[發明專利]一種離心鑄造自生顆粒增強氣缸套的方法

有效

• 申請號: 201310389266.5
• 申請日: 2013-08-30
• 公開（公告）號: CN103406514A
• 公開（公告）日: 2013-11-27
• 發明（設計）人: 翟彥博;馬秀騰;劉軍;陳紅兵;代榮
• 申請（專利權）人: 西南大學
• 主分類號: B22D13/00
• 分類號: B22D13/00;B22D27/02;C22C32/00;C22C21/00;C22C1/10;F16J10/04
• 代理公司: 北京同恒源知識產權代理有限公司 11275
• 代理人: 趙榮之

技術領域

本發明涉及一種鑄造方法，特別涉及一種離心鑄造自生顆粒增強氣缸套的方法。

背景技術

氣缸套、活塞、活塞環和氣缸蓋共同構成內燃機的燃燒室。燃料混合氣在燃燒室內經進氣、壓縮、燃燒和膨脹過程將熱能轉換為機械能。工作時，氣缸套直接與高溫氣體接觸，是內燃機中工作環境最為惡劣的零部件之一。

目前，乘用車內燃機多采用鑄鐵材料的氣缸套，制備成型后再鑲鑄在鋁合金缸體內。雖然制備鑄鐵氣缸套的工藝較為成熟，但是鑄鐵的熱傳導性、韌性與鋁合金氣缸體匹配性差，使用過程中，缸體和缸套結合強度容易降低，造成兩者結合不緊密，引起發動機缸體漏油、漏氣、滲水、能效降低、排放超標等問題。針對這些問題，開發新型鋁復合材料氣缸套就成為一種迫切需要。

圖1是現有技術制造鋁復合材料氣缸套的原理圖。加工時，將含有增強顆粒3的鋁熔漿2澆注到鑄型1中，在鑄型1的高速旋轉（離心轉速為ω）作用下，密度小于鋁熔漿的增強顆粒3在鋁溶體的離心浮力F1作用下沿鑄型1的徑向向內運動，并最終停留在筒狀氣缸套零件的內層，形成內層具有高體積分數增強顆粒的氣缸套。這種氣缸套內層表現出增強顆粒的特點，即高硬度、高耐磨、高熱穩定性；而外層具有基體鋁的特點，即易加工、與鋁合金缸體匹配性好。

但是，這種方法制造的氣缸套也存在內層增強顆粒團聚、與基體接觸強度低、易脫落等缺點。下面結合附圖對此作進一步說明，如圖1所示，增強顆粒a、b、c處于不同離心半徑、同一徑向方向上。離心鑄型高速旋轉時，增強顆粒a、b、c受到指向軸心的離心浮力F1，設a、b、c受到的離心浮力F1分別為Fa、Fb、Fc；由于半徑不同，離心浮力Fa>Fb>Fc，由于顆粒a、b、c不受其他力的作用，增強顆粒a、b、c的徑向運動速度Va>Vb>Vc，增強顆粒a最終將趕上b和c，三者最終在徑向方向粘結團聚。圖2為該方法鑄造產品的橫截面示意圖，圖中增強顆粒3大量聚集在氣缸套內層7，氣缸套外層6中增強顆粒的含量極少，但是增強顆粒在氣缸套內層7并非均勻分布，而是沿著內層徑向方向粘結團聚。由于這種粘結團聚的存在，導致增強顆粒與基體材料接觸面積減少、接觸強度降低、易脫落等問題，影響該汽缸套性能的穩定性。

發明內容

有鑒于此，本發明提供一種離心鑄造自生顆粒增強氣缸套的方法，該方法鑄造的氣缸套的增強顆粒不團聚，與基體結合良好，性能穩定。

本發明離心鑄造自生顆粒增強氣缸套的方法，包括制備熔漿，鑄型預熱，澆注充型，離心成型，減速停機和脫模冷卻步驟，所述自生顆粒增強氣缸套為初晶Si顆粒增強鋁基氣缸套、初晶Mg₂Si顆粒增強鋁基氣缸套或者初晶Si與初晶Mg₂Si顆粒混合增強鋁基氣缸套，所述離心成型步驟在磁場下進行，該磁場的方向與離心鑄型軸線方向垂直或者平行。

進一步，所述鑄型預熱步驟中鑄型為不導磁材料。

進一步，所述磁場的強度為0.02～1T。

進一步，所述制備熔漿步驟中，熔漿中初晶Si顆粒體積分數為5-15%，初晶Mg₂Si顆粒體積分數為8-20%。

進一步，所述離心成型步驟中離心轉速為600～3000r/min。

本發明的有益效果在于：本發明的離心鑄造方法，增強顆粒密度小于鋁熔漿，受到指向軸心的離心浮力，不斷向內層運動，形成內層具有高體積分數增強顆粒的梯度復合氣缸套。另外，本發明離心成型步驟在外加磁場中進行，熔漿在旋轉的過程中受到與鑄型旋轉方向相反的電磁力，這種電磁力使凝固前沿處熔漿與已凝固部分產生轉速差，從而產生相對運動。這種相對運動一方面可以打碎從凝固前沿析出的初晶顆粒（即增強顆粒），從而細化初晶顆粒，避免增強顆粒的團聚與粘連，提高顆粒與基體的結合強度；另一方面，這種相對運動還可以可以細化基體中的共晶組織，避免板條狀和團簇狀的共晶組織出現，進一步提高氣缸套的綜合力學與熱學性能。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步描述；

圖1為現有技術離心鑄造方法原理圖；

圖2為現有技術離心鑄造產品橫截面示意圖；

圖3為本發明離心鑄造方法原理圖；

圖4為本發明離心鑄造產品橫截面示意圖；

圖5為本發明離心鑄造設備的一種結構示意圖；

圖6為本發明離心鑄造設備的另一種結構示意圖；

圖7為本發明實施例1中離心轉速和磁場強度與時間的關系圖；圖中實現代表轉速與時間關系，虛線代表強度與時間關系；