專(zhuān)利名稱(chēng)：一種活塞用鋁基復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬金屬材料領(lǐng)域，特別是涉及一種活塞用鋁基復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
為了減少能耗、降低大氣污染、提高內(nèi)燃機(jī)的效率，提高燃燒溫度已成為內(nèi)燃機(jī)的重要發(fā)展趨勢(shì)，相應(yīng)的對(duì)內(nèi)燃機(jī)配件(尤其活塞)的高溫強(qiáng)度及高溫耐磨性提出了更高的要求。Al-Si合金的熱膨脹系數(shù)小、耐磨性較高、重量較輕，是最常用的活塞材料。但Al-Si合金的高溫強(qiáng)度較低，為改善合金的高溫性能，國(guó)內(nèi)外已進(jìn)行了大量研究。專(zhuān)利號(hào)為5,996,471的美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了一種含V的Al-Si-Cu-Mg的活塞鋁合金(Cu2～5，Si 13～16，Mn 0.2～1.3，Ni 1.0～2.5，V0.05～0.2，P 0.004～0.02)，具有有良好的高溫強(qiáng)度和耐磨性；專(zhuān)利號(hào)為5,162,065的美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了一種含高鎳、銅的活塞鋁合金(Si 9～14％，Ni 3.1～7％，Cu 1.5～6％，0.005～0.3％Sr，并含有Mg，Mn，V，Sc，F(xiàn)e，Ti，Sr，Zn，B和Cr中的至少一種元素)；專(zhuān)利好為85102457的中國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了一種共晶鋁硅銅鎂鎳碲系活塞鋁合金。這些合金的高溫強(qiáng)度雖然比普通Al-Si合金高，但其在250～300℃的高溫性能還是較低。為了進(jìn)一步提高活塞材料的高溫性能及耐磨性，近年來(lái)開(kāi)發(fā)了鋁基復(fù)合材料活塞。如用擠壓浸滲法制備碳纖維、碳化硅纖維、Al2O3纖維等鋁基復(fù)合材料，該工藝包括預(yù)制體的制造、預(yù)熱、壓力浸滲等過(guò)程，不僅工藝復(fù)雜、設(shè)備要求高，而且由于陶瓷增強(qiáng)相與基體合金熔體潤(rùn)濕性差，往往導(dǎo)致浸滲不徹底，孔洞較多等缺陷；為改善潤(rùn)濕性，專(zhuān)利號(hào)為6,432,557的美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)了一種以Fe-Cr-Si金屬纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料活塞，纖維直徑為20～100μm，纖維體積分?jǐn)?shù)為10～40％，先用燒結(jié)的方法將纖維預(yù)成形，然后用擠壓鑄造的方法成形。該法不僅工藝復(fù)雜，且超細(xì)金屬纖維制備難度大、成本高、高溫易氧化、易與鋁反應(yīng)生成脆性相等問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種性能優(yōu)良、成本低廉、工藝穩(wěn)定性好的活塞用鋁基復(fù)合材料及其制備方法。
本發(fā)明是通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)的一種活塞用鋁基復(fù)合材料，由基體合金和增強(qiáng)相組成，基體合金包括硅、銅、鎳、鎂、鈦、鋁元素，其特征是基體合金各組分的質(zhì)量百分比為硅9～16％，銅0.5～2.5，鎳0.5～2.0，鎂0.2～1.5，鈦0.2～2.0，其余為鋁；增強(qiáng)相為原位反應(yīng)生成Al2O3和TiC粒子。
上述活塞用鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征是包括如下步驟(1)按上述成分配制基體合金，并將基體合金熔體過(guò)熱到800～920℃；當(dāng)?shù)陀?00℃時(shí)反應(yīng)速度慢、時(shí)間長(zhǎng)、生產(chǎn)率低，且組織中易出現(xiàn)條狀A(yù)l3Ti化合物，增加脆性、降低力學(xué)性能，反之若溫度太高，不僅能耗大，而且反應(yīng)速度太快、粒子尺寸大，易造成分布均勻性差、工藝穩(wěn)定性差；(2)向基體合金熔體中吹入二氧化碳和氬氣組成的混合氣體進(jìn)行復(fù)合處理；其中氬氣為稀釋劑，用于調(diào)節(jié)反應(yīng)速度及粒子生長(zhǎng)速度，含量為5～50％；二氧化碳為反應(yīng)添加物，通過(guò)與基體合金熔體反應(yīng)生成Al2O3和TiC增強(qiáng)粒子；主要反應(yīng)如下
混合氣體壓力為0.02～0.20Mpa，流量為0.01～0.1m3/min。壓力太大易引起合金熔體劇烈翻騰、增加氧化，而太小則需要處理時(shí)間長(zhǎng)，甚至易造成吹管的堵塞。復(fù)合處理時(shí)間為3～10分鐘，粒子體積分?jǐn)?shù)為1～10％。反應(yīng)時(shí)間太短，生成粒子少，強(qiáng)化效果較小，隨反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，粒子體積分?jǐn)?shù)增加，流動(dòng)性降低，鑄造性能較差；(3)再用鋁-磷中間合金進(jìn)行變質(zhì)處理，細(xì)化初晶硅；用氬氣和熔劑復(fù)合噴吹精練處理，除渣除氣；并靜置10～15分鐘；(4)采用金屬型重力澆注活塞毛坯，澆注溫度為720～780℃，以彌補(bǔ)粘度增加導(dǎo)致的流動(dòng)性降低。也可以采用低壓鑄造、壓力鑄造、擠壓鑄造等其他工藝制造活塞毛坯；(5)對(duì)復(fù)合材料活塞毛坯進(jìn)行T6熱處理，熱處理工藝為固溶處理溫度為480～500℃，時(shí)間2～5小時(shí)；時(shí)效溫度為210～240℃，時(shí)間3～5小時(shí)。其中時(shí)效溫度比普通活塞鋁合金的高，在保證高強(qiáng)度的條件下，改善體積穩(wěn)定性；(6)最后進(jìn)行成品機(jī)加工及表面處理，得到成品。
