CN104475697A - 短纤维/SiCp增强泡沫铝基轴瓦的半固态制备工艺 - Google Patents

Abstract

短纤维/SiC_P增强泡沫铝基轴瓦的半固态制备工艺，先预先准备的纳米颗粒状TiH₂发泡剂、微米颗粒状SiC颗粒以及短纤维添加到微米颗粒状铝基体材料内，均匀混合后制成混合材料并在半固态等温处理装置的模具型腔内壁上涂抹隔离剂；接着，通过半固态等温处理装置将混合材料加热到铝基体材料的半固态区间并保温以形成半固态状的轴瓦坯料；随后，对该轴瓦坯料进行镦压处理以提高其致密性；最后，将镦压后的轴瓦坯料取出、冷却后精加工，从而制备出短纤维/SiC_P增强泡沫铝基轴瓦，本发明制备的轴瓦具有质量轻、抗震性能好、低摩擦、高韧性、高致密度、便于润滑的优点。

Description

短纤维/SiCp增强泡沫铝基轴瓦的半固态制备工艺

技术领域

本发明属于多孔泡沫金属材料制备技术领域，尤其涉及短纤维/SiC_P增强泡沫铝基轴瓦的半固态制备工艺。

背景技术

轴瓦作为汽车发动机的重要零件之一,其性能的优劣直接影响着发动机的速度、承载能力、工作可靠性和使用寿命。早期的轴瓦材料以巴士合金为主，但是由于承载能力太差、疲劳强度较低，且随着工作温度升高机械强度急剧下降，巴氏合金已不能满足汽车发动机的要求。现阶段汽车发动机轴瓦主要采用铜基和铝基合金两类轴瓦材料生产制造，其中，铝基合金轴瓦材料因具有良好的导热性、耐磨性、抗咬合性、耐磨性和疲劳强度，且比重较轻而被人们寄予厚望，但是其强度偏低，成为一个很严重的缺陷，此外，铝基轴瓦的润滑性能也是一个需要考虑的问题。

泡沫铝是一种在铝基体中均匀分布着大量连通或不连通的孔洞的新型轻质多功能材料，它兼有连续金属相和分散空气相的特点。陶瓷颗粒(如SiC、SiO₂、TiB₂、AL₂O₃等)增强泡沫铝基复合材料是近几年发展起来的一种新型泡沫金属材料，它在保持泡沫铝良好的功能特性(如超轻性、吸音性、耐燃性、吸收能量性、电磁波屏蔽性及环保性)的基础上，加入高强度、高硬度的陶瓷颗粒作为泡沫铝的增强体，从而提高材料的刚度、屈服强度以及抗拉强度等力学性能。

目前，制备陶瓷颗粒增强泡沫铝基复合材料的常规方法是熔体发泡法，其使用最普遍的陶瓷颗粒和发泡剂分别为SiC颗粒和TiH₂，制备SiC颗粒增强泡沫铝基复合材料的工艺流程为：首先将铝锭熔化，然后将经过热处理的SiC颗粒加入铝熔体并高速搅拌均匀，随后加入预处理过的发泡剂TiH₂，高速搅拌均匀后，保温一段时间，发泡剂TiH₂在高温下分解产生气体，则气体滞留在熔体内冷却凝固后即产生大量孔洞。

SiC颗粒增强泡沫铝基复合材料中均匀分布的气孔使金属发泡成为所需的结构和形状，同时均匀分布的SiC颗粒起到强化作用，但是存在韧性相对较差的缺点，此外，现有的SiC颗粒增强泡沫铝基复合材料的熔体发泡法存在的主要缺陷为：①制备过程中的搅拌方法大多是采用机械搅拌，通过搅拌桨的旋转带动铝合金熔体的高速旋转，以达到分散增粘剂、SiC颗粒以及发泡剂的目的，该方法虽然简单易行，但是整个搅拌过程不仅将铝液暴露于空气中浪费了热能，而且搅拌桨很容易在高温铝合金熔体中被腐蚀，需要经常更换搅拌桨从而造成生产的高成本和低效率；②会产生气泡分布不均匀且局部气泡尺寸过大，操作较难控制，且SiC颗粒的均匀分布也较难保证；③发泡剂TiH₂的初始分解温度(400℃)低，高温热分解速度快，使得气泡在金属熔体中的分布和长大难于控制，往往需要进行氧化或包覆处理，增加了制备工艺的复杂性，提高了生产成本。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供短纤维/SiC_P增强泡沫铝基轴瓦的半固态制备工艺，从而制备出具有质量轻、抗震性能好、低摩擦、高韧性、高致密度、便于润滑的半固态泡沫铝基轴瓦。

