一種離心鑄造外加顆粒增強氣缸套的方法
【專利摘要】本發明公開了一種離心鑄造外加顆粒增強氣缸套的方法，包括制備熔漿，預熱鑄型，澆注充型，離心成型，脫模冷卻和機械加工步驟，所述鑄型為不導磁材料，所述離心成型步驟在磁場下進行，所述離心成型步驟中離心轉速為500～2000r/min，所述磁場方向與離心鑄型軸線方向垂直或者平行，所述恒穩磁場的強度為0.01T～0.5T。本發明離心鑄造過程中加有磁場，可以使凝固前沿處熔體與已凝固部分產生轉速差，熔體不斷沖刷凝固前沿，從而避免增強顆粒的團聚與粘連，提高顆粒與基體的結合強度，進而提高氣缸套的綜合力學與熱學性能。
【專利說明】一種離心鑄造外加顆粒增強氣缸套的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種鑄造方法，特別涉及一種離心鑄造外加顆粒增強氣缸套的方法。【背景技術】
[0002]氣缸套、活塞、活塞環和氣缸蓋共同構成內燃機的燃燒室。燃料混合氣在燃燒室內經進氣、壓縮、燃燒和膨脹過程將熱能轉換為機械能。工作時，氣缸套直接與高溫氣體接觸，是內燃機中工作環境最為惡劣的零部件之一，其性能直接影響內燃機性能和壽命。
[0003]目前，乘用車內燃機多采用鑄鐵材料的氣缸套，制備成型后再鑲鑄在鋁合金缸體內。雖然制備鑄鐵氣缸套的工藝較為成熟，但是鑄鐵的熱傳導性、韌性與鋁合金氣缸體匹配性差，使用過程中，缸體和缸套結合強度容易降低，造成兩者結合不緊密，引起發動機缸體漏油、漏氣、排放超標等問題。
[0004]為解決這些問題，以鋁合金氣缸套替代鑄鐵氣缸套成為一種趨勢，目前常見制造招合金材料氣缸套的方法有以下幾種:
[0005]第一種:首先采用噴射沉積得到的無偏析高硅鋁合金，然后對合金錠進行旋壓加工形成管材，最后經過機械加工得到氣缸套成品。采用這種方法獲得的氣缸套，具有強度高、耐磨性和熱穩定性好的優點，但是這種方法工藝流程長，設備投入大，生產成本高，不利于大規模生產。
[0006]第二種:粉末冶金法制備外加顆粒增強鋁基氣缸套。首先采用快速凝固法制備鋁合金粉末，然后添加一定量的Al2O3或SiC等硬質顆粒并混合均勻，經粉末冶金形成氣缸套毛坯，最后在經車削形成氣缸套零件。這種方法也存在工藝流程復雜、成本高、不易大規模生產的缺點。
[0007]第三種:首先制備過共晶Al-Si或Al-S1-Mg合金熔漿，然后離心鑄造所得熔漿，合金在鑄造凝固過程中析出的初晶Si或Mg2Si顆粒的密度小于基體熔漿，在離心浮力的作用下最終聚集在氣缸套內層，形成內層具有顆粒增強的鋁梯度復合材料氣缸套毛坯，最后車削加工所得毛坯制得氣缸套成品。這種方法利用利用離心浮力將密度小于鋁溶體的增強顆粒偏聚到內層，在成形時，密度小于鋁溶體的雜質、氧化皮以及凝固過程中析出的H2也會隨增強顆粒一起偏聚到內層，形成夾渣、縮孔、疏松等缺陷，嚴重降低了內層的力學性能。
【發明內容】
[0008]有鑒于此，本發明提供一種離心鑄造外加顆粒增強氣缸套的方法，該方法鑄造的氣缸套的增強顆粒不團聚，內層無夾渣、縮孔、疏松。
[0009]本發明離心鑄造外加顆粒增強氣缸套的方法，包括制備熔漿，預熱鑄型，澆注充型，離心成型，脫模冷卻和機械加工步驟，所述離心成型步驟在磁場下進行，所述制備熔漿步驟中基體材料為Al-Si系合金，外加顆粒為SiC顆粒、Al2O3顆粒或SiC、Al2O3混合顆粒。
[0010]進一步，所述磁場方向與離心鑄型軸線方向垂直或者平行，所述磁場的強度為0.01 ?0.5T。[0011]進一步，所述預熱鑄型步驟中的鑄型由不導磁材料構成，預熱溫度為200-350°C。
