1、設計高矽、高鎂以及高鎳含量的合金配方，有利於形成高矽、高Mg2Si以及高鎳含量的結構組織，對形成耐高溫、耐磨、低膨脹係數的剃度缸套材料有益；2、採用P、RE雙重複合變質處理技術，強烈細化初晶矽與共晶矽組織；3、採用變頻電機控制的離心力場，實現高轉速高離心力作用力場，可獲得梯度鋁合金缸套材料的摩擦學功能組織，對缸套摩擦學性能提高有益。
採用本發明材料及方法製造的梯度鋁合金缸套材料及製品具有比壓鑄工藝獲得的材料及製品更優越的組織特點、性能特點；優越於鑄鐵缸套材料的力學性能與摩擦學性能特點；獲得比噴射沉積、粉末冶金工藝製備成本低的技術效果，獲得內側面高硬度、高體積分數高矽與高Mg2Si含量的梯度結構組織，這對內側面的摩擦學性能更為有益；將獲得與活塞鋁合金配缸相容性好的技術優勢及特點。製造的缸套製品可沿用鑄鐵缸套加工設備及工藝條件加工；也可設計製造適用於梯度鋁合金缸套材料加工的專用珩磨刀頭，其缸套加工面質量與使用效果將更為優越。
圖1為本發明的梯度鋁合金缸套材料的離心力場成型工藝流程圖，其中:1_中頻熔煉爐，2-導流槽，3-噴水冷卻系統，4-離心機，5-筒形模具，6-金屬液，7-筒形管坯；
圖2為本發明的梯度鋁合金缸套材料的組織架構圖，其中圖2a為筒形管坯內側組織架構圖；圖2b為筒形管坯中間部位組織架構圖；圖2c為筒形管坯外側組織架構圖3為本發明筒形管坯材料在熱處理爐中的工藝圖，其中:8-熱處理爐，9-筒形管坯；
圖4為本發明梯度鋁合金缸套材料製造的某發動機缸套結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述。
一種梯度鋁合金缸套材料，其金屬元素主要為鋁、矽、鎳、鎂、銅、錳、稀土、磷等元素，該材料各組分按重量百分比為:S1:15.0 % 25.0% ；N1:3.0 % 7% ；Mg:0.8% 1.8% ；Cu:0.5% 2.5% ；Mn:0.3% 0.7% ；RE:0.04% 0.10% ；P:0.01 0.10% ；A1:餘量。合金化元素矽(Si)、鎳(Ni)、銅(Cu)、錳(Mn)以及磷⑵均採用鋁中間合金的方式加入。所述的稀土 RE是採用鋁混合稀土中間合金形式加入，即RE是以La為主的La-Ce-Pr-Nd系混合稀土，該混合稀土的成分按重量百分比；La:50 60%、Ce:10 20%、Pr:10 15%以及Nd: 10 15%。鎂採用純金屬爐料的形式加入；鋁大部分是通過中間合金的形式帶入，不足部分採用純鋁爐料的形式加入。
其中Si的作用是提高合金的耐磨性能與改善合金的熱物理性能。在同時含Mg時，與Mg形成高硬度Mg2Si (密度為1.93g/cm3)析出相起強化作用與提高耐磨性，為最大化發揮Mg的強化效果，應有過剩矽存在。此外，在複合變質劑的作用下，過剩矽的作用是形成細小、分布均勻的初晶矽(密度為2.33g/cm3)顆粒，對耐磨性能作用極大。
Ni的作用是形成耐高溫金屬間化合物相，對提高耐磨性能與高溫力學性能更有益，比鐵的作用效果更優越，但材料價格較高，因此必須控制一定量，因此，優選Ni的含量為 3.0% 7.0%。
Mg的作用是與娃、銅形成時效析出相Mg2Si以及Cu、Mg、Al三元複合化合物相提高合金的力學性能以及摩擦學性能，但加入量過多會影響工藝性能，因此，優選Mg的含量為 0.8% 1.8%。
