本發明屬金屬材料領域，涉及一種活塞高溫耐磨高強原位Al2O3顆粒增強鋁合金復合材料及其制備方法。
背景技術：
活塞作為汽車發動機的“心臟”，主要受交變的機械負荷和熱負荷作用，是發動機中工作條件最惡劣的關鍵零部件之一，提高活塞合金的物理和機械性能已成為大勢所趨，而針對活塞零件整體不同的工況要求，尤其頂部300°C~400°C的工作環境，對活塞材料的設計和鑄造工藝就有了新的發展需要。Al-Si系合金，是一種可熱處理強化的合金，密度小、質量輕、熱傳導性好、熱膨脹系數小，并具有足夠的高溫強度、耐磨和耐蝕性能、尺寸穩定性好等優良特性，Al-12Si合金主要是指含Si含量在11%~13%的Al-Si系合金，具有容易制造、成本低廉的特點，國內目前主要的Al-12Si合金牌號為ZL108和ZL109。綜上所述，制備活塞的材料就需要較高的機械強度和較高的耐高溫強度。
技術實現要素：
本發明屬金屬材料領域，涉及一種活塞高溫耐磨高強原位Al2O3顆粒增強鋁合金復合材料及其制備方法。本發明解決了活塞頭部在高溫工況下強度不足易開裂的問題。
本發明是通過以下方式實現的：
一種高溫耐磨高強活塞鋁合金復合材料，由基體和增強相組成，基體合金包括硅、鎳、銅、鎂、鈦、鋁元素，其特征是基體合金各組分的質量百分比(wt.%)為硅11.0~16.0%，鎳3.0~5.0%，銅2.0~4.0%，鎂0.5~2.0%，鈦0.5~1.5%，其余為鋁；增強相為原位反應生成的Al2O3顆粒。
一種高溫耐磨高強活塞鋁合金復合材料的制備方法，其特征包括以下步驟：
(1)按質量百分比稱取原料，工業結晶硅11.0~16.0%，鎳3.0~5.0%，銅2.0~4.0%，鎂0.5~2.0%，鈦0.5~1.5%，其余為鋁；
(2)混粉，以300r/min球磨(Al+B2O3)粉末，球磨完的粉末預熱200℃，3h；
(3)在熔煉爐中將工業純鋁、結晶硅、銅、鎳、鎂和鈦在750℃-900℃熔煉制備成鋁合金基體；
(4)以20℃/min給基體材料降溫至540℃~600℃半固態區間，緩慢添加球磨預熱200℃的(Al+B2O3)粉末，以40℃/min升溫至900℃，保溫1h；
(5)采用高壓低速金屬型鑄造或擠壓鑄造澆注活塞毛坯，澆注溫度為720℃~760℃；
(6) 對澆鑄毛坯進行T6熱處理、機加工及表面處理，得到成品。本發明步驟(1)的原料均為市場銷售的產品。
上述一種高溫耐磨高強活塞鋁合金復合材料及其制備方法，其特征主要是步驟(2)，采用500目Al粉和500目的B2O3粉末，按不同的體積比例混合，以300r/min球磨。
上述一種高溫耐磨高強活塞鋁合金復合材料及其制備方法，其特征主要是步驟(4)，控制半固態區間在540℃~600℃，在機械攪拌的狀態下緩慢添加球磨預熱200℃的(Al+B2O3)粉末，之后以40℃/min升溫至900℃，保溫1h；
上述一種高溫耐磨高強活塞鋁合金復合材料及其制備方法，其特征主要是步驟(6)，T6熱處理工藝參數：固溶520±10℃，60~100℃水淬；時效180±10℃，空冷。
