專利名稱：內(nèi)層顆粒增強缸套及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)動機汽缸部件，特別是一種內(nèi)層顆粒增強缸套及其制造 方法。
背景技術(shù)：
缸套是內(nèi)燃發(fā)動機重要零件，缸套的機械性能和熱性能對發(fā)動機工作效率、 使用壽命以及工作狀態(tài)有重要的影響。傳統(tǒng)的發(fā)動機缸套材料主要是合金耐磨 鑄鐵或鋼板。隨著節(jié)能環(huán)保意識的進一步加強，對汽車減重的要求越來越高， 隨之出現(xiàn)了用密度較小的鋁合金等材料制造缸套，為了增加密度較小材料缸套 的機械性能和熱性能，現(xiàn)有技術(shù)中出現(xiàn)了高硅鋁合金缸套噴射冶金法和鋁合金 汽缸內(nèi)表面激光熔覆硅顆粒增強法兩種制造鋁合金缸套的方法。
高硅鋁合金缸套噴射冶金法是液態(tài)熔體噴射沉積成形法。噴射過程熔體內(nèi)
顆粒細化，并在沉積體內(nèi)均勻分布。高硅鋁合金缸套噴射冶金法主要用于Si含 量在25%以上的過共晶鋁硅合金缸套的生產(chǎn)(制備)，在缸套中形成耐磨的初晶硅 顆粒。該方法工藝過程復(fù)雜、機械切削量大，材料消耗大、成本高，因此未得到 工業(yè)化應(yīng)用。
鋁合金汽缸內(nèi)表面激光熔復(fù)硅顆粒增強法為采用激光熔復(fù)硅顆粒增強鋁合 金缸套耐磨性，其具體工藝如下鑄造工藝成形氣缸整體——對氣缸內(nèi)表面機 加工——釆用激光熔覆工藝在氣缸內(nèi)表面堆積厚度約0.8ram高硅層——機械精 加工氣缸內(nèi)表面。該方法需要激光器及其控制儀器和設(shè)備，工藝復(fù)雜；激光是 點光源，因此熔復(fù)硅顆粒時間長，生產(chǎn)效率低；缸套增強層存在1%左右的孔隙 率，孔洞尺寸為0. 1-0. 5mm，因此缸套的增強層易剝落，影響缸套的使用壽命。
因此，需要一種內(nèi)層增強缸套，內(nèi)層增強區(qū)域與基體結(jié)合良好，穩(wěn)定牢固，孔 隙率低，重量輕，機械性能和熱性能好，并且制造方法工藝過程簡單，生產(chǎn)效 率高。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種內(nèi)層顆粒增強缸套及其制造方法，內(nèi) 層增強層與外層非增強層結(jié)合良好，重量輕，孔隙率低，機械性能和熱性能好， 并且制造方法工藝過程簡單，生產(chǎn)效率高。
本發(fā)明的內(nèi)層顆粒增強缸套，包括缸套基體，所述缸套基體包括徑向內(nèi)層 的增強層和外層的非增強層，增強層由增強顆粒分布在缸套基體內(nèi)構(gòu)成，所述 增強層與非增強層通過冶金結(jié)合的方式進行結(jié)合。
進一步，所述增強層內(nèi)增強顆粒材料按體積百分含量由高到低從內(nèi)至外逐 漸過渡；增強層與非增強層通過冶金結(jié)合的過渡層進行結(jié)合，所述過渡層的增 強顆粒從內(nèi)至外逐漸降為零；
進一步，所述增強層位于缸套內(nèi)表面的增強顆粒的體積百分含量大于等于 跳
進一步，所述增強層位于缸套內(nèi)表面的增強顆粒的體積百分含量為20— 50%;
進一步，所述增強層位于缸套內(nèi)表面的增強顆粒的體積百分含量為35%;
進一步，所述增強顆粒為初晶Si和Mg2Si的混合顆粒，所述缸套基體的材 料為鋁基合金；
進一步，初晶Si和Mg2Si的混合顆粒中，按體積百分含量初晶Si占20%— 50%，初晶Si的粒徑為20—120 u m， Mg2Si的粒徑為20—40 ii m; 進一步，所述增強層的厚度為l一3mm;
本發(fā)明還公開了一種內(nèi)層顆粒增強缸套的制造方法，包括熔融態(tài)材料的制 備、鑄造和后續(xù)加工，所述增強顆粒的密度小于缸套基體材料的密度，通過離
心鑄造的方式實現(xiàn)增強顆粒在缸套基體內(nèi)向內(nèi)層偏聚，致使缸套基體分為內(nèi)層 的增強層和外層的非增強層。