为了达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

短纤维/SiC_P增强泡沫铝基轴瓦的半固态制备工艺，包括以下步骤：

1)准备阶段，该阶段完成制备短纤维/SiC_P增强泡沫铝基的低摩擦轴瓦的初始准备工作，具体为：

1.1)将准备好的纳米颗粒状TiH₂发泡剂、微米颗粒状SiC颗粒以及短纤维添加到微米颗粒状铝基体材料内，均匀混合后制成混合材料，其中，纳米颗粒状TiH₂发泡剂的粒度大小为50～100nm，添加量为混合材料质量分数的1％～5％，微米颗粒状SiC颗粒的粒度大小为50～100um，添加量为混合材料质量分数的5％～15％，短纤维的直径为1～3um，长度为7～10um，添加量为混合材料质量分数的15％～20％，微米颗粒状铝基体材料的颗粒大小为50～100um；

1.2)给用于对步骤1.1)中得到的混合材料进行半固态等温处理的模具型腔内壁涂抹隔离剂，以促使最终制备的半固态的短纤维/SiC_P增强泡沫铝基轴瓦容易脱模；

2)制备阶段，该阶段完成制备具有半固态特性的短纤维/SiC_P增强泡沫铝基轴瓦，具体为：

2.1)将步骤1.1)得到的混合材料倒入制备轴瓦用的半固态等温处理装置的模具型腔内并均匀压实；

2.2)通过控制半固态等温处理装置将步骤2.1)倒入的混合材料加热到铝基体材料的半固态区间内并进行5～30min的保温处理，从而使分布在混合材料内部的铝基体材料转变为半固态浆料、同时使纳米颗粒状TiH₂发泡剂发生分解产生气泡；

2.3)对步骤2.2)初步形成的处于半固态状的短纤维/SiC_P增强泡沫铝基的轴瓦坯料进行镦压处理，其中，进行镦压处理时的镦压压力为10～20MPa，镦压时间为0～5min；

2.4)将经步骤2.3)处理后的短纤维/SiC_P增强泡沫铝基轴瓦坯料取出、冷却后精加工，从而制备出短纤维/SiC_P增强泡沫铝基轴瓦。

所述的半固态等温处理装置，包括第一底座1以及分别通过拉杆、螺母与第一底座1固连在一起的第二底座2和第三底座3，第一底座1的中间均布有八个顶杆盲孔1-1，第一底座1中间的通孔1-2内还配合有轴瓦成形下塞杆4，轴瓦成形下塞杆4中间凸出部分周向均布有八个供轴瓦成形顶杆5顺利通过的顶杆通孔4-1，在第二底座2与第三底座3的中间装配有中频感应加热装置6，中频感应加热装置6的内侧以及轴瓦成形下塞杆4凸出部分的上侧分别装配有轴瓦下垫圈7以及轴瓦上垫圈8，轴瓦下垫圈7和轴瓦上垫圈8之间放入成形轴瓦用的混合材料10，轴瓦下垫圈7和轴瓦上垫圈8的外侧配合的是中频感应加热装置6的不锈钢模套6-1，不锈钢模套6-1外侧配合有耐热绝缘材料6-2，耐热绝缘材料6-2的外侧分布有空心紫铜螺旋管6-3，轴瓦上垫圈8的上侧是轴瓦成形上塞杆9，轴瓦成形上塞杆9的下端外侧分布有第一排气槽9-1，且轴瓦成形上塞杆9的上端面分布有第二排气槽9-2。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：

