專利名稱：一種高硅鋁合金缸套材料及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到金屬合金及其制備技術(shù)領(lǐng)域，具體指一種耐磨性好低膨脹系數(shù)的高硅鋁合金缸套材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
配缸間隙是決定和影響發(fā)動(dòng)機(jī)功率密度、廢氣壓力、燃油消耗以及環(huán)境排放指標(biāo)的重要參數(shù)。鑄鐵、鋼缸套材料與鋁合金活塞材料的熱物理性能相容性差，難以縮小配缸間隙。而高硅鋁合金缸套材料與鋁合金活塞材料、鋁合金缸體缸蓋熱物理學(xué)性能相近，可以顯著地縮小配缸間隙，避免或克服相容性差的缺點(diǎn)。高硅鋁合金的摩擦學(xué)機(jī)制是軟基體上分布著高硬度質(zhì)點(diǎn)相，當(dāng)摩擦發(fā)生時(shí)，高硬度質(zhì)點(diǎn)相起到支撐、耐磨作用，周圍產(chǎn)生的凹坑起到儲(chǔ)油、冷卻與潤(rùn)滑作用。高硬度質(zhì)點(diǎn)相分布越均勻、顆粒尺寸控制合適將對(duì)摩擦學(xué)性能和高溫性能有益。英國(guó)專利GB972095公布了一種含銅、鎳、鐵、錳等過(guò)渡族元素的高硅鋁合金缸套材料，但配比不合理，致使合金的耐高溫性能與摩擦學(xué)性能不足，而且采用壓鑄成型方法難以獲得細(xì)小均勻的高硬度化合物質(zhì)點(diǎn)相以及高硅質(zhì)點(diǎn)，同時(shí)還造成了合金綜合性能低、加工性能差等問(wèn)題。英國(guó)專利GB2302695、歐洲專利EP367229以及美國(guó)專利US4155756、US4938810公布高硅鋁合金不含鎳、鐵、錳等過(guò)渡族元素，僅含高量的硅元素。這類高硅鋁合金脆性大，高溫、室溫力學(xué)性能嚴(yán)重過(guò)低，且這幾份專利均采用粉末冶金工藝，制造成本高、工藝復(fù)雜，并且產(chǎn)品的性能均勻性差。申請(qǐng)?zhí)枮?0124660. 7和200510048662. 7的中國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)的高硅鋁合金，采用的是噴射沉積制造方法，制備得到的合金摩擦學(xué)性能以及力學(xué)性能較好，但材料脆性大，室溫、高溫力學(xué)性能不足。公告號(hào)為10145 7318A的中國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)的高硅鋁合金缸套材料及制備方法，鐵含量高，導(dǎo)致組織中含有過(guò)多的針狀、棒狀鐵相，不僅影響到材料及制品的性能，而且?guī)?lái)缸套成型加工工藝上的難度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的現(xiàn)狀提供一種性能優(yōu)異的高硅鋁合金缸套材料。本發(fā)明所要解決的另一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是提供一種性能優(yōu)異的高硅鋁合金缸套材料的制備方法。本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為該高硅鋁合金缸套材料，其特征在于包括下述重量組成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%。較好的，所述的高硅鋁合金缸套材料，其特征在于包括下述重量組成Si21. 0%Fe4. 0%Ni3. 0% ；Cu2. 5% ；Mg0. 6% ；Mn0. 8% ；V0. 2% ；Al余量 。在本發(fā)明中，Si能夠提高合金耐磨性能與熱物理性能，并對(duì)力學(xué)性能提高有益。固溶熱處理后可析出硅鎂、鋁銅鎂以及鋁銅鎂硅化合物相起強(qiáng)化作用。為最大化發(fā)揮Cu、Mg的強(qiáng)化效果，應(yīng)有過(guò)剩硅存在。此外，過(guò)剩硅的作用是形成細(xì)小、分布均勻的硅晶體顆粒，對(duì)耐磨性能作用極大。在本發(fā)明中，F(xiàn)e作用機(jī)理是形成細(xì)小、分布均勻的復(fù)合相化合物，對(duì)提高耐磨性能、高溫力學(xué)性能與熱物理性能有益。