[发明专利]一种双层材料发动机缸套的铸造成形方法

说明书

技术领域

本发明涉及离心铸造成形方法，具体是指一种利用离心铸造制造的双层材料发动机缸套的铸造成形方法。

背景技术

缸套是发动机的重要零件之一，其力学和传热性能对发动机工作效率、服役寿命、动力输出具有重要影响。目前发动机缸套主要采用合金铸铁或合金钢制造。随着汽车轻量化、节能环保的要求越来越高，铝合金发动机缸体得到越来越广泛的应用，同时，国内外也在开发铝合金缸套以代替铸铁缸套，由于普通铝合金缸套无法满足发动机燃烧温度要求，及与活塞运动的耐磨性能要求，因此，铝合金缸套需要利用其它材料或增强相进行复合或者表面改性，以提高耐热耐磨性能。

现有复合材料铝合金发动机缸套的制造方法包括压力浸渗、激光熔覆增强颗粒、离心铸造方法。

本田公司通过制作陶瓷和碳纤维预制体，利用压力浸渗的方法制造了复合材料缸套，并与缸体集成制造，满足了发动机散热的要求，但是压力浸渗方法需要制作预制体，然后进行压力浸渗，液相在预制体狭小的间隙间流动，需要时间较长，因而该方法工序多、生产周期长。

激光熔覆工艺主要是在缸套内表面堆积一定厚度的增强颗粒层以增加缸套的耐磨性和耐热性，该方法需要激光器及控制设备，成本高，且激光作为点光源，熔覆颗粒(特别是陶瓷颗粒)时间长，生产效率低。

离心铸造法生产复合材料缸套，增强颗粒在离心力作用下偏聚于缸套外表层，无法满足内表面耐磨需求，而缸套外表面需要精加工后与缸体装配，偏聚增强颗粒后加工性下降，此外，单纯采用复合材料的缸套，虽然提高了缸套的耐磨性，但是韧性下降较多；另一种现有的离心铸造技术是中国专利CN101338704A公告的一种“内层颗粒增强缸套及其制造方法”，该方法的基体材料选用Al-Si系合金，增强颗粒为初晶Si与Mg₂Si混合颗粒，增强层的增强颗粒是在熔融材料时加入Mg，铸造时凝固过程中从熔体中自生析出初晶Si与Mg₂Si颗粒，采用离心铸造的方法制造缸套，它实现了铸造法使增强层与非增强层的冶金结合。但它仍然存在以下不足之处：1、增强颗粒密度要求比基体小且增强颗粒通过自生析出，致使缸套的选材受局限；2、增强颗粒偏聚于内层，造成缸套内表面可加工性下降。

基于上述原因，现有铝基或镁基复合材料缸套难以得到推广应用，目前仅在少数高档发动机上应用，而绝大多数缸套仍然采用铸铁材料。因此，需要研发一种短流程低成本、可加工性好、适于大批量生产的复合材料轻合金缸套的制造方法，才能实现缸套产品由铸铁向轻合金复合材料的高性能化、轻量化的升级换代。

发明内容

本发明的目的在于克服现有铝基或镁基复合材料缸套制备技术的不足之处，提供一种短流程、成本低、效率高，能实现产业化的双层材料发动机缸套的铸造成形方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下措施：

一种双层材料发动机缸套的铸造成形方法是利用双浇包浇注与传统离心铸造方法相结合实现的：

步骤一：外层轻合金和内层复合材料熔体的制备

(1)在两个熔炼炉中分别熔化双层材料缸套外层材料和内层基体材料的轻合金；

(2)在内层基体材料熔体中通过搅拌铸造方法加入至少占其体积百分数5％的SiC或Al₂O₃增强颗粒，搅拌至增强颗粒在熔体中分布均匀，即获得缸套内层材料所使用的颗粒增强复合材料熔体；

步骤二：双浇包浇注与离心铸造

(1)将双层材料发动机缸套外层轻合金熔体和内层颗粒增强复合材料熔体分别倒入已预热的两个浇包中，并把缸套离心铸造成形模具预热到150～250℃；

(2)在离心铸造过程中，先浇注外层材料轻合金熔体，在外层材料进入半固态时，再浇注内层颗粒增强复合材料熔体；

(3)在内外层材料完成凝固后，取出铸件，得到外层为轻合金材料、内层为耐热耐磨颗粒增强复合材料的缸套。

所述颗粒增强复合材料为颗粒增强铝基或镁基复合材料，其增强颗粒是指SiC颗粒或Al203颗粒；内层和外层间为冶金结合。

所述内层颗粒增强复合材料中，颗粒直径为10～50μm的增强颗粒占总体积百分含量的5～20％，并且增强颗粒体积百分数量从内表面向外方向逐渐增加。

所述搅拌至增强颗粒在熔体中分布均匀用的搅拌头转速为250～300rpm，搅拌时间为25～45min。

离心铸造过程中，离心机转速范围为500～2000rpm。

离心铸造过程中，内层颗粒增强复合材料浇注时离心机转速大于外层材料浇注时离心机转速。