1、通过本发明制备的短纤维/SiC_p增强泡沫铝基轴瓦具备泡沫铝基材料质量轻、抗震性能好的特性，此外，该轴瓦内部随机分布有大量均匀分布着大量连通或不连通的孔洞，在轴瓦工作之前，可使这些空洞内渗入一定的润滑油，从而达到减小轴瓦与轴颈的摩擦力的作用。

2、通过本发明制备的短纤维/SiC_p增强泡沫铝基轴瓦的微观组织特点是：在相对较软的半固态铝基体上均匀分布有硬质的SiC颗粒，这种组织具有“软硬兼备”的特点，是轴瓦合金材料的理想组织，在工作时，较软的铝基体组织首先被磨损下凹，可储存润滑油(由于磨损而显现出的微小空洞也可以存储润滑油)，形成连续分别的润滑油膜，硬的组成部分则起到支承轴颈的作用。这样，轴瓦与轴颈的实际接触面积大大减小，使轴瓦的摩擦减小，此外，较软的铝基体还可以承受冲击和振动，并使轴和轴瓦能很好的磨合，而且偶尔进入的外来硬质点也能被压入较软的铝基体内(或轴瓦内的微小空洞)，不擦伤轴颈。

3、通过本发明制备的短纤维/SiC_p增强泡沫铝基轴瓦最大的优势还在于：通过短纤维的添加，提高了铝基泡沫材料的韧性，从而提高了制备出的轴瓦的韧性。

4、本发明提供的短纤维/SiC_P增强泡沫铝基轴瓦的半固态制备工艺具有能够使短纤维及发泡剂产生的气孔都能够非常均匀的分布在铝基泡沫材料中的特点。此外，由于采用的是半固态成形工艺制备短纤维/SiC_p增强泡沫铝基的低摩擦轴瓦，因此，半固态保温处理时的温度设定在铝基合金的半固态区间内，所以发泡剂TiH₂初始分解温度(400℃)低的缺点反而成了优势，使用过程中不需要对其进行氧化或包覆处理，降低了制备工艺的复杂性，节约了生产成本。

附图说明

图1是本发明用到的半固态等温处理装置的结构示意图。

图2是本发明用到的半固态等温处理装置的三维示意图。

图3是图1中中频感应加热装置6的局部放大视图。

图4是图1中第一底座1的三维示意图。

图5是图1中轴瓦成形下塞杆4的三维示意图。

图6是图1中轴瓦成形上塞杆9的三维示意图。

图7是图1中成形轴瓦用的混合材料10的放大示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

短纤维/SiC_P增强泡沫铝基轴瓦的半固态制备工艺，包括以下步骤：

1)准备阶段，该阶段完成制备短纤维/SiC_P增强泡沫铝基的低摩擦轴瓦的初始准备工作，具体为：

1.1)参照图7，将准备好的纳米颗粒状TiH₂发泡剂10-1、微米颗粒状SiC颗粒10-2以及短纤维10-3添加到微米颗粒状铝基体材料10-4内，均匀混合后制成混合材料10，其中，纳米颗粒状TiH₂发泡剂10-1的粒度大小为50～100nm，添加量为混合材料10质量分数的1％～5％，微米颗粒状SiC颗粒10-2的粒度大小为50～100um，添加量为混合材料10质量分数的5％～15％短纤维10-3的直径为1～3um，长度为7～10um，添加量为混合材料10质量分数的15％～20％，微米颗粒状铝基体材料10-4的颗粒大小为50～100um；

1.2)参照图1及图3，给用于对步骤1.1)中得到的混合材料10进行半固态等温处理的由轴瓦成形下塞杆4上端外侧、不锈钢模套6-1内侧、轴瓦下垫圈7的上侧端面以及轴瓦上垫圈8的下侧端面组成的模具型腔内壁上涂抹隔离剂，以促使最终制备的半固态的短纤维/SiC_P增强泡沫铝基轴瓦容易脱模；

2)制备阶段，该阶段完成制备具有半固态特性的短纤维/SiC_P增强泡沫铝基轴瓦，具体为：

2.1)参照图1及图2，先上升轴瓦成形上塞杆9并取出轴瓦上垫圈8，接着将步骤1.1)得到的混合材料10倒入由轴瓦成形下塞杆4上端外侧、不锈钢模套6-1内侧、以及轴瓦下垫圈7的上侧端面组成的型腔，然后放入轴瓦上垫圈8将倒入的混合材料均匀压实；