但鐵量過(guò)高將易形成Al3Fe針棒狀相對(duì)合金力學(xué)藝性能、變形加工性能帶來(lái)難度。因此Fe的用量必須控制在一定范圍。本申請(qǐng)經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)，選定Fe的含量2. 0% 5. 0%。在本發(fā)明中，Ni的作用機(jī)制同鐵元素，但不形成針棒狀相，其細(xì)小、分布均勻的耐高溫金屬間化合物相，對(duì)提高耐磨性能、高溫力學(xué)性能以及變形加工性能有益。鎳可以完全取代鐵，但鎳貴稀缺，因此必須控制一定量。本發(fā)明經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)選定Ni的含量為3.0% 7. 0%。在本發(fā)明中，Cu的作用是形成細(xì)小、分布均勻的鋁銅鎂、鋁銅金屬間化合物相，從而提高合金的力學(xué)性能，但高溫時(shí)銅化合物相有粗化傾向，因此必須控制一定量。本發(fā)明經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)，選定Cu的含量為1. 8% 3. 0%。在本發(fā)明中，Mg的作用是與鋁、硅、銅等形成時(shí)效析出相提高合金的力學(xué)性能以及摩擦學(xué)性能，但加入量過(guò)多會(huì)影響熔煉質(zhì)量以及塑性等。本發(fā)明經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)，選定Mg含量為 0. 5% 0. 8%o在本發(fā)明中，Mn的作用是與鐵、硅、鋁等形成化合物相，對(duì)耐磨性能與高溫力學(xué)性能以及熱物理性能改善有有益影響，并改善鐵相化合物形態(tài)，避免形成針棒狀相使之有益于提高合金的綜合力學(xué)性能。本發(fā)明經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)，選定Mn的含量為0. 5% 0. 8%。在本發(fā)明中，V的作用是細(xì)化合金組織以及高溫時(shí)阻礙晶界遷移，抑制組織粗化。鋁在本發(fā)明中是合金中的基體元素，其含量受合金化元素加入量約束。上述高硅鋁合金缸套的制備方法，其特征在于包括下列步驟
①按配方配料精確配料按照本發(fā)明的合金，采用鋁硅、鋁鐵、鋁鎳、鋁銅、鋁錳、鋁釩中間合金以及純鋁、純鎂爐料，進(jìn)行定量配料；其中鋁硅中間相合金中硅的質(zhì)量含量為40%，鋁鐵中間相合金中鐵的含量為30%，鋁銅中間相合金中銅的含量為50%、鋁鎳中間相合金中鎳的含量為20%、鋁錳合金中錳的含量為15%、鋁礬合金中釩的含量為15% ；②熔煉、覆蓋與精煉采用中頻感應(yīng)爐熔煉，熔煉時(shí)硅、鐵、鎳、銅、錳、釩以鋁中間合金形式加入，熔化后調(diào)整鋁液溫度為720V ±10°C，加入鋁、鎂爐料；覆蓋劑的加入，以保護(hù)不出現(xiàn)裸露鋁液面為準(zhǔn)，以保護(hù)鋁液避免氧化燒損，分別在熔化后、加鎂后以及精煉凈化后均勻撒入；精煉凈化，調(diào)整鋁液溫度750°C 800°C，加入總爐料重量的0. 5% 1. 0%的六氯乙烷與氟硅酸鈉的精煉熔劑，用鐘罩壓入鋁液中并均勻的攪動(dòng)，對(duì)鋁液進(jìn)行精煉與凈化處理，以去除鋁液中渣物和有害氣體；一直到無(wú)氣體、氣泡逸出為止，靜置10 15分鐘后扒去渣物，再均勻撒上一層覆蓋劑；所述覆蓋劑為含鉀氯鹽和鎂氯鹽，所述覆蓋劑的總用量為總爐料重量的I 3% ；③噴射沉積按步驟②的方法在中頻感應(yīng)熔煉爐中進(jìn)行合金熔煉、除氣與凈化處理。然后到澆注溫度后澆注到漏斗與導(dǎo)流嘴中控制金屬流量，進(jìn)入噴射沉積霧化器中噴射沉積，產(chǎn)生高度霧化的高速半固態(tài)濺射流，高速濺射沉積到接收底盤(pán)上，通過(guò)接收底盤(pán)向下的移動(dòng)速度、旋轉(zhuǎn)速度以及與霧化器擺角 的匹配，可制備成不同直徑大小的圓形錠坯；控制金屬流量澆注參數(shù)澆注溫度760 860°C金屬流量6 8kg/min噴射沉積參數(shù)掃描速度20.9 23. 3Hz ；氣體流量16 23Nm3/min ;氮?dú)鈮毫?.5 9. 5atm ；噴射高度670 730_ ；噴射沉積、接收參數(shù)接收底盤(pán)旋轉(zhuǎn)速度2. 