高硅梯度复合铝合金缸套材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开的是一种高硅梯度复合铝合金缸套材料及其制备方法，该材料各组分按重量百分比为：Ｓｉ：１３．０％～２７．０％；Ｆｅ：０．３％～２．０％；Ｎｉ：１．５％～５％；Ｃｕ：１．５％～４．０％；Ｍｇ：０．３％～０．８％；Ｍｎ：０．３％～０．８％；Ｖ：０．１％～０．５％；Ｓｒ：０．０５％～０．１０％；ＲＥ：０．０４％～０．１％；Ｐ：０．０１－０．１；Ａｌ：余量。其制备方法包括上述材料以中间合金进行成分设计并精确配料；熔炼、覆盖、精炼与变质处理；离心铸造成形；热处理；机加工与珩磨加工。本发明专利技术特点是采用Ｓｒ－Ｐ－ＲＥ三元复合变质处理技术和采用变频电机控制的离心铸造技术，获得梯度摩擦学功能的复合材料，比喷射沉积、粉未冶金工艺制备成本低，比压铸工艺获得的制品力学性能和摩擦学性能更优越，制得缸套加工质量与使用效果更优越，具有与活塞铝合金配缸相容性好等优势和特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于金属合金及其制备
，尤其涉及一种耐热、耐磨、低膨胀系数的高硅梯度复合铝合金缸套和或衬套材料及其制备方法。
技术介绍
发动机配缸间隙决定并影响着发动机功率密度、废气压力、燃油消耗以及燃油经 济性指标的重要参数。铸铁、钢缸套材料与活塞铝合金材料热物理性能相容性差，难于进一 步縮小配缸间隙，不能高效经济的解决高功率密度、高经济性发动机动力技术问题。而高硅 铝合金缸套与活塞铝合金材料热物理性能相容性好，可以显著地縮小配缸间隙，可解决或 克服铸铁、钢缸套的缺点与不足。 高硅铝合金的摩擦机理是软基体上分布高硬度质点相，质点相越细小、分布越均 匀，其摩擦学性能越好；过渡族合金元素含量越高，对摩擦学性能和高温性能越有益。英国 专利GB972095公布的一种高硅铝合金缸套材料含铜、镍、铁、锰等过渡族元素，但含量低， 将使合金耐高温性能与摩擦学性能不足；而且采用压铸成形方法难以获得细小均匀的高硬 度化合物质点相以及高硅质点，将造成加工性能差；还存在补縮压力不足、内在气孔问题， 不能通过热处理强化等。英国专利GB2302695、欧洲专利EP367229及美国专利PS4155756、 4938810公布的不含镍、铁、锰等过渡族元素，且硅含量过高，将使该种合金高温、室温力学 性能过低，且这几份专利技术均采用粉末冶金工艺，将造成制造成本极高，以及质量一致性 与力学性能均匀性差等问题。 中国专利CN00124660. 7、 CN200510048662. 7公开的合金及喷射沉积制造方法，显 示出所制备材料组织、摩擦学以及力学性能的优越性，但存在制造成本极高的问题，难以获 得用离心铸造铸铁缸套的低成本工艺效果，应用受到了局限。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的问题与不足，进行多元合金化设计与制造，提供一种综合性能先进的新型。 本专利技术的目的通过以下技术方案实现 —种高硅梯度复合铝合金缸套材料，其特征在于该材料各组分按重量百分比为 Si :13. 0% 27. 0% ;Fe :0. 3% 2. 0% ;Ni :1. 5% 5% ;Cu :1. 5% 4. 0% ; Mg :0. 3% 0. 8% ;Mn :0. 3% 0. 8% ;V :0. 1% 0. 5% ;Sr :0. 05% 0. 10% ; RE :0. 04% 0. 1% ;P :0. 01-0. 1 ;A1 :余量。 所述的高硅梯度复合铝合金缸套材料，该材料各组分的优选成分按重量百分比 为Si :20. 5% ;Fe :1. 50% ;Ni :2. 00% ;CU :2. 00% ;Mg :0. 50% ;Mn :0. 50% ;V :0. 35% ;Sr : 0. 08% ;RE :0. 08% ;P :0. 07 ;A1 :余量。 所述的稀土 RE采用混合稀土，即以La为主的La-Ce-Pr-Nd系合金，合金的成分按 重量百分比为La :60%、Ce :15%、Pr :15%、Nd :10%。 