一种硅油离合器

摘要

本发明涉及一种硅油离合器及其制备方法，属于合金材料技术领域。该硅油离合器主要成分及其质量百分比为：Si：7.5-9.5%、Cu：3.0-4.0%、Mn：0.1-0.5%、Mg：0.02-0.1%、Fe：1.0-1.3%、Ni：0.1-0.5%、Zn：1.0-1.6%、Sn：0.01-0.35%，其他杂质元素总含量≤0.5%，余量为铝。其制备方法包括：按照上述各元素成分的质量百分比配料；将坩埚预热后在坩埚的内壁及底部涂上涂料，加入配料熔化、扒渣、精炼除气；通过半固态压铸成型进行压铸；对压铸成型后的铸件进行热处理，热处理包括固溶处理和时效处理，得硅油离合器。本发明硅油离合器配伍合理，工艺简单，机械性能高，使用寿命长。

权利要求

1.一种硅油离合器，该硅油离合器的成分及其质量百分比为：Si：7.5％-9.5％、Cu：

3.0％-4.0％、Mn：0.1％-0.5％、Mg：0.02％-0.1％、Fe：1.0％-1.3％、Ni：0.1％-0.5％、Zn：1.0％-1.6％、Sn：0.01％-0.35％，其他杂质元素总含量≤0.5％，余量为铝；

其中，所述硅油离合器的制备方法包括如下步骤：

S1、按照上述各元素成分的质量百分比配料；

S2、将坩埚预热，在坩埚的内壁及底部均匀涂上涂料，然后预热到呈暗红色，分批加入配料，待铝合金熔化成铝液后扒渣，升温精炼除气，静置后除渣；

S3、先通过非连续机械搅拌装置将铝液制备成铝合金半固态浆料，再将坩埚中浆料送入压铸机的压射室进行压铸成型；所述压铸成型中的浇注温度为670-720℃，压铸模具温度为130-170℃，压射速度为0.2-0.8m/s，充型后及凝固时的静压力为15-30MPa；

S4、对压铸成型后的铸件进行热处理，热处理包括固溶处理和时效处理，其中固溶处理温度为460-500℃，保温1-3小时后立即进行淬火处理，时效处理温度为160-180℃，保温

5-7小时后自然冷却得硅油离合器。

2.根据权利要求1所述的硅油离合器，其特征在于，所述的硅油离合器的成分及其质量百分比为：Si：8.0％、Cu：3.5％、Mn：0.2％、Mg：0.05％、Fe：1.1％、Ni：0.2％、Zn：1.2％、Sn：0.03％，其他杂质元素总含量≤0.5％，余量为铝。

3.根据权利要求1所述的硅油离合器，其特征在于，所述的硅油离合器的成分及其质量百分比为：Si：7.5％、Cu：4.0％、Mn：0.5％、Mg：0.02％、Fe：1.0％、Ni：0.4％、Zn：1.1％、Sn：0.01％，其他杂质元素总含量≤0.5％，余量为铝。

4.根据权利要求1所述的硅油离合器，其特征在于，所述的硅油离合器的成分及其质量百分比为：Si：9.5％、Cu：3.0％、Mn：0.1％、Mg：0.1％、Fe：1.3％、Ni：0.1％、Zn：1.6％、Sn：0.3％，其他杂质元素总含量≤0.5％，余量为铝。

5.根据权利要求1所述的硅油离合器，其特征在于，硅油离合器制备方法的步骤S2中所述的精炼温度为720-730℃。

6.根据权利要求1所述的硅油离合器，其特征在于，硅油离合器制备方法的步骤S3中所述的半固态压铸送入压射室的温度为560-600℃。

7.根据权利要求1所述的硅油离合器，其特征在于，硅油离合器制备方法的步骤S3中所述压铸成型中的铝合金浇注温度为690-710℃，压铸模具温度为140-160℃，压射速度为