進一步，缸套基體材料選用過共晶Al-Si系合金，增強顆粒為初晶Si與Mg2Si 混合顆粒，增強層的增強顆粒是在熔融材料時加入Mg，鑄造時凝固過程中從熔 體中自生析出的初晶Si與Mg2Si顆粒；離心鑄造過程中，轉(zhuǎn)速為600—3000rpm， 模具預(yù)熱溫度為130—400'C。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明的內(nèi)層顆粒增強缸套，內(nèi)層增強層與外層非 增強層通過過渡層以冶金結(jié)合的方式結(jié)合，過渡均勻平緩，穩(wěn)定牢固，延長缸 套使用壽命，重量輕，孔隙率低，機械性能和熱性能好，提高發(fā)動機工作效率， 并且制造方法工藝過程簡單，生產(chǎn)效率高，增強顆粒在非增強層內(nèi)的含量為零， 在增加內(nèi)層的耐磨性的同時，并不影響缸套整體的抗拉強度等機械性能；采用 鋁為主要基體材料，重量輕，可以使每個缸套減重67%左右，可以降低汽車的燃 油消耗和排放污染；該缸套用初晶Si與Mg2Si顆粒作為增強相，比單一的初晶 Si增強效果更好，同時，Mg2Si顆粒表面的網(wǎng)狀龜裂紋具有一定的儲油效果，可 以省去儲油孔加工工序，提高缸套的磨損性能；該缸套在制造過程中，增強顆 粒是熔體內(nèi)自生形成，因而孔隙率低，小于0.3%，該缸套制造方法與現(xiàn)有的灰 鑄鐵缸套離心鑄造工藝完全相同，工藝過程簡單，生產(chǎn)效率高，與激光熔覆工 藝相比，不需要激光熔復(fù)硅顆粒增強法所需要的激光器及其控制儀器和設(shè)備， 制造成本低；與噴射沉積工藝相比，工藝簡單，并且節(jié)約大量的原材料；該缸 套可以通過調(diào)整合金成分與離心鑄造工藝而滿足不同的梯度功能要求；該缸套 由于外壁是共晶或亞共晶鋁合金，材料的硬度低，內(nèi)層的初晶Si與Mg2Si加工 性能良好，因此便于車削加工。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步描述。 附圖為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
附圖為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示本實施例的內(nèi)層顆粒增強缸套， 包括缸套基體，缸套基體包括徑向內(nèi)層的增強層1和外層的非增強層2，增強層 1由增強顆粒分布在缸套基體內(nèi)構(gòu)成，增強層1與非增強層2通過冶金結(jié)合的過 渡層3進行結(jié)合；非增強層內(nèi)不含有增強顆粒，宏觀上觀察，增強層與非增強 層之間界限明顯。
增強層1內(nèi)增強顆粒材料按體積百分含量由高到低從內(nèi)至外逐漸過渡，過 渡層3的增強顆粒從內(nèi)至外逐漸降為零；本實施例中，增強顆粒為初晶Si和 Mg2Si的混合顆粒，缸套基體的材料為鋁基合金。
以下缸套基體增強層內(nèi)表面的增強顆粒按體積百分含量的實施例 實施例一
增強層位于缸套內(nèi)表面的初晶Si和Mg2Si增強顆粒按體積百分含量為10y。， 在初晶Si和Mg2Si的混合顆粒中，按體積百分含量初晶Si占20%，初晶Si的 粒徑為20—120 u m, Mg2Si的粒徑為20—40 u m。
實施例二
增強層位于缸套內(nèi)表面的初晶Si和Mg2Si增強顆粒按體積百分含量為20Q/。， 本實施例中增強顆粒的體積百分含量使缸套的機械性能以及耐磨性優(yōu)于實施例 一；在初晶Si和Mg2Si的混合顆粒中，按體積百分含量初晶Si占50%，初晶 Si的粒徑為20—120 y m, Mg2Si的粒徑為20—40 u m。
實施例三
增強層位于缸套內(nèi)表面的初晶Si和Mg2Si增強顆粒按體積百分含量為35Q/。， 本實施例中增強顆粒的體積百分含量使缸套的機械性能以及耐磨性優(yōu)于實施例 二；在初晶Si和Mg2Si的混合顆粒中，按體積百分含量初晶Si占35%，初晶 Si的粒徑為20—120um， Mg2Si的粒徑為20—40um，本實施例增強顆粒中
的初晶Si體積百分含量使缸套的機械性能以及耐磨性優(yōu)于實施例二。
實施例四
增強層位于缸套內(nèi)表面的初晶Si和Mg2Si增強顆粒按體積百分含量為50M， 本實施例中增強顆粒的體積百分含量使缸套的機械性能以及耐磨性優(yōu)于實施例 一，在初晶Si和Mg2Si的混合顆粒中，按體積百分含量初晶Si占35%，初晶 Si的粒徑為20—120 um， Mg2Si的粒徑為20—40um，本實施例增強顆粒中 的初晶Si體積百分含量使缸套的機械性能以及耐磨性優(yōu)于實施例一。