所述的高硅梯度复合铝合金缸套材料的制备方法，该制备方法包括下列步骤 ①成分设计与精确配料成分设计各组分按重量百分比为Si :13. 0% 27. 0% ;Fe :0. 3% 2. 0 % ;Ni :1. 5% 5% ;CU :1. 5% 4. 0% ;Mg :0. 3% 0. 8% ;Mn :0. 3% 0. 8% ;V :0. 1% 0. 5% ; Sr :0. 05% 0. 10% ;RE :0. 04% 0. 1% ;P :0. 01-0. 1 ;A1 :余量；精确配料按本专利技术的合 金成分，采用铝硅、铝铁、铝镍、铝铜、铝锰、铝钒、铝锶、铝稀土、铜磷中间合金以及纯铝、纯镁炉料，进行定量配料； ②熔炼、覆盖、精炼与变质处理 采用中频电磁感应炉熔炼，熔炼时将上述中间合金、除铜磷中间合金外，加入后熔 化，调整铝液温度为700-730°C ，加入铝、镁炉料，镁块用压瓢或钟罩的方式压入铝熔体中， 并移动直至熔化； 覆盖剂的加入，覆盖剂以不出现裸露金属液面为准，以保护铝液避免氧化烧损，分 别在装炉、熔炼、加镁及浇注时均匀撒入；采用含钾、镁氯盐覆盖剂，用量为总炉料量的1 3% ; 精炼处理，调整铝液温度750°C 880°C ，加入总炉料量的0. 5 1. 0%的六氯乙烷 与氟硅酸钠的精炼熔剂，用钟罩压入熔体中并均匀的移动，对合金液进行精炼与净化处理， 以去除合金中渣物和有害气体；精炼时间控制在10-15分钟，静置5-10分钟后扒去渣物； 再均匀撒上一层覆盖剂； 变质处理，调整铝液温度至800-90(TC，加入铜磷中间合金(含磷10% )，磷的加入量为总炉料量的0. 01-0. 1%，用漏勺加入；全部熔化后，静置8-10分钟； ③离心铸造成型由变频电机控制，经上述在中频电磁感应炉中合金熔炼、覆盖保护、精炼净化与变质处理后的合金熔液浇注到预热的导流槽中控制导流，导入到预热的筒形模具中，启动离心机至规定转速，同时，打开水阀喷水冷却系统，对模具进行喷淋冷却；在离心机高速旋转的离心力作用下，金属液在高于重力铸造几十 几百倍凝固压力作用下凝固结晶，通过采用不同尺寸筒形模具与控制不同的金属浇入量，按金属导流浇注参数及离心机铸造成型控制参数，制备不同直径大小的筒形管坯； 金属导流浇注参数 导流槽采用耐火保温材料捣成，耐火度高于IOO(TC，捣实，导流槽表面光滑；新捣打的需预先加热烧结，工艺为100(TC，2h，也可市购耐火导流槽，预热温度400 600°C ; 筒形模具预热温度100 300°C ; 浇注温度700 900°C ; 金属流量5 15Kg/s ; 离心机铸造成型控制参数 旋转速度200 2000r/min ; 水冷冷却常压，喷淋冷却；采用小2 3mm喷水孔，间隔2mm，沿轴向密布。 制备材料及产品参数 制备筒坯尺寸外直径60-200mm，内直径50-180mm，长度150-250mm ;壁厚 5-30mm ; 热处理将高硅梯度复合铝合金筒坯材料放入热处理炉中按固溶处理参数和时效处理参数进行固溶与时效处理； 固溶处理参数 固溶温度480 525 °C ; 保温时间1.0 3. Oh; 热水淬火温度60 IO(TC ; 时效处理参数 时效温度160 220°C ; 保温时间6. 0 12. Oh ; ⑤机加工与珩磨加工润滑冷却剂煤油； 缸套机械成型加工刀头合金钢或金刚石刀头； 缸套内表面珩磨加工刀头硬质合金珩磨头。 所述的覆盖剂按重量百分数采用100 % MgCl2. KC1或80 % MgCl2. KC1+20 % CaF2溶 剂；配制采用化学纯MgCl2. KC1 (光卤石)、CaF2配料。 所述的覆盖剂的配制要求是待缓慢升温脱水后，加热到660 70(TC熔化，冷却后 破碎、球磨成粉，用20 50目筛过筛，密封存放待用。 所述的精炼剂按重量百分比采用70%的六氯乙烷与30%的氟硅酸钠，称重混合压制成。50X30-50的料块，用铝箔分包，存于密封的干燥器中，使用前置于炉旁预热。 