45 3. 16r/s ；接收底盤(pán)移動(dòng)速度0. 57 0. 70mm/s ;④硅顆粒粗化熱處理將步驟③制備的圓形錠坯送入熱處理爐中，進(jìn)行硅顆粒粗化熱處理，在480 500°C下保溫2. 0 3. 5小時(shí)，消除對(duì)摩擦學(xué)性能不利的極細(xì)小的硅顆粒使之長(zhǎng)大到大顆粒尺寸，從而提高缸套工作面的耐磨損性能。⑤擠壓加工經(jīng)過(guò)步驟④處理后，將圓形錠坯切割下料成要求的擠壓坯，加熱到擠壓溫度，保溫一定時(shí)間，送入到擠壓機(jī)中，在擠壓沖頭和芯棒共同作用下，擠壓成厚壁管坯；擠壓參數(shù)
擠壓比8 14;擠壓速度1.2 1. 5m/min ；擠壓溫度400 460°C ；保溫時(shí)間按下述方法計(jì)算得到(-)擠壓還直徑<p或厚度S< 50mm時(shí),保溫時(shí)間T= 1.5cp或8 (min) ;(二)擠壓還直徑攀或厚度S彡IOOmm時(shí)，保溫時(shí)間T=2(p或S (min);㈢擠壓坯直徑tp或厚度S在50 IOOmm 時(shí)，保溫時(shí)間T= 1.5零或 8 + 0. 01 (<p或 6 — 50) f或 6 (min)；⑥熱處理將步驟⑤擠壓成形的厚壁管坯切割下料成缸套尺寸要求的材料放入熱處理爐中進(jìn)行固溶處理與時(shí)效處理；固溶處理參數(shù)固溶溫度480 515 °C ;保溫時(shí)間1.0 2. 5h;熱水淬火溫度60 100°C ；時(shí)效處理參數(shù)時(shí)效溫度160 220°C ；保溫時(shí)間:4.0 12. Oh ；將經(jīng)過(guò)步驟⑥處理的缸套材料進(jìn)行微觀檢測(cè)組織中硅顆粒尺寸2.0 10. Oum,最好為4. 0 10. 0 ii m,允許有個(gè)別顆粒尺寸大于10. Oum,但不得超過(guò)15. 0 y m ;組織中含鐵、硅、錳以及含鎳、銅、鎂等化合物相顆粒尺寸1.5 lO.Oym，最好為
4.0 10. 0 u m ;⑦機(jī)加工與精磨加工將經(jīng)過(guò)步驟⑥處理的缸套材料進(jìn)行機(jī)加工與精磨加工制備缸套潤(rùn)滑冷卻劑煤油；缸套機(jī)械成型加工刀頭合金鋼或金剛石刀頭；缸套工作面精磨加工刀頭硬質(zhì)合金或金剛石精磨頭；⑧缸套工作面堿腐蝕加工將經(jīng)過(guò)步驟⑦加工的缸套，如圖4所示樣品及材料進(jìn)行堿腐蝕加工，腐蝕掉表面硬質(zhì)點(diǎn)周圍的鋁基體，其形成的摩擦學(xué)表面特征凸的硬質(zhì)點(diǎn)與周圍凹坑。NaOH水溶液濃度1% 5% ；NaOH水溶液溫度40 50°C ；腐蝕時(shí)間10 60s;腐蝕方法試樣或樣品在NaOH水溶液中搖動(dòng)或沖洗。采用濾波或激光粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)試腐蝕后的缸套工作面Rmax<3. Oum ；Rz<3. 0 ；Rk <1. 4 u m ；Rpk <0. 3 u m ；Rvk <3. 0 u m ；Mr2 :>70%。

上述方法中，較好的，步驟②中所述的覆蓋劑為MgCl2. KCl溶劑，兩者的重量比例為1:1 ;所述覆蓋劑的制備方法為將MgCl2. KCl加熱到660 700°C熔化，然后冷卻成固體后粉碎并球磨成粉，過(guò)20 50目篩即得到所述的覆蓋劑。步驟②中所述的精煉劑可以包括重量比為65% 75%的六氯乙烷和35% 25%的氟硅酸鈉溶劑。較好的，所述精煉劑為經(jīng)由壓制成型的直徑為45 55mm,厚度為30 50mm的圓料塊。上述制備方法中，各參數(shù)優(yōu)選所述噴射沉積的控制金屬流量澆注參數(shù)為澆注溫度780 820°C金屬流量6.5 7Kg/min ；所述噴射沉積的參數(shù)為掃描速度22.3 23. 3Hz ；氣體流量20 23Nm3/min ；氮?dú)鈮毫?.5 8. 5atm ；噴射高度700 720mm ；所述的噴射沉積、接收的參數(shù)為接收底盤(pán)旋轉(zhuǎn)速度2. 45 2. 78r/s ;接收底盤(pán)移動(dòng)速度0. 57 0. 60mm/s。所述的硅顆粒粗化 熱處理優(yōu)選參數(shù)；熱處理保溫溫度490°C ±5°C ;保溫時(shí)間2. 0 2. 5h;所述的擠壓參數(shù)為擠壓比10 12;擠壓速度1.3 1. 