Cu的作用是形成Cu、Mg、Al三元金屬間化合物相,起強化作用，提高合金的力學性能，但高溫時銅化合物相有粗化傾向，因此必須控制一定量。因此，優選Cu的含量為0.5% 2.5% ；
Mn的作用是與殘存的雜質鐵、矽、鋁等形成化合物相，對耐磨性能與高溫力學性能以及熱物理性能改善有有益影響，並改善鐵相化合物形態，使之有益於提高合金的綜合力學性能。因此，優選Mn的含量為Mn:0.3% 0.7%。
RE的作用是與P形成複合變質劑，主要細化共晶矽以及細化α相組織。但RE含量不易過高，否則會產生偏析與積聚，失去變質與細化作用。因此，優選RE的含量為0.04% 0.10%。
P的作用是與RE形 成複合變質劑，強烈細化初晶矽以及對共晶矽也兼有細化與控制作用。但P含量不易過高，否則將產生磷共晶，使合金變脆。因此，優選P的含量為0.01 0.10%。
在本發明中，Fe也是有益元素，Fe的作用機理是形成高硬度複合化合物相，對提高耐磨性能、高溫力學性能與熱物理性能有益。但鐵對合金凝固成型工藝、凝固組織控制以及機械加工帶來難度和不足，因此作為雜質元素必須嚴格控制。
鋁是合金中的主幹體系元素，其含量受合金化元素加入量約束。
一種梯度鋁合金缸套材料的製備方法:
①成分設計與精確配料:按照本發明合金的成分配方進行精確配料。在配料方法上，對矽、鎳、錳、銅、稀土等高熔點合金元素，採用中間合金的方法，進行配料，以便於能將這些高熔點合金元素加入到鋁液中，即以Al-40% Si,Al-20% Ni,Al-50% Cu、Al_15% Mn、Al-10% RE中間合金的爐料形式進行配料。鎂熔點與鋁熔點相近以純金屬爐料的方式進行配料。在以中間合金的爐料方式配料後，鋁量不足時，將以純鋁爐料的方式補足。
為避免磷揮發燃燒，也採用中間合金的方法，即採用Al-3% P中間合金的爐料形式加入。
②熔煉、覆蓋、精煉淨化與變質處理:
採用中頻電磁感應爐熔煉，熔煉時將上述鋁矽、鋁鎳、鋁銅、鋁錳中間合金一同加入。熔化後，調整鋁液溫度為710 730°C，加入鋁、鎂純金屬爐料(均為固體料塊)，純鋁料塊直接投入爐中，純鎂料塊用壓瓢或鐘罩的方式壓入鋁液中，並在鋁液內攪動直至完全熔化；
覆蓋劑的加入，覆蓋劑保護不出現裸露金屬液面為準，以保護鋁液避免氧化燒損，分別在熔化後、加鎂後以及精煉淨化後均勻撒入；採用含鉀、鎂氯鹽覆蓋劑，用量為總爐料重量的I 3% ;
精煉淨化，調整鋁液溫度750°C 880°C，加入總爐料重量的0.5 1.0%的六氯乙烷與氟矽酸鈉的精煉熔劑，用鐘罩壓入鋁液中並均勻的移動，對鋁液進行精煉與淨化處理，以去除濾液中渣物和有害氣體；一直到無氣體、氣泡逸出為止，靜置10 15分鐘後扒去渣物；再均勻撒上一層覆蓋劑；
變質處理，調整鋁 液溫度至820 900°C，加入鋁磷、鋁稀土中間合金，磷的加入量為總爐料重量的0.01 0.10%，稀土的加入量為總爐料重量的:0.04% 0.10% ;用漏勺加入；全部熔化後，靜置8 10分鐘；
