一种高硅铝合金缸套材料及其制造方法技术

本发明专利技术涉及到一种高硅铝合金缸套材料，其特征在于包括下述重量组成：Si?18.0%～26.0%；Fe?2.0%～5.0%；Ni?3.0%～7.0%；Cu?1.8%～3.0%；Mg?0.5%～0.8%；Mn?0.5%～0.8%；V?0.1%～0.3%；Al?余量，并且，7%≤Fe＋Ni≤10%，27%≤Fe＋Ni＋Si≤33%。本发明专利技术制备得到的高硅铝合金缸套材料及制品，具有高的工艺性能、力学性能以及摩擦学性能特点，其缸套工作面极大化的凸出硬质点相的承力、耐磨与周围凹坑储油、冷却与润滑作用，且对缸套内在颗粒尺寸以及工作面摩擦学形态尺寸的有效控制，其使用效果将更为优越。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及到金属合金及其制备
，具体指一种耐磨性好低膨胀系数的高硅铝合金缸套材料及其制备方法。
技术介绍
配缸间隙是决定和影响发动机功率密度、废气压力、燃油消耗以及环境排放指标的重要参数。铸铁、钢缸套材料与铝合金活塞材料的热物理性能相容性差，难以缩小配缸间隙。而高硅铝合金缸套材料与铝合金活塞材料、铝合金缸体缸盖热物理学性能相近，可以显著地缩小配缸间隙，避免或克服相容性差的缺点。高硅铝合金的摩擦学机制是软基体上分布着高硬度质点相，当摩擦发生时，高硬度质点相起到支撑、耐磨作用，周围产生的凹坑起到储油、冷却与润滑作用。高硬度质点相分布越均匀、颗粒尺寸控制合适将对摩擦学性能和高温性能有益。英国专利GB972095公布了一种含铜、镍、铁、锰等过渡族元素的高硅铝合金缸套材料，但配比不合理，致使合金的耐高温性能与摩擦学性能不足，而且采用压铸成型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，同时还造成了合金综合性能低、加工性能差等问题。英国专利GB2302695、欧洲专利EP367229以及美国专利US4155756、US4938810公布高硅铝合金不含镍、铁、锰等过渡族元素，仅含高量的硅元素。这类高硅铝合金脆性大，高温、室温力学性能严重过低，且这几份专利均采用粉末冶金工艺，制造成本高、工艺复杂，并且产品的性能均匀性差。申请号为00124660. 7和200510048662. 7的中国专利申请公开的高硅铝合金，采用的是喷射沉积制造方法，制备得到的合金摩擦学性能以及力学性能较好，但材料脆性大，室温、高温力学性能不足。公告号为10145 7318A的中国专利申请公开的高硅铝合金缸套材料及制备方法，铁含量高，导致组织中含有过多的针状、棒状铁相，不仅影响到材料及制品的性能，而且带来缸套成型加工工艺上的难度。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的现状提供一种性能优异的高硅铝合金缸套材料。本专利技术所要解决的另一个技术问题是提供一种性能优异的高硅铝合金缸套材料的制备方法。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为该高硅铝合金缸套材料，其特征在于包括下述重量组成Si18. 0% 26. 0% ；Fe2.0% 5.0%;Ni3.0% 7.0%;Cu1. 8% 3.0%;Mg0. 5% 0. 8% ；Mn0. 5% 0. 8% ；V0.1% 0.3%;Al余量并且，7%彡 Fe + Ni 彡 10%, 27% 彡 Fe + Ni + Si 彡 33%。较好的，所述的高硅铝合金缸套材料，其特征在于包括下述重量组成Si21. 0%Fe4. 0%Ni3. 0% ；Cu2. 5% ；Mg0. 6% ；Mn0. 8% ；V0. 2% ；Al余量 。在本专利技术中，Si能够提高合金耐磨性能与热物理性能，并对力学性能提高有益。固溶热处理后可析出硅镁、铝铜镁以及铝铜镁硅化合物相起强化作用。为最大化发挥Cu、Mg的强化效果，应有过剩硅存在。此外，过剩硅的作用是形成细小、分布均匀的硅晶体颗粒，对耐磨性能作用极大。在本专利技术中，Fe作用机理是形成细小、分布均匀的复合相化合物，对提高耐磨性能、高温力学性能与热物理性能有益。