CN101775563B - 一种碳纤维增强的铝基活塞材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种碳纤维基复合材料，由体积份数10～30％的表面包覆有隔离层的碳纤维和70～90％的铝基合金材料所组成。其制备方法是将表面经包覆处理的碳纤维预热500～600℃后加入熔融的铝液中，用频率20～50KHz、脉冲占空比0.8的超声波搅拌，搅拌均匀后浇注到预热150℃模具中，冷却成型后取出经T6热处理。本材料具有高的常温和高温抗拉强度和弹性模量，可作为大功率重型发动机活塞的材料。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种活塞材料及其加工方法，具体地说是一种碳纤维增强铝基活塞材料及其制备方法。
二、背景技术
活塞是发动机关键零部件，其性能的好坏直接决定着发动机和整车的性能。随着现代汽车不断发展，发动机向大功率、大扭矩、低油耗、低噪声、低排放方向发展，要求活塞具有质轻、热膨胀系数小、导热性好、高温状态下强度高且耐磨损等特点。如何解决活塞耐高温、耐磨、磨蚀性能是活塞设计及生产制造过程的关键。目前可通过诸如合金化、变质处理以及复合材料等技术来满足使用要求，其中纤维增强铝基复合材料作为高功率重型发动机活塞是最有潜力的一种活塞材料。
纤维增强铝基复合材料的增强纤维主要有碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维等。其中硼纤维、碳化硅纤维和氧化铝纤维均具有弹性模量高、与金属基体之间的润湿性较好且反应性较低等特点。但硼纤维制成复合材料时在纤维的纵向容易断裂，制造成本相当高；碳化硅纤维和氧化铝纤维与碳纤维相比强度略低。碳纤维质轻而强度高，具有良好的润滑及耐磨性能，其价格约为硼纤维的十分之一，在汽车、机械电子等领域显示出较好的应用前景。
碳纤维是将有机纤维在1300-1600℃高温烧结后得到的一种含碳量在90％以上的纤维。碳纤维铝基复合材料是一种较理想轻质高强度的活塞材料，高温下仍能保持高的比强度和比模量，从而赋予碳纤维增强铝基活塞材料高强度比、高模量比、耐磨、耐高温、耐腐蚀和热膨胀系数小等优异性能。但是碳纤维铝基复合材料必须解决两个问题，其一：碳纤维与铝液在580℃左右会发生界面反应，烧伤碳纤维并形成杂质相；其二：碳纤维在铝液中的分散问题。
有许多研究碳纤维与铝液发生界面反应的报道，目前通用方法是在纤维表面预镀一层隔离层，这样就能将含有镀层的纤维直接加到铝液中而不会发生界面反应，从而很好解决了界面反应问题。CN1124308A公开了在碳纤维表面包覆SiC隔离层的处理方法。
传统的制作碳纤维铝基复合材料的方法是热压扩散粘结法和挤压铸造法。热压扩散粘结法是用CVD法在碳纤维表面镀覆Ti-B隔离层后再浸入熔融铝液制成预浸丝，或用等离子喷溅法将熔融状态的铝直接喷镀到碳纤维上制成预浸带，排放好的预浸丝或预浸带再经高温加压扩散粘结成型，其缺点是：只适用于制造形状简单、尺寸较小的零件，且制作成本高。挤压铸造法是将熔融铝及铝合金强制压入内置碳纤维预制件的固定模腔，压力一直施加到凝固结束，铸造压力对铝基复合材料的性能有较大影响，其缺点是：设备和操作复杂，且对压力的控制要求较高，预制件容易变形。
三、发明内容
本发明旨在提供一种碳纤维增强铝活塞材料，所要解决的技术问题是表面包覆有隔离层的碳纤维在熔融的铝基合金中均匀分散。
本发明所提供的碳纤维增强铝基活塞材料，由表面包覆有隔离层的碳纤维和活塞铝基合金材料所组成，其特征是以体积百分比计表面包覆有隔离层的碳纤维10～30vt％、铝基合金材料70～90vt％。
本碳纤维增强铝基活塞材料的制备方法，以碳纤维和铝基合金为原料，包括碳纤维表面包覆处理、熔融混合、铸模和热处理，所述的熔融混合是首先将铝基合金材料于电阻炉中升温至全部熔融，保温10～20min后加入预热至500～600℃的经表面包覆处理的碳纤维，用频率20～50KHz超声波搅拌，脉冲占空比0.8，搅拌均匀后浇注到预热的模具中成型，冷却后取出经T6热处理即得纤维增强铝基活塞材料。
本发明提供一种制备碳纤维铝基合金的方法，工艺简单，成本低，且很好的解决了碳纤维分布不均匀和发生界面反应问题。制造出来的碳纤维增强铝基复合材料具有优良的力学性能。
四、具体实施方式
现以碳纤维T50、铝基ZL109为例，非限定实施例叙述如下：
1、按体积份数碳纤维T50为10％、铝基ZL109为90％。
步骤一、对碳纤维T50表面包覆SiC隔离层预处理，将SiC颗粒分散于由聚碳硅烷和溶剂正己烷配制的溶胶中形成悬浮液，碳纤维通过该悬浮液进行超声涂覆，最后干燥脱水得到表面包覆SiC隔离层的碳纤维T50(参见CN1124308A)。
步骤二、将铝基ZL109在740-780℃用电阻炉进行熔炼，全部融化后保温10-20min。
步骤三、预处理后的碳纤维T50预热至500-600℃，然后直接加入铝液中，将超声波传感器的尖端放入接近铝液的底部进行搅拌，超声波频率为20KHz，脉冲的占空比为0.8，搅拌功率由电阻炉大小而定，比如3000-5000W，时间为30-50s；然后将搅拌均匀的熔融液浇注到预热温度为150℃的金属型模具中，冷却后，将其取出，再经T6热处理，即制得碳纤维增强铝基复合材料。
2、体积份数碳纤维T50为20％、铝基ZL109为80％。
步骤一、二、三同例1。
3、体积份数碳纤维T50为30％、铝基ZL109为70％。
步骤一、二、三同例1。
上述所制得的碳纤维增强铝基复合材料的力学性能见表1。
表1碳纤维增强铝基复合材料的力学性能
Claims (1)
1.一种碳纤维增强铝基活塞材料的制备方法，以碳纤维和铝基合金为原料，包括碳纤维表面包覆处理、熔融混合、铸模和热处理，其特征在于：所述的熔融混合是首先将70-90vt％铝基合金材料于电阻炉中升温至全部熔融，保温10-20min后加入预热至500～600℃的10-30vt％表面包覆SiC隔离层的碳纤维，用频率20～50KHz、脉冲占空比0.8超声波搅拌，搅拌均匀后浇模，冷却后取出经T6热处理。
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