一种汽缸套用铝硅合金及制备工艺制造技术

本发明专利技术公开一种汽缸套用铝硅合金及制备工艺，所述铝硅合金中的各成分及质量百分比：Si：12~15%，Cu：1~5%，Ni：1~4%，Mg：0.5~2.5%，Sr：0.01~0.1%，混合稀土元素RE：0.1~1%，杂质元素：小于1%，余量为Al，各成分总量之和为100%。本发明专利技术以接近共晶点硅含量的铝硅合金为基体，仅有选择性地加入Cu、Ni、Mg等元素，简化合金相的变质工艺并减弱合金相对基体的割裂作用。由于硅含量低，初晶硅相数量少且小，且采用压力铸造成型工艺（（如：挤铸、普通压铸、低压铸造等）），增大硅在α‑Al中的固溶度，采用Sr/RE复合变质剂对共晶硅和合金相进行变质，综合提升铝硅合金的性能，结合优化的T6处理工艺，使产品具有比重更小、线膨胀系数更低、耐磨性和体积稳定性更高的优点，从而满足汽缸套的应用要求。

A kind of Al-Si alloy for cylinder liner and its preparation process

【技术实现步骤摘要】
一种汽缸套用铝硅合金及制备工艺
本专利技术涉及金属合金及其制备
，尤其涉及一种汽缸套用铝硅合金及制备工艺。
技术介绍
为了实现汽车节能减排，除了开发绿色清洁能源，实现整车轻量化更是重中之重。有研表明：若汽车整车重量降低10％，燃油效率可提高6％～8％；汽车整车质量每减少100公斤，百公里油耗可降低0.3～0.6升，汽车重量降低1％，油耗可降低0.7％。在电动汽车技术成熟化的过程中，提升油气发动机综合性能依然是汽车行业的研发方向。汽缸套作为发动机中重要的一个零部件，工况恶劣，其质量优劣将直接影响发动机性能。尽管目前在铝制缸体中镶嵌铸铁缸套的做法仍是主流，但是耐高温、耐磨、低膨胀系数、低密度的铝硅合金汽缸套材料的研发与应用将可成为汽缸套行业未来发展的重要方向。对于硅铝合金汽缸套的研究，国外已经积累了比较多的经验，德、英、美、日等国率先研制出了“全铝型”发动机，用高硅铝合金(17～25％Si)缸套代替了铸铁缸套，并应用在汽车发动机、赛车及民用发动机上。戴姆勒-克莱斯勒汽车公司已经开发出1.5L的“全铝型”柴油发动机；Peak公司在2006年已经实现月产50万件高硅铝合金锭坯，并与德国部分的汽车公司合作成功制造了高硅铝合金缸套发动机；而美国福特公司、韩国大宇公司也早在2001年就已经开始了高硅铝合金汽缸套的工业化生产，福特公司更是将年产30至40万辆“全铝型”汽车提上了计划。国内在硅铝合金缸套领域进入较迟，研发迟缓且应用极少。在制备工艺上，主要包括高硅铝合金合金化、颗粒增强高硅铝合金复合材料等，重点在于研究初晶硅相变质技术；在成型工艺上，主要有离心铸造、半固态挤铸、喷射成型等，存在有些工艺较复杂且设备成本高等问题；此外，已有报导中还重点研究了高硅铝合金缸套的表面加工技术和摩擦磨损性能。国内一些专利申请(如：CN104480357A、CN101709414A、CN102764957A)，由于技术方案中的硅含量高(13～35％Si，应用实例中通常高于16％Si)，初晶硅相呈粗大片状、板条状或花瓣状，严重割裂基体，因此，已有研究都将主要技术创新点放在初晶硅相的变质处理上，或单纯突出成型工艺。此外，一些工艺也存在技术落后或环保隐患等问题。CN104480357A公开了一种高硅铝合金缸套及其制备方法，采用17～35％Si的高硅铝合金作为缸套基础材料，强调使用了多种变质剂且多途径加入，并以金相组织照片佐证了硅相变质效果。