[发明专利]一种离心铸造颗粒增强复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铸造方法，特别涉及一种离心铸造颗粒增强复合材料的方法。

背景技术

气缸套、活塞、活塞环和气缸盖共同构成内燃机的燃烧室。燃料混合气在燃烧室内经进气、压缩、燃烧和膨胀过程将热能转换为机械能。工作时，气缸套直接与高温气体接触，是内燃机中工作环境最为恶劣的零部件之一，其性能直接影响内燃机性能和寿命。

目前，乘用车内燃机多采用铸铁材料的气缸套，制备成型后再镶铸在铝合金缸体内。虽然制备铸铁气缸套的工艺较为成熟，但是铸铁的热传导性、韧性与铝合金气缸体匹配性差，使用过程中，缸体和缸套结合强度容易降低，造成两者结合不紧密，引起发动机缸体漏油、漏气、渗水、能效降低、排放超标等问题。针对这些问题，开发新型铝复合材料气缸套就成为一种迫切需要。

图1是现有技术制造铝复合材料气缸套的原理图。加工时，将含有增强颗粒8的铝复合熔浆2浇注到铸型1中，在铸型1的高速旋转（角速度为ω）作用下，密度小于铝熔体的增强颗粒8在铝溶体的离心浮力3作用下沿铸型1的径向向内运动，并最终停留在筒状气缸套零件的内层，形成内层具有高体积分数增强颗粒的梯度复合材料。这种梯度复合材料气缸套内层表现出增强颗粒的特点，即高硬度、高耐磨、高热稳定性；而外层具有基体铝的特点，即易加工、与铝合金缸体匹配性好。

但是，这种方法制造的汽缸套也存在内层增强颗粒团聚、与基体接触强度低、易脱落等缺点。下面结合附图对此作进一步说明，如图1所示，增强颗粒a、b、c处于不同离心半径、同一径向方向上。离心铸型高速旋转时，增强颗粒a、b、c受到指向轴心的离心浮力3，设a、b、c受到的离心浮力分别为Fa、Fb、Fc；由于半径不同，离心浮力Fa>Fb>Fc，由于颗粒a、b、c不受其他力的作用，增强颗粒a、b、c的径向运动速度Va>Vb>Vc，增强颗粒a最终将赶上b和c，三者最终在径向方向粘结团聚。图2为该方法铸造产品的横截面示意图，图中增强颗粒8大量聚集在复合材料内层7，复合材料外层6中增强颗粒的含量极少，但是增强颗粒在复合材料内层7并非均匀分布，而是沿着内层径向方向粘结团聚。由于这种粘结团聚的存在，导致增强颗粒与基体材料接触面积减少、接触强度降低、易脱落等问题，影响该复合材料汽缸套性能的稳定性。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种离心铸造颗粒增强复合材料的方法，该方法铸造的颗粒增强复合材料的增强颗粒不团聚，与基体结合良好，性能稳定。

本发明离心铸造颗粒增强复合材料的方法，包括制备熔浆，铸型预热，浇注充型，离心成型，减速停机和脱模冷却步骤，所述离心成型步骤在磁场下进行。

进一步，所述离心成型步骤中，离心转速恒定，磁场强度随时间逐步增加。

进一步，所述离心成型步骤中，离心转速随时间逐步增加，磁场强度恒定。

进一步，所述离心成型步骤中，离心转速随和磁场强度均为定值，所述磁场在离心成型最后阶段开启。

进一步，所述离心成型步骤中，离心转速随和磁场强度均为定值。

进一步，所述离心成型步骤中最大离心转速介于1000～4000r/min。

进一步，所述磁场方向与离心铸型轴线方向垂直或者平行。

进一步，所述磁场的强度介于0.01～1.2T。

本发明的有益效果在于：首先，本发明离心铸造方法在磁场下进行，一方面增强颗粒受到的离心浮力，另一方面未凝固复合熔浆受到电磁力。离心浮力指向轴心，驱使增强颗粒向内层运动，形成梯度复合材料；电磁力垂直于离心浮力并与已凝固部分（即铸型）转速相反，使得凝固前沿处已凝固部分和未凝固部分之间形成速度差。这种速度差会导致凝固前沿受到复合熔浆的反复冲刷，从而将团聚在一起的颗粒打散，均匀分布在增强区域内。进而提高颗粒与基体的结合强度，增强内层力学性能。其次，本发明加工的梯度复合材料的基体材料的组织结构也得到明显改善，其综合力学性能及加工性能都得到提高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述；

图1为现有技术离心铸造方法原理图；

图2为现有技术离心铸造产品横截面示意图；

图3为本发明离心铸造方法原理图；

图4为本发明离心铸造产品横截面示意图；

图5为本发明离心铸造设备的一种结构示意图；

图6为本发明离心铸造设备的另一种结构示意图；

图7为本发明实施例1中离心转速和磁场强度与时间的关系图；图中实现代表转速与时间关系，虚线代表强度与时间关系；