以下為本發(fā)明的制造方法實施例。 制造實施例一
內(nèi)層顆粒增強缸套的制造方法，包括熔融態(tài)材料的制備、鑄造和后續(xù)加工， 增強顆粒為初晶Si與Mg2Si混合顆粒，密度小于缸套基體材料鋁基合金的密度， 通過離心鑄造的方式實現(xiàn)增強顆粒在缸套基體內(nèi)向內(nèi)層偏聚，致使缸套基體分 為徑向內(nèi)層的增強層和外層的非增強層；宏觀上觀察，增強層與非增強層之間 界限明顯；
增強層的增強顆粒是在熔融材料時加入Mg，鑄造時凝固過程中從熔體中自 生析出的初晶Si與Mg2Si顆粒；離心鑄造過程中，轉(zhuǎn)速為600rpm，模具預(yù)熱溫 度為130—400。C。
制造實施例二
內(nèi)層顆粒增強缸套的制造方法，包括熔融態(tài)材料的制備、鑄造和后續(xù)加工， 增強顆粒為初晶Si與Mg2Si混合顆粒，密度小于缸套基體材料鋁基合金的密度， 通過離心鑄造的方式實現(xiàn)增強顆粒在缸套基體內(nèi)向內(nèi)層偏聚，致使缸套基體分 為徑向內(nèi)層的增強層和外層的非增強層；宏觀上觀察，增強層與非增強層之間 界限明顯；
增強層的增強顆粒是在熔融材料時加入Mg，鑄造時凝固過程中從熔體中自 生析出的初晶Si與Mg2Si顆粒；離心鑄造過程中，轉(zhuǎn)速為3000rpm，模具預(yù)熱
溫度為130—400°C。
制造實施例三
內(nèi)層顆粒增強缸套的制造方法，包括熔融態(tài)材料的制備、鑄造和后續(xù)加工, 增強顆粒為初晶Si與Mg2Si混合顆粒，密度小于缸套基體材料鋁基合金的密度， 通過離心鑄造的方式實現(xiàn)增強顆粒在缸套基體內(nèi)向內(nèi)層偏聚，致使缸套基體分 為徑向內(nèi)層的增強層和外層的非增強層；宏觀上觀察，增強層與非增強層之間 界限明顯；
增強層的增強顆粒是在熔融材料時加入Mg，鑄造時凝固過程中從熔體中自 生析出的初晶Si與Mg2Si顆粒；離心鑄造過程中，轉(zhuǎn)速為1500rpm，模具預(yù)熱 溫度為130—40(TC。
本發(fā)明中通過調(diào)整鋁合金中Si元素與Mg元素的相對含量與離心成形工藝 (如澆溫、模具溫度、離心轉(zhuǎn)速等工藝條件)，可以把增強層設(shè)計與控制成驟變 梯度分布狀態(tài)；通過定量鋁水與調(diào)整離心鑄造工藝，可以實現(xiàn)增強層厚度的設(shè) 計與控制；通過調(diào)整離心轉(zhuǎn)速與合金中Si、 Mg元素的對比含量，可以實現(xiàn)增強 層顆粒體積分數(shù)的可設(shè)計性與可控制性；通過調(diào)整合金成分，變質(zhì)處理、澆注 工藝、離心鑄造工藝，可以控制初晶Si顆粒的粒徑在20-120um之間，Mg2Si 顆粒粒徑在20-40 um之間；通過控制增強顆粒的體積分數(shù)與粒徑大小，可以設(shè) 計與控制增強的耐磨性能、拉伸強度、導(dǎo)熱系數(shù)、熱穩(wěn)定性等機械性能；通過 調(diào)整離心鑄造工藝(澆注溫度、模具溫度、離心轉(zhuǎn)速等)，可以設(shè)計與控制非增 強層的合金成分(共晶、準共晶或亞共晶成分)，同時通過在合金中添加微量合 金元素(Cu、 Ni、 Mn、 Ti等)，可以實現(xiàn)非增強層機械性能(常溫抗拉強度、高 溫抗拉強度等)的可設(shè)計性與可控制性。
因此，可以通過簡單的工藝調(diào)整，可以大大增強該缸套的機械性能和熱性能， 提高發(fā)動機工作效率，并且工藝過程簡單，生產(chǎn)效率高。
最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管 參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解， 可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的 宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)層顆粒增強缸套，包括缸套基體，其特征在于所述缸套基體包括徑向內(nèi)層的增強層(1)和外層的非增強層(2)，增強層(1)由增強顆粒分布在缸套基體內(nèi)構(gòu)成，所述增強層(1)與非增強層(2)通過冶金結(jié)合的方式進行結(jié)合。