一种反重力消失模铸造铝/镁双合金发动机缸体的方法与流程

本发明属于复合铸造领域，更具体地，涉及一种反重力消失模铸造铝/镁双合金发动机缸体的方法。

背景技术：

mg和al分别是第一和第二的工程用轻金属，各自有其优缺点。镁合金质量轻，具有良好的阻尼性与导热性，且我国资源丰富，但是塑性差、耐蚀性差；铝合金塑性好、耐蚀性好且成本低，但密度相对镁合金较大。如果将铝合金与镁合金复合制备成铝/镁双金属，使两种材料的优点相互结合，能够扬长避短，既满足性能要求又满足轻量化的要求，将极大地实现节能减排，在汽车、航空、航天等领域具有较大的应用前景。

汽车发动机缸体是汽车最重要的部件之一，约占整车重量的18％，我们知道，汽车重量每减少100kg，油耗和排放可分别减少0.35l/100km和8.4g/km，因此如果能够使用镁合金或者铝合金制备发动机缸体，将极大的降低汽车重量，实现节能减排。当今，铝合金发动机已经有很多人进行研究，而关于镁合金发动机的研究还较少，这是因为镁合金的强度和耐磨性始终得不到提高。因此，在目前单独镁合金的性能很难达到发动机缸体使用要求的情况下，将镁合金的优势与铝合金的优势相结合的铝/镁双合金发动机缸体是一个极其有前景的解决方案。铝/镁双合金发动机缸体是指发动机缸套部分为铝合金，满足耐磨与耐高温的要求，而不与活塞和高温蒸汽接触的剩余部分为镁合金，满足降低重量、提高阻尼性和导热性的要求。

制备发动机缸体的方法有金属型铸造，砂型铸造，压力铸造和消失模铸造等，各有优缺点。镁(铝)合金消失模铸造相比于其他方法的缺点在于铸件容易产生浇不足和冷隔等缺陷，零件质量相对较低。使用反重力消失模铸造可以使金属液在真空和气压的双重作用下浇注充型,液态镁(铝)合金的充型能力较重力消失模铸造大为提高,可以较好地克服镁合金消失模铸造中常见的浇不足、冷隔等缺陷,且不需太高的浇注温度,它是铸造高精度、薄壁复杂镁(铝)合金铸件的一种好的方法，因此十分适合制备发动机缸体。

目前，只有使用压铸的方法制备铝/镁双合金发动机缸体，但是压铸的成本大，且铸件不能进行热处理。而使用反重力消失模铸造固-液复合技术的方法制备铝/镁双合金发动机缸体的研究还未见报道。使用反重力消失模铸造固-液复合技术制备铝/镁双合金发动机缸体能够充分结合了反重力消失模铸造和固-液复合工艺的优势，可明显提高铝/镁双合金发动机缸体铸件质量，铸件可进一步实现热处理强化，并降低了生产成本，具有较大的应用前景。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种反重力消失模铸造铝/镁双合金发动机缸体的方法，通过将待成形发动机缸体分为两部分，对于两部分分别采用不同的材料和不同的制造工艺进行制造，其中，缸套部分选用铝合金材料使得获得的缸套部分具备耐磨耐高温的要求，除缸套部分外的部分采用镁合金，降低铸件的整体质量，同时增加了铸件整体的阻尼性和导热性，使用反重力消失模铸造固-液复合技术制备铝/镁双合金发动机缸体，在保证铸件整体性能满足使用要求的同时，极大的降低了铸件整体重量。

为实现上述目的，按照本发明，提供了反重力消失模铸造铝/镁双合金发动机缸体的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)制备铝合金缸套

将待成形发动机缸体划分为两个部分，一部分为与外界活塞配合的部分，即缸套部分，另外一部分为除所述缸套以外的部分，设定所述缸套的厚度，选取铝合金材料制备所述缸套部分；

(b)制备复合模型

采用泡沫制作与所述另外一部分三维结构相同的模型形成泡沫模型，将所述缸套部分组装在所述泡沫模型中，以此形成所述待成形发动机缸体的复合模型；

(c)反重力消失模铸造制造除缸套以外的部分

将所述复合模型置于反重力消失模的砂箱中，采用镁合金进行浇注使得所述泡沫模型熔化，以此在所述缸套的外部成形所述待成形发动机缸体的另外一部分，实现所述缸套部分与另外一部分的结合，获得所需的铝/镁合金发动机缸体。

