过共晶Al-Si合金汽车用发动机缸套制备方法

摘要

本发明提供一种过共晶Al-Si合金汽车用发动机缸套制备方法,包括：将熔体经精炼、除气和静置后加入预热的Al-P-Cu变质剂进行搅拌，静置30-50分钟后采用半连续浇铸生产铸锭；将铸锭加工成管状挤压坯料后加入炉中预热，铸锭预热温度在420-460℃，铸锭保温3小时；采用反向挤压方法，将预热后的铸锭在3200t水压机上进行挤压，挤压速度为0.1-0.2mm/s，挤压温度为430-460℃；对挤压成形的过共晶Al-Si合金管材平放在淬火料筐内，然后放入炉中随炉进行加热，炉温在100-200℃，逐渐加热至管材温度指温度在420℃，其中，加热速度不高于5℃/min；然后先后进行固溶热处理和时效热处理。本发明生产效率高，加工量小，而且生产的发动机缸套机械性能高，耐磨性好。

说明书

技术领域

本发明涉及汽车设备制备技术领域，尤其涉及一种过共晶Al-Si合金汽 车用发动机缸套制备方法。

背景技术

目前多采用铝合金缸体镶嵌缸套的方法，而传统的缸套材料多以铸 钢、铸铁为主，其不足之处为密度大、散热性差、摩擦系数高、铸铁缸套 与铝合金缸体熔点及热膨胀系数相差较大，缸体与缸套结合较差，同时会 产生应力。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种能够解决 铸铁缸套结合性差，使用寿命短等问题、同时减轻缸体重量的过共晶Al-Si 合金汽车用发动机缸套制备方法。

一种过共晶Al-Si合金汽车用发动机缸套制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将熔体经精炼、除气和静置后加入预热的Al-P-Cu变质剂进 行搅拌，静置30-50分钟后采用半连续浇铸,生产直径为310-320mm的铸 锭；

步骤2：将铸锭加工成管状挤压坯料后加入炉中预热，铸锭预热温度 在420-460℃，铸锭保温3小时；

步骤3：采用反向挤压方法，将预热后的铸锭在3200t水压机上进行 挤压，挤压速度为0.1-0.2mm/s，挤压温度为430-460℃；

步骤4：对挤压成形的过共晶Al-Si合金管材平放在淬火料筐内，然 后放入炉中随炉进行加热，炉温在100-200℃，逐渐加热至管材温度指温 度在420℃，其中，加热速度不高于5℃/min；

步骤5：将经过加热的过共晶Al-Si合金管材进行固溶热处理；固溶 热处理工艺为：420±5℃，保温2小时，480±5℃，保温6小时；

步骤6：水淬，水温为50℃-60℃，淬火转移时间不大于10秒，淬火 料筐在水中往复升降，每次在水中停留10分钟，至管材温度低于50℃后 取出；

步骤7：水淬后在油压矫直机上进行矫直；

步骤8：对矫直后的管材采用采用单级时效进行热处理，时效的温度 为190±5℃，保温6小时，时效总加热时间6-8小时，时效结束后空冷到 室；

步骤9：将时效热处理后的过共晶Al-Si合金管材加工成一定尺寸的 缸套。

进一步地，如上所述的过共晶Al-Si合金汽车用发动机缸套制备方法， 所述熔体成分如下：Si:18-20％,Cu:4-5.5％,Fe:0.5-0.8％, Mg:0.5-0.7％,Mn<0.3％,Zn<0.1％，其余为Al。

进一步地，如上所述的过共晶Al-Si合金汽车用发动机缸套制备方法， 步骤3中在挤压到剩最后一米时要慢速挤压，以减小缩尾长度，压速度应 控制在0.08-0.1mm/s。

进一步地，如上所述的过共晶Al-Si合金汽车用发动机缸套制备方法， 所述步骤2包括将铸锭加工成外径为297mm，内径83mm，长为300mm 的管状挤压坯料，然后加入炉中预热；在装炉预热前将铸锭表面的灰尘、 铝屑以及其他杂物清理干净。