③離心力場成型:由變頻電機控制，在中頻熔煉爐I中進行上述合金熔煉、覆蓋保護、精煉淨化與變質處理後連續澆注到預熱的導流槽2中控制導流，連續導入到預熱的筒形模具5中，啟動離心機4至規定轉速，同時，打開水閥噴水冷卻系統3，對模具進行噴淋冷卻；在離心機高速旋轉的離心力場作用下，鋁液6在高於重力鑄造幾十 幾百倍凝固壓力的作用下凝固結晶，通過採用不同尺寸筒形模具與控制不同的鋁液澆入量，以及控制離心機鑄造成型工藝參數，可製備不同尺寸的筒形管坯7。筒形管坯7的組織特點:內側偏聚高體積分數的高硬度矽相顆粒以及Mg2Si相顆粒結構組織，而外側偏聚高體積分數的共晶、α相以及含鎳相的結構組織。
鋁液導流澆注參數:
導流槽採用鎂砂耐火材料搗成，預熱溫度500 600°C ；
筒形模具預熱溫度200 300°C ；
澆注溫度:700 900°C ；
招液流量:5 15Kg/s ；
離心力場成型控制參數:
旋轉速度:200 2000r/min ；
水冷冷卻:常壓，噴淋冷卻；採用Φ 2 3mm噴水孔，間隔2mm，沿軸向密布。
製備材料及產品參數:
製備的筒形管還尺寸:外直徑Φ90 300mm,內直徑Φ70 270mm,長度150 350mm ；
④熱處理:將梯度鋁合金缸套材料筒形管坯7放入熱處理爐8中按固溶處理參數和時效處理參數進行固溶處理與時效處理；
固溶處理參數:
固溶溫度:480 525 O ;
保溫時間:2.0 4.0h ;
熱水淬火溫度:60 100°C ；
時效處理參數:
時效溫度:165 185 O ;
保溫時間:6.0 12.0h ;
⑤機加工與珩磨加工:
潤滑冷卻劑:煤油；
缸套機械成型加工刀頭:硬質合金或金剛石刀頭；
缸套內表面珩磨加工刀頭:硬質合金珩磨頭。
如圖4所示，為本發明的梯度鋁合金缸套材料製造的缸套結構形式，長度為L、內徑為Φ，但不局限於此結構。可藉助鑄鐵、鋼缸套加工工具機與條件加工，也可採用常規機械加工設備與缸套專用珩磨加工工具機加工。缸套可採用壓入或鑲鑄的方式與缸體(未示出)緊配合裝配，並通過與缸蓋(未示出)和活塞(未示出)三者形成在燃油燃燒或燃氣爆壓下的功能關係，使活塞在受迫運動下推動曲軸(未示出)作功，輸出動力。
在圖2a)的筒形管坯內側組織架構圖中分布高體積分數的低密度、高硬度S1、Mg2Si相；圖2b)的筒形管坯中間部位組織架構圖中，分布較少體積分數的S1、Mg2Si相；圖2c)的筒形管坯外側組織架構圖中，分布更少體積分數的S1、Mg2Si相。因此總體分布是內側分布低密度的高體積分數的S1、Mg2Si相，外側分布高密度的高體積分數的α、共晶相以及其它高密度合金化合物相。
測試用樣品件採用:
1、梯度鋁合金缸套材料的筒形管坯解剖，切取圓形拉伸試樣；
2、梯度鋁合金缸套材料的筒形管坯解剖，切取金相試樣；
3、梯度鋁合金缸套材料的筒形管坯解剖，切取摩擦學試驗方條試樣；
4、圖4為所示樣品件。
下面就實施例1、實施例2及實施例3的具體數據對本發明做更為詳細地說明:
表I各實施例化學成分(wt % )
權利要求
1.一種梯度鋁合金缸套材料，其特徵在於該缸套材料各組分按重量百分比為=Si:15.0 % 25.0 % ;N1:3.0 % 7 % ；Mg:0.8 % 1.8 % ；Cu:0.5 % 2.5 % ；Mn:0.3 % 0.7 % ；RE:0.04 % 0.10 % ；P:0.01 0.10 % ;A1:餘量；所述 RE 是以 La 為主的La-Ce-Pr-Nd 系混合稀土。
