內層顆粒增強缸套及其製造方法
2023-09-16 23:06:25
專利名稱：內層顆粒增強缸套及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種發動機汽缸部件，特別是一種內層顆粒增強缸套及其製造 方法。
背景技術：
缸套是內燃發動機重要零件，缸套的機械性能和熱性能對發動機工作效率、 使用壽命以及工作狀態有重要的影響。傳統的發動機缸套材料主要是合金耐磨 鑄鐵或鋼板。隨著節能環保意識的進一步加強，對汽車減重的要求越來越高， 隨之出現了用密度較小的鋁合金等材料製造缸套，為了增加密度較小材料缸套 的機械性能和熱性能，現有技術中出現了高矽鋁合金缸套噴射冶金法和鋁合金 汽缸內表面雷射熔覆矽顆粒增強法兩種製造鋁合金缸套的方法。
高矽鋁合金缸套噴射冶金法是液態熔體噴射沉積成形法。噴射過程熔體內
顆粒細化，並在沉積體內均勻分布。高矽鋁合金缸套噴射冶金法主要用於Si含 量在25%以上的過共晶鋁矽合金缸套的生產(製備)，在缸套中形成耐磨的初晶矽 顆粒。該方法工藝過程複雜、機械切削量大，材料消耗大、成本高，因此未得到 工業化應用。
鋁合金汽缸內表面雷射熔復矽顆粒增強法為採用雷射熔復矽顆粒增強鋁合 金缸套耐磨性，其具體工藝如下鑄造工藝成形氣缸整體——對氣缸內表面機 加工——釆用雷射熔覆工藝在氣缸內表面堆積厚度約0.8ram高矽層——機械精 加工氣缸內表面。該方法需要雷射器及其控制儀器和設備，工藝複雜；雷射是 點光源，因此熔復矽顆粒時間長，生產效率低；缸套增強層存在1%左右的孔隙 率，孔洞尺寸為0. 1-0. 5mm，因此缸套的增強層易剝落，影響缸套的使用壽命。
因此，需要一種內層增強缸套，內層增強區域與基體結合良好，穩定牢固，孔 隙率低，重量輕，機械性能和熱性能好，並且製造方法工藝過程簡單，生產效 率高。
發明內容
有鑑於此，本發明的目的是提供一種內層顆粒增強缸套及其製造方法，內 層增強層與外層非增強層結合良好，重量輕，孔隙率低，機械性能和熱性能好， 並且製造方法工藝過程簡單，生產效率高。
本發明的內層顆粒增強缸套，包括缸套基體，所述缸套基體包括徑向內層 的增強層和外層的非增強層，增強層由增強顆粒分布在缸套基體內構成，所述 增強層與非增強層通過冶金結合的方式進行結合。
進一步，所述增強層內增強顆粒材料按體積百分含量由高到低從內至外逐 漸過渡；增強層與非增強層通過冶金結合的過渡層進行結合，所述過渡層的增 強顆粒從內至外逐漸降為零；
進一步，所述增強層位於缸套內表面的增強顆粒的體積百分含量大於等於 跳
進一步，所述增強層位於缸套內表面的增強顆粒的體積百分含量為20— 50%;
進一步，所述增強層位於缸套內表面的增強顆粒的體積百分含量為35%;
進一步，所述增強顆粒為初晶Si和Mg2Si的混合顆粒，所述缸套基體的材 料為鋁基合金；
進一步，初晶Si和Mg2Si的混合顆粒中，按體積百分含量初晶Si佔20%— 50%，初晶Si的粒徑為20—120 u m， Mg2Si的粒徑為20—40 ii m; 進一步，所述增強層的厚度為l一3mm;
本發明還公開了一種內層顆粒增強缸套的製造方法，包括熔融態材料的制 備、鑄造和後續加工，所述增強顆粒的密度小於缸套基體材料的密度，通過離
心鑄造的方式實現增強顆粒在缸套基體內向內層偏聚，致使缸套基體分為內層 的增強層和外層的非增強層。