2.2)给中频感应加热装置6的空心紫铜螺旋管6-3通入冷却水并加载中频交流电流，则由于电磁感应现象实现对在步骤2.1)倒入的混合材料10进行加热，通过控制使得加热温度稳定在半固态区间内并进行5～30min的保温处理，从而使分布在混合材料10内部的铝基体材料转变为半固态浆料、同时使纳米颗粒状TiH₂发泡剂10-1发生分解产生气泡，在混合材料10内部形成孔洞；

2.3)参照图1、图2及图3，待步骤2.2)完成时，则由于纳米颗粒状TiH₂发泡剂10-1发生分解产生气泡，在混合材料10内部形成孔洞，因此混合材料10膨胀，从而促使轴瓦上垫圈8向上运动一段距离，下降轴瓦成形上塞杆9快速镦压轴瓦上垫圈8，以完成对初步形成的处于半固态状的短纤维/SiC_P增强泡沫铝基轴瓦坯料的墩压处理，其中，进行镦压处理时的镦压压力为10～20MPa，镦压时间为0～5min。通过镦压处理可提高处于半固态状的短纤维/SiC_P增强泡沫铝基轴瓦坯料的致密性；

2.4)将经步骤2.3)处理后的短纤维/SiC_P增强泡沫铝基轴瓦坯料取出、冷却后精加工，从而制备出短纤维/SiC_P增强泡沫铝基轴瓦。

参照图1、图2、图3、图4、图5和图6，所述的半固态等温处理装置，包括第一底座1以及分别通过拉杆、螺母与第一底座1固连在一起的第二底座2和第三底座3，第一底座1的中间均布有八个顶杆盲孔1-1，第一底座1中间的通孔1-2内还配合有轴瓦成形下塞杆4，轴瓦成形下塞杆4中间凸出部分周向均布有八个可供轴瓦成形顶杆5顺利通过的顶杆通孔4-1，在第二底座2与第三底座3的中间装配有中频感应加热装置6，中频感应加热装置6的内侧以及轴瓦成形下塞杆4凸出部分的上侧分别装配有轴瓦下垫圈7以及轴瓦上垫圈8，轴瓦下垫圈7和轴瓦上垫圈8之间可放入成形轴瓦用的混合材料10，轴瓦下垫圈7和轴瓦上垫圈8的外侧配合的是中频感应加热装置6的不锈钢模套6-1，不锈钢模套6-1外侧配合有耐热绝缘材料6-2，耐热绝缘材料6-2的外侧分布有空心紫铜螺旋管6-3，轴瓦上垫圈8的上侧是轴瓦成形上塞杆9，轴瓦成形上塞杆9的下端外侧分布有第一排气槽9-1，且轴瓦成形上塞杆9的上端面分布有第二排气槽9-2。

本装置的工作原理为：

首先，给由轴瓦成形下塞杆4上端外侧、不锈钢模套6-1内侧、轴瓦下垫圈7的上侧端面以及轴瓦上垫圈8的下侧端面组成的模具型腔内壁上涂抹隔离剂，接着，利用本装置的中频感应加热装置6对放入模具型腔的混合材料10进行半固态等温处理，则分布在混合材料10内部的铝基体材料转变为半固态浆料、同时其中的纳米颗粒状TiH₂发泡剂10-1发生分解产生气泡，在混合材料10内部形成孔洞，于是混合材料10膨胀，从而促使轴瓦上垫圈8向上运动；随后，下降轴瓦成形上塞杆9快速镦压轴瓦上垫圈8，从而使作用在轴瓦上垫圈8上的镦压压力直接作用在处于半固态状的短纤维/SiC_P增强泡沫铝基轴瓦坯料上，则在镦压压力的作用下，该坯料的致密性将得到很大的提高；然后，下降轴瓦成形下塞杆4，由于轴瓦成形顶杆5的作用，轴瓦下垫圈7将会保持不动，则成形的短纤维/SiC_P增强泡沫铝基轴瓦坯料与轴瓦成形下塞杆4的接触面将得到分离；最后，上升轴瓦成形上塞杆9以及轴瓦成形下塞杆4，由于轴瓦成形下塞杆4中间凸出环的作用，轴瓦下垫圈7也会上升，从而可将短纤维/SiC_P增强泡沫铝基轴瓦坯料推出不锈钢模套6-1，因此，成型后的短纤维/SiC_P增强泡沫铝基轴瓦坯料很容易取出，参照图1、图2及图3。

