CN106702201B

CN106702201B - 一种汽车活塞碳化硅颗粒增强铝基复合材料及加工工艺

Info

Publication number: CN106702201B
Application number: CN201510456406.5A
Authority: CN
Inventors: 刘海洋; 牛小城; 张辉; 牛仕龙
Original assignee: HUNAN HENGYU NEW MATERIAL TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: HUNAN HENGYU NEW MATERIAL TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Priority date: 2015-07-30
Filing date: 2015-07-30
Publication date: 2018-10-23
Anticipated expiration: 2035-07-30
Also published as: CN106702201A

Abstract

本发明涉及一种汽车活塞碳化硅颗粒增强铝基复合材料及加工工艺，所述加工工艺包括选取Al Fe0.8‑1.0V0.8‑1.5Si1.4‑2.2合金为基体合金，在炉内将合金熔炼，将上述熔炼的合金熔液通过多级快速凝固制粉设备雾化制得合金粉，通过筛分获得不同粒径段的合金粉；将碳化硅粉预处理；依据级配理论，按合金粉:碳化硅粉分别倒入球磨混料机中搅拌均匀混合；将上述混合均匀的粉末通过液压机压制成一定形状的生坯料，用挤压型铝套将生坯料包裹；除去包套内的空气，优化高密度坯锭，再放置于真空加热设备中保温，使坯锭致密化；将致密化后的坯锭迅速放入热挤压设备挤压成棒料；将棒料机械加工成汽车活塞所设计尺寸、形状。

Description

一种汽车活塞碳化硅颗粒增强铝基复合材料及加工工艺

技术领域

本发明涉及一种汽车活塞碳化硅颗粒增强铝基复合材料及加工工艺，其属于汽车活塞加工领域，提供了一种汽车活塞碳化硅颗粒增强铝基复合材料及加工工艺。

背景技术

活塞是发动机中工作条件最复杂的零件，作用在活塞上的有气体力和往复惯性力，活塞顶部与高温燃气直接接触，使活塞顶部的温度很高，同时活塞在侧压力的作用下沿气缸壁面高速滑动，由于润滑条件差，因此摩擦损失大，磨损严重。为了保证发动机可靠工作，对活塞特别是其顶部有严格的要求。在使用中，活塞顶部由于受到高温、高压、燃烧和腐蚀作用，其主要失效形式为顶部热裂纹、烧蚀、烧穿等，所以活塞顶部应有较好的耐高温和耐腐蚀性能、良好的散热性和足够的刚度、强度等力学性能。

活塞头部分的工况恶劣，而裙部大多是导向的作用，磨损要小很多。在开发高功率的发动机时，爆发压力增加了，而原来使用的铝合金活塞不能用了，因此使用铸铁或钢生产活塞，但这样活塞也变重了，为了减轻活塞的重量，就出现了组合活塞。但现在有发现组合活塞有很多问题，所以全钢活塞也出现了。因此分开制造的目的为减轻活塞重量。

活塞是发动机的关键零部件之一，所处的工作环境非常恶劣：承受着交变的机械负荷和热负荷，工作温度很高(顶部高达600～700K)，顶部承受气体压力很大(在汽油机中达到3～5MPa)；在气缸内往复运动的速度很高(10～14m/s)。因此，活塞材料有着苛刻的要求：质量轻、强度高、耐磨性好、尺寸稳定性高、导热性好等。

随着发动机朝着大功率和高热效率的方向发展，活塞材料也在不断改进，从传统的铸铁、铸钢到铝合金再到最新研究的铝基复合材料活塞。表1对这几种活塞材料的物理力学性能进行了比较，从中可更清楚地了解到铝基复合材料的优越性。

表1几种活塞材料的物理力学性能比较

铝基复合材料应用于活塞的性能(如耐磨性、高温力学性能、尺寸稳定性)研究已取得一些进展。铝基复合材料的颗粒增强相可以是Al₂O₃、Al₂O₃+SiO₂、SiC、C或Ti₂B等，将这些颗粒材料经过特殊处理后用特种方法加入铝液而使其弥散分布，可增强活塞整体和局部的耐磨性并大大减轻其质量。结果表明，这两种复合材料在300℃下的线膨胀系数均比ZL108铝合金降低了20％～30％，可见其在高温环境中尺寸稳定性更好。目前铝基复合材料的制备工艺复杂、成本高、工艺不完善，在活塞上的应用带来很大困难。针对以上技术难题本发明专利提供一种汽车活塞碳化硅颗粒增强铝基复合材料及加工工艺。

发明内容

本发明专利提供一种汽车活塞碳化硅颗粒增强铝基复合材料及加工工艺。

本发明专利所采用的汽车活塞碳化硅颗粒增强铝基复合材料的加工工艺包括如下步骤：

A、选取(Al Fe0.8-1.0V0.8-1.5Si1.4-2.2)合金(即8009铝合金)为基体合金，在炉内例如箱式电阻炉150kg级合金熔炼炉或50kg级中频感应炉或50kg级真空熔炼炉中将合金熔炼，例如600-1500℃，优选1000～1200℃熔炼保温2-10h；

