摩擦搅拌加工技术在高硅铝合金缸套的应用方法

摘要

本发明涉及一种摩擦搅拌加工技术在高硅铝合金缸套的应用方法，它适用于提高发动机耐磨性、减少废气排放量和延长使用寿命的需求。其加工方法是：首先将缸套毛坯表面去氧化皮并清洗干净；再将清洗干净的缸套毛坯固定在可以旋转的夹具上，并将夹具整体固定在搅拌加工设备的水平移动平台上；然后运用摩擦加工设备对缸套毛坯外表面到距其内表面0.3mm深处的材料进行加工，搅拌头旋转速度为800-1500rpm，搅拌头加工线速度为15-40mm/min，对整个缸套毛坯材料进行摩擦搅拌加工；最后机械切屑、绗磨获得缸套零件。应用本发明可将分布在缸套中增强颗粒尺寸从30-50μm降低到10μm以下，并改善颗粒分布的均匀性，显著提高缸套内表面的耐磨性、降低磨损系数，延长使用寿命，且制备工艺简单。

说明书

技术领域

本发明涉及一种摩擦搅拌加工技术在高硅铝合金缸套的应用方法，它适用于发动机耐磨性提高、废气排放量减少和是使用寿命延长的的需求。

背景技术

铸造成型的高硅铝合金缸套，在使用一段时间之后，内孔磨损加剧，缸壁和活塞环之间产生较大的间隙，致使发动机跑气，有效功率降低，机油耗量大幅度上升，发动机使用寿命降低。因此，研发改善缸套内组织结构，细化增强颗粒粒径，可获得具有更高耐磨性能、更低磨损系数的铝合金缸套显得尤为重要。

摩擦搅拌加工技术(Friction stir processing)是在由英国焊接研究所(The Welding Institute，TWI)公司发明的搅拌摩擦焊接技术(专利号US5460317，1991.12)演变而来，在制备细晶组织方面具有独特的优势。该技术的基本原理是利用高速旋转的搅拌头(搅拌针)插入材料中，利用搅拌头的强烈摩擦和搅拌作用，使搅拌区材料处于热塑性状态并被破碎、混合。

中国发明专利200810070197.0公开了一种运用离心铸造法制备内层颗粒增强缸套及其制造方法。该缸套包括内层的增强层和外层的非增强层，增强层分布有大量初生硅和Mg₂Si颗粒，非增强层中不包括初生硅和Mg₂Si颗粒，增强层与非增强层通过冶金结合的过渡层进行结合，该缸套采用离心铸造方法制备而成，初生硅和Mg₂Si颗粒粒径较大。英国专利GB972095公布了一种采用压铸成型技术制备高硅铝合金缸套的方法，也难以获得细小均匀的高硬度化合物质点相以及高硅质点。

中国专利200810163877.7公开了一种运用高硅铝合金缸套的制备方法。该方法需要先运用喷射沉积法获得挤压毛坯，然后挤压获得筒状挤压坯，最后热处理、机械加工获得缸套毛坯。所制备的材料具有较为细小的组织结构和较好的性能，但是所需的工序较长，加工成本较高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，运用摩擦搅拌加工技术细化铸造成型的高硅铝合金缸套内部组织结构，提供一种摩擦搅拌加工技术在高硅铝合金缸套的应用方法。

实现本发明步骤为：

①将缸套毛坯外表面去氧化皮后再清洗干净；②将清洗干净的缸套毛坯固定在可以旋转的夹具上，并将夹具整体固定在搅拌加工设备的水平移动平台上；③运用摩擦加工设备对缸套毛坯外表面到距其内表面0.3mm深处的材料进行加工，搅拌头旋转速度为800-1500rpm，搅拌头加工线速度为15-40mm/min，实现对整个缸套毛坯的加工，同时在此过程中可对工件进行水冷；④机械切屑、绗磨获得缸套零件。

本发明的有益效果在于：

1.通过摩擦搅拌法可以获得细小的Si、Mg₂Si颗粒以及细小的共晶组织，该种组织结构可以极大提高材料的耐磨损性能，降低材料的摩擦系数和降低发动机油耗，最终在高性能发动机上得到应用。

