[发明专利]一种颗粒增强内燃机铝缸套及其与铝缸体的组合成形方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种内燃机发动机汽缸部件，特别是一种颗粒增强内燃机铝缸套及其与铝合金缸体组合成形的制造方法。

背景技术

缸套作为内燃机中产生动力的核心零件之一，其工作面是活塞往复运动承受摩擦的导向面，缸套的使用可靠性在很大程度上决定着内燃机的使用周期。目前，部分轻型内燃机发动机为了减轻重量采用了铝合金汽缸体，但是，与活塞相配的汽缸套仍然采用铸铁材料，在铝合金缸体压铸时，将铸铁缸套与铝合金缸体铸造成一体。

近年来，铝合金缸套的技术开发成为重要议题，已有技术分别叙述如下：

1.高硅铝合金气缸套，其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，因此未能广泛推广。

2.铝合金气缸内表面涂覆法，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。该法的主要不足在于熔覆层有孔洞，且气缸套内表面涂层与基体合金部分的结合过渡剧烈，容易形成应力集中，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(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内层增强，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，致使其机械加工难度增大，缸套成品率降低并影响了其耐磨性能。

4.目前，国内已经有了关于含铁铝合金离心铸造制备自生梯度功能复合材料(Functionally Gradient Materials，简称FGM)的基础研究。华中理工大学杨光照等人研究了Al-5wt％Fe-6wt％Si-2.5wt％Mn合金在金属型离心铸造下(500-1000rpm)得到初生铝铁相沿铸管壁厚梯度分布的自生复合材料(见期刊：《特种铸造及有色合金》；1997年第2期；P11-14)；武汉科技学院的徐自立和华中科技大学的魏伯康、林汉同采用离心铸造(500-1000rpm)制备了Al-(4-8)wt％Fe-(3-12)wt％Si合金的梯度功能复合材料。试验表明：在离心力场下，铝铁相发生了径向移动(见期刊：《特种铸造及有色合金》；2001年第3期；P16-17)。

根据以上铝铁合金的研究文献，本申请者认为：铝合金缸套应该具有良好的耐磨性能，因此，合金中耐磨初生铝铁相的含量应该足够高，即合金中的铁含量须足够高；同时，为了细化初生铝铁相，合金中应加入一定量的锰金属。在现有的铝基高铁合金离心铸造制备自生梯度功能复合材料FGM的基础研究中，对锰的作用的研究是不完善的；另外，从铝合金缸套要求的具有低热膨胀系数方面考虑，合金中的硅元素应该为共晶或过共晶成分，也就是硅含量应该为12-13wt％(共晶成分)，或者应该是13wt％以上(过共晶成分)。同时，当硅含量为13wt％以上(过共晶成分)时，在形成初生铝铁相时，还将形成初生硅相，这也是一种高硬度的耐磨相。在现有的铝基高铁合金离心铸造制备自生梯度功能复合材料FGM的基础研究中，对硅的作用的研究是不完善的。