但铁量过高将易形成Al3Fe针棒状相对合金力学艺性能、变形加工性能带来难度。因此Fe的用量必须控制在一定范围。本申请经大量实验，选定Fe的含量2. 0% 5. 0%。在本专利技术中，Ni的作用机制同铁元素，但不形成针棒状相，其细小、分布均匀的耐高温金属间化合物相，对提高耐磨性能、高温力学性能以及变形加工性能有益。镍可以完全取代铁，但镍贵稀缺，因此必须控制一定量。本专利技术经大量实验选定Ni的含量为3.0% 7. 0%。在本专利技术中，Cu的作用是形成细小、分布均匀的铝铜镁、铝铜金属间化合物相，从而提高合金的力学性能，但高温时铜化合物相有粗化倾向，因此必须控制一定量。本专利技术经大量实验，选定Cu的含量为1. 8% 3. 0%。在本专利技术中，Mg的作用是与铝、硅、铜等形成时效析出相提高合金的力学性能以及摩擦学性能，但加入量过多会影响熔炼质量以及塑性等。本专利技术经大量实验，选定Mg含量为 0. 5% 0. 8%o在本专利技术中，Mn的作用是与铁、硅、铝等形成化合物相，对耐磨性能与高温力学性能以及热物理性能改善有有益影响，并改善铁相化合物形态，避免形成针棒状相使之有益于提高合金的综合力学性能。本专利技术经大量实验，选定Mn的含量为0. 5% 0. 8%。在本专利技术中，V的作用是细化合金组织以及高温时阻碍晶界迁移，抑制组织粗化。铝在本专利技术中是合金中的基体元素，其含量受合金化元素加入量约束。上述高硅铝合金缸套的制备方法，其特征在于包括下列步骤①按配方配料精确配料按照本专利技术的合金，采用铝硅、铝铁、铝镍、铝铜、铝锰、铝钒中间合金以及纯铝、纯镁炉料，进行定量配料；其中铝硅中间相合金中硅的质量含量为40%，铝铁中间相合金中铁的含量为30%，铝铜中间相合金中铜的含量为50%、铝镍中间相合金中镍的含量为20%、铝锰合金中锰的含量为15%、铝矾合金中钒的含量为15% ；②熔炼、覆盖与精炼采用中频感应炉熔炼，熔炼时硅、铁、镍、铜、锰、钒以铝中间合金形式加入，熔化后调整铝液温度为720V ±10°C，加入铝、镁炉料；覆盖剂的加入，以保护不出现裸露铝液面为准，以保护铝液避免氧化烧损，分别在熔化后、加镁后以及精炼净化后均匀撒入；精炼净化，调整铝液温度750°C 800°C，加入总炉料重量的0. 5% 1. 0%的六氯乙烷与氟硅酸钠的精炼熔剂，用钟罩压入铝液中并均匀的搅动，对铝液进行精炼与净化处理，以去除铝液中渣物和有害气体；一直到无气体、气泡逸出为止，静置10 15分钟后扒去渣物，再均匀撒上一层覆盖剂；所述覆盖剂为含钾氯盐和镁氯盐，所述覆盖剂的总用量为总炉料重量的I 3% ；③喷射沉积按步骤②的方法在中频感应熔炼炉中进行合金熔炼、除气与净化处理。然后到浇注温度后浇注到漏斗与导流嘴中控制金属流量，进入喷射沉积雾化器中喷射沉积，产生高度雾化的高速半固态溅射流，高速溅射沉积到接收底盘上，通过接收底盘向下的移动速度、旋转速度以及与雾化器摆角 的匹配，可制备成不同直径大小的圆形锭坯；控制金属流量浇注参数浇注温度760 860°C金属流量6 8kg/min喷射沉积参数扫描速度20.9 23. 3Hz ；气体流量16 23Nm3/min ;氮气压力6.5 9. 5atm ；喷射高度670 730_ ；喷射沉积、接收参数接收底盘旋转速度2. 45 3. 16r/s ；接收底盘移动速度0. 57 0. 70mm/s ;④硅颗粒粗化热处理将步骤③制备的圆形锭坯送入热处理炉中，进行硅颗粒粗化热处理，在480 500°C下保温2. 0 3. 5小时，消除对摩擦学性能不利的极细小的硅颗粒使之长大到大颗粒尺寸，从而提高缸套工作面的耐磨损性能。⑤挤压加工经过步骤④处理后，将圆形锭坯切割下料成要求的挤压坯，加热到挤压温度，保温一定时间，送入到挤压机中，在挤压冲头和芯棒共同作用下，挤压成厚壁管坯；挤压参数挤压比8 14;挤压速度1.2 1. 