本發明的特點是增強相采用Al2O3顆粒，增強粒子通過在鋁熔體中緩慢添加球磨預熱200℃的(Al+B2O3)粉末原位反應生成，粒子表面無污染，與基體合金潤濕性好，粒子偏聚傾向小，而且熱穩定性高。生成的亞微米Al2O3粒子不僅能夠變質和細化Al-Si活塞合金中的初晶硅，而且能夠強化鋁合金基體。本發明在常溫常壓下，采用普通鋁合金熔煉設備下即可以進行生產，工藝簡便，設備投資少，生產成本低。
由于通過Al2O3顆粒進行了變質處理，該材料的室溫性能好，其室溫強度為300~340MPa。Al2O3增強粒子熔點高，熱穩定性好，從而具有優異的高溫性能，其350℃時的高溫強度超過100MPa，遠大于常規活塞合金的高溫強度(75-90MPa)。同時該復合材料體積穩定性好，在350℃保溫6小時(體積穩定性試驗標準)的尺寸變化率為0.01~0.02%。另外，用該復合材料制備的活塞在其工作表面Al2O3顆粒處易形成微孔，可儲存潤滑油，從而能夠提高材料的耐磨性能，能夠顯著提高活塞的使用壽命，尤其適用于大功率柴油機活塞的制造。
具體實施方式
本發明技術方案不局限于以下所列舉具體實施方式，還包括各具體實施方式間的任意組合。下面本發明最佳的2個實施例。
實施方式1：
本發明的高溫耐磨高強活塞鋁合金復合材料是按以下步驟制備的：
(1)按質量百分比稱取原料，工業結晶硅12%，鎳4.0%，銅3.0%，鎂1.0%，鈦1.0%，其余為鋁；
(2)混粉，以300r/min球磨(Al+B2O3)粉末，顆粒粒徑100目，體積分數(vol.%)5%，球磨完的粉末預熱200℃，3h；
(3)在熔煉爐中將工業純鋁、結晶硅、銅、鎳、鎂和鈦在800℃熔煉制備成鋁合金基體；
(4)以20℃/min給基體材料降溫至580℃半固態區間，緩慢添加球磨預熱200℃的(Al+B2O3)粉末，以40℃/min升溫至900℃，保溫1h；
(5)采用高壓低速金屬型鑄造或擠壓鑄造澆注活塞毛坯，澆注溫度為740℃；
(6) 對澆鑄毛坯進行T6熱處理、機加工及表面處理，得到成品。
按照上述配比得到一種最佳成分的原位Al2O3鋁基復合材料，其化學成分(質量百分比)為：硅12，銅3，鎳4，鎂1，鈦1，其余為鋁。該復合材料的硬度和強度明顯高于現有活塞鋁合金，尤其高溫強度，比常用活塞鋁合金提高10%以上。
實施方式2：
本發明的高溫耐磨高強活塞鋁合金復合材料是按以下步驟制備的：
(1)按質量百分比稱取原料，工業結晶硅13%，鎳3.0%，銅4.0%，鎂2.0%，鈦1.0%，其余為鋁；
(2)混粉，以300r/min球磨(Al+B2O3)粉末，顆粒粒徑500目，體積分數(vol.%)3%，球磨完的粉末預熱200℃，3h；
(3)在熔煉爐中將工業純鋁、結晶硅、銅、鎳、鎂和鈦在760℃熔煉制備成鋁合金基體；
(4)以20℃/min給基體材料降溫至60℃半固態區間，緩慢添加球磨預熱200℃的(Al+B2O3)粉末，以40℃/min升溫至900℃，保溫1h；
(5)采用高壓低速金屬型鑄造或擠壓鑄造澆注活塞毛坯，澆注溫度為720℃；
(6) 對澆鑄毛坯進行T6熱處理、機加工及表面處理，得到成品。
按照上述配比得到一種最佳成分的原位Al2O3鋁基復合材料，其化學成分(質量百分比)為：硅13，銅4，鎳3，鎂2，鈦1，其余為鋁。該復合材料的硬度和強度明顯高于現有活塞鋁合金，尤其高溫強度，比常用活塞鋁合金提高12%以上。