本發(fā)明的特點(diǎn)是采用Al2O3-TiC粒子復(fù)合增強(qiáng)，增強(qiáng)粒子是在鋁合金熔體中反應(yīng)生成的，粒子表面無(wú)污染、與基體合金潤(rùn)濕性好，粒子偏聚傾向小，復(fù)合材料中粒子分布均勻，而且熱穩(wěn)定性高。增強(qiáng)尺寸細(xì)小(0.2～2μm)，由比重差導(dǎo)致的上浮/下沉速度小、工藝穩(wěn)定性好、便于批量生產(chǎn)。該復(fù)合材料可在大氣條件下、普通鋁合金熔煉設(shè)備下進(jìn)行生產(chǎn)，活塞毛坯可采用金屬型重力鑄造、低壓鑄造、擠壓鑄造等工藝生產(chǎn)。設(shè)備投資少、便于操作、生產(chǎn)成本低。
該復(fù)合材料活塞可在常規(guī)機(jī)械加工設(shè)備上進(jìn)行加工，因增強(qiáng)粒子尺寸細(xì)小、分布均勻，其加工性能、刀具磨損、表面質(zhì)量、尺寸精度明顯好于SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。
該材料的室溫性能好，其室溫強(qiáng)度為240～300Mpa，硬度為110～140 HBS。又由于增強(qiáng)粒子熔點(diǎn)高、熱穩(wěn)定性好，不象時(shí)效析出相那樣隨溫度的升高、時(shí)間延長(zhǎng)而便粗大、甚至溶解到基體中而失去強(qiáng)化作用，從而具有優(yōu)異的高溫性能。其300℃時(shí)高溫強(qiáng)度為120～140Mpa，遠(yuǎn)大于常規(guī)活塞鋁合金的高溫強(qiáng)度(70～80MPa)。同時(shí)該復(fù)合材料活塞具有良好的體積穩(wěn)定性，在250℃保溫5小時(shí)(體積穩(wěn)定性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn))的尺寸變化率為0.01～0.02％(好于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn))。可顯著提高活塞的使用壽命，尤其適應(yīng)于大功率內(nèi)燃機(jī)活塞的制造。
權(quán)利要求
1.一種活塞用鋁基復(fù)合材料，由基體合金和增強(qiáng)相組成，基體合金包括硅、銅、鎳、鎂、鈦、鋁元素，其特征是基體合金各組分的質(zhì)量百分比為硅9～16％，銅0.5～2.5，鎳0.5～2.0，鎂0.2～1.5，鈦0.2～2.0，其余為鋁；增強(qiáng)相為原位反應(yīng)生成的Al2O3和TiC粒子。
2.上述活塞用鋁基復(fù)合材料的制備方法，其特征是包括如下步驟(1)配制基體合金，并將基體合金熔體過(guò)熱到800～920℃；(2)向基體合金熔體中吹入二氧化碳和氬氣組成的混合氣體進(jìn)行復(fù)合處理；(3)再用鋁-磷中間合金進(jìn)行變質(zhì)處理，細(xì)化初晶硅；用氬氣和熔劑復(fù)合噴吹精練處理，除渣除氣；(4)采用金屬型重力澆注活塞毛坯，澆注溫度為720～780℃；(5)對(duì)復(fù)合材料活塞毛坯進(jìn)行T6熱處理；
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的活塞用鋁基復(fù)合材料制備方法，其特征是步驟(2)混合氣體中的氬氣為稀釋劑，用于調(diào)節(jié)反應(yīng)速度及粒子生長(zhǎng)速度，含量為5～50％；二氧化碳為反應(yīng)添加物，通過(guò)與基體合金熔體反應(yīng)生成Al2O3和TiC增強(qiáng)粒子；混合氣體壓力為0.02～0.20Mpa，流量為0.01～0.1m3/min，復(fù)合處理時(shí)間為3～10分鐘。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的活塞用鋁基復(fù)合材料制備方法，其特征是步驟(5)中固溶處理溫度為480～500℃，時(shí)間2～5小時(shí)；時(shí)效處理溫度為210～240℃，時(shí)間3～5小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明屬金屬材料領(lǐng)域,涉及一種活塞用鋁基復(fù)合材料及其制備方法。該活塞用鋁基復(fù)合材料由基體合金和增強(qiáng)相組成,基體合金中各組分的質(zhì)量百分比為硅9～16%,銅0.5～2.5,鎳0.5～2.0,鎂0.2～1.5,鈦0.2～2.0,其余為鋁；增強(qiáng)相為原位反應(yīng)生成的Al
文檔編號(hào)C22C1/10GK1422971SQ0213597
公開(kāi)日2003年6月11日 申請(qǐng)日期2002年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月11日
發(fā)明者于化順, 宋文啟, 顏君衡, 張書(shū)民, 閔光輝, 王執(zhí)福, 馮剛 申請(qǐng)人:山東大學(xué), 中國(guó)輕騎集團(tuán)曲阜活塞廠