[发明专利]一种耐磨铝合金缸套及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种发动机汽缸部件，特别是一种耐磨铝合金缸套及其制备方法。

背景技术

减重降排目前已成为汽车行业发展的方向之一。汽车、摩托车发动机中的活塞、缸体等均已实现了铝合金材料替代。而作为提供动力的部件-缸套却大多依然沿用铸铁材料。这主要是由于缸套内表面受到高温高压燃气的作用，并与高速运动的活塞接触摩擦而极易磨损，而一般的铝合金材料制备的缸套无法达到高温耐磨的性能要求。

近年来，耐磨铝合金材料缸套的技术开发备受关注，已有技术中出现了高硅铝合金缸套喷射成形法、铝合金汽缸内表面涂覆处理法以及离心铸造法制备颗粒增强铝合金缸套内层的工艺。其中，高硅铝合金喷射成形法制备缸套的工艺主要是采用快速凝固喷射成形与高温挤压工艺，使成形缸套中的Si颗粒起到耐磨的作用。该种工艺的流程长，工艺参数控制难度大，缸套制造成本很高，因此未能广泛采用；而铝合金气缸内表面涂覆工艺则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，Al₂0₃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，同时将耐磨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，且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，目前也未能得到推广；离心铸造法制备耐磨颗粒初晶Si/Mg₂Si增强铝合金缸套内层技术是最近发明的。这种方法是利用离心力的作用使液态铝合金熔体中自生析出的第二相耐磨颗粒偏移到缸套一侧，从而使其具备良好的耐磨性能。其最大特点是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，成本低。然而，这种缸套中的耐磨颗粒初晶Si/Mg₂Si密度小，在离心铸造过程中与铸造夹渣、气孔等缺陷同时偏移至铸件内层区域，致使缸套机械加工难度增大，成品率降低并影响了其耐磨性能。

考虑到离心铸造法制备耐磨颗粒初晶Si/Mg₂Si增强铝合金缸套内层工艺的缺点，可以发明一种自生耐磨颗粒增强铝合金缸套外层的制备方法。金属Ni、Ti与Al一起熔炼，可以形成具有高硬度和高耐磨性能的初生金属间化合物TiAl₃、NiAl₃，且TiAl₃、NiAl₃相的密度均大于铝合金基体，在离心铸造过程中将偏聚至铸件外层，从而增强基体材料。目前，国内外关于离心铸造TiAl₃增强铝合金复合材料的研究主要有：Watanabe等通过离心铸造方法研究了Al-5wt.％Ti合金中的自生Al₃Ti相在三维空间内的形貌特征(ActaMaterialia，2001，Vol.49；No.5：P 775-783)；张宝生等在铝液中加入纯Ti金属，采用金属型内嵌砂套离心铸造(2000rpm)制备了Al-(2.0wt.％，4.7wt.％，5.5wt.％)Ti二元系金属间化合物梯度功能材料(功能材料，1994年第25卷第5期，P446-451)。关于离心铸造NiAl₃增强铝合金复合材料的研究主要有：Watanabe等研究了离心铸造制备的Al-Al₃Ni功能梯度材料的颗粒尺寸、形状，以及重力系数和冷却速度等对颗粒梯度分布的影响(Science and Engineering of Composite Materials，2004，Vol.11；Nos.2-3：P185-199)；Rajan等研究了Al-(10wt.％，20wt.％，30wt.％，40wt.％)Ni合金在离心铸造条件下制备Al-Al₃Ni金属间化合物梯度功能材料，并发现Al-20wt.％Ni材料能形成更好的梯度分布(Joumal ofAlloys and Compounds，2008，Vol.453：L4-L7)；张宝生等对Al-10Ni和Al-13Ni金属间化合物梯度功能材料进行研究后认为：沿离心力的方向初生金属间化合物相体积浓度和尺寸均呈现明显的梯度分布(哈尔滨工业大学学报，1998年第30卷第2期)。另外，Watanabe与Nakamura研究了离心铸造Al-20Ni-5Ti合金的组织与耐磨性能，发现合金中形成的Ni₃Al，Ti₃Al颗粒能有效提高材料的耐磨性能(Intermetallics，2001，Vol.9；No.1：P 33-43)