0.3-0.7m/s，充型后及凝固时的静压力为15-20MPa。

8.根据权利要求1所述的硅油离合器，其特征在于，硅油离合器制备方法的步骤S4中所述的固溶温度为480-490℃，固溶时间为2小时，时效处理的时效温度为165-175℃，时效时间为6小时。

9.根据权利要求1所述的硅油离合器，其特征在于，硅油离合器制备方法的步骤S4中所述的淬火处理的水温为50-60℃。

说明书

一种硅油离合器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种硅油离合器及其制备方法，属于铝合金材料技术领域。

背景技术

[0002] 传统的硅油离合器，用硅油作为介质，利用硅油高粘度的特性传递扭矩。利用散热器后面空气的温度，通过感温器自动控制风扇离合器的分离和接合。硅油风扇离合器的工作原理是：（1）当发动机冷起动或小负荷工作时，冷却水及通过散热器的气流温度不高，进油孔被阀片关闭，工作腔内无硅油，离合器处于分离状态。主动轴转动时，仅仅由于密封毛毡圈和轴承的摩擦，使风扇随同壳体在主动轴上空转打滑，转速极低。（2）当发动机负荷增加时，冷却液和通过散热器的气流温度随之升高，感温器受热变形而带动阀片轴及阀片转动。当流经感温器的气流温度高时，进油孔被完全打开，于是硅油从贮油腔进入工作腔。硅油十分粘稠，主动板可利用硅油的粘性带动壳体和风扇转动。此时风扇离合器处于接合状态，风扇转速迅速提高。(3)当发动机负荷减小，流经感温器的温度低，感温器恢复原状，阀片将进油孔关闭，工作腔中油液继续从回油孔流回贮油腔，直至甩空为止。硅油离合器又回到分离状态。

[0003] 目前的硅油离合器由于受到本身以及外部环境的影响，能耗损失较大。现有技术中一般通过调整或改变硅油离合器的部件、形状以及结构连接等方法来提高硅油离合器在工作中的灵活性，延长硅油离合器的使用寿命。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种机械性能好，使用寿命长的的硅油离合器。

[0005] 本发明的目的通过以下技术方案实现，一种硅油离合器，所述硅油离合器的成分及其质量百分比为：Si：7.5%-9.5%、Cu：3.0%-4.0%、Mn：0.1%-0.5%、Mg：0.02%-0.1%、Fe：1.0%-1.3%、Ni：0.1%-0.5%、Zn：1.0%-1.6%、Sn：0.01%-0.35%，其他杂质元素总含量≤0.5%，余量为铝。

[0006] 本发明的硅油离合器是以A380.0铝合金为研究对象，通过大量实验研究，在基体合金的基础上调整各元素之间的含量，尤其是严格控制了Cu与Zn的含量，将Cu含量控制在3.0%-4.0%之间，将Zn含量控制在1.0%-1.6%之间，使硅油离合器的铝合金中各元素之间产生的协同作用达到较好的效果，从而提高硅油离合器的机械性能，延长其使用寿命。在本发明的硅油离合器中若Cu含量小于3.0%，硅油离合器的切削性能会极差，但若Cu含量大于4.0%，不仅会使硅油离合器的成形性变差，还会增加成本。若Zn含量过小，小于1.0%时，硅油离合器的流动性较差，进而影响其成形性，但若Zn含量过高，大于1.6%时，生产得到的硅油离合器容易锚裂，严重影响硅油离合器的性能，减短其使用寿命。

[0007] 其中，铜元素是一种提高铝合金的抗拉强度、耐力及延伸性必不可少的元素。铜元素与铝元素一样具有面心立方结构。铜和铝的晶格常数相差很大，但铜能溶于铝，因此在硅油离合器中加入铜元素后，铝的点阵发生很大的畸变，会产生很显著的强化作用。随着铜含量的提高，硅油离合器的强度急剧升高但延伸率剧烈下降。在硅油离合器中含有3.0%以上的铜，可使强化效果更加明显。但若铜含量超过4%，不仅会导致延伸性下降，流动性变差，还会增加成本。本发明为保证加工性能以及较优良的延伸率，经过大量实验，综合将铜含量控制在3.0%-4.0%。

