CN101463440B

CN101463440B - 一种活塞用铝基复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN101463440B
Application number: CN 200910013842
Authority: CN
Inventors: 武玉英; 刘相法; 张国华; 李辉; 冯增建
Original assignee: Shandong University; Shandong Binzhou Bohai Piston Co Ltd
Current assignee: Shandong University; Shandong Binzhou Bohai Piston Co Ltd
Priority date: 2009-01-15
Filing date: 2009-01-15
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2029-01-15
Also published as: CN101463440A

Abstract

本发明属金属材料领域，涉及一种活塞用铝基复合材料及其制备方法。该复合材料由基体合金和增强相组成，基体合金包括硅、铜、镍、镁、磷、钛、铝元素，其特征是基体合金各组分的质量百分比为硅10.0-25.0％，铜0.5-2.5％，镍0.5-4.0％，镁0.2-1.5％，磷0.2-3.0％，钛0.01-1.0％，其余为铝；增强相为原位反应生成的AlP粒子。其制备方法包括以下步骤：按质量百分比称取原料；对Si-P中间合金进行快速凝固氩气雾化处理；在熔炼炉中将工业纯铝、硅、铜、镍、镁和钛在760-850℃熔制成多元铝合金，经精炼后加入快速凝固Si-P中间合金颗粒；采用金属型重力铸造或挤压铸造浇注活塞毛坯；对浇铸毛坯进行T6热处理。本发明在大气条件下，采用普通铝合金熔炼设备下即可以进行生产，工艺简便，生产成本低。

Description

一种活塞用铝基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属金属材料领域，特别涉及一种活塞用AlP增强铝基复合材料及其制备方法。

背景技术

提高发动机的功率和节能减排的迫切要求，对发动机配件(尤其是活塞)的高温强度及高温抗蠕变性能提出了越来越高的要求。Al-Si合金由于具有质量轻、易加工和成本低等优点是制造活塞的首选材料。但Al-Si合金的高温强度较低，为改善其高温性能，国内外已经进行了大量的研究。通过熔体处理可以改善活塞合金的性能，磷变质处理在发动机活塞制造业中得到广泛采用。专利号为200510044827.3的中国专利报道了一种铝、硅、磷中间合金的制备方法；专利号为200310105444.3的中国专利报道了一种低熔点铜-磷基中间合金及其制备方法，该系列中间合金均可以对Al-Si活塞合金进行变质处理以提高其强度和高温抗蠕变性能。但仅通过变质处理来提高Al-Si活塞合金的高温性能是有限的。专利号为5162065的美国专利报道了一种含高镍、铜的活塞合金，但增加镍和铜的含量不仅显著提高生产成本，而且使组织粗大、韧性急剧降低。近年来开发了多种铝基复合材料，如专利号为02132869.2的硼酸镁晶须增强铝基复合材料及制备工艺，专利号为200310122739.1的高阻尼TiB₂/铝基复合材料及其制备工艺，专利号为02135971.7的氧化铝-碳化钛粒子增强铝基复合材料的制备方法，等等。但用铝基复合材料制造活塞工艺复杂，成本高，且难以回收利用。因此，目前仅限于活塞的局部增强。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种性能优良、工艺稳定性好、成本低且同时实现磷变质处理和AlP颗粒增强的活塞用铝基复合材料及其制备方法。

本发明是通过以下方式实现的：

一种活塞用铝基复合材料，由基体合金和增强相组成，基体合金包括硅、铜、镍、镁、磷、钛、铝元素，其特征是基体合金各组分的质量百分比为硅10.0-25.0％，铜0.5-2.5％，镍0.5-4.0％，镁0.2-1.5％，磷0.2-3.0％，钛0.01-1.0％，其余为铝；增强相为原位反应生成的AlP粒子。

一种活塞用铝基复合材料的制备方法，所述活塞用铝基复合材料由基体合金和增强相组成，基体合金包括硅、铜、镍、镁、磷、钛、铝元素，其特征是包括以下步骤：

(1)按质量百分比称取原料，工业结晶硅9.6-19.8％、Si-P中间合金0.6-9％，铜0.5-2.5％，镍0.5-4.0％，镁0.2-1.5％，钛0.01-1.0％，其余为铝；