进一步地，如上所述的过共晶Al-Si合金汽车用发动机缸套制备方法， 在步骤4之前，包括对挤压成形的过共晶Al-Si合金管材去除表面毛刺后 校直，切除端部，然后将Al-Si合金管材平放在淬火料筐内，然后放入炉 中随炉加热。

进一步地，如上所述的过共晶Al-Si合金汽车用发动机缸套制备方法， 步骤7包括：在油压矫直机上进行矫直时，其采用的胎具单面间距小于 1mm。

本发明提供的过共晶Al-Si合金汽车用发动机缸套制备方法，通过挤 压成型管材制备汽车用发动机缸套，其生产效率高，加工量小，而且生产 的发动机缸套机械性能高，耐磨性好。

附图说明

图1为本发明过共晶Al-Si合金在不同载荷下磨损量的变化趋势图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术 方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施 例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员 在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保 护的范围。

实施例：

步骤1：半连续铸造过共晶Al-Si合金坯锭：将熔体经精炼、除气和 静置后加入预热的Al-P-Cu变质剂进行搅拌，静置30-50分钟后采用半连 续浇铸,生产大尺寸铸锭，铸锭直径310-320mm；其中，熔体的成分如下： Si:18-20％,Cu:4-5.5％,Fe:0.5-0.8％,Mg:0.5-0.7％,Mn<0.3％,Zn<0.1％， 其余为Al；

具体地，利用该方法制备的过共晶Al-Si合金坯锭的Si晶粒尺寸在 30-40微米，且分布均匀，从而有利于改善最终制备的发动机缸套的机械 性能和磨损性能。大尺寸铸锭可以保证后续管材挤压比，利于致密化和Si 晶粒破碎，进一步提高性能；采用高纯干燥氮气精炼除气，精炼温度730 ±5℃，精炼时间10分钟，精炼后静止5分钟。

铝合金熔体中溶解氢的量较高，在凝固过程中由于溶解度的降低要析 出，形成气孔，降低了材料的机械性能，因此在熔体处理过程中要除气。 精炼与除气同时实现：具体方法为：在铝合金熔体中通入惰性气体氮气或 氩气，由于氮气或氩气不溶解于铝合金熔体中，在熔体中形成汽包，汽包 的比重远小于铝合金熔体，因此上浮，在上浮过程中，溶解在铝合金熔体 中的氢向氮气或氩气气泡中扩散，随气泡浮出熔体，达到降低铝合金熔体 中氢的含量的目的，同时气泡在上浮过程将熔体中一些夹杂物同时带走， 提高熔体的纯净度。通入惰性气体的含量根据熔化铝合金的量而定。所述 熔体采用以下原料制备而成：工业纯Al、Al-50％Si中间合金、Al-20％Cu 中间合金和Al-8％Fe中间合金和纯Mg。

所述Al-P-Cu变质剂为A l-4.5P-0.2Cu变质剂，其生产厂家为：山 东吕美熔体技术有限公司，型号：SDL-3。

步骤2：将大尺寸铸锭加工成外径为297mm，内径83mm，长为300mm 的挤压坯料；在装炉前将铸锭表面的灰尘、铝屑等杂物清理干净，然后加 热炉中对铸锭进行预热，预热温度在420-460℃，铸锭保温3小时；

具体地，外径为297mm，内径83mm，长为300mm该尺寸是根据挤压设 备和模具确定的，铸锭预热温度在420-460℃，铸锭保温3小时是为了铸 锭温度均匀，提高变形能力。

步骤3：采用反向挤压方法，将铸锭在3200t水压机上采用Φ300mm 筒单孔反向挤压，挤压速度0.1-0.2mm/s，挤压温度430-460℃；挤压管 材规格为外径Φ84mm，内径Φ64mm；

具体地，由铸锭经过挤压，形成管材，挤压管材规格是根据发动机缸 套尺寸决定的。针对不同的发动机型号，可以改变管材的尺寸。挤压速度 和挤压温度的确定保证管材的质量，挤压速度确定为0.1-0.2mm/s,挤压 温度为430-460℃可以确保挤压管材不出现开裂等缺陷；Φ300筒是挤压 模具的尺寸。