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)層顆粒增強缸套，其特征在于所述增強層(1)內(nèi)的增強顆粒材料按體積百分含量由高到低從內(nèi)至外逐漸過渡；增強層(1)與 非增強層(2)通過冶金結(jié)合的過渡層(3)進行結(jié)合，所述過渡層(3)的增強 顆粒從內(nèi)至外逐漸降為零。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的內(nèi)層顆粒增強缸套，其特征在于所述增強層 (1)位于缸套內(nèi)表面的增強顆粒的體積百分含量大于等于10%。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的內(nèi)層顆粒增強缸套，其特征在于所述增強層(l)位于缸套內(nèi)表面的增強顆粒的體積百分含量為20—50%。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的內(nèi)層顆粒增強缸套，其特征在于所述增強層(l) 位于缸套內(nèi)表面的增強顆粒的體積百分含量為35%。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1、 2、 4或5所述的內(nèi)層顆粒增強缸套，其特征在于所述 增強顆粒為初晶Si和Mg2Si的混合顆粒，所述缸套基體的材料為鋁基合金。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的內(nèi)層顆粒增強缸套，其特征在于初晶Si和Mg2Si 的混合顆粒中，按體積百分含量初晶Si占20%_50%，初晶Si的粒徑為20—120 u m ， Mg2Si的粒徑為20—40 u m 。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的內(nèi)層顆粒增強缸套，其特征在于所述增強層(1) 的厚度為l一3mm。
9. 一種權(quán)利要求1所述的內(nèi)層顆粒增強缸套的制造方法，包括熔融態(tài)材料的 制備、鑄造和后續(xù)加工，其特征在于所述增強顆粒的密度小于缸套基體材料 的密度，通過離心鑄造的方式實現(xiàn)增強顆粒在缸套基體內(nèi)向內(nèi)層偏聚，致使缸套基體分為徑向內(nèi)層的增強層和外層的非增強層。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的內(nèi)層顆粒增強缸套的制造方法，其特征在于缸 套基體材料選用過共晶Al-Si系合金，增強顆粒為初晶Si與Mg2Si混合顆粒， 增強層的增強顆粒是在熔融材料時加入Mg，鑄造時凝固過程中從熔體中自生析 出的初晶Si與Mg2Si顆粒；離心鑄造過程中，轉(zhuǎn)速為600—3000rpm，模具預(yù)熱 溫度為130—40(TC。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種內(nèi)層顆粒增強缸套及其制造方法，包括缸套基體，缸套基體包括徑向內(nèi)層的增強層和外層的非增強層，增強層由增強顆粒分布在缸套基體內(nèi)構(gòu)成，增強層與非增強層通過冶金結(jié)合的過渡層進行結(jié)合，本發(fā)明增強層和非增強層過渡均勻平緩，穩(wěn)定牢固，延長缸套使用壽命，缸套重量輕，孔隙率低，機械性能和熱性能好，提高發(fā)動機工作效率，并且制造方法工藝過程簡單，生產(chǎn)效率高，增強顆粒在非增強層內(nèi)的含量為零，在增加內(nèi)層的耐磨性的同時，并不影響缸套整體的抗拉強度等機械性能，該缸套采用離心鑄造方法成形內(nèi)層顆粒偏聚的毛坯，然后毛坯熱處理和機械切削加工制造獲得。
文檔編號B22D15/00GK101338704SQ20081007019
公開日2009年1月7日 申請日期2008年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月27日
發(fā)明者劉昌明, 開 王, 翟彥博, 勇 謝 申請人:重慶大學(xué)