一种自生混合颗粒增强铝合金缸套由铝合金以及一定含量的Ni和Si构成。在合金凝固过程中，从熔液中先析出的Al3Ni颗粒在离心力的作用下会推动部分初晶Si颗粒一起向外运动，最终获得外层偏聚大量初生Al3Ni和初晶Si混合颗粒的偏聚层，内层偏聚初晶Si颗粒，中间为基体层的筒状毛坯铸件。筒状毛坯件经车削内层和中间层后，留下具有高体积分数的外层，由此得到自生混合颗粒增强铝合金缸套。该铝合金缸套与铝缸体进行压力铸造组合成形，经过机械加工和装配后得到全铝内燃发动机。本发明专利技术获得的自生颗粒混合增强缸套重量轻、颗粒体积百分含量高，具有优良的耐磨性能和耐高温性能，能提高发动机的工作效率。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种发动机气缸部件，特别是一种自生混合颗粒增强铝合金缸套及其制造方法。
技术介绍
缸套是内燃发动机的重要零部件之一，其内表面由于受到高温高压燃气的作用并与高速运动的活塞接触而极易磨损。因此，缸套的机械性能和高温热性能对发动机的工作效率，使用寿命以及工作状态有重要的影响。近年来，铝合金缸套的技术开发成为重要议题，已有技术中出现了高硅铝合金缸套喷射冶金法、铝合金气缸内表面涂覆处理工艺以及离心铸造法制备Al-Si-Mg合金以及初晶Si/Mg2Si颗粒增强铝合金缸套内层工艺。另外，开展了离心铸造Al-Ni和Al-Ni-Si合金初生铝镍相梯度功能复合材料的基础研究。同时，报道了采用Al-Ni-Si合金材料来制备发动机箱体，汽缸套以及活塞的技术。现分别叙述如下1.高硅铝合金气缸套的工艺主要是采用快速凝固喷射成形+高温挤压。德国戴姆勒-奔驰汽车制造公司与PEAK公司合作已将该法应用于部分高档轿车发动机缸套的制造(见中华人民共和国专利局“专利技术专利申请公开说明书”，专利技术名称超共晶铝合金汽缸衬筒及其制造方法；申请号95117636.6 ；申请日95. 10. 24;公开日:1996年8月28曰)。 但是，该法工艺流程长、设备投入大，气缸套制造成本很高。2.铝合金气缸内表面涂覆工艺主要是对铝合金缸套内表面进行陶瓷化处理，如喷涂耐磨涂层或激光烧结Si，Al2O3等耐磨颗粒。该方法首先将发动机缸体和缸套同时整体铸出，为了提高缸套的耐磨性，用激光熔化缸套的内表面，同时将增强颗粒熔覆至缸套内表面，然后机械加工成形。该法的主要不足在于熔覆层有孔洞，在使用过程中出现熔覆层脱落的现象。3.离心铸造法制备初晶Si/Mg2Si颗粒增强缸套内层工艺是最近被提出的(见中华人民共和国专利局“专利技术专利申请公开说明书”，专利技术名称内层颗粒增强缸套及其制造方法；申请号:200810070197. 0 ；申请日:2008. 8. 27 ；公开日:2009年1月7日)。这种方法的最大特点是尽可能的遵循了现有普通铸铁缸套的制造方法，生产效率高且工艺简单。然而，这种缸套由于是颗粒内层增强，在离心铸造过程中，铸造夹渣、气孔等缺陷与颗粒同时偏移至铸件内层区域，致使其机械加工难度增大，缸套成品率降低并影响了其耐磨性能。4.欧洲专利DE19845279A1号曾公开一种采用Al-Ni-Si合金材料来制备发动机箱体，汽缸套以及活塞。该专利文件仅研究了一定合金成分的Al-Ni-Si合金材料(Si 12-17% (wt.), Ni (4. 1+0. 2x Si% )到 12%，Cu，Mg，Mn，Fe，Ti，B 和 P 总共 0. 5-8%，其余为Al)能用于制备发动机零部件，最终获得的组织是初晶Si均勻的分布在铝镍相和基体中。该专利涉及的制备发动机箱体，汽缸套以及活塞的工艺方法是普通重力铸造方法，没有涉及到离心铸造的方法。另外，该合金的Si含量较低，不足以形成足够高硬度的初晶Si颗粒。5.国内外已经报道了大量的关于Al-Ni 二元合金离心铸造制备自生梯度功能复合材料(Functionally Gradient Materials，简称 FGM)的基础研究。日本学者 Yoshimi Watanabe等研究了离心铸造制备的Al-Al3Ni功能梯度材料的颗粒尺寸、形状，以及重力系数和冷却速度等对颗粒梯度分布的影响(lkience and Engineering of Composite Materials Vol. 11，Nos. 2-3，2004，185-199.)。