2.本发明的工艺是运用摩擦搅拌技术在缸套材料改性方面的应用，生产的可控性强。

附图说明

图1是摩擦搅拌加工缸套的示意图。

图2为图1中A-A剖面的剖面图。

图中，1为旋转电机，2为固定定位块，3为缸套毛坯，4为摩擦搅拌头，5为活动定位块，6为悬臂支撑装置，7为机架。

具体实施方式

参见图1。本发明所述摩擦搅拌加工技术在高硅铝合金缸套的应用方法的步骤如下：

①将铸造法制备的高硅铝合金缸套毛坯件表面清理干净；②将清洗干净的缸套毛坯3固定在具有旋转装置的工装夹具上(包括旋转电机1，固定定位块2，活动定位块5，悬臂支撑装置6和机架7)。缸套的旋转可以通过旋转电机1的转动实现，半圆柱形悬臂装置6与缸套内壁形状一致，起到支撑缸套内壁的作用，旋转电机安装在机架7的导轨上，整个工装夹具固定在摩擦搅拌设备的水平移动工作平台上；③运用摩擦搅拌加工设备对缸套毛坯外表面到距其内表面0.3mm深处的材料进行加工，摩擦搅拌头4旋转速度为800-1500rpm，摩擦搅拌头4加工线速度为15-40mm/min，通过安装夹具的转动和径向移动运动方式实现对整个缸套毛坯的加工，同时在此过程中可对搅拌头附近工件进行喷水冷却；④对摩擦搅拌加工后的缸套进行热处理和机械加工获得缸套成品。

具体实施例如下：

实施例1

待加工缸套：Al-21Si-5Mg合金，离心铸造而成的内表面由初生硅、Mg₂Si共生增强，增强颗粒粒径为30-50μm。

粗加工离心铸造成型的Al-21Si-5Mg合金缸套，去除缸套表面氧化皮并用酒精清洗干净；将清洗干净的缸套固定在安装夹具上；运用摩擦搅拌加工设备对缸套毛坯外表面到距其内表面0.3mm深处的材料进行加工，搅拌头旋转速度为1200-1500rpm，由夹具装配的缸套以35-40mm/min的线速度旋转，旋转一周之后搅拌头以35mm/min的速度前行半个肩宽距离，如此反复，直到对整个缸套加工完毕；对摩擦搅拌加工缸套进行机械切屑、绗磨获得缸套零件。加工后的缸套增强颗粒仍然分布在缸套内表面，初生硅颗粒和Mg₂Si颗粒粒径降低到7μm，颗粒分布更均匀，干摩擦实验表明经过摩擦搅拌加工后材料耐磨性能提高80％，摩擦磨损系数降低12％。

实施例2

待加工缸套：Al-21Si-5Mg合金，离心铸造而成的内表面由初生硅、Mg₂Si共生增强，增强颗粒粒径为30-50μm，增强颗粒的体积分数为25％。

粗加工离心铸造成型的Al-21Si-5Mg合金缸套，去除缸套表面氧化皮并用酒精清洗干净；将清洗干净的缸套固定在安装夹具上；运用摩擦搅拌加工设备对缸套毛坯外表面到距其内表面0.3mm深处的材料进行加工，搅拌头旋转速度为1200-1500rpm，由夹具装配的缸套以35-40mm/min的线速度旋转，旋转一周之后搅拌头以35mm/min的速度前行半个肩宽距离，如此反复，直到对整个缸套加工完毕，同时对摩擦搅拌头附近材料进行喷水冷却；对摩擦搅拌加工缸套进行机械切屑、绗磨获得缸套零件。

加工后的缸套增强颗粒仍然分布在缸套内表面，初生硅颗粒和Mg₂Si颗粒粒径降低到5μm，颗粒分布更均匀，干摩擦实验表明经过摩擦搅拌加工后材料耐磨性能提高90％，摩擦磨损系数降低10％。

实施例3

待加工缸套：Al-21Si-5Mg合金，离心铸造而成的内表面由初生硅、Mg₂Si共生增强，增强颗粒粒径为30-50μm。

粗加工离心铸造成型的Al-21Si-5Mg合金缸套内外表面，去除缸套表面氧化皮并用酒精清洗干净；将清洗干净的缸套固定在安装夹具上；运用摩擦搅拌加工设备对缸套毛坯外表面到距其内表面0.3mm深处的材料进行加工，搅拌头旋转速度为800-1000rpm，由夹具装配的缸套以15-25mm/min的线速度旋转，旋转一周之后搅拌头以15mm/min的速度前行半个肩宽距离，如此反复，直到对整个缸套加工完毕；对摩擦搅拌加工缸套进行机械切屑、绗磨获得缸套零件。

加工后的缸套增强颗粒仍然分布在缸套内表面，初生硅颗粒粒径降低为8μm，颗粒分布均匀，干摩擦实验表明经过摩擦搅拌加工后材料耐磨性能提高86％，摩擦磨损系数降低13％。