4m/min ；擠壓溫度420 440 °C ;保溫時(shí)間計(jì)算按照(-)擠壓還直徑f或厚度S彡50mm時(shí),保溫時(shí)間T=1.5f或5 (min) ;(二)擠壓還直徑爭(zhēng)或厚度6彡IOOmm時(shí)，保溫時(shí)間T=2<p或6 (min);㈢擠壓坯直徑cp或厚度S在50 IOOmm 時(shí)，保溫時(shí)間T=l,5<p或 8 +0.01(爭(zhēng)或 8 — 50) tp或 5 (min)。所述的固溶處理參數(shù)為固溶溫度510 515°C ;保溫時(shí)間2 2. 5h ;熱水淬火溫度60 70°C ;時(shí)效處理優(yōu)選參數(shù)時(shí)效溫度165 175°C ;保溫時(shí)間4. 0 8. Oh ;所述的堿腐蝕加工參數(shù)為NaOH水溶液濃度2% 5% ；NaOH水溶液溫度40 45 °C ;腐蝕時(shí)間30 60s;腐蝕方法試樣或樣品在NaOH水溶液中搖動(dòng)或沖洗。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用噴射沉積制造工藝，比粉末冶金工藝與壓鑄工藝優(yōu)越；采用硅顆粒粗化熱處理工藝，解決極細(xì)小硅相質(zhì)點(diǎn)易脫落形成磨損磨料，對(duì)工作面耐磨損性能不利的缺點(diǎn)；采用堿腐蝕加工技術(shù)，能夠極大化發(fā)揮工作面上硬質(zhì)點(diǎn)相數(shù)量的有益作用，避免珩磨加工損失硬質(zhì)點(diǎn)相數(shù)量的不利或不足。所制備得到的高硅鋁合金缸套材料及制品，具有高的工藝性能、力學(xué)性能以及摩擦學(xué)性能特點(diǎn)，其缸套工作面極大化的凸出硬質(zhì)點(diǎn)相的承力、耐磨與周圍凹坑儲(chǔ)油、冷卻與潤(rùn)滑作用，且對(duì)缸套內(nèi)在顆粒尺寸以及工作面摩擦學(xué)形態(tài)尺寸的有效控制，其使用效果將更為優(yōu)越。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例中噴射霧化沉積工藝裝置示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例的擠壓加工過(guò)程裝置的剖視示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例的熱處理工藝裝置示意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例缸套的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例缸套微觀結(jié)構(gòu)硬質(zhì)點(diǎn)分布形態(tài)圖；圖6為本發(fā)明實(shí)施例工藝流程圖。圖中，1-中頻熔煉爐，2-漏斗，3-導(dǎo)流嘴，4-霧化器，5-濺射流，6-圓形錠坯，7_接收底盤(pán)，8-擠壓沖頭，9-擠壓機(jī)，10-擠壓還，11-芯棒，12-厚壁管還，13-缸套毛還，14-熱處理爐，15-摩擦學(xué)工作面，16-含鐵、硅、錳等化合物相顆粒，17-硅晶體顆粒，18-含鎳、銅、鎂等化合物相顆粒；19-缸套。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖 實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。包含在本發(fā)明中的高硅鋁合金缸套材料，其金屬元素主要為鋁、硅、鐵、鎳、錳、銅、鎂、釩等元素。高硅鋁合金缸套的制備方法①成分設(shè)計(jì)與精確配料按照本發(fā)明合金的成分配方進(jìn)行精確配料。在配料方法上，對(duì)硅、鐵、鎳、錳、銅、釩等高熔點(diǎn)合金元素，采用中間合金的方法，進(jìn)行配料，以便于能將這些高熔點(diǎn)合金元素加入到低熔點(diǎn)的鋁中，即以Al-40%S1、Al-30%Fe、Al-20%N1、Al-50%Cu、Al-15%Mn、A1-15%V中間合金的爐料形式進(jìn)行配料。鎂熔點(diǎn)與鋁熔點(diǎn)相近以純金屬爐料的方式進(jìn)行配料。在以中間合金的爐料方式配料后，鋁量不足時(shí)，將以純鋁爐料的方式補(bǔ)足。