然而，合金中添加了较高含量的高熔点合金元素(Ti/Ni/Mn/Fe等)，在金相照片中却未见合金相的存在，难以真正体现合金元素的作用；其次，添加高熔点元素后，合金基体熔点肯定有所提高，然而，对于其所描述的应用实例(17％Si和25％Si)，其分别采用的浇铸温度(800℃、830℃)均已经高于该成分合金对应的熔点至少30℃以上，此工艺条件下的合金根本不会处于半固态状态，也谈不上所谓的半固态挤铸成型了。因此，从工艺技术原理上，该专利技术存在明显错误。CN101709414A公开了一种高硅梯度复合铝合金缸套材料及其制备方法，采用13～27％Si的高硅铝合金作为缸套基础材料，并添加了Cu/Ni/Mn/Fe/V等高熔点合金元素及Mg元素。优化实施技术方案中选择了20.5％Si，由于硅含量高，需采用多种变质剂针对初晶硅、共晶硅及应该要存在的其它合金相进行复合变质处理，工艺复杂，且在熔体净化处理过程中采用了高含量(70％)六氯乙烷的精炼剂，环境污染大。此外，该技术采用离心铸造方式，易产生氧化与卷气现象，影响缸套铸件的组织致密性。但这是目前可检索到的较好的技术方案。CN102764957A公开了一种过共晶铝硅合金发动机缸套的制造方法，采用13～30％Si的高硅铝合金作为缸套基础材料，并添加了Cu/Ni/Mn/Fe等高熔点合金元素及Mg/Zn元素。采用Cr或P和Cr对过共晶铝合金材料进行变质处理，经连续铸造方式生产出空心铝合金铸锭，然后通过半固态触变成型工艺生产，工艺复杂，流程较长，成本过高。合金组织决定合金性能，然而，上述三项专利申请仅针对改善硅相形态进行描述，未涉及合金相，在提供的金相照片中也未见合金相，难以体现合金的性能。综上，目前的汽缸套用材质存在以下缺点：(1)汽缸套材质以钢、铸铁为主，在没有新材料可供选择的前提下，虽然可基本符合现有工况条件，但难以满足汽车轻量化的需求。(2)目前国外研究中已公布的明确可应用于汽缸套的材料大部分为高硅铝合金，即17～25％Si。一些国内专利申请在描述成分时更是扩大其范围，即13～35％Si，将主要技术创新点放在初晶硅相的变质处理上，虽然也添加了多种元素，却直接忽视了非铝硅基组元的其它合金元素的关键作用，也忽视了非硅相类的合金物相的种类与不同形态对提高材料性能的重要作用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有汽缸套用材质存在的缺点，提供一种汽缸套用铝硅合金及制备工艺。一方面，以铝取代钢铁，满足铝硅合金汽缸套材料质轻、热膨胀系数小、较高的热导率、优良的铸造性能和耐磨性等要求。另一方面，降低基体硅含量，结合压力铸造成型工艺，提升硅元素在基体中的固溶度，直接有效改变硅相形态，简化熔炼过程中硅相多重变质的复杂操作；添加合适的合金元素，控制形成形态优良的合金相，提高合金材料的综合性能。为实现上述目的，本专利技术的技术方案为：一种汽缸套用铝硅合金，所述铝硅合金中的各成分及质量百分比如下：Si：12～15％，Cu：1～5％，Ni：1～4％，Mg：0.5～2.5％，Sr：0.01～0.1％，混合稀土元素RE：0.1～1％，杂质元素：小于1％，余量为Al，各成分的总量之和为100％。其中，所述的杂质元素是指P、S、Fe等由原材料品位和熔铸工艺决定的无法避免且对最终合金组织与性能有害的元素。