[0008] 硅油离合器中镁与硅共存，在经过热处理以后以Mg2Si的状态析出，可提高硅油离合器的抗拉强度和硬度等机械性能。但是若镁的含量少于0.02%，所述的效果就会极小。相反地，若镁含量过高，超过0.1%时，硅油离合器的伸长率就会下降。因此，本发明硅油离合器将镁含量控制在0.02%-0.1%。

[0009] 锰元素在硅油离合器中，部分溶入铝合金基体，可细化材料组织，提高再结晶温度，增强硅油离合器的耐热性。锰含量过高时，会在浇注时生成粗大的结晶物，降低硅油离合器的延伸性。同时，锰元素还可以中和铝合金中铁元素带来的有害作用。为了阻止过多的锰晶粒粗化，本发明将硅油离合器铝合金中的锰含量控制在0.1%-0.5%之间。

[0010] 铁元素作为过渡族元素，其在平衡条件下几乎不固溶于铝，且以高温稳定高弹性模量弥散的金属间化合物存在，从而强化基体和晶界，使硅油离合器铝合金具有优良的高温综合力学性能。本发明选取的铁元素含量需要合理选取，不能无限扩大其含量，因为铁元素含量过高时，铁以FeAl3、Fe2Al7和Al-Si-Fe的片状或针状组织存在于硅油离合器铝合金中，会降低其机械性能，这种组织会使硅油离合器的流动性减低，热烈性增大，导致铸件产生裂纹，增大铸件的脆性，从而减小它的使用寿命。又由于铝合金低模具的粘附作用十分强烈，当铁含量较低时尤为强烈，随着铁含量的增加，粘模现象大为减轻，故本发明将铁含量控制在1.0%-1.3%之间。

[0011] 单独添加锌元素对硅油离合器强度的提高是十分有限的，同时还存在应力腐蚀开裂倾向，但是锌元素和镁元素共存时，通过元素之间的协同作用能形成强化相Mg/Zn2，能明显提高合金的流动性，增加热脆性、抗拉强度和屈服强度，降低耐蚀性。为了减弱锌元素的有害作用，利用其有利作用，锌元素的质量百分比不能太高，通过实验研究，本发明硅油离合器中锌元素的含量为 1.0%-1.6%最佳。

[0012] 在硅油离合器中添加适量的镍元素能提高硅油离合器的强度和硬度，降低耐蚀性。镍与铁的作用相似，能减少硅油离合器铝合金对模具的熔蚀，同时又能中和铁的有害影响。但镍的来源缺乏，若镍含量过高会增加生产成本，故本发明中镍含量为0.1%-0.5%。

[0013] 锡元素是低熔点金属，在硅油离合器铝合金中固溶度不大，适量添加锡元素会略降低合金强度，但能改善切削性能。

[0014] 在上述的硅油离合器铝合金成分中杂质元素主要是碳、硫等有害杂质元素。

[0015] 进一步优选，所述的硅油离合器的成分及其质量百分比为：Si：8.0%、Cu：3.5%、Mn：0.2%、Mg：0.05%、Fe：1.1%、Ni：0.2%、Zn：1.2%、Sn：0.03%，其他杂质元素总含量≤0.5%，余量为铝。

[0016] 进一步优选，所述的硅油离合器的成分及其质量百分比为：Si：7.5%、Cu：4.0%、Mn：0.5%、Mg：0.02%、Fe：1.0%、Ni：0.4%、Zn：1.1%、Sn：0.01%，其他杂质元素总含量≤0.5%，余量为铝。