实施例4

待加工缸套：Al-21Si-5Mg合金，离心铸造而成的内表面由初生硅、Mg₂Si共生增强，增强颗粒粒径为30-50μm。

粗加工离心铸造成型的Al-21Si-5Mg合金缸套内外表面，去除缸套表面氧化皮并用酒精清洗干净；将清洗干净的缸套固定在安装夹具上；运用摩擦搅拌加工设备对缸套毛坯外表面到距其内表面0.3mm深处的材料进行加工，搅拌头旋转速度为1000-1200rpm，由夹具装配的缸套以25-30mm/min的线速度旋转，旋转一周之后搅拌头以25mm/min的速度前行半个肩宽距离，如此反复，直到对整个缸套加工完毕；对摩擦搅拌加工缸套进行机械切屑、绗磨获得缸套零件。

加工后的缸套增强颗粒仍然分布在缸套内表面，初生硅、Mg₂Si颗粒粒径降低为8μm，颗粒分布均匀，干摩擦实验表明经过摩擦搅拌加工后材料耐磨性能提高90％，摩擦磨损系数降低15％。

实施例5

待加工缸套：Al-21Si合金，压力铸造而成的由初生硅增强的铝合金缸套毛坯，增强颗粒粒径为30-40μm。

粗加工压力铸造成型的Al-21Si合金缸套内外表面，去除缸套表面氧化皮并用酒精清洗干净；将清洗干净的缸套固定在安装夹具上；运用摩擦搅拌加工设备对缸套毛坯外表面到距其内表面0.3mm深处的材料进行加工，搅拌头旋转速度为800-1000rpm，缸套径向移动线速度为15-20mm/min，然后旋转其缸套毛坯继续进行摩擦搅拌加工，如此反复，直到对整个缸套加工完毕，同时对摩擦搅拌头附近材料进行喷水冷却；对摩擦搅拌加工缸套进行机械切屑、绗磨获得缸套零件.

加工后的缸套初生硅颗粒粒径降低为6μm，颗粒分布均匀，干摩擦实验表明经过摩擦搅拌加工后材料耐磨性能提高50％，摩擦磨损系数降低10％。

实施例6

待加工缸套：Al-21Si合金，压力铸造而成的由初生硅增强的铝合金缸套毛坯，增强颗粒粒径为30-40μm。

粗加工压力铸造成型的Al-21Si合金缸套内外表面，去除缸套表面氧化皮并用酒精清洗干净；将清洗干净的缸套固定在安装夹具上；运用摩擦搅拌加工设备对缸套毛坯外表面到距其内表面0.3mm深处的材料进行加工，搅拌头旋转速度为800-1000rpm，缸套径向移动线速度为15-20mm/min，然后旋转其缸套毛坯继续进行摩擦搅拌加工，如此反复，直到对整个缸套加工完毕；对摩擦搅拌加工缸套进行机械切屑、绗磨获得缸套零件。

加工后的缸套初生硅颗粒粒径降低为4μm，颗粒分布均匀，干摩擦实验表明经过摩擦搅拌加工后材料耐磨性能提高60％，摩擦磨损系数降低8％。

实施例7

待加工缸套：Al-21Si合金，压力铸造而成的由初生硅增强的铝合金缸套毛坯，增强颗粒粒径为30-40μm。

粗加工压力铸造成型的Al-21Si合金缸套内外表面，去除缸套表面氧化皮并用酒精清洗干净；将清洗干净的缸套固定在安装夹具上；运用摩擦搅拌加工设备对缸套毛坯外表面到距其内表面0.3mm深处的材料进行加工，搅拌头旋转速度为1000-1200rpm，缸套径向移动线速度为25-30mm/min，然后旋转其缸套毛坯继续进行摩擦搅拌加工，如此反复，直到对整个缸套加工完毕；对摩擦搅拌加工缸套进行机械切屑、绗磨获得缸套零件。

加工后的缸套初生硅颗粒粒径降低到5μm，颗粒分布均匀，干摩擦实验表明经过摩擦搅拌加工后材料耐磨性能提高56％，摩擦磨损系数降低7％。

实施例8

待加工缸套：Al-21Si合金，压力铸造而成的由初生硅增强铝合金缸套毛坯，增强颗粒粒径为30-40μm。

粗加工压力铸造成型的Al-21Si合金缸套内外表面，去除缸套表面氧化皮并用酒精清洗干净；将清洗干净的缸套固定在安装夹具上；运用摩擦搅拌加工设备对缸套毛坯外表面到距其内表面0.3mm深处的材料进行加工，搅拌头旋转速度为1200-1500rpm，缸套径向移动线速度为35-40mm/min，然后旋转其缸套毛坯继续进行摩擦搅拌加工，如此反复，直到对整个缸套加工完毕；对摩擦搅拌加工缸套进行机械切屑、绗磨获得缸套零件。

加工后的缸套初生硅颗粒粒径降低为6μm，颗粒均匀分布，干摩擦实验表明经过摩擦搅拌加工后材料耐磨性能提高50％，摩擦磨损系数降低6％。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。