2.根據權利要求1所述的梯度鋁合金缸套材料，其特徵在於所述各組分按重量百分比為:Si:20.0 % ；Ni:5.00% ；Mg:1.50% ；Cu:2.00% ；Mn:0.50% ；RE:0.08% ；P:0.08% ；Al:餘量。
3.根據權利要求1或2所述的梯度鋁合金缸套材料，其特徵在於所述RE是以La為主的La-Ce-Pr-Nd系混合稀土，該混合稀土的成分按重量百分比；La:50 60%、Ce:10 20%、Pr: 10 15% 以及 Nd: 10 15%。
4.根據權利要求 1所述的梯度鋁合金缸套材料，其特徵在於所述的缸套材料及製品:內側具有38 47%體積分數的Si相、Mg2Si相以及少量的含銅、含Ni相與含Mn相，Mg2Si相尺寸最大氺35 μ m ；Si相尺寸最大氺45 μ m。
5.一種梯度鋁合金缸套材料的製備方法，其特徵在於包括以下步驟: 1)按合金成分進行配料:按照各組分按重量百分比為S1:15.0% 25.0% ；Ni:.3.0 % 7 % ;Mg:0.8 % 1.8 % ;Cu:0.5 % 2.5 % ；Mn:0.3 % 0.7 % ；RE:0.04 % .0.10% ；P:0.01-0.10% ；A1:餘量；所述RE是以La為主的La-Ce-Pr-Nd系混合稀土 ；採用鋁矽、鋁鎳、鋁銅、鋁錳、鋁稀土、鋁磷中間合金以及純鋁、純鎂爐料進行配料； 2)熔煉、覆蓋、精煉淨化與變質處理:採用中頻電磁感應爐，將上述鋁矽、鋁鎳、鋁銅、鋁錳中間合金一同加入進行熔煉，熔化後，調整鋁液溫度為710 730°C，加入鋁、鎂純金屬爐料，並在鋁液內攪動直至完全熔化； 覆蓋劑的加入，覆蓋劑保護不出現裸露金屬液面為準，分別在熔化後、加鎂後以及精煉淨化後均勻撒入；採用含鉀、鎂氯鹽覆蓋劑，用量為總爐料重量的I 3% ; 精煉淨化，調整鋁液溫度750°C 880°C，加入總爐料重量的0.5 1.0%的六氯乙烷與氟矽酸鈉的精煉熔劑，用鐘罩壓入鋁液中並均勻的移動，對鋁液進行精煉與淨化處理，以去除濾液中渣物和有害氣體；一直到無氣體、氣泡逸出為止，靜置10 15分鐘後扒去渣物，再均勻撒上一層覆蓋劑； 變質處理，調整鋁液溫度至820 900°C，加入鋁磷、鋁稀土中間合金進行變質處理，磷的加入量為總爐料重量 的0.01 0.10%，稀土的加入量為總爐料重量的:0.04% .0.10% ;用漏勺加入；全部熔化後，靜置8 10分鐘； 3)離心力場成型:合金經步驟2)處理後連續澆注到預熱的導流槽中控制導流，連續導入到預熱的筒形模具中，啟動離心機至規定轉速，同時，打開水閥噴水冷卻系統，對模具進行噴淋冷卻；在離心機高速旋轉的離心力場作用下，鋁液在高於重力鑄造幾十 幾百倍凝固壓力的作用下凝固結晶，通過採用不同尺寸筒形模具與控制不同的鋁液澆入量，以及控制離心機鑄造成型工藝參數，可製備不同尺寸的筒形管坯； 4)熱處理:將梯度鋁合金缸套材料筒形管坯放入熱處理爐中按固溶處理參數和時效處理參數進行固溶處理與時效處理； 5)最後經機加工與 行磨加工得到所需成品。
6.根據權利要求5所述的製備方法，其特徵在於所述步驟2)中的覆蓋劑按重量百分數:採用100% MgCl2.KCl溶劑組成，比例為1: 0.9 1.1，溫度660 700°C熔化，冷卻後破碎、球磨成粉，用20 50目篩過篩後使用或存放於乾燥器中待用。