[0012]進一步，所述澆注充型步驟中熔漿澆注溫度為700-750°C。
[0013]進一步,所述離心成型步驟中離心轉速為500?2000r/min。
[0014]進一步，所述外加顆粒體積分數為熔漿的5-30%。
[0015]進一步,所述SiC顆粒粒徑為5-80 μ m,所述Al2O3顆粒粒徑為5-80 μ m。
[0016]本發明的有益效果在于:本發明離心鑄造方法添加的增強顆粒密度大于鋁熔體，在離心過程中向外層運動，而復合材料熔漿中的雜質及氣泡(如氫氣)的密度小于鋁熔體，在離心過程中向內層運動；兩種方向不同的運動實現了雜質及氣泡與增強顆粒的分離。本發明離心鑄造過程中加有磁場，可以使凝固前沿處熔體與已凝固部分產生轉速差，熔體不斷沖刷凝固前沿，從而避免增強顆粒的團聚與粘連，提高顆粒與基體的結合強度，進而提高氣缸套的綜合力學及熱學性能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步描述；
[0018]圖1為本發明離心鑄造方法原理圖；
[0019]圖2為本發明尚心鑄造廣品毛還截面不意圖；
[0020]圖3為本發明成品截面示意圖；
[0021]圖4為為本發明離心鑄造設備的一種結構示意圖；
[0022]圖5為本發明離心鑄造設備的另一種結構示意圖；
[0023]其中:1為鑄型，2已凝固部分，3為凝固前沿，4為增強顆粒，5為氣泡/夾雜，6為顆粒聚集區，7為過渡區，8為雜質聚集區，9為推板，10為擋板，11為磁極，12為電磁線圈；ω為離心旋轉角速度，B為磁力線方向，Fl為離心力，F2為離心浮力，F3為電磁力。
【具體實施方式】
[0024]以下將參照附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。
[0025]圖1是本發明離心鑄造外加顆粒增強氣缸套方法的原理圖，本發明的離心鑄型I由不導磁的材料制成，與現有技術相比，本發明的離心鑄型I外還設置有一對磁極11，形成一垂直于離心鑄型軸線的磁場。本發明離心鑄造方法中外加增強顆粒4密度大于鋁熔體，在離心過程中受到離心力Fl的作用向外層運動，而熔漿中的雜質及氣泡5(主要是氫氣)的密度小于鋁熔體，在離心過程中受到離心浮力F2作用向內層運動；兩種方向不同的運動實現了雜質及氣泡5與增強顆粒4的分離。本發明離心鑄造過程中所加磁場使熔體在離心旋轉過程中受到大小與離心旋轉速度ω正相關但方向相反的電磁力F3的作用。熔體在電磁力F3的作用下與已凝固部分2產生轉速差，這種轉速差使熔體不斷沖刷凝固前沿3，從而避免增強顆粒4的團聚與粘連，提高顆粒與基體的結合強度，進而提高氣缸套的綜合力學與熱學性能。
[0026]圖2為本發明離心鑄造產品毛坯截面示意圖，圖中產品分為外層顆粒聚集區6，中部過渡區7，內層雜質聚集區8。圖3本發明成品截面示意圖，圖中僅保留了外層顆粒聚集區6，中部過渡區7和內層雜質聚集區8均被去除。
[0027]圖4為本發明離心鑄造設備的結構，包括鑄型1、擋板10、推板9，所述鑄型I外還設置有至少一對磁極11，所述磁極11的磁力線方向垂直于鑄型軸線，所述磁極11所產生的磁場能夠有效覆蓋離心鑄型。
[0028]圖5為本發明另一種離心鑄造設備的結構，它與圖4離心鑄型的區別僅在于其磁場由環繞在鑄型I外的電磁線圈12產生，電磁線圈12產生的磁力線方向B與鑄型軸線平行。需要說明的是，上述兩種離心鑄型磁力線的方向雖然不同，但是增強顆粒在兩種磁場中所受電磁力方向與大小變化規律是等效的，可以根據需要選擇合適的類型。