进一步优选地，在步骤(a)中，所述缸套部分和另外一部分的体积比优选为1：6～8。

进一步优选地，在步骤(a)中，所述缸套部分采用离心铸造或者机加工的方法制造。

进一步优选地，在步骤(a)中，所述铝合金优选为zl111、zl201或zl202。进一步优选地，在步骤(b)中，所述泡沫模型优选采用发泡成型。

进一步优选地，在步骤(b)中，所述缸套部分与所述泡沫模型采用过盈配合的方式连接。进一步优选地，在步骤(b)中，所述镁合金牌号优选为az91d、az31b或az63a。

进一步优选地，在步骤(c)中，所述镁合金浇注的温度优选为720℃～740℃，所述砂箱内的真空度为0.02mpa～0.03mpa，充型压力为0.03mpa～0.08mpa。

进一步优选地，在步骤(c)中，在所述采用镁合金进行浇注之前，还需对在所述复合模型的外表面涂涂料，避免泡沫模型直接接触型砂，所述涂料优选采用消失模专用水基涂料，例如，tw-3干粉涂料、sf-zg水基涂料等。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明通过将铝/镁合金发动机缸体分为两部分制造，与活塞配合的缸套部分采用铝合金材质，另外一部分采用镁合金制造，一方面铝合金符合耐磨耐高温的要求，另一方面镁合金的质量轻且具有良好的导热性和阻尼性，从而使得最终获得的铝镁合金发动机缸体在满足使用性能的情况下质量降低；

2、本发明结合反重力消失模铸造和固-液复合工艺的优势，明显提高铝/镁双合金发动机缸体铸件质量，铸件可进一步实现热处理强化，并降低了生产成本，具有较大的应用前景；

3、本发明中泡沫模型和缸套部分通过过盈配合的方式进行连接，实现固态铝合金缸套和泡沫模型的紧密连接，避免了除泡沫外其他物质对两种金属连接的影响，保证了铸件的结合强度，此外，泡沫汽化产物为还原性气体，避免了浇注过程中合金液与铝合金缸套的氧化，提高了铸件的质量。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的采用反重力消失模铸造制备铝/镁双合金发动机缸体的结构示意图。

图2是图1中复合模型截面a-a的剖面图；

图3是图1中复合模型的三维组合图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-固态铝合金缸套，2-除铝合金缸套外发动机缸体其余部分泡沫模型，3-浇注系统部分泡沫模型，a-a-剖面线，4-砂箱，5-干砂，6-真空泵组件，7-坩埚，8-电阻熔炼炉，9-通镁合金熔炼保护气体组件，10-密封圈，11-升液管，12-螺栓，13-通惰性气体组件，14-镁合金熔体。b-固态铝合金缸套，c-除铝合金缸套外发动机缸体其余部分泡沫模型，d-浇注系统部分泡沫模型。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明的优选实施例所构建的采用反重力消失模铸造制备铝/镁双合金发动机缸体的结构示意图；图2是图1中复合模型截面a-a的剖面图，图3是复合模型的三维组合图，如图1、图2和图3所示，反一种重力消失模铸造制备铝/镁双合金发动机缸体的方法，其充分的结合了反重力消失模铸造固-液复合技术和铝/镁双合金发动机缸体的优点，满足发动机不同位置的使用要求的同时降低整体重量，并且结合性能好，铸件质量高。

该方法包括以下步骤：

第一步，制模。具体地，复合模型的制备包括以下步骤：

制备固态铝合金缸套1，其壁厚为12mm，材质为zl201。除缸套外发动机缸体剩余部分的泡沫模型2使用发泡成型的方法制备,浇注系统部分的泡沫模型3使用泡沫切割机制备。固态铝合金缸套1和除缸套外发动机缸体剩余部分的泡沫模型2通过过盈配合方式连接，连接好之后的1和2的相对位置如图2所示。除缸套外发动机缸体剩余部分泡沫模型2和固态铝合金缸套1的体积比(液固体积比)为8。除缸套外发动机缸体剩余部分的泡沫模型2和浇注系统部分的泡沫模型3使用消失模专用胶水粘结。组合过程以及最终的组合模型如图3所示。

第二步，涂涂料。具体地，所述复合模型的涂涂料包括以下步骤：

(1)将sf-zg消失模铸造涂料粉与水按1:1体积比配制成混合液，并将所述混合液搅拌均匀；

(2)将复合模型反复浸入到所述混合液中，直至涂料均匀涂覆在所述复合模型的所有外表面上，并将所述复合模型在温度为50℃～60℃的烘干箱中烘干；

(3)将烘干后的所述复合模型再涂覆一层所述混合液后烘干。

第三步，埋砂造型。具体地，所述复合模型的埋砂造型包括以下步骤：

(1)将所述复合模型放入砂箱4中，加无粘结剂的干砂5到所述砂箱5中；

(2)使用三维振动紧实。本实施方式中，振动频率为50hz，振幅为0.6mm。

第四步，抽真空。具体地，在所述砂箱4的顶端设置一层塑料薄膜，之后，通过所述真空泵组件6自所述砂箱4的底部进行抽真空，使所述砂箱4内的真空度达到0.03mpa。

第五步，镁合金熔炼。具体地，将切割好的镁合金锭放入坩埚7中，然后将坩埚放入电阻熔炼炉8中，升高温度进行熔炼。熔炼过程中通入sf6体积分数为0.5％的co2保护气体9。