[0017] 进一步优选，所述的硅油离合器的成分及其质量百分比为：Si：9.5%、Cu：3.0%、Mn：0.1%、Mg：0.1%、Fe：1.3%、Ni：0.1%、Zn：1.6%、Sn：0.3%，其他杂质元素总含量≤0.5%，余量为铝。

[0018] 本发明的另一个目的在于提供一种上述硅油离合器的制备方法，该方法包括以下步骤：

[0019] S1、按照上述各元素成分的质量百分比配料；

[0020] S2、将坩埚预热到180-210℃，在坩埚的内壁及底部均匀涂上涂料，然后预热到呈暗红色，分批加入配料，待铝合金熔化成铝液后扒渣，升温精炼除气，静置6-10min，除渣；

[0021] S3、先通过非连续机械搅拌装置将铝液制备成铝合金半固态浆料，再将坩埚中浆料送入压铸机的压射室进行压铸成型；所述压铸成型中的浇注温度为670-720℃，压铸模具温度为130-170℃，压射速度为0.2-0.8m/s，充型后及凝固时的静压力为15-30MPa；

[0022] S4、对压铸成型后的铸件进行热处理，热处理包括固溶处理和时效处理，其中固溶处理温度为460-500℃，保温1-3小时后立即进行淬火处理，时效处理温度为160-180℃，保温5-7小时后自然冷却得硅油离合器。

[0023] 现有技术中一般用液态压铸将硅油离合器压铸成型，但是液态压铸成型时，因为液态粘度较小、流动速率较大，易以紊流的流动方式成型，因此成型时易存在孔洞、疏松、偏析等缺陷。本发明针对这一现象采用半固态压铸成型。半固态成型时，由于存在一定量的固相，因此粘度较大、流动速率较小，易以层流的流动方式成型，成型的组织更致密、均匀。通过实验对比得采用半固态压铸成型得到的硅油离合器的抗拉强度、延伸率比液态压铸得到的更好。其原因在于，液态压铸硅油离合器在高温下成型的过程中，金属液容易卷进气体，从而使成型后的硅油离合器内产生气孔，这些气孔在硅油离合器进行热处理时膨胀导致气孔增火，降低了硅油离合器的性能。但是半固态压铸的成型温度在液相线温度以下，比液态成型时温度低几十度，零件成型不易裹气，孔洞个数少，成型的硅油离合器的组织致密。在热处理时，也不会导致气孔膨胀，可以通过热处理改善硅油离合器的性能。经固溶处理后，低溶解度的元素由共晶组织中溶入基体以及共晶组织中的α-A1与基体一起长大，在随后的时效过程中析出了弥散的强化相Mg2Si，因此强度明显得到提高。经研究得硅油离合器压铸件热处理之后，半固态压铸和液态压铸相比，在热处理过程中，基体组织不像液态成型时那样，呈现明显的短程树枝晶。相反，基体组织变得更加圆整。由于半固态成型件具有更均匀的组织，所以沿着晶界析出的强化相分布更均匀，压 铸得到的硅油离合器机械性能更好。

