[发明专利]一种颗粒增强铝硅钛合金气缸套及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铝合金气缸套及其铸造方法。特别是一种颗粒增强铝硅钛合金气缸套及其制造方法。

背景技术

气缸套作为内燃机的核心部件之一，其内壁直接与高温、高压燃气接触，工作温度高，热负荷大；并与活塞做高速的往复相对运动，汽缸内壁不仅要承受强烈的摩擦和磨损，还要承受活塞的冲击性的侧推力，从而在汽缸内部产生很大的热应力和机械应力；气缸套所处的工作环境极其恶劣。其质量的好坏直接影响着内燃机的使用性、可靠性、经济性及寿命。

传统上，铸铁被广泛的用作气缸套材料，但铸铁材料密度大，导热性差，与铝合金活塞材料的热物理相容性差，难于进一步缩小配缸间隙，不能高效经济地解决高功率内燃机的技术问题。

近年来，铝合金缸套的技术开发成为重要议题，已有技术中出现了高硅铝合金缸套喷射冶金法、铝合金气缸内表面涂覆处理工艺以及离心铸造法制备Al-Si-Mg合金初晶Si/Mg₂Si颗粒增强铝合金缸套内层工艺。另外，开展了离心铸造Al-Ti二元合金初生铝钛相梯度功能复合材料的基础研究。现分别叙述如下：

1.高硅铝合金气缸套的工艺主要是采用快速凝固喷射成形+高温挤压。德国戴姆勒-奔驰汽车制造公司与PEAK公司合作已将该法应用于部分高档轿车发动机缸套的制造(见中华人民共和国专利局“发明专利申请公开说明书”，发明名称：超共晶铝合金汽缸衬筒及其制造方法；申请号：95117636.6；申请日：95.10.24；公开日：1996年8月28日)。但是，该法工艺流程长，工艺参数控制难度大；设备投入大，气缸套制造成本很高，因此未能广泛采用。

2.铝合金气缸内表面涂覆工艺主要是对铝合金缸套内表面进行陶瓷化处理，如喷涂耐磨涂层或激光烧结Si，Al₂O₃等耐磨颗粒。该方法首先将发动机缸体和缸套同时整体铸出，为了提高缸套的耐磨性，用激光熔化缸套的内表面，同时将增强颗粒熔覆至缸套内表面，然后机械加工成形。该法的主要不足在于熔覆层有孔洞，在使用过程中出现熔覆层脱落的现象。另外，该工艺较复杂，生产效率低，且设备投资大。

3.离心铸造法制备初晶Si/Mg₂Si颗粒增强缸套内层工艺是最近被提出的(见中华人民共和国专利局“发明专利申请公开说明书”，发明名称：内层颗粒增强缸套及其制造方法；申请号：200810070197.0；申请日：2008.8.27；公开日：2009年1月7日)。这种方法的最大特点是尽可能的遵循了现有普通铸铁缸套的制造方法，生产效率高且工艺简单。然而，这种缸套由于是颗粒偏聚在内层，在离心铸造过程中，铸造夹渣、气孔等缺陷与颗粒同时偏移至铸件内层区域，颗粒与缺陷共存，致使机械加工难度增大，缸套成品率降低。

4.截止目前，关于离心铸造Al-Ti二元合金梯度功能复合材料的报道有少量见诸报道。哈尔滨工业大学的张宝生等人在铝液中加入纯Ti金属，采用金属型内嵌砂套，离心铸造(2000rpm)分别制备出了Al-(2.0wt.％，4.7wt.％，5.5wt.％)Ti二元系金属间化合物梯度功能材料(期刊：《功能材料》；1994年第25卷第5期，p446-451.)。另外，兰州理工大学的李健等人通过向铝液中分别加入5wt.％，10wt.％，15wt.％的TiO₂化合物颗粒(注：不是Ti含量)，该化合物颗粒与铝液反应，生成Al₃Ti增强相颗粒，采用离心铸造金属型(800、1000、1150rpm)制备出了不同Al₃Ti颗粒含量的Al₃Ti自生功能梯度复合材料(期刊：《热加工工艺》；2007年第36卷第5期，p31-34.)。研究结果表明：在离心力场的作用下，Al₃Ti颗粒含量和材料硬度在径向上呈由里向外递增的梯度分布，并随着离心转速和浆料中Ti含量的增加，该分布梯度逐渐增大。