進一步，缸套基體材料選用過共晶Al-Si系合金，增強顆粒為初晶Si與Mg2Si 混合顆粒，增強層的增強顆粒是在熔融材料時加入Mg，鑄造時凝固過程中從熔 體中自生析出的初晶Si與Mg2Si顆粒；離心鑄造過程中，轉速為600—3000rpm， 模具預熱溫度為130—400'C。
本發明的有益效果是本發明的內層顆粒增強缸套，內層增強層與外層非 增強層通過過渡層以冶金結合的方式結合，過渡均勻平緩，穩定牢固，延長缸 套使用壽命，重量輕，孔隙率低，機械性能和熱性能好，提高發動機工作效率， 並且製造方法工藝過程簡單，生產效率高，增強顆粒在非增強層內的含量為零， 在增加內層的耐磨性的同時，並不影響缸套整體的抗拉強度等機械性能；採用 鋁為主要基體材料，重量輕，可以使每個缸套減重67%左右，可以降低汽車的燃 油消耗和排放汙染；該缸套用初晶Si與Mg2Si顆粒作為增強相，比單一的初晶 Si增強效果更好，同時，Mg2Si顆粒表面的網狀龜裂紋具有一定的儲油效果，可 以省去儲油孔加工工序，提高缸套的磨損性能；該缸套在製造過程中，增強顆 粒是熔體內自生形成，因而孔隙率低，小於0.3%，該缸套製造方法與現有的灰 鑄鐵缸套離心鑄造工藝完全相同，工藝過程簡單，生產效率高，與雷射熔覆工 藝相比，不需要雷射熔復矽顆粒增強法所需要的雷射器及其控制儀器和設備， 製造成本低；與噴射沉積工藝相比，工藝簡單，並且節約大量的原材料；該缸 套可以通過調整合金成分與離心鑄造工藝而滿足不同的梯度功能要求；該缸套 由於外壁是共晶或亞共晶鋁合金，材料的硬度低，內層的初晶Si與Mg2Si加工 性能良好，因此便於車削加工。
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步描述。 附圖為本發明的結構示意圖。
具體實施例方式
附圖為本發明的結構示意圖，如圖所示本實施例的內層顆粒增強缸套， 包括缸套基體，缸套基體包括徑向內層的增強層1和外層的非增強層2，增強層 1由增強顆粒分布在缸套基體內構成，增強層1與非增強層2通過冶金結合的過 渡層3進行結合；非增強層內不含有增強顆粒，宏觀上觀察，增強層與非增強 層之間界限明顯。
增強層1內增強顆粒材料按體積百分含量由高到低從內至外逐漸過渡，過 渡層3的增強顆粒從內至外逐漸降為零；本實施例中，增強顆粒為初晶Si和 Mg2Si的混合顆粒，缸套基體的材料為鋁基合金。
以下缸套基體增強層內表面的增強顆粒按體積百分含量的實施例 實施例一
增強層位於缸套內表面的初晶Si和Mg2Si增強顆粒按體積百分含量為10y。， 在初晶Si和Mg2Si的混合顆粒中，按體積百分含量初晶Si佔20%，初晶Si的 粒徑為20—120 u m, Mg2Si的粒徑為20—40 u m。
實施例二
增強層位於缸套內表面的初晶Si和Mg2Si增強顆粒按體積百分含量為20Q/。， 本實施例中增強顆粒的體積百分含量使缸套的機械性能以及耐磨性優於實施例 一；在初晶Si和Mg2Si的混合顆粒中，按體積百分含量初晶Si佔50%，初晶 Si的粒徑為20—120 y m, Mg2Si的粒徑為20—40 u m。
實施例三
增強層位於缸套內表面的初晶Si和Mg2Si增強顆粒按體積百分含量為35Q/。， 本實施例中增強顆粒的體積百分含量使缸套的機械性能以及耐磨性優於實施例 二；在初晶Si和Mg2Si的混合顆粒中，按體積百分含量初晶Si佔35%，初晶 Si的粒徑為20—120um， Mg2Si的粒徑為20—40um，本實施例增強顆粒中
的初晶Si體積百分含量使缸套的機械性能以及耐磨性優於實施例二。
實施例四