②熔煉、覆蓋與精煉采用裝爐量為120kg的中頻感應(yīng)爐熔煉，熔煉時(shí)硅、鐵、鎳、銅、錳、釩以鋁中間合金形式加入，熔化后調(diào)整鋁液溫度為720V ±10°C，加入鋁、鎂爐料；覆蓋劑的加入，覆蓋劑的用量以保護(hù)不出現(xiàn)裸露鋁液面為準(zhǔn)，以保護(hù)鋁液避免氧化燒損，分別在熔化后、加鎂后以及精煉凈化后均勻撒入；采用重量比為1:1的含鉀氯鹽和鎂氯鹽覆蓋劑，用量為總爐料重量的1% 3% ；精煉凈化，調(diào)整鋁液溫度750°C 800°C，加入總爐料重量的0. 5% 1. 0%的六氯乙烷與氟硅酸鈉的精煉劑，用鐘罩壓入鋁液中并均勻的攪動(dòng)，對(duì)鋁液進(jìn)行精煉與凈化處理，以去除鋁液中渣物和有害氣體；一直到無(wú)氣體、氣泡逸出為止，靜置10 15分鐘后扒去渣物，再均勻撒上一層覆蓋劑；
本實(shí)施例中的精煉劑為包括70%的六氯乙烷和30%的氟硅酸鈉；③噴射沉積在中頻感應(yīng)熔煉爐I中進(jìn)行合金熔煉、除氣與凈化處理。然后到澆注溫度后澆注到漏斗2與導(dǎo)流嘴3中控制導(dǎo)流，進(jìn)入噴射沉積霧化器4中霧化沉積，產(chǎn)生高度霧化的高速半固態(tài)濺射流5，高速濺射沉積到接收底盤(pán)7上，通過(guò)接收底盤(pán)向下的移動(dòng)速度、旋轉(zhuǎn)速度以及與霧化器擺角的匹配，制備成直徑350mm± 10mm、長(zhǎng)度450mm±50mm的圓形錠還6 ；控制金屬流量澆注參數(shù)澆注溫度760 860°C金屬流量6 8kg/min噴射沉積參數(shù)掃描速度20.9 23. 3Hz ;氣體·流量16 23Nm3/min ;氮?dú)鈮毫?.5 9. 5atm ；噴射高度670 730mm ；噴射沉積、接收參數(shù)接收底盤(pán)旋轉(zhuǎn)速度2. 45 3. 16r/s ;接收底盤(pán)移動(dòng)速度0. 57 0. 70mm/s ;④硅顆粒粗化熱處理將步驟③制備的圓形錠坯6送入熱處理爐中，進(jìn)行硅顆粒粗化熱處理。熱處理保溫溫度480 500°C ；保溫時(shí)間2. 0 3. 5h;⑤擠壓加工 將經(jīng)過(guò)步驟④處理的圓形錠還6切割下料成內(nèi)直徑125mm + 5mm、外直徑350mm土 10mm、長(zhǎng)度450mm±30mm的擠壓還10,加熱到擠壓溫度,保溫210 235min,送入到擠壓力35000kN、擠壓筒直徑370_的擠壓機(jī)9中，在擠壓沖頭8和直徑為125_的芯棒11共同作用下，擠壓成形內(nèi)直徑125_、外直徑165_的厚壁管還12 ；擠壓參數(shù)擠壓比8 14;擠壓速度1.2 1. 5m/min ；擠壓溫度400 460°C ；保溫時(shí)間的計(jì)算如下擠壓還10外直徑350mm± IOmm,內(nèi)直徑125mm + 5mm,因此擠壓還厚度8大于100mm,則保溫時(shí)間應(yīng) T = 2 8 (min) = 210 235 (min)。⑥熱處理將經(jīng)過(guò)步驟⑤擠壓成形的厚壁管坯12切割下料成缸套尺寸要求的材料13放入熱處理爐14中進(jìn)行固溶處理與時(shí)效處理；固溶處理參數(shù)固溶溫度480 515°C ;保溫時(shí)間1.0 2. 5h;
熱水淬火溫度60 100°C ；時(shí)效處理參數(shù)時(shí)效溫度160 220°C ；保溫時(shí)間4.0 12. Oh ;⑦硬質(zhì)點(diǎn)顆粒尺寸控制將經(jīng)過(guò)步驟⑥處理的缸套毛坯13進(jìn)行微觀檢測(cè)組織中硅顆粒尺寸2.0
10.Oum,最好為4. 0 10. 0 ii m,個(gè)別顆粒尺寸大于10. Oum,但不超過(guò)15. 0 y m ;組織中含鐵、硅、錳以及含鎳、銅、鎂等化合物相顆粒尺寸1.5 lO.Oym，最好為
4.0 10. 0 u m ;⑧機(jī)加工與精磨加工
`