本专利技术所述汽缸套用铝硅合金的制备工艺，包括以下步骤：1)铝硅合金成分采用以下原料进行定量配料：工业纯铝(纯度≥99.0％)、工业纯硅(纯度≥98.0％)、Al-50Cu、Al-10Ni、工业纯镁(纯度≥99.8％)、Al-10Sr、Al-10RE，所述Al-10RE中，RE为混合稀土，混合稀土中(La+Ce)％≥99.6％；为保证硅充分熔解到铝中，需将工业纯硅破碎成块状，具体尺寸综合需考虑熔炼合金重量并有利于添加；铸锭类或块状原材料需经150～200℃烘干1h，为防止有效成分挥发而失效，粉末状熔剂不建议烘干，应干燥保存；2)设定熔炼炉温度为750～760℃，先预热至200～220℃，加入所需工业纯铝总量30～35％的工业纯铝，并加热至熔化；3)待工业纯铝完全熔化后，往铝液中加入中间合金Al-50Cu和Al-10Ni，待中间合金完全熔化后，加入工业纯硅并用剩余的工业纯铝压住纯硅，使之完全没入熔体，避免上浮，在铝液表面均匀撒上除杂熔剂，并将炉温调高至780～785℃；4)待工业纯硅全部熔化后，用扒渣工具破碎熔体表面块状浮渣，有利于渣铝分离，扒渣干净后，将工业纯镁用钟罩压入铝液中，防止烧损，铝液静置10～15min，保证合金元素均匀扩散，然后在铝液表面均匀撒上除杂熔剂；5)控制铝合金熔体温度为735～745℃，使用惰性气体旋转喷吹装置进行熔体除气精炼，先将无堵塞的旋转喷头从坩埚熔体中轴线插入，喷头端部置于熔体液面以下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种汽缸套用铝硅合金，其特征在于：所述铝硅合金中的各成分及质量百分比如下：Si：12~15%，Cu：1~5%，Ni：1~4%，Mg：0.5~2.5%，Sr：0.01~0.1%，混合稀土元素RE：0.1~1%，杂质元素：小于1%，余量为Al，各成分的总量之和为100%。

【技术特征摘要】
1.一种汽缸套用铝硅合金，其特征在于：所述铝硅合金中的各成分及质量百分比如下：Si：12~15%，Cu：1~5%，Ni：1~4%，Mg：0.5~2.5%，Sr：0.01~0.1%，混合稀土元素RE：0.1~1%，杂质元素：小于1%，余量为Al，各成分的总量之和为100%。2.如权利要求1所述的一种汽缸套用铝硅合金的制备工艺，其特征在于：其包括以下步骤：1)铝硅合金成分采用以下原料进行定量配料：工业纯铝、工业纯硅、工业纯镁、Al-50Cu、Al-10Ni、Al-10Sr、Al-10RE，所述Al-10RE中，RE为混合稀土，混合稀土中（La+Ce）%≥99.6%；2）设定熔炼炉温度为750~760℃，先预热至200~220℃，加入所需工业纯铝总量30~35%的工业纯铝，并加热至熔化；3）待工业纯铝完全熔化后，往铝液中加入中间合金Al-50Cu和Al-10Ni，待中间合金完全熔化后，加入工业纯硅并用剩余的工业纯铝压住纯硅，使之完全没入熔体，在铝液表面均匀撒上除杂熔剂，并将炉温调高至780~785℃；4）待工业纯硅全部熔化后，用扒渣工具破碎熔体表面块状浮渣，将工业纯镁用钟罩压入铝液中，铝液静置10~15min，然后在铝液表面均匀撒上除杂熔剂；5）控制铝合金熔体温度为735~745℃，使用惰性气体旋转喷吹装置进行熔体除气精炼，先将旋转喷头从坩埚熔体中轴线插入，再将干燥后的惰性气体通过管道进入熔体，开启喷头旋转开关，使惰性气体以气泡弥散分布于铝合金熔体中，除气过程持续10~15min，之后再静置10~15min，在熔体表面均匀撒上除杂熔剂；6）控制铝合金熔体温度为715~725℃，加入Al-10Sr和Al-10RE进行变质处理，待完全熔化后，水平搅拌熔体；7）升温至780~785℃并保温10~15m...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈永禄，洪丽华，
申请(专利权)人：福建工程学院，
类型：发明
国别省市：福建,35