[0024] 又因为本发明硅油离合器的压铸铝合金的组织、成分及其晶粒大小分布极不均匀，主要以枝晶形态分布的初生α-Al相，初生Si相，针片状Si和铝组成（α+Si）共晶相及金属间化合物相所组成。还有Al/Si晶界上的细小CuAl2、薄片状的β相（Al5FeSi）、一些颗粒状的AlSiFeMn四元相析出。而压铸件力学性能的优劣取决于初晶α-Al、共晶与初晶硅和金属间化合物的形态、大小与分布。不论是α-Al基体还是初晶Si或是共晶组织都显著地被细化，原来枝晶形态相在不同的压射速度下细化为近似球状均匀分布的α初晶及（α+Si）共晶，压铸速度的增大，使一次枝晶变短，二次枝晶间距减小，初晶Si的大小、分布更加均匀，平均直接变小且圆形度提高，并随不同的压射速度细化的程度更大，组织也致密。组织主要由白色的α-Al基体（包括初生α-Al和共晶α-Al）及金属化合物方式析出的CuAl2相、AlFeSi相等组成。另外，在晶粒间还存在黑色的析出物，由于压射速度对组织中的金属间化合物的形态和分布产生很大的影响，CuAl2相和铁相大部分分布在α相的边缘和中间，当α相被细化且均匀分布时，CuAl2相和铁相相应得到细化，由原来的鱼骨状AlSiFeMn相变为颗粒状，使降低合金性能的β相（Al5FeSi）化合物体积分数减少，提高合金性能。本发明通过大量实验对半固态压铸中的压射速度进行了研究，发现压射速度由0.2m/s增至0.6m/s时，硅油离合器在成型时由于交互作用析出了难溶于基体的第二相，使硅油离合器的硬度得到提高，曲线上升；随着压射速度继续增大至0.8m/s时，硅油离合器在成型时析出的第二相数量减少，导致了硬度的降低，使曲线呈下降趋势。压铸硅油离合器冲击韧度的变化曲线和硬度变化大致相同，呈现上升，但没有出现下降的趋势。在压射速度为0.2-0.6m/s时，随着压射速度的增大，冲击韧度增长缓慢，继续增大压射速度至0.8m/s时，冲击韧度达到 峰值。由于压射速度的增大，晶粒来不及长大，形成相对比较均匀和细小的晶粒。晶粒越细小，晶界越曲折，越不利于裂纹的传播，进而在冲击的过程中可以吸收更多的能量，表现出较高的韧性，所以曲线呈现上升趋势。因此本发明结合浇注温度、压铸时模具温度等其他因素，严格将压射速度控制在0.2-0.8m/s。

[0025] 此外，本发明采用将固溶处理和时效处理结合的T6热处理，通过热处理温度及保温时间的搭配来实现固溶处理中得到Mg、Si元素分布均匀的过饱和铝合金固溶体，得到细小、球化的共晶Si相，以及时效处理均匀析出Mg2Si强化相的目的，从而提高硅油离合器的机械性能，延长其使用寿命。

[0026] 其中，在上述硅油离合器的制备方法中，步骤S2中所述均匀涂于坩埚内壁及底部的涂料为5%水玻璃、22.5%氧化锌与适量水三者的混合物。

[0027] 在上述硅油离合器的制备方法中，步骤S2中所述的精炼温度为720-730℃。

[0028] 在该制备方法中，通过除气工艺以消除硅油离合器压铸过程中吸气和晶粒粗大的不良影响。作为优选，本发明通入氮气旋转除气进行精炼，精炼后静置6-10min后除渣。

[0029] 在上述硅油离合器的制备方法中，步骤S3中所述的半固态压铸送入压射室的温度为560-600℃，比液态压铸温度低100℃左右。

[0030] 在上硅油离合器的制备方法中，步骤S4中所述压铸成型中的铝合金浇注温度为690-710℃，压铸模具温度为140-160℃，压射速度为0.3-0.7m/s，充型后及凝固时的静压力为15-20MPa。若浇注温度过低，会导致铸件产生气孔、冷隔、浇不足和缩孔缺陷，故本发明将压铸成型中的浇注温度控制在690-710℃之间，以保证铝液充满铸型。若浇注温度过高，又会使铸件冷却缓慢，铸件组织粗大，力学性能下降。此外，浇注速度要先慢后快再慢，在 浇注过程中尽量保证液流的平稳。

[0031] 在上述硅油离合器的制备方法中，步骤S5中所述的固溶温度为480-490℃，固溶时间为2小时，时效处理的时效温度为165-175℃，时效时间为6小时。