B、将上述熔炼的合金熔液通过多级快速凝固制粉设备雾化制得合金粉，通过筛分获得不同粒径段的合金粉；

C、将碳化硅粉预处理；

D、依据级配理论，通过将步骤B的合金粉筛分获得中值粒径(D50)为5微米以上且35微米以下的合金粉，将步骤C的碳化硅粉筛分获得中值粒径为10微米以上且50微米以下的碳化硅粉，按合金粉:碳化硅粉＝60～95:40～5，优选60～80:40～20的体积比，将中值粒径为10微米以上且50微米以下的碳化硅粉、中值粒径为5微米以上且35微米以下的合金粉分别倒入球磨混料机中搅拌均匀混合；

E、将上述混合均匀的粉末通过液压机压制成一定形状的生坯料(例如在100-1500MPa的压力下)，用挤压型铝套将生坯料包裹；

F、将上述包套内的空气通过真空设备除去包套内的空气，优化高密度坯锭，再放置于真空加热设备中保温一段时间(例如在350-600℃温度保温1-6H)，使坯锭致密化；

G、将致密化后的坯锭迅速放入热挤压设备在400-580℃温度下以400-1500t压力以挤压速度0.4mm/s-1mm/s、挤压比10-25挤压成棒料；

H、将棒料机械加工成汽车活塞所设计尺寸、形状，即可获得碳化硅颗粒增强铝基复合材料的汽车活塞，

所述碳化硅粉的预处理包括：将碳化硅粉和酸性溶液(1～30wt％盐酸溶液，优选5％盐酸溶液)加入除杂反应釜中环境温度(25℃-40℃)1-2h充分反应除去杂质(如Fe₂O₃等)后加入弱碱(例如5-10％氢氧化铝[Al(OH)₃]溶液，优选8％氢氧化铝溶液)至中性；

将碳化硅粉沉积分离，再用蒸馏水清洗干燥；

将碳化硅粉体加入含有包括35～45wt％有机硅(硅烷偶联剂类例如硅烷偶联剂Z-6040)、5-15％有机氟(含氟羧酸例如氟羧酸BYK-P104S)、35～45wt％乙醇，5～15wt％水的处理剂的表面处理反应釜中，在温度40℃-60℃条件下充分搅拌(搅拌转速300-1000r/min)2-6h；

将碳化硅粉沉积分离，用去离子水清洗，烘干得产品。

检测碳化硅粉体性能，分散性在1-5*10^-5之间、湿润性在10-30％之间、接触角0-25°。所述碳化硅粉纯度98％以上。

上述预处理可以按照中国专利201410172870.7的方法来进行。

所述挤压型铝铝套优选为铝6061、铝6063。

优选地，在步骤D中，20-30体积份，优选25体积份W5-8(中值直径50为5-8微米)的合金粉、35-45体积份，优选40体积份W10-14(中值直径10-14微米)的合金粉、10-20体积份，优选15体积份W25-30(中值直径25-30微米)的合金粉与5-15体积份，优选10体积份W10-12(中值直径10-12微米)的碳化硅粉、5-15体积份，优选10体积份W40-45(中值直径40-45微米)的碳化硅粉混合。

本发明还涉及通过上述加工工艺制备的汽车活塞碳化硅颗粒增强铝基复合材料。该复合材料的室温力学性能、350℃高温力学性能、20℃时的线膨胀系数满足汽车活塞的使用要求。

附图说明

图1为本发明加工工艺的流程图。

具体实施方式

以下通过具体实施方式来说明本发明。

实施例1

制备S20的碳化硅颗粒增强铝基复合材料的汽车活塞。

如图1所示，制备过程包括：

A、将Al Fe0.8-1.0V0.8-1.5Si1.4-2.2合金50kg级真空熔炼炉中以800℃高温熔炼保温4h。

B、通过多级快速凝固制粉设备雾化制得合金粉，通过筛分获得不同粒径段的合金粉。

C、按照碳化硅粉按专利201410172870.7的方法，碳化硅粉的体积百分比为70％，5％盐酸溶液的体积百分比为30％，将上述配比好的碳化硅粉、盐酸溶液加入反应釜中(环境温度为25℃-40℃)1.5h充分反应后沉积分离。

先用弱碱性溶液(8％氢氧化铝溶液)洗至中性，再用去离子水清洗、干燥，检测干燥好的碳化硅粉体性能。

将50体积％碳化硅粉体及50％体积分数的包括有机硅(硅烷偶联剂Z-6040)40wt％、有机氟(含氟羧酸BYK-P104S)表面活性剂10wt％，乙醇40wt％、水10wt％的混合溶液，加入表面处理反应釜中，在50℃恒温条件下搅拌3h(搅拌转速500r/min)。

上述在反应釜中充分反应后，沉积分离。将分离出来的碳化硅粉清洗、烘干，检测粉体性能。

结果分散性在2×10^-5、湿润性在20％之间、接触角10°。

D、将上述获得的合金粉和碳化硅粉进行筛分，获得W5-8(是指中值粒径D50在5-8微米，下同)、W10-14(中值粒径为10-14微米)、W25-30(中值粒径25-30微米)的合金粉以及W10-12(中值粒径10-12微米)，W40-45(中值粒径为40-45微米)的碳化硅粉，依据级配理论，选用25体积份W5-8的合金粉、40体积份W10-14的合金粉、15体积份W25-30的合金粉以及10体积份W10-12的碳化硅粉、10体积份W40-45的碳化硅粉，分别倒入球磨混料机中搅拌45min均匀混合。