7.根據權利要求5所述的製備方法，其特徵在於所述步驟2)中的精煉劑按重量百分比:採用65 75%的六氯乙烷與35 25%的氟矽酸鈉溶劑組成，精煉劑使用前稱重混合，壓製成直徑為Φ45 55mm，厚度為30 50mm的圓料塊，用鋁箔分包後使用或存於乾燥器中待用。
8.根據權利要求5所述的製備方法，其特徵在於所述步驟3)中的離心力場成型中的鋁液導流澆注的參數為: 導流槽採用鎂砂耐火材料搗成，預熱溫度500 600°C ； 筒形模具預熱溫度200 300°C ； 澆注溫度:700 900°C ； 鋁液流量:5 15Kg/s ； 離心機鑄造成型控制參數:旋轉速度:200 2000r/min ； 水冷冷卻:常壓，噴淋冷卻；採用Φ 2 3mm噴水孔，間隔2mm，沿軸向密布； 製備材料及產品參數: 製備的筒形管還尺寸:外直徑Φ 90 300mm,內直徑Φ 70 270mm,長度150 350_。
9.根據權利要求8所述的製備方法，其特徵在於所述離心力場成型中的鋁液導流澆注的參數為: 導流槽預熱溫度550 600°C ； 筒形模具預熱溫度200 230°C ； 澆注溫度:700 750°C ； 招液流量:5 8Kg/s ； 所述的離心力場成型控制的優選參數: 旋轉速度:1200 1800r/min。
10.根據權利要求5所述的製備方法，其特徵在於所述步驟4)中的熱處理參數為: 固溶處理參數: 固溶溫度:480 525 °C ； 保溫時間:2.0 4.0h ; 熱水淬火溫度:60 100°C ； 時效處理參數: 時效溫度:165 185 °C ； 保溫時間:6.0 12.0h。
11.根據權利要求10所述的製備方法，其特徵在於所述的熱處理中固溶處理參數與時效處理參數的優選方案是: 固溶處理參數: 固溶溫度:510 520°C ； 保溫時間:2.5 3.0h ; 熱水淬火溫度:60 100°C ；時效處理參數: 時效溫度:170 175°C ; 保溫時間:7 IOh0
12.根據權利要求5所述的製備方法，其特徵在於所述步驟5)中的機加工與珩磨加工中的潤滑冷卻劑:煤油； 缸套機械成型加工刀頭:硬質合金或金剛石刀頭； 缸套內表面珩磨加工刀頭:硬質合金珩磨頭。
全文摘要
本發明涉及一種梯度鋁合金缸套材料及其製備方法，其特徵在於該材料各組分按重量百分比為Si15.0％～25.0％；Ni3.0％～7％；Mg0.8％～1.8％；Cu0.5％～2.5％；Mn0.3％～0.7％；RE0.04％～0.10％；P0.01～0.10％；Al餘量；其製備步驟為按合金成分進行配料；熔煉、覆蓋、精煉淨化與變質處理；離心力場成型；熱處理；最後經機加工與珩磨加工得到所需成品。本發明通過設計高矽、高鎂以及高鎳含量的合金配方，有利於形成高矽、高Mg2Si以及高鎳含量的結構組織，製得的剃度缸套材料具有耐高溫、耐磨、低膨脹係數的特點，同時採用P、RE雙重複合變質處理技術及變頻電機控制的離心力場，強烈細化初晶矽與共晶矽組織，大大提高了缸套摩擦學性能。
文檔編號B22D13/00GK103160715SQ201110426430
公開日2013年6月19日 申請日期2011年12月19日 優先權日2011年12月19日
發明者孫廷富, 汪纓, 楊波, 陳耘, 李巖, 陳大輝, 宋建民, 湯進軍, 李素梅, 周靈展 申請人:中國兵器工業第五二研究所