[0032] 在上述硅油离合器的制备方法中，步骤S5中所述的淬火处理在水温为50-60℃的水槽中进行。硅油离合器在淬火加热过程中，固溶强化相溶入铝固溶体中，在淬火快速冷却时，固溶体来不及析出，得到过饱和固溶体，因此提高硅油离合器的强度、硬度、韧性和塑性。经研究可知，经过热处理后，原来细小片状的共晶体硅相在淬火加热时聚集和球化，变成圆形或椭圆形的颗粒沿晶界析出，其中冷却速度越快，析出相越细，从而提高硅油离合器的耐高温性能。

[0033] 本发明的硅油离合器具有如下优点：

[0034] 1、本发明的硅油离合器在A380.0铝合金的基础上严格控制了铝合金中各元素的含量配比，尤其是Cu和Zn的含量，使本发明的硅油离合器的配方更加合理，各元素及其含量产生协同作用，使本发明的硅油离合器的机械性能好，从而延长使用寿命长。

[0035] 2、本发明的硅油离合器的制备方法简单可行，通过半固态压铸、压射速度的选择以及固溶、时效相结合的热处理，使制得的硅油离合器机械性能高，其切削加工性能好、抗拉强度好、屈服强度好、疲劳强度好、伸长率好，使硅油离合器满足工作中要求的安全性及可靠性。

具体实施方式

[0036] 以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

[0037] 实施例1：

[0038] 硅油离合器的成分及其质量百分比为：Si：8.0%、Cu：3.5%、 Mn：0.2%、Mg：0.05%、Fe：1.1%、Ni：0.2%、Zn：1.2%、Sn：0.03%，其他杂质元素总含量≤0.5%，余量为铝，按照上述各元素成分的质量百分比配料；

[0039] 将坩埚预热到200℃，在坩埚的内壁及底部均匀涂上5%水玻璃、22.5%氧化锌与适量水三者的混合物，然后预热到呈暗红色，分批加入配料，待铝合金熔化成铝液后扒渣，通入氮气旋转除气在温度为730℃时进行精炼，精炼后静置8min，除渣；

[0040] 先通过非连续机械搅拌装置将铝液制备成铝合金半固态浆料，再将坩埚中浆料送入压铸机的压射室进行压铸成型；所述压铸成型中的浇注温度为680℃，压铸模具温度为5
140℃，压射速度为0.6m/s，充型后及凝固时的静压力为160x10Pa；

[0041] 对压铸成型后的铸件进行热处理，热处理包括固溶处理和时效处理，其中固溶处理温度为480℃，保温3小时后立即进行淬火处理，时效处理温度为170℃，保温6小时后自然冷却得硅油离合器。

[0042] 经过上述制备方法得到的硅油离合器的机械性能见表一。

[0043] 实施例2：

[0044] 硅油离合器的成分及其质量百分比为：Si：7.5%、Cu：4.0%、Mn：0.5%、Mg：0.02%、Fe：1.0%、Ni：0.4%、Zn：1.1%、Sn：0.01%，其他杂质元素总含量≤0.5%，余量为铝，按照上述各元素成分的质量百分比配料；

[0045] 将坩埚预热到200℃，在坩埚的内壁及底部均匀涂上5%水玻璃、22.5%氧化锌与适量水三者的混合物，然后预热到呈暗红色，分批加入配料，待铝合金熔化成铝液后扒渣，通入氮气旋转除气在温度为720℃时进行精炼，精炼后静置8min，除渣；

[0046] 先通过非连续机械搅拌装置将铝液制备成铝合金半固态浆料，再将坩埚中浆料送入压铸机的压射室进行压铸成型；所述压铸成型中的浇注温度为690℃，压铸模具温度为5
150℃，压射速度 为0.4m/s，充型后及凝固时的静压力为160x10Pa；

[0047] 对压铸成型后的铸件进行热处理，热处理包括固溶处理和时效处理，其中固溶处理温度为485℃，保温2小时后立即进行淬火处理，时效处理温度为175℃，保温5小时后自然冷却得硅油离合器。

[0048] 经过上述制备方法得到的硅油离合器的机械性能见表一。

[0049] 实施例3：