增強層位於缸套內表面的初晶Si和Mg2Si增強顆粒按體積百分含量為50M， 本實施例中增強顆粒的體積百分含量使缸套的機械性能以及耐磨性優於實施例 一，在初晶Si和Mg2Si的混合顆粒中，按體積百分含量初晶Si佔35%，初晶 Si的粒徑為20—120 um， Mg2Si的粒徑為20—40um，本實施例增強顆粒中 的初晶Si體積百分含量使缸套的機械性能以及耐磨性優於實施例一。
以下為本發明的製造方法實施例。 製造實施例一
內層顆粒增強缸套的製造方法，包括熔融態材料的製備、鑄造和後續加工， 增強顆粒為初晶Si與Mg2Si混合顆粒，密度小於缸套基體材料鋁基合金的密度， 通過離心鑄造的方式實現增強顆粒在缸套基體內向內層偏聚，致使缸套基體分 為徑向內層的增強層和外層的非增強層；宏觀上觀察，增強層與非增強層之間 界限明顯；
增強層的增強顆粒是在熔融材料時加入Mg，鑄造時凝固過程中從熔體中自 生析出的初晶Si與Mg2Si顆粒；離心鑄造過程中，轉速為600rpm，模具預熱溫 度為130—400。C。
製造實施例二
內層顆粒增強缸套的製造方法，包括熔融態材料的製備、鑄造和後續加工， 增強顆粒為初晶Si與Mg2Si混合顆粒，密度小於缸套基體材料鋁基合金的密度， 通過離心鑄造的方式實現增強顆粒在缸套基體內向內層偏聚，致使缸套基體分 為徑向內層的增強層和外層的非增強層；宏觀上觀察，增強層與非增強層之間 界限明顯；
增強層的增強顆粒是在熔融材料時加入Mg，鑄造時凝固過程中從熔體中自 生析出的初晶Si與Mg2Si顆粒；離心鑄造過程中，轉速為3000rpm，模具預熱
溫度為130—400°C。
製造實施例三
內層顆粒增強缸套的製造方法，包括熔融態材料的製備、鑄造和後續加工, 增強顆粒為初晶Si與Mg2Si混合顆粒，密度小於缸套基體材料鋁基合金的密度， 通過離心鑄造的方式實現增強顆粒在缸套基體內向內層偏聚，致使缸套基體分 為徑向內層的增強層和外層的非增強層；宏觀上觀察，增強層與非增強層之間 界限明顯；
增強層的增強顆粒是在熔融材料時加入Mg，鑄造時凝固過程中從熔體中自 生析出的初晶Si與Mg2Si顆粒；離心鑄造過程中，轉速為1500rpm，模具預熱 溫度為130—40(TC。
本發明中通過調整鋁合金中Si元素與Mg元素的相對含量與離心成形工藝 (如澆溫、模具溫度、離心轉速等工藝條件)，可以把增強層設計與控制成驟變 梯度分布狀態；通過定量鋁水與調整離心鑄造工藝，可以實現增強層厚度的設 計與控制；通過調整離心轉速與合金中Si、 Mg元素的對比含量，可以實現增強 層顆粒體積分數的可設計性與可控制性；通過調整合金成分，變質處理、澆注 工藝、離心鑄造工藝，可以控制初晶Si顆粒的粒徑在20-120um之間，Mg2Si 顆粒粒徑在20-40 um之間；通過控制增強顆粒的體積分數與粒徑大小，可以設 計與控制增強的耐磨性能、拉伸強度、導熱係數、熱穩定性等機械性能；通過 調整離心鑄造工藝(澆注溫度、模具溫度、離心轉速等)，可以設計與控制非增 強層的合金成分(共晶、準共晶或亞共晶成分)，同時通過在合金中添加微量合 金元素(Cu、 Ni、 Mn、 Ti等)，可以實現非增強層機械性能(常溫抗拉強度、高 溫抗拉強度等)的可設計性與可控制性。
因此，可以通過簡單的工藝調整，可以大大增強該缸套的機械性能和熱性能， 提高發動機工作效率，並且工藝過程簡單，生產效率高。