Claims (2)

1.短纤维/SiC_P增强泡沫铝基轴瓦的半固态制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：

1)准备阶段，该阶段完成制备短纤维/SiC_P增强泡沫铝基的低摩擦轴瓦的初始准备工作，具体为：

1.1)将准备好的纳米颗粒状TiH₂发泡剂、微米颗粒状SiC颗粒以及短纤维添加到微米颗粒状铝基体材料内，均匀混合后制成混合材料，其中，纳米颗粒状TiH₂发泡剂的粒度大小为50～100nm，添加量为混合材料质量分数的1％～5％，微米颗粒状SiC颗粒的粒度大小为50～100um，添加量为混合材料质量分数的5％～15％，短纤维的直径为1～3um，长度为7～10um，添加量为混合材料质量分数的15％～20％，微米颗粒状铝基体材料的颗粒大小为50～100um；

1.2)给用于对步骤1.1)中得到的混合材料进行半固态等温处理的模具型腔内壁涂抹隔离剂，以促使最终制备的半固态的短纤维/SiC_P增强泡沫铝基轴瓦容易脱模；

2)制备阶段，该阶段完成制备具有半固态特性的短纤维/SiC_P增强泡沫铝基轴瓦，具体为：

2.1)将步骤1.1)得到的混合材料倒入制备轴瓦用的半固态等温处理装置的模具型腔内并均匀压实；

2.2)通过控制半固态等温处理装置将步骤2.1)倒入的混合材料加热到铝基体材料的半固态区间内并进行5～30min的保温处理，从而使分布在混合材料内部的铝基体材料转变为半固态浆料、同时使纳米颗粒状TiH₂发泡剂发生分解产生气泡；

2.3)对步骤2.2)初步形成的处于半固态状的短纤维/SiC_P增强泡沫铝基的轴瓦坯料进行镦压处理，其中，进行镦压处理时的镦压压力为10～20MPa，镦压时间为0～5min；

2.4)将经步骤2.3)处理后的短纤维/SiC_P增强泡沫铝基轴瓦坯料取出、冷却后精加工，从而制备出短纤维/SiC_P增强泡沫铝基轴瓦。

2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述的半固态等温处理装置，包括第一底座(1)以及分别通过拉杆、螺母与第一底座(1)固连在一起的第二底座(2)和第三底座(3)，第一底座(1)的中间均布有八个顶杆盲孔(1-1)，第一底座(1)中间的通孔(1-2)内还配合有轴瓦成形下塞杆(4)，轴瓦成形下塞杆(4)中间凸出部分周向均布有八个供轴瓦成形顶杆(5)顺利通过的顶杆通孔(4-1)，在第二底座(2)与第三底座(3)的中间装配有中频感应加热装置(6)，中频感应加热装置(6)的内侧以及轴瓦成形下塞杆(4)凸出部分的上侧分别装配有轴瓦下垫圈(7)以及轴瓦上垫圈(8)，轴瓦下垫圈(7)和轴瓦上垫圈(8)之间放入成形轴瓦用的混合材料(10)，轴瓦下垫圈(7)和轴瓦上垫圈(8)的外侧配合的是中频感应加热装置(6)的不锈钢模套(6-1)，不锈钢模套(6-1)外侧配合有耐热绝缘材料(6-2)，耐热绝缘材料(6-2)的外侧分布有空心紫铜螺旋管(6-3)，轴瓦上垫圈(8)的上侧是轴瓦成形上塞杆(9)，轴瓦成形上塞杆(9)的下端外侧分布有第一排气槽(9-1)，且轴瓦成形上塞杆(9)的上端面分布有第二排气槽(9-2)。