5m/min ；挤压温度400 460°C ；保温时间按下述方法计算得到(-)挤压还直径<p或厚度S< 50mm时,保温时间T=本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高硅铝合金缸套材料，其特征在于包括下述重量组成：Si?????????????????18.0%～26.0%；Fe?????????????????2.0%～5.0%；Ni?????????????????3.0%～7.0%；Cu?????????????????1.8%～3.0%；Mg?????????????????0.5%～0.8%；Mn?????????????????0.5%～0.8%；V??????????????????0.1%～0.3%；Al?????????????????余量并且，7%≤Fe＋Ni≤10%，27%≤Fe＋Ni＋Si≤33%。

【技术特征摘要】
1.一种高硅铝合金缸套材料，其特征在于包括下述重量组成 Si18. 0% 26. 0% ； Fe2. 0% 5. 0% ； Ni3. 0% 7. 0% ； Cu1. 8% 3.0%; MgO. 5% O. 8% ； MnO. 5% O. 8% ； VO. 1% O. 3% ；Al余量并且，7% 彡 Fe + Ni 彡 10%, 27% 彡 Fe + Ni + Si 彡 33%。2.根据权利要求1所述的高硅铝合金缸套材料，其特征在于 Si21.0% Fe4.0% Ni3. 0% ； Cu2. 5% ； MgO. 6% ； MnO. 8% ； VO. 2% ； Al余量。3.如权利要求1或2所述的高硅铝合金缸套的制造方法，其特征在于包括下列步骤 ①按配方配料 精确配料按照本发明的合金，采用铝硅、铝铁、铝镍、铝铜、铝锰、铝钒中间合金以及纯铝、纯镁炉料，进行定量配料；其中铝硅中间相合金中硅的质量含量为40%，铝铁中间相合金中铁的含量为30%，铝铜中间相合金中铜的含量为50%、铝镍中间相合金中镍的含量为20%、铝锰合金中锰的含量为15%、铝矾合金中钒的含量为15% ； ②熔炼、覆盖与精炼 采用中频感应炉熔炼，熔炼时硅、铁、镍、铜、锰、钒以铝中间合金形式加入，熔化后调整铝液温度为720V ±10°C，加入铝、镁炉料； 覆盖剂的加入，以保护不出现裸露铝液面为准，以保护铝液避免氧化烧损，分别在熔化后、加续后以及精炼净化后均勾撒入； 精炼净化，调整铝液温度750°C 800°C，加入总炉料重量的O. 5% 1. 0%的六氯乙烷与氟硅酸钠的精炼熔剂，用钟罩压入铝液中并均匀的搅动，对铝液进行精炼与净化处理，以去除铝液中渣物和有害气体；一直到无气体、气泡逸出为止，静置10 15分钟后扒去渣物，再均匀撒上一层覆盖剂； 所述覆盖剂为钾氯盐和镁氯盐，所述覆盖剂的总用量为总炉料重量的1% 3% ； ③喷射沉积 按步骤②的方法在中频感应熔炼炉中进行合金熔炼、除气与净化处理；达到浇注温度后浇注到漏斗与导流嘴中控制金属流量，进入喷射沉积雾化器中进行喷射沉积，产生高度雾化的高速半固态溅射流，高速溅射沉积到接收底盘上，通过接收底盘向下的移动速度、旋转速度以及与雾化器摆角的匹配，可制备成不同直径大小的圆形锭坯； 控制金属流量浇注参数 浇注温度760 860°C 金属流量6 8kg/min 喷射沉积参数 扫描速度20. 9 23. 3Hz ； 气体流量16 23Nm3/min ； 氮气压力6. 5 9. 5atm ； 喷射高度670 730_ ； 喷射沉积、接收参数 接收底盘旋转速度2. 45 3. 16r/s ； 接收底盘移动速度0. 57 O. 70mm/s ； ④娃颗粒粗化热处理 将步骤③制备的圆形锭坯送入热处理炉中，在480 500°C下保温2. O 3. 5小时； ⑤挤压加工 经过步骤④处理后，将圆形锭坯切割下料成要求的挤压坯，加热到挤压温度，保温一定时间，送入到挤压机中，在挤压冲头和芯棒共同作用下，挤压成厚壁管坯； 挤压参数 挤压比8 14 ; 挤压速度1. 2 1. 5...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙廷富，章国伟，陈耘，元涛，陈敏，翟景，郭安振，彭银江，贺勇，陈刚，
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：