步骤4：在挤压到剩最后一米时要慢速挤压，以减小缩尾长度；然后 检查挤压坯料是否有起皮、气泡、裂纹等缺陷；

具体地，最后采取慢速挤压，可以减少缩尾，提高铸锭使用率，挤压 速度应控制在0.08-0.1mm/s。

步骤5：对挤压成形的过共晶Al-Si合金管材去除表面毛刺后校直， 切除端部，然后将Al-Si合金管材平放在淬火料筐内，然后放入炉中随炉 加热，炉温在100-200℃，400℃下加热速度不高于5℃/min；

步骤6：对加热后的管材进行固溶热处理，其工艺为：420±5℃，保 温2小时，480±5℃，保温6小时，水淬，水温为50℃-60℃，淬火转移 时间不大于10秒，且淬火料筐在水中往复升降5次以上，每次在水中停 留10分钟，直到管材温度低于50℃后方可取出；

具体地，挤压后去除表面毛刺后校直，切除端部，然后进行固溶热处 理，固溶热处理采用双极保温，然后水淬，有利于提高性能，可以最大程 度的提高挤压管材的性能。炉温在100-200℃，加热时间由后面的加热速 度确定的，加热时间没有具体的规定，只要加热速度不高于5℃/min，直 到温度达到400℃即可。最后固溶的温度为420±5℃，保温2小时，然后 加热到480±5℃，保温6小时，但是要在低温下把管材放入加热炉中，然 后加热至固溶温度，如果高温放入管材，由于温差大，容易造成变性和开 裂。淬火转移时间是指从加热炉中取出管材到管材进入水中的时间。

步骤7：热处理后在油压矫直机上进行矫直，设计专用胎具，单面间 隙小于等于1mm；

具体地，该步骤为管材矫直步骤，改变挤压过程中产生的变形，有利 于后续管材的加工，固溶后水淬过程中产生变形，所以要有步骤6矫直工 艺，然后再时效，专用胎具和单面间距小于1mm是为了保证管材矫直而设 计的，即采用专用胎具和单面间距小于1mm能够使管材在挤压造成变形后 矫直过来。

步骤8：时效采用单级时效，时效的温度为190±5℃，按金属保温6 小时，总加热时间6-8小时，时效结束后在空气中冷却到室温。

具体地，该部分为时效处理，针对该合金经行时效工艺优化，强度可 以达到最高值，提高挤压管材的机械性能和磨损性能，时效是在固溶后进 行的，时效温度为190±℃，保温时间为6小时，总加热时间不大于8小 时(包括保温时间)。

步骤9：将热处理后的过共晶Al-Si合金管材加工成一定尺寸的缸套， 为提高与发动机缸体结合强度，缸套外表加工出螺纹，表面清理后预热至 200-220℃，在高压铸造机上镶嵌成型。

具体地，该步骤是镶嵌成型工艺，镶嵌后成为整体发动机。该方法提 高了缸套与发动机缸体的冶金结合，结合强度高。

挤压缸套热处理后室温抗拉强度为320MPa，延伸率2.0％；300℃时， 抗拉强度不低于190MPa，延伸率高于3％。

利用本发明方法制备的挤压缸套热处理后室温抗拉强度为320MPa， 延伸率2.0％；300℃时，抗拉强度不低于190MPa，延伸率高于3％。

试验例：

将利用本发明方法制备的汽车发动机缸套进行磨损实验，磨损实验在 俄罗斯进口设备УТИTB-1000型销盘式摩擦磨损试验机上进行，实验采 用干磨法，滑动速度为0.8m/s，载荷分别选择10N、20N、30N、40N、50N、 60N，磨损时长30min。磨损后用酒精棉清理试样，用精度十万分之一的 Sartius Micr电子天平称重，测试磨损量。摩擦副材料为GCr15钢盘， 硬度为62HRC。

测试结果：

通过上述磨损实验，说明过共晶Al-Si合金经挤压后磨损性能提高， 因而通过该方法制备汽车用发动机缸套效率高，加工量小，耐磨性能好。 (因为挤压成型的管材尺寸接近缸套的尺寸，所以加工量小，效率高，同 时机械性能和耐磨损性能提高)。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其 限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术 人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或 者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技 术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。