將經(jīng)過(guò)步驟⑥、⑦處理的缸套尺寸要求的材料13進(jìn)行機(jī)加工與精磨加工潤(rùn)滑冷卻劑煤油；缸套機(jī)械成型加工刀頭合金鋼或金剛石刀頭；缸套工作面精磨加工刀頭硬質(zhì)合金或金剛石精磨頭；⑨缸套工作面堿腐蝕加工將經(jīng)過(guò)步驟⑧加工的缸套，如圖4所示的缸套樣品及材料進(jìn)行堿腐蝕加工，腐蝕掉表面硬質(zhì)點(diǎn)周圍的鋁基體，其形成的摩擦學(xué)表面特征凸的硬質(zhì)點(diǎn)與周圍凹坑。NaOH水溶液濃度1% 5% ；NaOH水溶液溫度40 5(TC ；腐蝕時(shí)間10 60s;腐蝕方法試樣或樣品在NaOH水溶液中搖動(dòng)或沖洗。⑩缸套工作面形態(tài)控制將經(jīng)過(guò)步驟⑨腐蝕加工的缸套工作面，采用濾波或激光粗糙度測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)試，其參數(shù)控制Rmax<3. Oum ；Rz<3. 0 ；Rk <1. 4 u m ；Rpk <0. 3 u m ；Rvk <3. Oum ；Mr2 :>70%。測(cè)試用樣品件采用1、將經(jīng)過(guò)步驟⑥處理的厚壁管坯解剖，切取圓形拉伸試樣；2、將經(jīng)過(guò)步驟⑥處理的厚壁管坯解剖，切取金相試樣；3、將經(jīng)過(guò)步驟⑥處理的厚壁管坯解剖，切取堿腐蝕試樣；4、將經(jīng)過(guò)步驟⑨腐蝕加工的缸套或試塊，切取摩擦學(xué)性能試樣；5、所述的高硅鋁合金缸套制備方法，制造的缸套，如圖4所示樣品件。實(shí)施例1、實(shí)施例2及實(shí)施例3三個(gè)實(shí)施例的配方如表I所示。表I各實(shí)施例化學(xué)成分(wt%)
實(shí)施例 Si Fe Ni Cu Mg Mn V Ai
r n 實(shí)施例124.0 2.07.01.80.50.50.1 余歟
實(shí)施例 22LO 4.03.02.50.6OJ0.2
實(shí)施例 318.0 5.05.03.00.80.60.3 余 m
以實(shí)施例2為例子做配料計(jì)算I)實(shí)施例2的化學(xué)成分按重量比例如下Si 21. 0% ；Fe :4. 0% ；N1:3. 0% ；Cu :2. 5% ；Mg :0. 6% ；Mn :0. 8% ；V :0. 2% ；A1 :余量的
招合金。2)按爐料重量120公斤，進(jìn)行配料計(jì)算則需要各合金元素重量為S1:25. 2 公斤；Fe :4. 8 公斤；N1:3. 6% 公斤；Cu :3. 0 公斤；Mg :0. 72 公斤；Mn :0. 96公斤；V 0. 24公斤；A1 :余量。Al的重量為120公斤-上述合金元素重量總和(38. 52公斤)，為81. 48公斤。3)因硅、鐵、鎳、錳、銅、釩等合金元素，采用中間合金的爐料形式加入。因此，必須轉(zhuǎn)換成中間合金的加入重量。貝U :①要加入25. 2公斤Si，則需要加入Al_40%Si中間合金爐料為25. 2 公斤 /40% = 63. 0 公斤;將帶進(jìn) Al 重量為 63. 0-25. 2 = 37. 8 公斤。②要加入4. 8公 斤Fe，則需要加入Al_30%Fe中間合金爐料為4. 8公斤/30% = 16. 0公斤；將帶進(jìn)Al重量為16. 0-4. 8 = 11. 2公斤。同理可計(jì)算出加入N1、、Cu、Mn、V的重量。③要加入3. 6公斤Ni，需要要加入Al_20%Ni中間合金爐料為18. 0公斤，將帶進(jìn)Al重量為14. 4公斤；④要加入3. 0公斤Cu，需要要加入Al_50%Cu中間合金爐料為6. 0公斤，將帶進(jìn)Al重量為3. 0公斤；⑤要加入0. 96公斤Mn，需要要加入Al_15%Mn中間合金爐料為6. 4公斤，將帶進(jìn)Al重量為5. 44公斤；⑥要加入0. 24公斤V，需要要加入A1_15%V中間合金爐料為1. 6公斤，將帶進(jìn)Al重量為1. 36公斤；4)需要補(bǔ)加的Al為因120公斤爐料中需要Al重量為81. 48公斤；而上述采用中間合金的形式加入硅、鐵、鎳、錳、銅、釩帶進(jìn)鋁的重量為(37.8 +
11.2 + 14. 4 + 3. 0 + 5. 44 +1. 36) = 73. 2 公斤。則需要補(bǔ)足的純鋁為81. 48公斤-73. 2公斤=8. 28公斤。5)到此為止全部爐料計(jì)算完畢，則應(yīng)向爐中加入的爐料重量Al-40%Si中間合金爐料為63. 0公斤；Al-30%Fe中間合金爐料為16. 0公斤；Al-20%Ni中間合金爐料為18. 0公斤；Al-50%Cu中間合金爐料為6. 0公斤；Al-15%Mn中間合金爐料為6. 4公斤；A1-15%V中間合金爐料為1. 6公斤；需要補(bǔ)加的純Al重量為8. 28公斤；需要加入的純Mg重量為0. 72公斤(沒(méi)考慮燒損問(wèn)題,是理論加入量)。總加入量驗(yàn)證63.0 + 16. 0 + 18. 0 + 6. 0 + 6. 4 +1. 6 + 8. 28 + 0. 72 = 120. 0公斤。表2各實(shí)施例表面形態(tài)尺寸(粗糙度測(cè)量方法)