最後說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管 參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解， 可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的 宗旨和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
權利要求
1.一種內層顆粒增強缸套，包括缸套基體，其特徵在於所述缸套基體包括徑向內層的增強層(1)和外層的非增強層(2)，增強層(1)由增強顆粒分布在缸套基體內構成，所述增強層(1)與非增強層(2)通過冶金結合的方式進行結合。
2. 根據權利要求1所述的內層顆粒增強缸套，其特徵在於所述增強層(1)內的增強顆粒材料按體積百分含量由高到低從內至外逐漸過渡；增強層(1)與 非增強層(2)通過冶金結合的過渡層(3)進行結合，所述過渡層(3)的增強 顆粒從內至外逐漸降為零。
3. 根據權利要求1或2所述的內層顆粒增強缸套，其特徵在於所述增強層 (1)位於缸套內表面的增強顆粒的體積百分含量大於等於10%。
4. 根據權利要求3所述的內層顆粒增強缸套，其特徵在於所述增強層(l)位於缸套內表面的增強顆粒的體積百分含量為20—50%。
5. 根據權利要求4所述的內層顆粒增強缸套，其特徵在於所述增強層(l) 位於缸套內表面的增強顆粒的體積百分含量為35%。
6. 根據權利要求1、 2、 4或5所述的內層顆粒增強缸套，其特徵在於所述 增強顆粒為初晶Si和Mg2Si的混合顆粒，所述缸套基體的材料為鋁基合金。
7. 根據權利要求6所述的內層顆粒增強缸套，其特徵在於初晶Si和Mg2Si 的混合顆粒中，按體積百分含量初晶Si佔20%_50%，初晶Si的粒徑為20—120 u m ， Mg2Si的粒徑為20—40 u m 。
8. 根據權利要求5所述的內層顆粒增強缸套，其特徵在於所述增強層(1) 的厚度為l一3mm。
9. 一種權利要求1所述的內層顆粒增強缸套的製造方法，包括熔融態材料的 製備、鑄造和後續加工，其特徵在於所述增強顆粒的密度小於缸套基體材料 的密度，通過離心鑄造的方式實現增強顆粒在缸套基體內向內層偏聚，致使缸套基體分為徑向內層的增強層和外層的非增強層。
10.根據權利要求9所述的內層顆粒增強缸套的製造方法，其特徵在於缸 套基體材料選用過共晶Al-Si系合金，增強顆粒為初晶Si與Mg2Si混合顆粒， 增強層的增強顆粒是在熔融材料時加入Mg，鑄造時凝固過程中從熔體中自生析 出的初晶Si與Mg2Si顆粒；離心鑄造過程中，轉速為600—3000rpm，模具預熱 溫度為130—40(TC。
全文摘要
本發明公開了一種內層顆粒增強缸套及其製造方法，包括缸套基體，缸套基體包括徑向內層的增強層和外層的非增強層，增強層由增強顆粒分布在缸套基體內構成，增強層與非增強層通過冶金結合的過渡層進行結合，本發明增強層和非增強層過渡均勻平緩，穩定牢固，延長缸套使用壽命，缸套重量輕，孔隙率低，機械性能和熱性能好，提高發動機工作效率，並且製造方法工藝過程簡單，生產效率高，增強顆粒在非增強層內的含量為零，在增加內層的耐磨性的同時，並不影響缸套整體的抗拉強度等機械性能，該缸套採用離心鑄造方法成形內層顆粒偏聚的毛坯，然後毛坯熱處理和機械切削加工製造獲得。
文檔編號B22D15/00GK101338704SQ20081007019
公開日2009年1月7日 申請日期2008年8月27日 優先權日2008年8月27日
發明者劉昌明, 開 王, 翟彥博, 勇 謝 申請人:重慶大學