(2)对Si-P中间合金进行快速凝固氩气雾化处理，得到直径为1mm以下的颗粒状Si-P中间合金；

(3)在熔炼炉中将工业纯铝、硅、铜、镍、镁和钛在760-850℃熔制成多元铝合金，经精炼后加入快速凝固Si-P中间合金颗粒，并迅速搅拌至反应完全；

(4)采用金属型重力铸造或挤压铸造浇注活塞毛坯，浇注温度为740-800℃；

(5)对浇铸毛坯进行T6热处理、机加工及表面处理，得到成品。

上述活塞用铝基复合材料的制备方法，其特征是步骤(1)中的Si-P中间合金由硅、磷两种元素组成，各组分的质量百分比为：硅75.0～85.0，余为磷。

本发明的特点是采用AlP粒子增强，增强粒子通过Si-P中间合金在铝熔体中反应生成，粒子表面无污染，与基体合金润湿性好，粒子偏聚倾向小，而且热稳定性高。生成的亚微米AlP粒子不仅能够变质和细化Al-Si活塞合金中的初晶硅，而且能够强化铝合金基体。本发明在大气条件下，采用普通铝合金熔炼设备下即可以进行生产，工艺简便，设备投资少，生产成本低。

由于通过AlP粒子进行了变质处理，该材料的室温性能好，其室温强度为260-300MPa。AlP增强粒子熔点高，热稳定性好，从而具有优异的高温性能，其350℃时的高温强度超过100MPa，远大于常规活塞合金的高温强度(70-81MPa)。同时该复合材料体积稳定性好，在250℃保温5小时(体积稳定性试验标准)的尺寸变化率为0.01-0.02％。另外，用该复合材料制备的铝制品在其工作表面AlP所处位置形成微孔，可储存润滑油，从而提高耐磨性能，显著提高活塞的使用寿命，尤其适用于大功率发动机活塞的制造。

具体实施方式

下面给出本发明的两个最佳实施例：

实施例一：

(1)首先按结晶硅10％、Si-20P中间合金10％、铜2％、镍2％、镁1％、钛0.05％，其余为铝的质量比称取原料；

(2)对Si-20P中间合金进行快速凝固氩气雾化处理，得到直径为1mm以下的颗粒状Si-20P中间合金；

(3)在熔炼炉中将工业纯铝、硅、铜、镍、镁和钛在800℃熔制成多元铝合金，经精炼后加入快速凝固Si-20P中间合金颗粒，并迅速搅拌至反应完全；

(4)采用金属型重力铸造浇注活塞毛坯，浇注温度为760℃；

步骤(1)中的Si-20P中间合金由硅、磷两种元素组成，各组分的质量百分比为：硅80.0，余为磷。按照上述配比得到一种最佳成分的铝基复合材料，其化学成分(质量百分比)为：硅18，铜2，镍2，镁1，磷2，钛0.05，其余为铝。该复合材料的硬度和强度明显高于现有活塞铝合金，尤其高温强度，比常用活塞铝合金提高10％以上。

实施例二：

(1)首先按结晶硅3％、Si-15P中间合金20％、铜1％、镍3％、镁1.5％、钛0.08％，其余为铝的质量比称取原料；

(2)对Si-15P中间合金进行快速凝固氩气雾化处理，得到直径为1mm以下的颗粒状Si-15P中间合金；

(3)在熔炼炉中将工业纯铝、硅、铜、镍、镁和钛在850℃熔制成多元铝合金，经精炼后加入快速凝固Si-15P中间合金颗粒，并迅速搅拌至反应完全；

(4)采用挤压铸造浇注活塞毛坯，浇注温度为780℃；

步骤(1)中的Si-15P中间合金由硅、磷两种元素组成，各组分的质量百分比为：硅85.0，余为磷。按照上述配比得到一种铝基复合材料，其化学成分(质量百分比)为：硅20，铜1，镍3，镁1.5，磷3，钛0.08，其余为铝。该复合材料的硬度和强度明显高于现有活塞铝合金，尤其高温强度，比常用活塞铝合金提高10％以上。

Claims

1.一种活塞用铝基复合材料，由基体合金和增强相组成，基体合金包括硅、铜、镍、镁、磷、钛、铝元素，其特征是基体合金各组分的质量百分比为硅10.0-25.0％，铜0.5-2.5％，镍0.5-4.0％，镁0.2-1.5％，磷0.2-3.0％，钛0.01-1.0％，其余为铝；增强相为原位反应生成的AlP粒子。

2.根据权力要求1所述的一种活塞用铝基复合材料的制备方法，其特征包括以下步骤：

3.根据权利要求2所一种活塞用铝基复合材料的制备方法，其特征是步骤(1)中的Si-P中间合金由硅、磷两种元素组成，各组分的质量百分比为：硅75.0-85.0％，余为磷。