權(quán)利要求
1.一種高硅鋁合金缸套材料，其特征在于包括下述重量組成 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.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高硅鋁合金缸套材料，其特征在于 Si21.0% Fe4.0% Ni3. 0% ； Cu2. 5% ； MgO. 6% ； MnO. 8% ； VO. 2% ； Al余量。
3.如權(quán)利要求1或2所述的高硅鋁合金缸套的制造方法，其特征在于包括下列步驟 ①按配方配料 精確配料按照本發(fā)明的合金，采用鋁硅、鋁鐵、鋁鎳、鋁銅、鋁錳、鋁釩中間合金以及純鋁、純鎂爐料，進(jìn)行定量配料；其中鋁硅中間相合金中硅的質(zhì)量含量為40%，鋁鐵中間相合金中鐵的含量為30%，鋁銅中間相合金中銅的含量為50%、鋁鎳中間相合金中鎳的含量為20%、鋁錳合金中錳的含量為15%、鋁礬合金中釩的含量為15% ； ②熔煉、覆蓋與精煉 采用中頻感應(yīng)爐熔煉，熔煉時(shí)硅、鐵、鎳、銅、錳、釩以鋁中間合金形式加入，熔化后調(diào)整鋁液溫度為720V ±10°C，加入鋁、鎂爐料； 覆蓋劑的加入，以保護(hù)不出現(xiàn)裸露鋁液面為準(zhǔn)，以保護(hù)鋁液避免氧化燒損，分別在熔化后、加續(xù)后以及精煉凈化后均勾撒入； 精煉凈化，調(diào)整鋁液溫度750°C 800°C，加入總爐料重量的O. 5% 1. 0%的六氯乙烷與氟硅酸鈉的精煉熔劑，用鐘罩壓入鋁液中并均勻的攪動(dòng)，對(duì)鋁液進(jìn)行精煉與凈化處理，以去除鋁液中渣物和有害氣體；一直到無(wú)氣體、氣泡逸出為止，靜置10 15分鐘后扒去渣物，再均勻撒上一層覆蓋劑； 所述覆蓋劑為鉀氯鹽和鎂氯鹽，所述覆蓋劑的總用量為總爐料重量的1% 3% ； ③噴射沉積 按步驟②的方法在中頻感應(yīng)熔煉爐中進(jìn)行合金熔煉、除氣與凈化處理；達(dá)到澆注溫度后澆注到漏斗與導(dǎo)流嘴中控制金屬流量，進(jìn)入噴射沉積霧化器中進(jìn)行噴射沉積，產(chǎn)生高度霧化的高速半固態(tài)濺射流，高速濺射沉積到接收底盤(pán)上，通過(guò)接收底盤(pán)向下的移動(dòng)速度、旋轉(zhuǎn)速度以及與霧化器擺角的匹配，可制備成不同直徑大小的圓形錠坯； 控制金屬流量澆注參數(shù) 澆注溫度760 860°C 金屬流量6 8kg/min 噴射沉積參數(shù) 掃描速度20. 9 23. 3Hz ； 氣體流量16 23Nm3/min ； 氮?dú)鈮毫?. 5 9. 5atm ； 噴射高度670 730_ ； 噴射沉積、接收參數(shù) 接收底盤(pán)旋轉(zhuǎn)速度2. 45 3. 16r/s ； 接收底盤(pán)移動(dòng)速度0. 57 O. 70mm/s ； ④娃顆粒粗化熱處理 將步驟③制備的圓形錠坯送入熱處理爐中，在480 500°C下保溫2. O 3. 5小時(shí)； ⑤擠壓加工 經(jīng)過(guò)步驟④處理后，將圓形錠坯切割下料成要求的擠壓坯，加熱到擠壓溫度，保溫一定時(shí)間，送入到擠壓機(jī)中，在擠壓沖頭和芯棒共同作用下，擠壓成厚壁管坯； 擠壓參數(shù) 擠壓比8 14 ; 擠壓速度1. 2 1. 5m/min ； 擠壓溫度400 460°C ； 保溫時(shí)間按下述方法計(jì)算得到 (-)擠壓還直徑φ或厚度δ ( 50mm時(shí)，保溫時(shí)間τ= 1.5φ或δ (min) ;(二)擠壓還直徑φ或厚度δ彡IOOmm時(shí)，保溫時(shí)間τ=2φ或δ (min);㈢擠壓坯直徑φ或厚度δ在50 IOOmm時(shí)，保溫時(shí)間τ=1.5φ或 δ + O. 01 ( φ或 δ — 50) φ或 δ (min)； ⑥熱處理 將步驟⑤擠壓成形的厚壁管坯切割下料成缸套尺寸要求的材料放入熱處理爐中進(jìn)行固溶處理與時(shí)效處理； 固溶處理參數(shù) 固溶溫度480 515°C ； 保溫時(shí)間1. O 2. 