印度的 T. P. D. Rajan 等人研究了 Al 和不同含量的Ni (10-40% )在离心铸造条件下制备Al-Al3Ni金属间化合物梯度功能材料，通过对这些不同镍含量的梯度材料组织性能的研究，发现Al-20% Ni材料通过离心铸造能形成更好的梯度分布(见 Journal of Alloys and Compounds 453 (2008) L4-L7) 张宝生等对Al-IONi和Al-13Ni金属间化合物梯度功能材料进行研究后认为沿离心力的方向初生金属间化合物相体积浓度和尺寸均呈现明显的梯度分布，其物理力学性能的变化和强化相粒子的梯度分布具有良好的对应关系；控制离心加速率G可以获得高浓度大梯度分布材料 (见哈尔滨工业大学学报1998年4月第30卷第2期)。据相关报道，由Al-Ni 二元合金形成的Al3Ni颗粒梯度复合材料的硬度普遍不高， 不能满足发动机汽缸套的耐磨性要求。另据报道，日本学者Ohmi. T等采用复合离心铸造的方法(Centrifugal Duplex Casting简称⑶C)将Al-12. 6wt% Si的熔体先浇入旋转模具，然后，立刻又浇入Al_30wt% Ni的熔体，得到了 Al-Ni和Al-Si两种合金复合的功能梯度材料。两种合金在模具中完全混合后的成分为 A1-7. 5% Ni-9% Si。(见 JOURNAL OF THE JAPAN INSTITUTE OF METALS Vol. 64No. 7，JUL 2000，483-489)。该合金成分形成的Al3Ni颗粒的体积百分率很低，也不能形成高硬度的初晶Si颗粒。因此，材料的硬度和耐磨性不高。另外，这种两次浇注的离心铸造方法的工艺难度很大，实际应用非常困难。除此之外，没有见到任何关于Al-Ni-Si三元合金离心铸造梯度功能材料的报道。因此，本专利文件的权利要求中提到采用离心铸造来制备自生颗粒混合增强铝合金缸套。采用离心铸造就是为了得到高颗粒百分含量的增强层(1)，从而提高缸套的耐磨性能。同时本专利还将硅的含量扩大到17 25% (wt.)，该范围已延伸到合金的过共晶成分区域，增加铝合金颗粒增强层(1)中初生初晶Si颗粒的百分含量。同时本专利还将Ni的含量扩大到8% 15% (wt.)，增加铝合金颗粒增强层(1)中初生Al3Ni颗粒的百分含量。
技术实现思路
本专利技术提供一种自生混合颗粒增强铝缸套及其制造方法。该铝缸套的铸件毛坯由离心铸造获得，铸件毛坯在径向方向上分为外层自生混合颗粒增强层、中间基体层以及内层的初晶Si颗粒层。通过机械加工切除铸件毛坯中间基体层以及内层的颗粒层，从外层自生颗粒增强层中获得孔隙率低，机械强度高，内表面耐磨的颗粒增强缸套。进一步，所述铝缸套中的增强颗粒为初生Al3Ni和初晶Si混合颗粒。进一步，所述铝缸套的自生混合颗粒总体积分数为15-50%。两种颗粒的相对体积百分含量为初生Al3Ni占60%-80%，初晶Si占20%-40%。进一步，所述自生混合颗粒增强层的厚度为2-10mm。进一步，所述铝缸套基体材料为铝或铝基合金。进一步，铝缸套铸造基体材料选用，熔炼时在液态Al中加入Ni和Si，形成Al-Si-Ni合金，其中，Si含量为17 25wt%，Ni含量为8 15wt%，以及少量的Cu、Ti、 Mg，其余为Al，在铸造凝固过程中分别析出初生Al3Ni和初晶Si颗粒。进一步，所述增强颗粒Al3M与铝缸套基体铝材料熔液之间存在密度差，通过离心铸造方式实现Al3M颗粒向外偏聚，同时，先析出的Al3Ni颗粒推动随后析出的初晶Si 颗粒一起向着铸件外层运动，致使外层自生混合颗粒增强层的形成；通过离心本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种自生混合颗粒增强铝缸套，其特征在于：所述缸套中含有大量的初生Ａｌ３Ｎｉ和初晶Ｓｉ颗粒，缸套内混合颗粒总体积分数为１５－５０％；初生Ａｌ３Ｎｉ和初晶硅Ｓｉ的相对体积百分含量分别为６０％－８０％和２０％－４０％。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：刘昌明，吕循佳，李婧，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：85
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