第六步，反重力设备组装。具体地，待镁合金完全熔化并达到浇注温度后，先在熔炼炉顶部安装密封圈10，然后再将预热后的升液管11迅速插入镁合金液14中，最后将砂箱放在升液管上表面上，复合模型直浇道对准升液管管口，并使用螺栓12固定。

第七步，浇注。具体地，向熔炼炉内通氩气12，使镁合金液13通过升液管10进入复合模型，完成浇注过程。在本实施例中，浇注温度为730℃，充型压力为0.05mpa。

第八步，清理。具体地，待铸件冷却后取出，切除浇注系统部分，以获得铝/镁双合金发动机缸体。

进一步的，所用铝合金缸套的材质为zl111、zl201或zl202。因为发动机缸体的缸套部分与活塞和高温蒸汽相接触，必须满足耐磨耐高温的性能，因此需要选用耐磨且耐高温的铝合金。

进一步的，固态铝合金缸套和除缸套外发动机缸体剩余部分的泡沫模型的连接方式为过盈配合。因为泡沫具有较好的弹性变形能力，缸套在较小的力作用下就可以和处缸套外剩余部分的泡沫模型紧密结合。

进一步的，除缸套外发动机缸体剩余部分泡沫模型和固态铝合金缸套的体积比(液固体积比)为6～8：1。本发明的方法属于固液复合的方法，因此液体和固体的比例(在本发明中即所述除缸套外另外一部分和缸套部分的体积比)十分重要，很大的影响双合金发动机缸体的结合性能，这是因为使用固液复合的方法制备的发动机缸体两部位之间是通过冶金层结合的，而冶金层的厚度受金属液的热容量影响。热容量大，即液态部分多，则冶金层厚，在本发明中即体积比大；反之，热容量小，即液态部分少，则冶金层薄，在本发明中即体积比小。而冶金层不是越厚越好也不是越薄越好，冶金层过厚，则铝镁金属间化合物过多，降低缸体连接强度，冶金层过薄，也容易降低缸体连接强度，因此需要一个合适的冶金层厚度，这个是由液固体积比决定的，因此十分重要。

进一步的，在加砂过程中采用三维振动紧实，其振动频率为50hz，振幅为0.5-1mm。

进一步的，使用真空泵从砂箱底部抽真空，使真空度达到0.02-0.03mpa。真空度影响泡沫汽化后气体的排出效率和金属液的流动性，对双合金缸体的结合质量具有较大影响，因此需要合理选择。

进一步的，浇注所用镁合金牌号可为az91d、az31b或az63a，浇注温度为720-740℃。双合金发动金缸体镁合金部分需要满足质轻、良好的导热性和阻尼性，而且合金中的微量元素对界面的结合效果与结合强度也有较大影响，因此需要选用合适的镁合金。浇注温度决定着液态金属的热容量与充型能力，对双合金缸体的结合质量具有较大影响，因此需要合理选择。

进一步的，通过向炉内充惰性气体增加炉内压强使金属液反重力充型，炉内的压强为0.04-0.06mpa。充型压力影响金属液的充型速度，对双合金缸体的结合质量具有较大影响，因此需要合理选择。

进一步的，使用反重力消失模铸造固-液复合技术完成铝/镁双合金发动机缸体的制备。

本发明提供的反重力消失模铸造固-液复合技术制备铝/镁双合金发动机缸体的方法，通过过盈配合的方法实现固态铝合金缸套和泡沫模型的紧密连接，避免了除泡沫外其他物质对两种金属连接的影响，保证了铸件的结合强度。此外，泡沫汽化产物为还原性气体，避免了浇注过程中合金液与铝合金缸套的氧化，提高了铸件的质量；铸件的铝合金缸套部分符合强度高、耐高温和耐磨的要求，铸件镁合金的部分使铸件整体质量尽量降低，同时增加了铸件整体的阻尼性和导热性，提高了铸件整体的综合性能；利用反重力消失模铸造固液复合的优势，提高了铸件质量。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。