5h; 熱水淬火溫度60 100°C ； 時(shí)效處理參數(shù) 時(shí)效溫度160 220°C ；保溫時(shí)間4. O 12. Oh ； ⑦機(jī)加工與精磨加工 將經(jīng)過(guò)步驟⑥處理得到的材料進(jìn)行缸套的機(jī)加工與精磨加工 潤(rùn)滑冷卻劑煤油； 缸套機(jī)械成型加工刀頭合金鋼或金剛石刀頭；缸套工作面精磨加工刀頭硬質(zhì)合金或金剛石精磨頭； ⑧缸套工作面堿腐蝕加工 將步驟⑦得到的缸套進(jìn)行堿腐蝕加工； NaOH水溶液濃度1% 5% ； NaOH水溶液溫度40 50°C ; 腐蝕時(shí)間10 60s; 腐蝕方法試樣或樣品在NaOH水溶液中搖動(dòng)或沖洗。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制造方法，其特征在于步驟②中所述的覆蓋劑為MgCl2.KCl溶劑，兩者的重量比例為1:1 ;所述覆蓋劑的制備方法為將MgCl2. KCl加熱到660 700°C熔化，然后冷卻成固體后粉碎并球磨成粉，過(guò)20 50目篩即得到所述的覆蓋劑。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的制造方法，其特征在于步驟②中所述的精煉劑包括重量比為65% 75%的六氯乙烷和35% 25%的氟硅酸鈉溶劑。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制造方法，其特征在于所述精煉劑為經(jīng)由壓制成型的直徑為45 55mm,厚度為30 50mm的圓料塊。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制造方法，其特征在于所述噴射沉積的控制金屬流量澆注參數(shù)為 澆注溫度780 820°C ； 金屬流量6. 5 7Kg/min ； 所述噴射沉積的參數(shù)為 掃描速度22. 3 23. 3Hz ； 氣體流量20 23Nm3/min ； 氮?dú)鈮毫?. 5 8. 5atm ； 噴射高度700 720mm ； 所述噴射沉積、接收的參數(shù)為 接收底盤(pán)旋轉(zhuǎn)速度2. 45 2. 78r/s ； 接收底盤(pán)移動(dòng)速度0. 57 O. 60mm/so所述的硅顆粒粗化熱處理優(yōu)選參數(shù)； 熱處理保溫溫度490°C ±5°C ; 保溫時(shí)間2. O 2. 5h ; 所述的擠壓參數(shù)為 擠壓比10 12 ； 擠壓速度1. 3 1. 4m/min ； 擠壓溫度420 440°C ； 所述的固溶處理參數(shù)為 固溶溫度510 515°C ； 保溫時(shí)間2 2. 5h ; 熱水淬火溫度60 70°C ； 時(shí)效處理參數(shù) 時(shí)效溫度165 175°C ； 保溫時(shí)間4. O 8. Oh ;所述的堿腐蝕加工參數(shù)為 NaOH水溶液濃度2% 5% ；NaOH水溶液溫度40 45°C ;腐蝕時(shí)間30 60s。
全文摘要
本發(fā)明涉及到一種高硅鋁合金缸套材料，其特征在于包括下述重量組成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%。本發(fā)明制備得到的高硅鋁合金缸套材料及制品，具有高的工藝性能、力學(xué)性能以及摩擦學(xué)性能特點(diǎn)，其缸套工作面極大化的凸出硬質(zhì)點(diǎn)相的承力、耐磨與周圍凹坑儲(chǔ)油、冷卻與潤(rùn)滑作用，且對(duì)缸套內(nèi)在顆粒尺寸以及工作面摩擦學(xué)形態(tài)尺寸的有效控制，其使用效果將更為優(yōu)越。
文檔編號(hào)C22C21/02GK103045920SQ20121056349
公開(kāi)日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2012年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月21日
發(fā)明者孫廷富, 章國(guó)偉, 陳耘, 元濤, 陳敏, 翟景, 郭安振, 彭銀江, 賀勇, 陳剛 申請(qǐng)人:中國(guó)兵器工業(yè)第五二研究所