E、将混合均匀的粉通过液压机采用600MPa的压力压制成圆柱形生坯料。

F、将上述生坯料采用6061铝套包裹，使用真空泵去除铝套内及铝套内生坯料中的气体，将上述坯锭放止于真空加热设备中以580℃保温2h使其致密化。

G、将上述致密化的坯锭迅速在1200t的热挤压机中以挤压速度0.5mm/s、挤压比20挤压成棒料。

H、将所得棒料去除包裹的铝，再通过机械加工至活塞所需的尺寸、形状，即可获得碳化硅颗粒增强铝基复合材料的汽车活塞。

所获得汽车活塞碳化硅颗粒增强铝基复合材料的性能如下：

室温力学性能：σ_b＝400～420MPa，σ_s＝350～360Mpa，δ>6％。

350℃高温力学性能：σ_b＝180～200Mpa，σ_s＝150～180Mpa，δ>6％。

20℃时的线膨胀系数(Coefficient of Thermal Expansion)：CTE＝18～21×10^-6/℃。

此外，该铝基复合材料的热疲劳性能，磨损率等技术指标均能够满足汽车发动机活塞的使用要求。

Claims

1.一种汽车活塞碳化硅颗粒增强铝基复合材料的加工工艺，其包括如下步骤：

A、选取Al Fe0.8-1.0V0.8-1.5Si1.4-2.2合金为基体合金，在炉内在600-1500℃将合金熔炼；

B、将上述熔炼的合金熔液通过多级快速凝固制粉设备雾化制得合金粉；

C、将碳化硅粉预处理；

D、依据级配理论，通过将步骤B的合金粉筛分获得中值粒径D50为5微米以上且35微米以下的合金粉，将步骤C的碳化硅粉筛分获得中值粒径为10微米以上且50微米以下的碳化硅粉，按合金粉:碳化硅粉＝60～95:40～5的体积比，将中值粒径为10微米以上且50微米以下的碳化硅粉、中值粒径为5微米以上且35微米以下的合金粉分别倒入球磨混料机中搅拌均匀混合；

E、将上述混合均匀的粉末通过液压机压制成一定形状的生坯料，用挤压型铝套将生坯料包裹；

F、将上述包套内的空气通过真空设备除去包套内的空气，优化高密度坯锭，再放置于真空加热设备中在350-600℃温度保温1-6小时，使坯锭致密化；

G、将致密化后的坯锭迅速放入热挤压设备在400-580℃温度下以400-1500t压力，以挤压速度0.4mm/s-1mm/s、挤压比10-25挤压成棒料；

所述碳化硅粉的预处理包括：将碳化硅粉和酸性溶液加入除杂反应釜中环境温度1-2h充分反应除去杂质后加入弱碱至中性；将碳化硅粉沉积分离，再用蒸馏水清洗干燥；将碳化硅粉体加入含有包括35～45wt％硅烷偶联剂类、5-15wt％有机氟、35～45wt％乙醇，5～15wt％水的处理剂的表面处理反应釜中，在温度40℃-60℃条件下充分搅拌2-6h；将碳化硅粉沉积分离，用去离子水清洗，烘干得产品，其中碳化硅粉体的分散性在1-5×10^-5之间、湿润性在10-30％之间、接触角0-25°，

其中，在步骤D中，将20-30体积份W5-8即中值直径50为5-8微米的合金粉、35-45体积份W10-14即中值直径10-14微米的合金粉、10-20体积份W25-30即中值直径25-30微米的合金粉与5-15体积份W10-12即中值直径10-12微米的碳化硅粉、5-15体积份W40-45即中值直径40-45微米的碳化硅粉混合。

2.根据权利要求1所述的加工工艺，其中，所述挤压型铝铝套为铝6061、或铝6063。

3.根据权利要求1所述的加工工艺，其中，在步骤D中，将25体积份W5-8即中值直径50为5-8微米的合金粉、40体积份W10-14即中值直径10-14微米的合金粉、15体积份W25-30即中值直径25-30微米的合金粉与10体积份W10-12即中值直径10-12微米的碳化硅粉、10体积份W40-45即中值直径40-45微米的碳化硅粉混合。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的加工工艺，其中，酸性溶液为1-30wt％盐酸溶液，弱碱为5-10％氢氧化铝溶液，有机氟为含氟羧酸。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的加工工艺，其中，步骤A中，在箱式电阻炉150kg级合金熔炼炉或50kg级中频感应炉或50kg级真空熔炼炉中将合金在1000～1200℃熔炼保温2-10h。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的加工工艺，其中，步骤D中，按合金粉:碳化硅粉＝60～80:40～20的体积比。

7.通过权利要求1-6中任一项所述的加工工艺制备的汽车活塞碳化硅颗粒增强铝基复合材料。