所述的离心铸造成型中的金属导流浇注的优选参数 导流槽预热温度450 500°C ; 筒形模具热温度120 180°C ; 浇注温度730 850本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高硅梯度复合铝合金缸套材料，其特征在于该材料各组分按重量百分比为：　　Ｓｉ：１３．０％～２７．０％；Ｆｅ：０．３％～２．０％；Ｎｉ：１．５％～５％；Ｃｕ：１．５％～４．０％；Ｍｇ：０．３％～０．８％；Ｍｎ：０．３％～０．８％；Ｖ：０．１％～０．５％；Ｓｒ：０．０５％～０．１０％；ＲＥ：０．０４％～０．１％；Ｐ：０．０１－０．１；Ａｌ：余量。

【技术特征摘要】
一种高硅梯度复合铝合金缸套材料，其特征在于该材料各组分按重量百分比为Si13.0％～27.0％；Fe0.3％～2.0％；Ni1.5％～5％；Cu1.5％～4.0％；Mg0.3％～0.8％；Mn0.3％～0.8％；V0.1％～0.5％；Sr0.05％～0.10％；RE0.04％～0.1％；P0.01-0.1；Al余量。2. 根据权利要求1所述的高硅梯度复合铝合金缸套材料，其特征在于该材料各组分的优选成分按重量百分比为Si :20. 5% ;Fe :1. 50% ;Ni :2. 00% ;CU :2. 00% ;Mg :0. 50% ;Mn : 0. 50% ;V :0. 35% ;Sr :0. 08% ;RE :0. 08% ;P :0. 07 ;A1 :余量。3. 根据权利要求1所述的高硅梯度复合铝合金缸套材料，其特征在于所述的稀土 RE 采用混合稀土，即以La为主的La-Ce-Pr-Nd系合金，合金的成分按重量百分比为La :60%、 Ce :15%、Pr :15%、Nd :10%。4. 一种根据权利要求1所述的高硅梯度复合铝合金缸套材料的制备方法，其特征在于该制备方法包括下列步骤① 成分设计与精确配料成分设计各组分按重量百分比为Si :13. 0% 27. 0%;Fe :0. 3% 2. 0%;Ni :1. 5% 5 % ;CU :1. 5 % 4. 0 % ;Mg :0. 3 % 0. 8 % ;Mn :0. 3 % 0. 8 % ;V :0. 1 % 0. 5 % ;Sr : 0. 05% 0. 10% ;RE :0. 04% 0. 1% ;P :0. 01-0. 1 ;A1 :余量；精确配料按本发明的合金成 分，采用铝硅、铝铁、铝镍、铝铜、铝锰、铝钒、铝锶、铝稀土、铜磷中间合金以及纯铝、纯镁炉料，进行定量配料；② 熔炼、覆盖、精炼与变质处理采用中频电磁感应炉熔炼，熔炼时将上述中间合金、除铜磷中间合金外，加入后熔化， 调整铝液温度为700-73(TC，加入铝、镁炉料，镁块用压瓢或钟罩的方式压入铝熔体中，并移 动直至熔化；覆盖剂的加入，覆盖剂以不出现裸露金属液面为准，分别在装炉、熔炼、加镁及浇注时 均匀撒入；采用含钾、镁氯盐覆盖剂，用量为总炉料量的1 3% ;精炼处理，调整铝液温度75(TC 88(TC，加入总炉料量的0. 5 1. 0%的六氯乙烷与氟 硅酸钠的精炼熔剂，用钟罩压入熔体中并均匀的移动，对合金液进行精炼与净化处理，以去 除合金中渣物和有害气体；精炼时间控制在10-15分钟，静置5-10分钟后扒去渣物；再均 匀撒上一层覆盖剂；变质处理，调整铝液温度至800-900°C ，加入铜磷中间合金(含磷10% )，磷的加入量为 总炉料量的0. 01-0. 1%，用漏勺加入；全部熔化后，静置8-10分钟；③ 离心铸造成型由变频电机控制，经上述在中频电磁感应炉(1)中合金熔炼、覆盖保 护、精炼净化与变质处理后的合金熔液浇注到预热的导流槽(2)中控制导流，导入到预热 的筒形模具(5)中，启动离心机(4)至规定转速，同时，打开水阀喷水冷却系统(3)，对模具 进行喷淋冷却；在离心...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙廷富，吴岳壹，王存龙，陈大辉，彭银江，高明灯，侯林冲，李冬梅，郭珉，
申请(专利权)人：中国兵器工业第五二研究所，
类型：发明
国别省市：97[中国|宁波]