[0029]以下實施例中，實施例1-4為SiC顆粒增強Al-Si合金復合材料氣缸套的制備實施例，實施例5、6為Al2O3顆粒增強Al-Si合金復合材料氣缸套的制備實施例，實施例7為SiC和Al2O3混合顆粒增強Al-Si合金復合材料氣缸套的制備實施例。
[0030]實施例1:
[0031]本實施例離心鑄造外加顆粒增強氣缸套的方法，包括以下步驟:1、制備熔漿:以Al-Si合金和粒徑為60-80 μ m的SiC顆粒為原料，配制SiC顆粒體積分數為5%的復合熔漿，控制熔漿澆注溫度為720-740°C;2、預熱鑄型:澆注前對鑄型進行預熱，本實施例中鑄型預熱溫度為200°C;3、澆注充型:將步驟I制備的復合材料熔漿均勻的澆注到步驟2預熱的鑄型中，本實施例澆注時離心轉速逐漸增加，澆注完畢時達到600r/min ;4、離心成型:澆注充型結束后熔漿在離心力及磁場的作用下凝固成型，離心速度恒為600r/min，磁場強度為
0.0lT ;5、脫模冷卻:取出步驟4所得產品空冷冷卻制得氣缸套毛坯；6、機械加工:取步驟5所得毛坯，去除中部過渡區7和內層雜質聚集區8均即得產品。
[0032]本實施例所制得的氣缸套，增強顆粒的體積分數約為10%，基本無粘連、團聚現象；基體中的共晶Si呈短條狀。
[0033]實施例2:
[0034]本實施例離心鑄造外加顆粒增強氣缸套的方法，包括以下步驟:1、制備熔漿:以Al-Si合金和粒徑為40-60 μ m的SiC顆粒為原料，配制SiC顆粒體積分數為15%的復合熔漿，控制熔漿澆注溫度為720-740°C;2、預熱鑄型:澆注前對鑄型進行預熱，本實施例中鑄型預熱溫度為300°C;3、澆注充型:將步驟I制備的復合材料熔漿均勻的澆注到步驟2預熱的鑄型中，本實施例澆注時離心轉速逐漸增加，澆注完畢時達到1000r/min ;4、離心成型:澆注充型結束后熔漿在離心力及磁場的作用下凝固成型，離心速度恒為lOOOr/min，磁場強度為0.05T ;5、脫模冷卻:取出步驟4所得產品空冷冷卻制得氣缸套毛坯；6、機械加工:取步驟5所得毛坯，去除中部過渡區7和內層雜質聚集區8均即得產品。
[0035]本實施例所制得的氣缸套，增強顆粒的體積分數約為30%，無粘連、團聚現象；基體中的共晶Si呈短棒狀。與實施例1相比，本實施例氣缸套中顆粒的體積分數更高，粒徑更小，其力學性能進一步提高。
[0036]實施例3:
[0037]本實施例離心鑄造外加顆粒增強氣缸套的方法，包括以下步驟:1、制備熔漿:以Al-Si合金和粒徑為20-40 μ m的SiC顆粒為原料，配制SiC顆粒體積分數為20%的復合熔漿，控制熔漿澆注溫度為720-740°C;2、預熱鑄型:澆注前對鑄型進行預熱，本實施例中鑄型預熱溫度為350°C;3、澆注充型:將步驟I制備的復合材料熔漿均勻的澆注到步驟2預熱的鑄型中，本實施例澆注時離心轉速逐漸增加，澆注完畢時達到1500r/min ;4、離心成型:澆注充型結束后熔漿在離心力及磁場的作用下凝固成型，離心速度恒為1500r/min，磁場強度為0.1T ;5、脫模冷卻:取出步驟4所得產品空冷冷卻制得氣缸套毛坯；6、機械加工:取步驟5所得毛坯，去除中部過渡區7和內層雜質聚集區8均即得產品。
[0038]本實施例所制得的氣缸套，增強顆粒的體積分數約為40%，無粘連、團聚現象；基體中的共晶Si呈短棒狀。與實施例2相比，本實施例氣缸套中顆粒的體積分數更高，粒徑更小，其力學性能進一步提高。
[0039]實施例4:
[0040]本實施例離心鑄造外加顆粒增強氣缸套的方法，包括以下步驟:1、制備熔漿:以Al-Si合金和粒徑為5-20 μ m的SiC顆粒為原料，配制SiC顆粒體積分數為25%的復合熔漿，控制熔漿澆注溫度為720-740°C;2、預熱鑄型:澆注前對鑄型進行預熱，本實施例中鑄型預熱溫度為350°C;3、澆注充型:將步驟I制備的復合材料熔漿均勻的澆注到步驟2預熱的鑄型中，本實施例澆注時離心轉速逐漸增加，澆注完畢時達到2000r/min ;4、離心成型:澆注充型結束后熔漿在離心力及磁場的作用下凝固成型，離心速度恒為2000r/min，磁場強度為0.5T ;5、脫模冷卻:取出步驟4所得產品空冷冷卻制得氣缸套毛坯；6、機械加工:取步驟5所得毛坯，去除中部過渡區7和內層雜質聚集區8均即得產品。
[0041]本實施例所制得的氣缸套，增強顆粒的體積分數約為50%，無粘連、團聚現象；基體中的共晶Si呈短棒狀。與實施例3相比，本實施例氣缸套中顆粒的體積分數更高，粒徑更小，其力學性能進一步提高。
[0042]實施例5:
[0043]本實施例離心鑄造外加顆粒增強氣缸套的方法，包括以下步驟:1、制備熔漿:以Al-Si合金和的Al2O3顆粒(由粒徑為40-60 μ m 60-80 μ m的Al2O3顆粒按質量比為1:2的比例混合)為原料，配制Al2O3顆粒體積分數為20%的復合熔漿，，控制熔漿澆注溫度為720-7400C ;2、預熱鑄型:澆注前對鑄型進行預熱，本實施例中鑄型預熱溫度為300°C ;3、澆注充型:將步驟I制備的復合材料熔漿均勻的澆注到步驟2預熱的鑄型中，本實施例澆注時離心轉速逐漸增加，澆注完畢時達到600r/min ;4、離心成型:澆注充型結束后熔漿在離心力及磁場的作用下凝固成型，離心速度恒為600r/min,磁場強度為0.02T ;5、脫模冷卻:取出步驟4所得產品空冷冷卻制得氣缸套毛坯；6、機械加工:取步驟5所得毛坯，去除中部過渡區7和內層雜質聚集區8均即得產品。
[0044]本實施例所制得的氣缸套，增強顆粒的體積分數約為35%，無粘連、團聚現象；基體中的共晶Si呈短棒狀。
[0045]實施例6:
[0046]本實施例離心鑄造外加顆粒增強氣缸套的方法，包括以下步驟:1、制備熔漿:以Al-Si合金和的Al2O3顆粒(由粒徑為5-20 μ m 20-40 μ m的Al2O3顆粒按質量比為1:2的比例混合)為原料，配制Al2O3顆粒體積分數為30%的復合熔漿，，控制熔漿澆注溫度為720-7400C ;2、預熱鑄型:澆注前對鑄型進行預熱，本實施例中鑄型預熱溫度為350°C ;3、澆注充型:將步驟I制備的復合材料熔漿均勻的澆注到步驟2預熱的鑄型中，本實施例澆注時離心轉速逐漸增加，澆注完畢時達到2000r/min ;4、離心成型:澆注充型結束后熔漿在離心力及磁場的作用下凝固成型，離心速度恒為2000r/min，磁場強度為0.1T ;5、脫模冷卻:取出步驟4所得產品空冷冷卻制得氣缸套毛坯；6、機械加工:取步驟5所得毛坯，去除中部過渡區7和內層雜質聚集區8均即得產品。[0047]本實施例所制得的氣缸套，增強顆粒的體積分數約為60%，無粘連、團聚現象；基體中的共晶Si呈短棒狀。與實施例5相比，雖然顆粒體積分數增大，粒徑減小，但由于基體合金較少，顆粒與基體的結合強度降低，因此，其力學性能有所下降。
[0048]實施例7:
[0049]本實施例離心鑄造外加顆粒增強氣缸套的方法，包括以下步驟:1、制備熔漿:以Al-Si合金和的Al2O3和SiC混合顆粒(粒徑為5-20 μ m、20_40 μ m的Al2O3顆粒和粒徑為40-60μπι、60-80μπι和SiC顆粒的按質量比為I:1:1:1的比例混合)為原料，配制Al2O3和SiC混合顆粒體積分數為25%的復合熔漿，控制熔漿澆注溫度為720-740°C;2、預熱鑄型:澆注前對鑄型進行預熱，本實施例中鑄型預熱溫度為300°C ;3、澆注充型:將步驟I制備的復合材料熔漿均勻的澆注到步驟2預熱的鑄型中，本實施例澆注時離心轉速逐漸增加，澆注完畢時達到1500r/min ;4、離心成型:澆注充型結束后熔漿在離心力及磁場的作用下凝固成型，離心速度恒為1500r/min，磁場強度為0.1T ;5、脫模冷卻:取出步驟4所得產品空冷冷卻制得氣缸套毛坯；6、機械加工:取步驟5所得毛坯，去除中部過渡區7和內層雜質聚集區8均即得產品。
[0050]本實施例所制得的氣缸套，增強顆粒的體積分數約為50%，無粘連、團聚現象；基體中的共晶Si呈短棒狀。與以上實施例相比，由于顆粒種類增加，粒徑范圍變大，體積分數合適，氣缸套的硬度、耐磨性等力學性能均有所提高。
[0051]最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，上述實施例著重分析了離心力和磁場隨時間變化以及磁場加載時間對產品性能的影響，但這并不排除其他離心力和磁場的加載方式，相關人員可以根據需要作出種種變化。本領域普通技術人員可以根據實際需要對離心鑄造顆粒增強復合材料的工藝參數(如磁場和離心轉速的大小及與時間關系，澆溫、鑄型溫度等)、原材料種類及含量進行各種各樣的調整。例如，通過調整復合材料基體及增強顆粒的種類、比例及離心成型工藝，可以制備其他種類的顆粒增強梯度復合材料，并可以實現增強層呈驟變梯度分布、增強層厚度的可控設計；通過調整基體及增強顆粒的成分、離心鑄造工藝或采取后續變質處理工藝，可以實現增強顆粒直徑的可控設計；通過在基體中添加微量合金元素(Cu、N1、Mn、Ti等)，可以實現非增強層機械性能調整。以上各種改變，只要其離心鑄造過程中有外加磁場存在，均屬于本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種離心鑄造外加顆粒增強氣缸套的方法，包括制備熔漿，預熱鑄型，澆注充型，離心成型，脫模冷卻和機械加工步驟，其特征在于:所述離心成型步驟在磁場下進行，所述制備熔漿步驟中基體材料為Al-Si系合金，外加顆粒為SiC顆粒、Al2O3顆粒或SiC、Al203混合顆粒。
2.如權利要求1所述離心鑄造外加顆粒增強氣缸套的方法，其特征在于:所述磁場方向與離心鑄型軸線方向垂直或者平行，所述磁場的強度為0.01?0.5T。
3.如權利要求1所述離心鑄造外加顆粒增強氣缸套的方法，其特征在于:所述預熱鑄型步驟中的鑄型由不導磁材料構成，預熱溫度為200-350°C。
4.如權利要求1所述離心鑄造外加顆粒增強氣缸套的方法，其特征在于:所述澆注充型步驟中熔漿澆注溫度為700-750°C。
5.如權利要求1所述離心鑄造外加顆粒增強氣缸套的方法，其特征在于:所述離心成型步驟中離心轉速為500?2000r/min。
6.如權利要求1-5任意一項所述離心鑄造外加顆粒增強氣缸套的方法，其特征在于:所述外加顆粒體積分數為熔漿的5-30%。
7.如權利要求1-5任意一項所述離心鑄造外加顆粒增強氣缸套的方法，其特征在于:所述SiC顆粒粒徑為5-80 μ m,所述Al2O3顆粒粒徑為5_80 μ m。
【文檔編號】B22D13/02GK103447496SQ201310388322
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年8月30日 優先權日:2013年8月30日
【發明者】翟彥博, 馬秀騰, 何輝波, 羅書強, 馬永昌, 陳紅兵, 代榮, 劉軍 申請人:西南大學